柔性直流系统自适应故障限流技术装备及应用

研究内容 RESEARCHES 研究背景及技术现状 自适应直流故障限流技术研究 直流故障限流器的研制与应用 总结与展望 四 研究背景 柔性直流系统在无源网络支撑、区域电网灵活互联等方面优势突出，成为突破常规交直流输电技术局限、实现大规模可再生能源远距离外送的变革方向。 重要需求 柔性直流系统故障全局化特征凸显毫秒级时间尺度内不及时切除故障极易波及整个系统，造成设备损毁和全网停运。 电流幅值高■电流变化快 动作速度要求高最大切断能力挑战严峻 有效的故障限流成为保障柔性直流系统安全最迫切的关键技术 技术现状 根据工作原理的不同，直流故障限流技术主要可以分成三类：电抗器直接限流超导故障限流器和电力电子型故障限流器。 1.电抗器直接限流 典型工程应用：张北柔直电网 增大DCCB耗能 技术现状 根据工作原理的不同，直流故障限流技术主要可以分成三类：电抗器直接限流超导故障限流器和电力电子型故障限流器， 2.超导限流器 典型工程应用：南澳柔直系统 限流能力弱、造价成本高、运维难度大 技术现状 根据工作原理的不同，直流故障限流技术主要可以分成三类：电抗器直接限流超导故障限流器和电力电子型故障限流器 优点：利用电力电子支路实现电流转移，所需的电力电子基础技术成熟度高 缺点：拓扑结构复杂，新增电力电子器件多、成本高 研究内容 RESEARCHES 研究背景及技术现状 自适应直流故障限流技术研究 直流故障限流器的研制与应用 总结与展望 四 自适应直流故障限流技术研究 拓扑结构 基本思想与拓扑 核心元件参数设计 多端系统优化配置 传统限流思想在限流时将限流元件投入，需要电力电子器件“关断”能力：电流转移型限流器将限流元件一直投入，在不需要时将其“旁路”，无需“关断”能力; 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，引入二极管一晶闻管混合设计，降低限流器整体造价。 D-T混合型限流器拓扑 单向二极管支路阴极指向故障电流小的一侧！ 自适应直流故障限流技术研究 基本原理 基本思想与拓扑 核心元件参数设计 多端系统优化配置 传统限流思想在限流时将限流元件投入，需要电力电子器件“关断”能力：电流转移型限流器将限流元件一直投入，在不需要时将其“旁路”，无需“关断”能力 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，降低限流器整体造价。 限流器基本工作原理 自适应直流故障限流技术研究 核心元件参数设计 多端系统优化配置 L,+L,以电流抑制率为目标，根据正、反向最严重故障工况确定L、L,总感值L，L,：以电流抑制率为目标，根据仅L,投入下的最严重故障工况确定L,感值，然后确定L， 自适应直流故障限流技术研究 核心元件参数设计 多端系统优化配置 基本思想与拓扑 ■R,、R,：考虑二次限流需求，以DCCB重合前晶闸管可靠关断（续流降低到维持电流）为约束： ■例：系统绝缘恢复时间200ms~300ms按200ms内电感续流下降到晶闸管维持电流以下(<0.15A)即可确定衰减时间常数及对应的耗能电阻值 自适应直流故障限流技术研究 核心元件参数设计 多端系统优化配置 基本思想与拓扑 晶闸管与二极管选型：参数选型及串并联数量根据流经的最大电流、承受的最大电压进行确定R,可降低电抗器对系统动态响应和稳定性的不利影响，可根据系统稳定性校验考虑是否加装。 自适应直流故障限流技术研究 仿真测试 核心元件参数设计 多端系统优化配置 基本思想与拓扑 以舟山柔直系统舟岱站出口限流为例：在不同位置处进行无限流、电抗限流及限流器限流仿真对比。