摘要：現(xiàn)代文明很大程度上取決于工業(yè)，商業(yè)，農(nóng)業(yè)，生活和社會的電能消耗。然而，對于目前高壓直流輸電系統(tǒng)，適當?shù)谋Ｗo裝置和邏輯并沒有達到像對交流那樣成熟。本文介紹了利用PSCAD，分析故障時對于HVDC電網(wǎng)的保護。

關鍵詞：故障電流；AC故障；直流故障；負載改變；高壓輸電；VSC-HVDC；上升時間；GTO；電壓源換流器；PSCAD

引言

高壓直流（HYDC）輸電是大部分電力傳輸未來的發(fā)展趨勢。輸電損耗和資本投資在超過一定距離的時候，將高于交流輸電系統(tǒng)。高壓直流輸電系統(tǒng)對環(huán)境造成的影響與HVAC系統(tǒng)相比更低。在直流輸電系統(tǒng)中，集成可再生能源將更廣泛的應用于電網(wǎng)中。

1 直流電網(wǎng)保護

由于缺乏確定的理解和定于標準，目前的直流電網(wǎng)保護方案仍不成熟。因此，在目前的直流輸電網(wǎng)絡中只限于點對點連接。

正弦電壓目前在交流與直流中的單向性的固有差異，建議這兩個系統(tǒng)的保護裝置都應該以不同的方式運行?，F(xiàn)有的交流斷路器都便捷的設計中斷故障電流為零交叉，但這是不存在的直流系統(tǒng)。

2 直流模型

二端的HVDC的典型網(wǎng)絡拓撲系，統(tǒng)一般情況下，模擬模型包括以下幾部分：

2.1無源濾波器

每個電源都是伴隨濾波器為了消除造成因為開關動作導致的不必要的濾波。脈沖寬度調(diào)整（PWM）技術產(chǎn)生一個非常高階的諧波，因此簡化了濾波器的設計。

變壓器：接地的星形一三角形變壓器加強適用于電壓等級所需轉(zhuǎn)換器。在星形中性點接地連接能夠支持零序的環(huán)電流在初級繞組，從而防止進入當前系統(tǒng)。

2.2變換器/逆變器

有違常規(guī)的晶閘管只可打開但不可關閉，封閉可關斷晶閘管（GTO）有更自由的控制。

2.3直流電容器

與具有最小波紋的恒定直流電壓差不多，在直流電容器換流站可消除這種波動，導致平滑的直流電壓。電容器的尺寸不應太大，只是為了確保當系統(tǒng)被干擾而中斷時的穩(wěn)定。

2.4換向器

換向器是指過程關斷晶閘管。整流逆變是自然或強制來完成環(huán)流的。在自然換向中，換向器無需其他任何外部裝置即可實現(xiàn)。它不能用于直流系統(tǒng)，因為其單向品質(zhì)而強制換向通過外部回路實現(xiàn)。這有助于減少傳輸電流，使其低于正常維持電流。

3 控制策略

該模型的控制策略，采用脈寬調(diào)制（PWM）技術，通過與頻率為30f的三角波的參考波形比較產(chǎn)生發(fā)射信號。這種技術負責控制兩個獨立參數(shù)：調(diào)制指數(shù)和相移。整流器和逆變器給予不同的控制模式。

4 故障模擬

我們評估了VSC-HVDC的動態(tài)特性在不同運行條件下的系統(tǒng)。因此，各種交流故障是在發(fā)送和接收端注入電力系統(tǒng)，并進行故障分析。為了確定交流系統(tǒng)的各種故障特征，模擬結(jié)果在PSCAD的幫助下進行。

4.1單相接地故障

單相接地故障是在改變電壓的電力系統(tǒng)中常見的故障類型（約80%）并同時在當前場景中的發(fā)送端和接收端結(jié)束。這種故障是由用戶電壓波動引起的。它是觀察到明顯的單相接地故障發(fā)送在次級傳輸系統(tǒng)的一側(cè)。單相接地故障發(fā)生在2.1s持續(xù)0.05s，當單相接地故障時，相電壓和電流變?yōu)榱恪?/p>

4.2兩相接地故障

系統(tǒng)兩相接地故障使其相電壓相等，而且提供嚴重不平衡的電壓和電流給系統(tǒng)。在這個測試中，該故障是在變壓器的次級側(cè)注入。兩相電壓在發(fā)送端失真，影響了在直流輸電側(cè)變流器的輸出。從電壓恢復能力來看，直流輸電線具有有效緩解電壓驟降的優(yōu)勢。不同于單相接地，兩相接地故障一旦故障清除之后，會出現(xiàn)電壓驟升持續(xù)0.05s的清除，且系統(tǒng)在2.5s趨于平衡。逆變電壓逐步降低至小于0.2p.u.。同樣的故障分析是在接收端側(cè)，其中所述故障是在變壓器后注入。

4.3三相接地故障

三相接地故障是相比于其他兩種故障最嚴重的。當發(fā)送三相接地故障時，三相電壓為0。由于電容器的充放電，輸出直流電壓并不為零。在單相接地故障時，接收端電壓所受影響不大。而三相接地故障中，接收端電壓降低得很徹底。在系統(tǒng)的瞬時狀態(tài)一直持續(xù)到2.45s之后，系統(tǒng)會變得平衡。

5 論述

在故障情況下，我們觀察交流發(fā)送端和直流線路的電流與電壓波形。直流電流的導數(shù)可以讓我們看到在故障發(fā)生時電流如何快速的上升。對直流電流進行時間常數(shù)的求導，結(jié)果列于表1。

以下內(nèi)容是引用的仿真結(jié)果：

保護方案并不在本文的討論中，主要關注的是理解不同的故障特征。這反過來將有助于在今后的工作中發(fā)展一個強大的和量化的保護邏輯。

當交流故障時，直流電壓突然下降到危險水平。這是由于附近的直流電容器在那個瞬間的反作用。直流電容器放電導致的電壓下降，顯然是直流電路的問題。為了保持同樣的功率，隨著電流的增加，應降低電壓。這種效果顯然在模擬結(jié)果內(nèi)。

交流故障影響的大小取決于直流電容器的大小。直流電容器可以消除穩(wěn)態(tài)運行時的直流紋波。在發(fā)生故障的高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流電容器是產(chǎn)生最嚴重影響的因素。直流電容器在本文中介紹直流線路的積極影響中提及較多。

交流和直流部分之間的相互作用可以延伸到觀察直流故障的影響。

6 結(jié)論

本文中，在交流側(cè)故障時，分析了在交流系統(tǒng)中不同的故障特征和觀察了在直流系統(tǒng)的響應。此外，在仿真分析的一部分中，還介紹了不同的故障模擬，比如單相，兩相，三相接地，而且還在測試系統(tǒng)中的發(fā)送端和接收端進行仿真。然后，將在干擾下的直流輸電系統(tǒng)的瞬態(tài)響應與交流系統(tǒng)相比較。