- 頭條新保護方法，可有效抑制光伏電站直流匯集電纜的故障電流2019-07-25 作者：奚鑫澤、黃文燾 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語重慶大學電氣工程學院、云南電網有限責任公司電力科學研究院、上海交通大學電子信息與電氣工程學院的研究人員奚鑫澤、黃文燾、張林、孫磊、邰能靈，在《電工技術學報》2018年增刊2上撰文（論文標題為“基于串聯電抗的光伏電站直流匯集接入系統低壓電纜綜合保護方法”），針對光伏電站直流匯集接入系統，提出一種基于串聯電抗的低壓直流電纜綜合保護方法。通過在低壓直流電纜與電力電子裝置連接處串入限流電抗，抑制故障電流，以延長保護動作時間。本文改進了電流微分量的獲取方法，利用電纜兩側電壓和電流數據計算出電纜故障位置，實現直流低壓電纜保護。該保護方法不受故障類型、位置和過渡電阻的影響，采用故障動作判據簡單可靠，在保護動作的過程中，可以獲取故障位置，同時在數據不同步的情況下，該方法仍可實現正確動作。通過PSCAD/EMTDC仿真分析其有效性，仿真結果表明該方法能實現直流電纜保護和故障定位，適用于直流輸配電網。
隨著能源需求增加，光伏發電等可再生清潔能源發電技術得到迅速發展。與交流匯集方式相比，光伏電站因其直流輸出特性更易于實現直流匯集。光伏電站直流匯集方式具有以下優點：①直流升壓匯集線路損耗小、輸送容量大、效率高；②利于實現多端直流匯集直流升壓匯集（MTDC）及高壓直流輸電（HVDC）。
光伏電站直流匯集系統中DC-DC變換器和逆變器等含有大量電容元件，當直流電纜發生故障，直流側電容快速放電，放電電流將在幾毫秒內上升至峰值，故障放電過程對直流電網具有很強的沖擊，易造成電力設備的損壞。因此，限制故障電流和快速隔離故障成為直流電纜保護的關鍵問題。
一方面，在直流電纜增設必要的故障限流裝置，抑制故障過程對系統的沖擊和影響；另一方面，直流電纜保護方法應具備快速響應與判斷的能力，一旦發生故障，保護必須快速識別并隔離故障，確保電網和電力設備的安全。
由于直流電網的故障特征不同于交流電網故障特征，已有交流電網故障保護技術難以直接應用于直流電網。文獻[5,6]研究了基于直流電流變化量的地鐵直流系統保護，可以為光伏電站直流電纜保護提供參考；文獻[7,8]研究分析了直流配網的故障特性，其故障分析方法具有參考意義。
文獻[9]研究了光伏電站交流匯集系統的故障特性，并提出了線路距離保護方法；文獻[10]提出了適用于直流配電網的測距式保護方案，但所提保護算法需要增加電壓互感器；文獻[11,12]針對多端直流配電系統，通過電流或功率的突變量判斷是否發生直流故障，在故障發生后，采用握手方法實現直流故障的定位和隔離。
文獻[13]提出了基于混合型模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的主動限流控制方法，對研究兩電平換流器直流電網故障具有借鑒意義；文獻[14]提出了基于直流電壓變化率的直流電網直流故障保護方法；文獻[15]提出了一種具有直流故障限流能力的改進型子模塊MMC拓撲結構，能夠在故障時實現電流阻斷；文獻[16,17]研究了超導故障限流器在直流電網中的應用，探索了新技術在直流電網保護的應用前景。
本文針對大型光伏電站直流匯集電纜故障電流峰值高，上升速度快，具有很強的沖擊性的特點，提出了一種基于限流電抗的直流電纜綜合保護方法，并進行相應的仿真分析。
圖1 光伏電站直流升壓匯集系統拓撲
圖2 直流升壓匯集接入系統低壓拓撲結構
圖4 直流匯集低壓電纜綜合保護方案
結論
光伏電站直流升壓匯集系統直流線路故障電流峰值高，上升速度快，具有很強的沖擊性，為了抑制故障電流，保護系統脆弱元件，同時延長保護的動作時限，本文改進電流微分量的獲取手段，提出了直流電纜綜合保護方法。仿真結果表明，基于串聯電抗的光伏電站直流匯集接入系統低壓電纜綜合保護方法有以下優點：
1）能夠不受故障類型、位置和過渡電阻的影響，在5ms內快速識別和隔離極間故障及單級接地故障。
2）故障動作判據簡單可靠，并且可以得到故障位置信息，便于故障檢修。
3）受數據不同步影響小。在兩端數據不同步情況下，仍能可靠動作，通過與后備保護配合可消除數據不同步帶來的拒動風險。
本文所提方法在實現對直流匯集電纜保護的同時具備故障定位能力，具有較高應用價值。
