0 引言

作为第三代工业革命的核心技术，能源互联网概念逐渐得到广泛认同，将会有越来越多的新能源发电接入电网，原有各区域相对独立的交流电网也将互联互通[1-4]。基于电压源换流器的柔性直流输电技术，由于具有供电效率高，良好的分布式电源和储能设备接入能力，潮流快速控制能力；以及便于现有配电网的升级改造，有利于智能电网和能源互联网建设的特点[5-9]，而越来越成为国内外的研究热点。但由于具有柔性直流电网低阻尼的特性，一旦直流侧发生短路故障，故障初期电流上升率会远大于交流系统短路故障的电流上升率，可达到数kA/ms的量级。若仅凭与之相连的交流断路器几十毫秒的分断速度来切除故障，会使得直流线路上的短路电流快速增大；严重的会导致换流器等关键设备承受破坏性的电气应力而损坏，同时会影响与之相连的交流电网，威胁大电网的安全稳定运行。因此，在直流输电线路上配置能够在故障发生后快速响应、隔离故障的设备，成为解决这一问题的重要措施。

目前针对柔性直流电网的故障特性分析与直流故障隔离技术已有相应的研究。文献[10]-[12]通过分析故障后的电路结构，将故障分为换流器闭锁前与闭锁后两个阶段，分别推导出这两个阶段的直流侧故障电流表达式。其中文献[13]分析了真双极单极接地的故障过程，提出了一种新型故障限流单元。文献[14]-[19]针对断路器结构和限流原理进行分析，并仿真其在高压直流输电系统中的应用。其中文献[15]研究了机械式直流断路器与变压器型超导直流限流器的配合逻辑，并在等效系统中加以仿真分析。文献[17]介绍了直流断路器基本原理和实现方法，并对断路器的结构和参数选取进行了分析，并且对现有断路器主要结构进行综合比较。文献[20]-[23]介绍了现有超导限流器的分类及原理特性。其中文献[20]研究了限流器应用于双馈风机接入的系统，使风机能够实现故障穿越；文献[22]研究了桥式限流器结构与参数的选取依据，并在单端柔性直流系统中进行仿真分析；文献[23]针对多端高压直流输电系统中加装单一电阻型超导限流器，对于直流侧故障的改善程度加以研究。可以看出，现有研究大多对断路器或限流器进行单一研究，断路器与限流器配合使用的研究较少；同时仿真分析时为了突出所研究的器件的特性，会将系统等效为电源，这样无法反映出限流过程对于系统的影响，同时可能会存在由故障因其实际系统发生变化而使仿真结果不够准确。

基于此，本文提出一种电阻型超导限流器与混合式直流断路器配合故障保护策略，使柔性直流电网在发生极间短路时能够快速隔离故障，并使换流站具备故障穿越能力。

1 极间短路故障电流应力分析

1.1 MMC柔性直流系统简介

为了降低直流线路对地的绝缘水平，减少换流器数目，伪双极接线的柔性直流输电系统在实际工程中已有广泛应用。但由于没有接地的中性点，当任意一极直流电路发生故障时，整个伪双极系统将停止工作[25]。换流器是柔性直流电网系统的核心，其中采用半桥子模块（half-bridge sub-module, HBSM）的模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC），因具有开关损耗小、所用器件少的优点，是目前落地的柔性直流输电工程中使用最广泛的拓扑[12]。图1所示为采用半桥型MMC结构的换流器单端示意图，子模块结构如虚线框所示。

但当HBSM-MMC系统直流侧发生短路故障后，由于HBSM中有反并联二极管D1、D2，不能通过闭锁IGBT的方法来阻断故障电流。若仅依靠交流侧的断路器大约100 ms后分断，对于低阻尼的直流输电网络将会导致故障电流快速上升；此外由于MMC自身具有过流保护，在流过子模块的电流超过其额定值的两倍时将闭锁换流站。换流站闭锁后，交流系统通过反并联二极管向故障点馈入电流，会使短路电流进一步增大；另一方面，换流站重新投入需要子模块电容预充电等操作，不利于瞬时性故障的快速恢复。

1.2 基于MMC的直流侧短路电流分析

柔性直流输电系统发生极间短路时，故障电流大、上升速度快，对系统的稳定运行危害更加严峻；因此本文以极间短路故障为例，分析换流站闭锁前，桥臂和直流线路上的短路电流发展过程，对于换流站闭锁后短路电流将继续上升[25]。采用如图2所示仅含单台换流器的直流侧故障电路进行分析；对于两端系统，另一侧分析方法相同。