限流器故障电流抑制率为58.68%（与电抗限流基本一致）：与直接加装电抗器相比，DCCB耗能降低71.02% 自适应直流故障限流技术研究 核心元件参数设计 多端系统优化配置 基本思想与拓扑 考虑直流断路器的二次重合需求，限流器需具备二次限流能力：：二次故障电流抑制率为62.54%，避雷器总耗能抑制率为60.99%。 二次重合电流限制 自适应直流故障限流技术研究 核心元件参数设计 基本思想与拓扑 多端系统优化配置 多端系统中不同位置限流器对故障电流的限制作用相互影响，同一自标下，存在多个参数方案； 优化模型：系统限流电感总电感值最小、晶闸管并联电感最小为优化自标：断路器断流上限、换流站过流裕度为约束条件。 约束条件 自适应直流故障限流技术研究 核心元件参数设计 多端系统优化配置 张北柔直电网为例，分别计算限流器安装于线路两端、换流站出口两种情况下的最小电感需求值安装于线路两端，共需8组限流器，所需总电感为2.0376H(单极）：安装于换流站出口时，共需4组限流器，所需总电感为1.4554H（单极）。【现有工程配置总感值4.8H 优化总电感值L 自适应直流故障限流技术研究 核心元件参数设计 多端系统优化配置 与张北工程的配置方案相比，故障电流抑制能力一致的情况下总感值降低1.3H：与现有工程方案相比：故障电流抑制能力基本一致：避雷器耗能容量需求降低约45MJ,率超70%。 降低比 限流器优化配置结果 自适应直流故障限流技术研究 核心元件参数设计 多端系统优化配置 电感感值：4.8H一3.5H。按每150mH700万元估算，造价成本降低约0.6亿元■耗能容量：DCCBMOV容量60MJ一15MJ，按20万元/MJ估算，造价成本降低约1.44亿元电力电子器件：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1.22亿元。 研究内容 RESEARCHES 研究背景及技术现状 自适应直流故障限流技术研究 直流故障限流器的研制与应用 = 总结与展望 四 直流故障限流器的研制与应用 暂态电压电流抑制 限流器中晶闸管支路和二极管支路电压按限流期间直流电压在并联电感上的分压进行选型；DCCB跳闸后，避雷器的残余电压(1.5~2p.u.)一部分反向施加于二极管支路，导致暂态过电压。 晶闸管/二极管支路选型原则 直流故障限流器的研制与应用 暂态电压电流抑制 二极管支路、晶闻管支路引入保护用的限压避雷器，残余电压按支路额定电压选型值进行选取；测试结果：可以有效抑制暂态过电压，避雷器上耗散的能量很小，不会对短路电流产生影响 直流故障限流器的研制与应用 电流尖峰的抑制 暂态电压电流抑制 装置研制与测试 电流转移型限流器在DCCB跳闽瞬间导通转移支路（晶匣管支路）。跳闽瞬间线路电容、DCCB缓冲电容、限流器转移支路形成新的低阻通路，从而激励出较大的暂态电流尖峰。【换流站出口故障时，线路等效电容最大，暂态电流尖峰最大 暂态电流尖峰的产生 直流故障限流器的研制与应用 暂态电压电流抑制 引入晶闸管支路的延时导通机制，i避开DCCB跳闸瞬间线路电容、缓冲电容充电初始阶段，降低暂态电流应力； 仿真表明：晶闸管支路的延时投入可有效避免暂态电流尖峰，且对DCCB避雷器耗能影响极小。 直流故障限流器的研制与应用 装置研制与测试 暂态电压电流抑制 基于D-T混合型直流故障限流器拓扑，提出额定电压200kV、额定电流1kA直流限流器总体设计方案：采用4级50kV基本单元级联“矩阵式”结构布置方案结构紧凑、运维便捷，整机尺寸为：14米*6.2米*5.6米（长宽高） 直流故障限流器的研制与应用 200kV样机设计与研制 装置研制与测试 暂态电压电流抑制 限流器主要包括限流电抗、电力电子阀塔及供能变三部分：限流电抗采用上下叠加式结构：电力电子阀塔分为晶闸管层与二极管层：供能变提供驱动能量，放置于最底层。 