柔性直流系统保护与故障穿越关键技术
汇报人：何佳伟单位：天津大学 个人基本信息 个人经历 2022.02-至今天津大学副研究员博导/硕导2021.06-2022.01天津大学博士后2010.09-2021.05天津大学本、硕、博导师：李斌教授 获奖与荣誉 主持国家自然基金、天津市自然基金等纵横向项目10余项一作/通讯发表SCI论文30余篇（中科院一区、Top24篇） 何佳伟 研究方向：电力系统保护与控制 入选第八届中国科协青年人才托举工程 入选首届中国电工技术学会优秀博士学位论文（全国5人） 获得2021年天津市技术发明特等奖（第3完成人） 获得2023年河南省科技进步一等奖（第4完成人） 入选斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单 汇报内容CONTENTS 研究背景 柔直故障分析与超高速保护 柔直电网自适应故障限流技术 四总结与展望 研究背景 我国在柔性直流输电核心技术和工程应用方面处于国际领先，开展了多端柔直混合直流、直流电网等多类型直流输电工程示范，电压等级和输送容量不断提升。 技术挑战 柔性直流电网在抵御卸故障方面却面临重大挑战！ 特征：直流故障电流幅值高、变化速度极快（1~2ms） 隔离：动作速度和最大切断能力受严峻挑战(数十kA）影响：单个故障波及整个直流电网（导致大面积停电） 如何在故障后实现系统的安全可靠穿越与快速自愈恢复 研究目标 攻克柔性直流电网故障安全穿越快速自愈难题： 显著提升柔性直流电网的运行安全性与供电可靠性 研究目标 攻克柔性直流电网故障安全穿越快速自愈难题： 显著提升柔性直流电网的运行安全性与供电可靠性 汇报内容CONTENTS 研究背景 柔直故障分析与超高速保护 柔直电网自适应故障限流技术 四总结与展望 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 毫秒级的超高速保护原理是柔性直流电网故障穿越的核心科学问题 存在难点：直流故障信号呈宽频分布，换流站控制快速响应，传统基于工频稳态量的保护原理难以适用创新思路：从故障波过程出发，分析直流区内外故障差异：研究基于时域暂态量的故障线路快速精准辩辨识原理。 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 直流线路单端暂态能量保护新原理 揭示了计及行波传输和线路参数频变的的区内外故障特性差异 提出了单端暂态能量超高速保护新原理：动作时间<3ms，提高1个数量级，耐受电阻从1002到3002 区内外故障特性 [lJiaweiHe,BinLi,etal.Simplified calculationmethod ofthresholdvalueforthenon-unittransient-voltagebasedprotectionJj.Int.J.Elec.PowerEner.Syst.,Jan.2022 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 直流线路单端暂态能量保护新原理 分析了计及行波传输和线路参数频变的正反向故障暂态电压特性差异 提出了基于线路暂态电压幅值比的方向识别判据，解决了传统单端量保护背侧故障误动作的难题a [2JJiaweiHe,ZhongrunXieBinLi,elal.Anovel directional pilotprotectionindependentof lineparamelersandboundaryelementsforMMC-HVIxCgridlJJ.Int.J.Elec.PowerEner.Syst.,Jan.2023 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 不依赖边界特性的单端阶段式保护原理 基本思想：段欠范围设计，超高速动作：I段过范围设计，与下一线路段配合 基于行波理论计算电压变化量（COV）、变化率、高频暂态量的沿线分布特征： 电压变化量的沿线衰减特征最为明显、单调特性最佳，作为阶段式保护设计的特征量。 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 不依赖边界特性的单端阶段式保护原理 快速返回判据：基于断路器跳闻暂态过压的返回判据，Ⅱ段范围内的下一线路故障时快速返回； 近端死区问题：近端COV小于远端故障，出现死区。提出基于BTW变换特性的防死区判据 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 不依赖边界特性的单端阶段式保护原理 研制直流线路单端阶段式COV保护装置，开展RTDS硬件在环实验测试：I段范围内故障保护快速动作，动作时间<3ms（含继电器出口时间）；IⅡI段范围内本线路故障可靠出口，动作时间<9ms：下一线路故障可靠不动作，线路边界缺失下有效保障保护的动作选择性。 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 时域电容电流全补偿的快速电流差动保护 基于线路分布参数模型，揭示了直流输电线路故障差动电流时空分布特征； 提出了计及参数分布频变特征，电容电流全补偿的快速时域电流差动保护 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 时域电容电流全补偿的快速电流差动保护 传统电流差动保护引入长延时躲故障初期分布电容电流，动作时间>600ms 所提方法自动补偿电容电流，无需引入延时，动作时间<30ms（计及通信延时） 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 免整定的暂态功率极性方向纵联保护 揭示了直流线路正反向故障下暂态功率极性特性差异：正向故障时暂态功率首极值极性为负，反向故障时暂态功率首极值极性为正 区内故障 区外故障 [5]李斌，何佳伟，冯亚东，等，多端柔性直流电网保护关键技术1].电力系统自动化2016,40(21）2-12[6]何佳伟，李斌，等.多端柔性直流电网快速方向纵联保护方案[.中国电机工程学报，2017,37（23)：6878-6887 创新点一：柔直电网故障分析与超高速保护原理 免整定的暂态功率极性方向纵联保护 提出了基于暂态功率极性的快速方向纵联保护新原理，研制的纵联保护装置样机经RTDS硬件在环测试：免整定，无需边界，动作时间<3ms（不计通信延时）。 [5]李斌，何佳伟*，冯亚东，等.多端柔性直流电网保护关键技术].电力系统自动化2016,40(21）2-12[6]何佳伟，李斌，等多端柔性直流电网快速方向纵联保护方案[].中国电机工程学报，2017,37(23：6878-6887 汇报内容CONTENTS 研究背景 柔直故障分析与超高速保护 柔直电网自适应故障限流技术 四总结与展望 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 有效的故障限流能够抑制故障电流快速上升，防止核心设备过流损毁，是柔直系统故障生存能力的关键技术保障 存在难点：传统方法直接加装限流电抗器，无法与DCCB协同配合，延长故障电流开断时间、增大断路器耗能容量一造价提升、可靠性降低 创新思路：从限流器新型拓扑结构出发，实现故障限流与开断的协同配合。 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 自适应限流型固态断路器 提出具有自适应限流能力的新型直流固态断路器：耦合直流故障限流与断流电流：消除电抗器对直流系统运行稳定性和断流速度的不利影响 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 D-T混合型直流故障限流器 发明D-T混合型自适应直流故障限流器，考虑柔直系统正反向故障限流需求的差异性，引入二极管一晶闸管混合设计，降低电力电子型故障限流器本体造价： 保障限流需求的前提下，与DCCB协同配合，缩短断流时间，大幅减小直流断路器MOV的耗能容量。 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 D-T混合型直流故障限流器 发明D-T混合型自适应直流故障限流器，考虑柔直系统正反向故障限流需求的差异性，引入二极管一晶闸管混合设计，降低电力电子型故障限流器本体造价； 保障限流需求的前提下，与DCCB协同配合，缩短断流时间，大幅减小直流断路器MOV的耗能容量。 限流器基本工作原理 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 D-T混合型直流故障限流器 以张北工程应用为例，与直接加装限流电抗器相比，正反向故障时故障电流抑制效果相近，故障电流抑制率为69.11% 断流时间由>6ms缩短至<2ms速度提升3倍：避雷器耗能容量大幅降低。 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 D-T混合型直流故障限流器 电感感值：4.8H-3.5H。按每150mH700万元估算，造价成本降低约0.6亿元 1耗能容量：DCCBMOV容量60MJ一15MJ，按20万元/MJ估算，造价成本降低约1.44亿元 1电力电子器件：D-T混合限流器需额外增设二极管、晶闸管，估算总成本约0.58亿元。增设耗能电阻，估算总成本约0.24亿元。 整体造价：降低约费用节约1.15亿元。 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 多端口限流器拓扑结构 针对多端口应用，提出多端口直流故障限流器。显著减少所需电力电子器件，降低投资成本：降低为传统拓扑的75%~55%（2端口~10端口） 多端口限流器 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 50kV模块化装置研制与测试 50kV模块化限流器研制：完成核心组部件（电抗器、耗能电阻、晶闸管阀组、二极管阀组和控制保护系统等）的参数选型、电气设计和结构设计，尺寸为：6.3米*3.5米*5.6米 阀组设计：晶闸管阀组采用12级脉冲晶闸管串联（含2级穴余），二极管阀组采用10级快恢复二极管串联（含2级亢余），仿真校核结温均在安全温度范围内（<125°C）。 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 50kV模块化装置研制与测试 直流限流器等效试验系统方案设计，完成核心组件（充电电源、电容器塔、陪试直流断路器等）的参数选型和结构设计，整体占地空间为：22米*宽8.5米*高7.5米。 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 创新点二：柔直电网自适应故障限流技术 50kV模块化装置研制与测试 正向故障时无限流装置反向故障时无限流装置正向故障加装限流电抗反向故障加装限流电抗正向故障时加装限流器反向故障时加装限流器 汇报内容CONTENTS 研究背景 柔直故障分析与超高速保护 柔直电网自适应故障限流技术 四总结与展望 总结 线路保护：提出了柔直线路暂态量超高速保护新原理，保护装置硬件在环测试动作时间<3ms，耐受过度电阻能力提升3倍以上：提出了基于线路精确模型的快速时域电流差动保护，不受电容电流影响，动作时间<30ms，缩短一个数量级；提出了直流线路暂态功率方向纵联保护新原理，保护装置硬件在环测试动作时间<3ms+通信延时，不依赖线路参数、不依赖边界、免整定。 故障限流：提出了J-D混合型直流故障限流器，在保证所需限流需求的前提下，有效减少所需的晶闸管器件数量；与直接配置限流电抗器的限流方案相比，能够大幅降低断路器MOV耗能容量。 确定了应用于舟山工程、张北工程时的限流器参数方案。以舟山工程岱山站为例：限流器故障电流抑制率达到近60%，DCCBM0V耗能降低60%以上（与直接加装限流电抗相比）：以张北工程应用为例，在保证相同限流效果的前提下，DCCBMOV耗能降低70%以上，可节省成本约1.15亿元。 展望 MMC构网的送端电网：沙戈荒、深远海大规模新能源基地远离主电网，需要利用构网型MMC实现系统的电压频率支撑，形成高度电力电子化（基至100%）电力系统 新问题：现有交流故障分析方法和保护原理适用性受到更为严峻的挑战，例如原有新能源接入交流电网的故障响应选代计算法无法适用。 展望 海上风电柔直送出系统：海上平台体积、重量受限，无法在线路两端加装限流电抗器：同时，海上平台可达性差，运维难度大。无边界/免整定保护原理、核心装备的轻型化等相关技术成为关键 衷心感谢 敬请专家批评指正