图1 单侧MMC换流器结构图
Fig.1 Structure of single-sided MMC converter

图2 单换流器直流侧故障分析模型
Fig.2 DC-side fault analysis model of single converter

极间短路故障发生换流器未闭锁时，交流电源三相对称，且对于交流侧相当于发生对称的三相短路，电路结构也对称，因此交流侧流入直流线路的电流为零。因此，分析直流线路的短路电流时可以忽略交流侧结构，得到等效电路如图3所示。

图3 故障后单侧换流器等效电路
Fig.3 Single-side converter fault equivalent circuit

其中，C0为子模块电容值，L0为每相桥臂电抗，R0代表换流器每相损耗，Ldc为直流线路上的平波电抗，Rdc为直流线路电阻；为等效每相所有子模块电容大小，由式（1）按能量相等的原则计算得出；

求解上述电路，可得到直流线路上短路电流表达式为[25]：

其中：

分析故障后桥臂上的短路电流，以a相上桥臂为例。由换流器的拓扑可知，流过桥臂的电流是交流侧线电流的一半，同时考虑桥臂对直流线路上电流的分流，可得桥臂电流表达式为：

其中，ηsa为a相电压初相位；Is3m是故障后交流侧线电流幅值。

图4所示为故障发生后直流线路电流变化示意图，其中实线表示公式推导结果，虚线表示仿真结果。假设0 s时系统发生极间短路故障，故障前直流线路上正常运行的电流为1 kA，仿真总时长0.8 ms。可以看出，对于换流站闭锁前直流线路上短路电流的大小，公式与仿真能够较好的拟合。由于直流系统具有低惯性、低阻尼的特点，短路电流上升速率很大，可达4 kA/ms；可在很短的时间内超过换流站的保护阈值，引起换流站闭锁。换流器闭锁后，一方面将继续改变故障电路的结构，交流系统经换流器中二极管续流，向直流侧故障点馈入能量，引起电流进一步增大，更加不利于系统中故障的隔离和清除；另一方面，换流器从闭锁到重新启动需要较长时间，对于已经清除故障的系统无法快速恢复正常运行。

图4 故障电流变化
Fig.4 Fault current curve

2 断路器与限流器配合的故障清除措施

为限制故障初期电流上升速度和幅值，维持直流线路电压，本文提出了限流器与断路器配合的故障处理策略。在单极线路上装设混合式直流断路器（Hybrid DC Circuit Breaker, H-DCCB）和电阻型超导限流器（Resistive Superconducting Fault Current Limiter, R-SFCL），利用超导材料在故障发生后能够快速失超、从零电阻状态进入高阻状态，从而自动限制断路器动作前系统故障电流的幅值和上升率，减小对断路器分断能力的要求；待直流断路器接到系统发出的跳闸指令，断路器正常动作，将故障线路从系统中切除，完成故障清除。

2.1 电阻型超导限流器原理分析

超导体有3个临界参量，临界电流、临界温度和临界磁场；任意一个参数超过临界条件，超导体就会从超导态时的0电阻状态进入失超状态，显示出电阻特性[21]。R-SFCL正是利用了超导体的这一特性。在系统正常运行时限流器所有参量均在临界范围之内，超导体处于零电阻状态，在系统中不产生损耗，对系统稳态运行无影响；故障发生后，流过限流器的电流超过临界条件，限流器失超，显示出高电阻特性。其投入和退出系统均不需要额外的控制，超过临界电流的故障电流本身即为超导带材的失超信号，只要电流条件超过临界值，限流器便自动成为接入系统的电阻，相当于增大了短路后直流系统的阻尼，对限制故障电流起到积极的作用。

图5 超导带材电阻线性拟合波形
Fig.5 Superconducting strip resistance linear fitting waveform

由于失超电阻受电流、温度和磁场强度3方面影响，变化过程为复杂的非线性过程。为重点分析加入电阻型超导限流器后的限流效果，不着重刻画限流电阻的变化过程，文献[24]实验得出的超导带材电阻线性拟合波形如图5所示，本文在后续仿真分析过程中，将会采用阶跃模型来模拟失超前后的电阻变化。

2.2 电阻型限流器对短路过程的影响

根据1.2节中公式（2），柔直系统直流侧双极短路故障发生后、换流站闭锁前直流线路上的故障电流表达式，通过改变直流线路上电阻型限流器的阻值大小，仿真分析电阻型限流器在故障发生初期、换流站闭锁前的时间内，对于直流线路上的故障电流幅值及上升率的限制情况。

