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随着我国智能电网和全球能源互联网战略的推进,基于电网换相换流器的高压直流输电技术(Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)与基于电压源换流器的高压直流输电技术(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)由于具有输送容量大以及功率调控灵活等诸多优点,而被广泛应用于远距离电能传输和新能源并网等领域,成为构筑高压直流电网和未来能源互联网的关键技术。LCC-HVDC直流输电线路和VSC-HVDC直流输电线路(下共同简称高压直流输电线路)是大规模能源输送与互联的纽带,其运行的可靠性不仅影响着直流系统,也关系到互联交流系统的稳定运行。基于该技术背景,本文研究了高压直流输电线路的保护原理,提出了适用于多端VSC-HVDC系统和未来高压直流电网的直流线路故障隔离技术方案。具体研究内容如下:(1)系统分析了高压直流输电线路边界及故障暂态量特征。高压直流输电线路故障暂态期间将产生全频带的暂态分量,故障暂态中的交流分量蕴含丰富的故障信息,且受控制系统影响较小。本文系统分析了LCC-HVDC和VSC-HVDC直流线路边界阻抗特性,分析了故障暂态期间的全频电气量、特定频率电气量以及频带电气量的特征,为直流线路保护原理与方案的提出提供基础。对VSC-HVDC直流线路故障暂态的阶段性特征进行了详细分析,并分析了多端VSC-HVDC直流线路故障区段定位和故障隔离的要求。(2)针对传统利用暂态量的直流线路保护可靠性低的问题,提出了基于暂态频率电流波形特征的LCC-HVDC直流线路保护方案。基于LCC-HVDC线路边界阻抗特征,详细分析了暂态频率电流的幅值波形特征,利用暂态频率电流幅值方差值与均值之比,即波动系数来描述电流幅值波形波动的大小。直流线路区内、外故障时,暂态频率电流幅值波动系数差异明显,由此构造了基于波动系数的直流线路单端保护判据。仿真分析和故障录波数据测试表明,该保护方案能有效克服传统暂态谐波保护中谐波幅值低、易受干扰及过渡电阻的影响等缺陷,可实现LCC-HVDC直流线路全线速动保护。(3)针对直流长线路对故障暂态量的衰减作用明显导致故障检测难度大的问题,提出了基于频带暂态功率-阻抗的LCC-UHVDC(Utra High Voltage Direct Current)直流输电线路保护方案。该保护方案利用线路首端检测到的频带暂态功率(定义为暂态电压分量与暂态电流分量的乘积)识别直流线路故障和正向区外故障;利用线路两端暂态阻抗(定义为暂态电压分量与暂态电流分量之比)作为方向元件,构建纵联保护判据。仿真分析和故障录波数据测试结果表明,该保护方案能有效克服长直流线对暂态量衰减的问题,具有较强的抗过渡电阻能力,可实现LCC-UHVDC长直流线路的可靠保护。(4)针对传统LCC-HVDC直流线路保护应用于VSC-HVDC系统可靠性低的问题,提出了基于暂态电流相关性的两端VSC-HVDC系统直流线路保护方案。直流线路发生区内、外故障时,VSC-HVDC直流侧电容放电的路径有所差异,使得直流线路两端的电容支路暂态电流与直流线路端口处暂态电流特征差异明显。利用Pearson相关系数来描述电容支路与线路端口处暂态电流的差异程度,基于线路两端计算的相关系数构造了纵联保护判据。仿真分析表明,该保护方案不受高频分量、数据同步以及控制方式等因素的影响,且能克服非故障线路馈入电流的干扰,适用于多端VSC-HVDC系统。(5)针对多端VSC-HVDC直流线路缺乏线路边界导致故障区段定位难度大的问题,提出了基于暂态频带电压比的多端VSC-HVDC直流线路保护方案。通过在VSC-HVDC直流线路端串入边界电感,构造了直流线路新边界。分析线路单端边界电感两侧频带电压的特征,提出基于高定值暂态电压比的单端故判据;根据暂态频带电流的方向特征,提出基于线路双端暂态电压比的直流线路纵联保护判据。由单端故判据和纵联保护判据构建了多端VSC-HVDC直流线路保护方案。仿真分析和RTDS测试表明,该保护方案具有较强的抗过渡电阻能力,能实现多端VSC-HVDC直流线路故障快速、可靠的判别。(6)针对多端VSC-HVDC直流线路故电流峰值大,上升速度快使得故障线路隔离难度大的问题,提出了一种适用于多端VSC-HVDC直流线路的限流式故障隔离技术方案。针对目前高压直流断路器开断水平的限制,提出一种适用于多端VSC-HVDC系统的混合型限流电路,对该电路中的限流电感和能量耗散电路参数进行了详细的设计和分析。基于该限流电路,提出了一种适用于多端VSC-HVDC和未来高压直流电网的故障隔离方案。仿真分析和试验表明,在配合高压直流断路器开断故障时,该混合型限流电路能有效抑制故障电流,并加速故障切除;所提方案能有效实现故障线路隔离,并维持非故障系统稳定运行,提高了多端VSC-HVDC系统处理直流侧故障的能力。最后,对全文研究内容进行了概况总结,并对后续研究方向进行了展望。