在多端柔性直流输电系统中的应用

直流侧故障影响到设备参数的计算和控制保护策略的设计，是直流输电系统必须考虑的一种故障类型。虽然处理直流侧故障有三类方法，但由于技术方面的制约，目前实际工程中仍采用交流侧断路器隔离故障。在这种处理方式下，系统检测到故障后闭锁换流站以防止桥臂过流，然后跳开各换流站交流侧断路器，切断交流侧电流馈入，直流电流随着桥臂电抗能量释放逐渐减小至零，最后跳开故障线路两端的快速直流开关。而其他换流站需要再次闭合交流断路器重新启动。这种处理策略在每次故障时都需要跳开交流断路器，使直流系统与外界交流系统解开，计及故障检测、识别、交流断路器动作和快速直流开关动作，整个故障清除过程长达数百毫秒，这将降低直流输电系统的可利用率 。

由于多端柔性直流输电系统存在多种短路类型和短路点，短路电流变化复杂，为使本文提出的直流断路器拓扑用于多端柔性直流输电系统时能够更加可靠的处理直流侧故障，需要对直流侧故障机理和各种故障类型下的电流变化规律进行研究，同时应结合系统原有的直流侧故障保护方法和直流断路器控制策略，合理整定直流断路器动作时序，确保整个系统安全可靠运行。

不同类型直流侧故障机理

采用双极对称传输方式的模块化多电平多端柔性直流输电系统，其直流侧故障一般分为三类：单极短路故障、双极短路故障和断线故障。单极短路故障时，由于直流侧经大电阻接地，近似开路，子模块电容没有放电通路，电容电压基本维持稳定；双极短路故障时，在换流器闭锁前，子模块电容通过上部全控器件形成放电回路，如图2a所示，同时交流系统通过子模块下部二极管构成能量馈流回路，相当于三相短路，如图2b所示，此时子模块电流由两者叠加构成，换流器闭锁后，全控器件关断，交流系统继续通过图2b所示电路馈入电流，直到交流侧断路器动作切断馈流回路。

直流断路器需求分析与参数配置

在直流断路器应用环境下，多端柔性直流输电系统主要故障类型可分为平抗内短路，平抗外短路和架空线路短路，每种短路又分为单极短路和双极短路。在各种类型短路故障中，换流站近端平抗内、外侧双极短路是较为严重的故障类型，其中又以平抗内双极短路故障最严重。2ms之内故障电流可达7kA，峰值电流17kA。

直流断路器应满足上述最严重故障下的动作要求。日前多端柔性直流系统直流侧故障保护方式主要有桥臂过流保护和阀直流过流保护，两者原有保护方案均取最高值为2p.u.，动作延时0.2ms，故障电流达到阈值时换流器启动闭锁保护，同时交流侧断路器动作切断交流电流的馈入。为最大限度抑制故障发展，使系统在故障恢复后能够快速地重新建立直流电压，直流断路器应在换流器闭锁之前动作，即使不能满足也应保证在换流器闭锁之后、交流侧断路器动作之前动作。在较低阈值的保护水平下，换流器将在1ms内闭锁，因此直流断路器也应在1ms内动作，在系统其他参数不变时直流断路器难以满足该要求。

为保证直流断路器可靠动作，对于故障电流水平较低的故障类型，提高原保护电流整定阈值即可满足要求；对于大容量换流站近端较严重的故障类型，除提高电流阈值之外，还应为直流断路器配置限流电感以限制电流上升率。