故障电流随电阻型限流器阻值Rcl变化的仿真结果如图6所示。可以看出，随着限流电阻阻值增大，直流线路上的故障电流幅值和故障电流上升率均减小。与无限流器保护相比，当接入80 Ω的限流电阻时，故障后0.8 ms的短路电流幅值由4.2 kA减小至2.8 kA，电流幅值减小了33.3%；故障电流上升率由4 kA/ms减小为2.25 kA/ms。由此可知，电阻型超导限流器能够起到限制断路器动作前的故障电流幅值和上升速度的作用，对于断路器熄灭电弧、提高断路器切除故障线路的可靠性具有重要意义。

图6 电阻型限流器对故障电流的影响
Fig.6 Effect of resistive current limiter on fault current

2.3 直流系统故障清除条件

含电阻型超导限流器和直流断路器的柔性直流电网故障后的电路如图7所示，将交流系统和换流器等效为恒定直流电源udc，Ldc表示直流线路上的电感，经过直流断路器和故障负载形成闭合回路；其中故障负载值通常很小。

图7 柔性直流系统故障电路示意图
Fig.7 Fault circuit diagram of flexible DC system

由图5列写电路KVL方程：

整理可得故障电流变化率di/dt表达式为：

若要使断路器能够分断故障电流，需要创造一种工况使得电流变化率di/dt＜0，即：

与线路中不装设限流器相比，若在电流变化率满足di/dt＜0，忽略较小的故障电阻应有；即断路器两端的电压ubreaker应超过系统电压udc才能实现分断电流的目标。加入电阻型超导限流器后，限流器可以起到分压的作用，从而减小断路器两端承受的电压，同时减少混合式直流断路器中耗能支路吸收的能量，从电压的角度对断路器清除直流故障起到积极作用。

2.4 直流断路器分断原理分析

图8所示为混合式直流断路器结构示意图。

图8 混合式直流断路器结构示意图
Fig.8 Schematic of a hybrid DC circuit breaker

混合式直流断路器主要由3个支路组成。系统正常运行时，负荷电流完全流过主支路；分断故障线路时主支路闭锁，故障电流转换至转移支路；机械开关熄弧完成后转移支路中的电力电子模块闭锁，故障电流经耗能支路减小为零。其中能量耗散支路由金属氧化物压敏电阻（metal oxide varistor, MOV）构成，用于创造短路电流的过零点，并将能量以MOV上热量的形式耗散。

图9所示为直流断路器开断过程中两端电压与通过的电流示意图。图中上半部分为流过断路器的电流，下半部分为电压曲线。可以看出故障发生后，流过主支路的电流由正常负载电流变为迅速上升的故障电流；当电流流入转移支路时，主支路上电流下降为零，转移支路承载故障电流；转移支路闭锁后，电流只能通过耗能支路流通，随着通过的电流增大，MOV进入中电场区，并产生较高的残压。当MOV残压高于系统电压时，故障电流变化率将由正转负，故障电流开始下降并最终下降至零，断路器两端电压最终保持与直流系统电压相等。

图9 断路器承受的电压电流示意图
Fig.9 Voltage and current of the circuit breaker

综合上述分析，基于限流器和断路器配合的柔性直流输电故障保护策略，能够有效限制故障电流的幅值和上升率，为断路器切除故障创造有利环境，从而使换流器在故障后可能保持不闭锁的状态，使直流故障对所连接的交流系统影响较小。

3 HVDC系统仿真分析

为了验证上述理论分析的可行性，本文根据工程实际，在PSCAD/EMTDC仿真平台中建立了如图10所示的±200 kV双端伪双极柔性直流输电系统。其中，直流线路正常负荷电流为1 kA；站1采用定有功功率和定无功功率控制，功率参考值分别为400 MW和0 Mvar，站2采用定直流电压400 kV和定无功功率0 Mvar控制；MMC采用最近电平逼近调制；检测换流器桥臂电流达到器件额定电流的两倍时闭锁换流站。系统正常运行时，在线路中点设置永久性极间短路故障；限流器在故障发生1 ms后进入失超状态，按阶跃模型接入系统[24]；3 ms后系统保护装置检测到故障并向断路器发出跳闸指令，断路器开始动作；6 ms后机械开关熄弧完成，转移支路闭锁，MOV投入。包含DCCB与R-SFCL的系统结构如图10所示，系统主要参数见表1。

图10 双端伪双极系统结构图
Fig.10 Schematic of double-ended pseudo-bipolar system

表1 系统主要参数
Table1 Main parameters of system

参数 数值MMC额定容量SvN/MVA 400直流电压Udc/kV 400直流负荷/MW 400交流系统等效电抗Lac/mH 0.597平波电抗器Ldc/mH 20直流线路电阻R0/Ω 0.1每个桥臂子模块数N 250子模块电容C0/mF 12桥臂电感L0/mH 90