直流故障限流器的研制与应用 装置研制与测试 暂态电压电流抑制 舟山工程应用可研 主要包含充电电源、电容阀塔、电抗器、陪试直流断路器等，利用电容、电感放电过程模拟柔性直流系统故障初期的短路电流冲击特性整体占地空间为：22米*宽8.5米*高7.5米。 直流故障限流器的研制与应用 装置研制与测试 暂态电压电流抑制 研制的直流故障限流样机于2025年1月24日通过专家现场见证试验； 绝缘试验：通过对地、端间的各项绝缘试验测试 运行试验：正、反向工况下无限流、电抗限流、限流器限流6种电流开断及限流试验测试 直流故障限流器的研制与应用 装置研制与测试 暂态电压电流抑制 舟山工程应用可研 在加装D-T混合型直流故障限流器后，正向故障时故障电流抑制率为52.71%，反向故障时故障电流抑制率为53.48%：故障电流尾流时间从3.03ms降低至1.26ms。 与直接加装电抗相比，DCCB避雷器耗能在正向故障时减少57.54% 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 避雷器耗能 直流故障限流器的研制与应用 装置研制与测试 舟山工程应用可研 舟山桑直改造工程新增中广核站、同时在舟洋站舟洋-舟岱线出口新增一组直流断路器： 将舟洋站出口平波电抗改造为直流故障限流器号（单向晶闸管型），验证所提限流器的基本性能(耗能降低、晶闻管驱动）。 直流故障限流器的研制与应用 装置研制与测试 舟山工程应用可研 采用4组50kV晶闸闻管阀组串联构成200kV晶闻管阀组； 国网浙江省电力有限公司经济技术研究院文件 驱动采用外部主供能和层间供能，不依赖系统供能； 浙电经研设【2026）217号 占地面积：2.5米*2.5米*4.95米（长*宽*高）。 国网浙江经研院关于国网舟山供电公司土200kV舟洋换流站直流断路器加装等2个技改项目可行性研究报告的评审意见 国网浙江省电力有限公司： 受国网浙江省电力有限公司的委托，国网浙江经研院于3月13日在杭州开展了国网舟山供电公可土200kV舟洋换流站直流断路器加装等2个技改项目可行性研完报告的评审工作。国网舟山供电公司和相关设计单位参加了评审，评审听取了工程介绍，并提出修改意见。现提出评审意见如下： 在直流场阅侧出线正极加装柔直故障限流器1台，额定电压土200kV，限流电抗值20mH，耗能电阻值2Q，DCCB流经最大电流20kA。布置在原有平液电抗器南侧空余位置。 直流故障限流器参数及阀塔结构 研究内容 RESEARCHES 研究背景及技术现状 自适应直流故障限流技术研究 直流故障限流器的研制与应用 总结与展望 四 总结与展望 总结 展望 提出一种D-T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的方案相比，大幅降低断路器MOV耗能容量； ■分析了限流器暂态过压、尖峰电流的产生机理，并通过并联避雷器、延时触发等方式有效降低限流器暂态应力； ■开展了自适应直流故障限流器样机研制与示范：采用4级50kV基本单元串联、"矩阵式”结构布置：完成200kV模块化样机研制及实验测试：通过舟山柔直改造工程可研评审，计划于2026年下半年投运。 总结与展望 总结展望 海上风电多端直流系统：海上平台体积、重量受限，无法在线路两端加装限流器与断路器，限流器的轻量化、免运维技术驱待突破： 特高压柔性直流组网：特高压柔性直流输电线路达数干公里，断路器耗能容量要求受限流电抗线路电抗的双重影响，如何降低线路电抗的影响值得关注， 心感谢各位专家：