针对线路中3种不同保护配置情况进行仿真对比：直流线路上无断路器和限流器、直流线路上仅装设断路器无限流器以及同时装设断路器和限流器。仿真结果如下。

1）直流线路无断路器和限流器。

如图11所示，故障发生1.5 ms后换流器闭锁，闭锁前换流站出口电压由400 kV降至160 kV，故障电流由稳态运行的1 kA增大为7.5 kA；闭锁后换流站出口电压跌落至零，直流线路上的故障电流继续上升，最大值在故障发生后13 ms时达到12.5 kA；故障发生300 ms后故障电流达到稳态10.68 kA，由换流站续流二极管不控整流造成。若考虑直流线路不装设保护，由交流断路器在故障发生100 ms后切除故障，切除时刻直流线路故障电流为12 kA。故障同时造成交流侧公共连接点电压降低、电流增大。

图11 不含断路器与限流器的故障仿真结果
Fig.11 Fault simulation results without circuit breaker and current limiter

2）直流线路装设断路器无限流器。

直流线路上仅装设直流断路器无限流器，分析仿真结果图12。断路器中MOV投入前，直流线路电压与电流变化情况与1）中不加装保护时相同，换流站1.5 ms闭锁，闭锁时直流线路电流7.5 kA。故障发生6 ms直流断路器中MOV接入系统后，断路器两端电压超过系统电压，故障电流开始下降，故障发生8 ms后降至0 kA，表明断路器成功隔离故障，与无保护时故障电流不控整流稳态值10.68 kA不同；同样受MOV伏安特性曲线影响，同时换流站出口电压没有直接降为0而是产生了短时上升，在故障电流降至0后开始下降，并最终保持有效值约为300 kV的六脉动电压。加入断路器后，对交流公共连接点的电压产生了波形畸变，流入直流系统的交流电流为零。

图12 含断路器无限流器的故障仿真结果
Fig.12 Fault simulation results with circuit breaker but without current limiter

3）直流线路同时装设断路器和限流器。

在直流线路上装设断路器的基础上，故障发生1 ms后向系统中以阶跃模型投入60 W电阻型限流器，仿真结果如图13所示。

图13 含断路器和限流器的故障仿真结果
Fig.13 Fault simulation results with circuit breaker and current limiter

故障发生1 ms限流电阻接入时，故障电流继续上升但上升率显著减小，同时换流站出口电压上升，电阻型限流器两端承受较高的电压；故障6 ms断路器中MOV接入系统后，直流线路上的故障电流下降，故障电流峰值也明显减小，仅为6.7 kA；故障发生7 ms后故障电流减小至零，此时换流站出口电压也回到正常运行的400 kV；同时加入直流断路器和限流器的直流线路，在发生极间短路故障时换流站未发生闭锁，这对于故障清除后的系统重新恢复正常运行十分有利。同时从图13(b)中可以看出，采用限流器与断路器协调配合的控制措施，可以使直流侧极间短路故障对所连接的交流系统影响减小；公共连接点处的电压在直流侧故障被隔离后能快速恢复到故障前的状态，流入直流侧的交流电流也逐渐减小趋近于零。

图14为3种配置情况下直流线路上短路电流仿真结果。如图所示，采用限流器与断路器配合的故障处理措施可以可靠地切除故障线路；在故障电流上升阶段，加入限流器能够减小故障电流峰值和上升率；在电流下降的过程中可以增大故障电流下降速度并能缩短故障切除时间。由此可知，本文所提出的的限流器与断路器配合的柔性直流输电系统故障清除措施合理有效。

图14 3种保护配置下的故障电流波形
Fig.14 Fault current waveforms in three protection configurations

4 结论

本文通过推导柔性直流系统故障电流的暂态特性和电流表达式，发现直流侧故障发生时，会因直流系统阻尼小而使电流快速增长；通过电阻型限流器对短路过程的影响，提出了一种基于限流器和断路器配合的柔性直流输电故障保护策略；在 PSCAD/EMTDC平台参考工程实际参数进行仿真，验证所提出配合策略的合理性。仿真结果表明，本文所提方案具有以下优点：

1）在直流侧发生极间短路故障时，能够有效地抑制直流线路上故障电流峰值和上升速度，同时保持换流站故障时不闭锁，有利于故障清除后系统供电的快速恢复；

2）使直流侧故障对所连接的交流系统影响较小，由于直流侧故障导致的交流系统波动时间较短、幅值变化小，并能够在故障后很短时间内恢复到故障前的状态，保证交流系统的稳定运行；

3）正常运行时，断路器和限流器近似为直流线路，压降很小且几乎没有阻尼，不会在直流线路上产生额外损耗，但故障发生后又可以快速投入，对系统起到有效的保护。