交直流混合电网的故障耦合特性与继电保护新原理研究

The pursuit of transmission economy and control flexibility of power grid has promoted the application of power electronic devices in power system. Most of the power electronic devices existing in the power grid are converters which connect AC and DC power grid. The complex coupling relation and the vulnerability constraint introduced by the converter make the traditional fault analysis theory and relay protection principle difficult to adapt in the AC/DC hybrid grid. It can be resolved by revealing the coupling mechanism of converter station, taking advantage of the response characteristics of converter and utilizing high controllability. This project first analyzes the response and transfer characteristic of converter stations at different fault stages and their analytical relations. The fault coupling mechanism of AC/DC hybrid power grid is revealed, and the equivalent model and analysis method of converter station suitable for classification of protection principle are put forward. In order to overcome the low sensitivity problem and high speed operation demand resulted from the converters, new protection principles using converter feature are studied, including ultra high speed protection using wavefront multidimensional information, transient protection based on frequency response characteristic of converter control system and modulating/ triggering section, and active detection protection based on active injection signal of converter. On this basis, a relay protection scheme suitable for AC/DC hybrid power grid is proposed. The research of this project provides theoretical support for the safe operation of AC/DC hybrid power grid.

电网对传输经济性和调控灵活性的追求，推动了电力电子器件在电力系统中广泛应用。电力电子器件多以换流器形式存在于电网之中，是联接交直流电网的枢纽。换流器引入的复杂耦合关系和脆弱性约束，使传统故障分析理论和继电保护原理在交直流混合电网中存在适应性问题。揭示换流站耦合机理、利用换流器响应特性和高可控优势是解决问题的关键。本项目首先分析换流站在故障不同时段的响应和传递特性及其解析关系，揭示交直流混合电网的故障耦合机理，并提出适合保护原理分类研究的换流站等效模型和分析方法。其次，针对换流器脆弱性带来的保护低灵敏度问题和高速动作要求，研究充分利用换流器特性的保护新原理，具体包括利用波前多维信息的超高速保护、利用换流器控制系统特征响应频率和调制/触发环节特征频率的暂态量保护、利用换流器主动注入信号的探测式保护。最后，提出适用于交直流混合电网的继电保护方案。本项目的研究为交直流混合电网安全运行提供理论支撑。

电网对传输经济性和调控灵活性的追求，推动了电力电子器件在电力系统中广泛应用。电力电子器件多以换流器形式存在于电网之中，是联接交直流电网的枢纽。换流器引入的复杂耦合关系和脆弱性约束，使传统故障分析理论和继电保护原理在交直流混合电网中存在适应性问题。揭示换流站耦合机理、利用换流器响应特性和高可控优势是解决问题的关键。首先，本项目分析了不同种类换流站在故障不同阶段的响应和传递特性，并分别建立了不同故障阶段的换流站传递/响应特性等效模型，揭示了交直流混合电网的故障耦合机理，为后续继电保护原理适应性分析与保护新原理提出奠定了理论基础。其次，分析了传统交流系统保护原理、直流系统保护原理、换流站保护原理的适应性，在此基础上提出了继电保护适应性评估方法，以交流系统传统继电保护原理为例，评估了各类型保护原理的适用条件，并给出了保护最佳适用范围。再次，针对故障时换流器脆弱性和高可控性带来的高速动作要求与保护低灵敏度问题，根据换流器扰动响应的不同故障阶段，分别提出了面向换流器未响应阶段、换流器动态调节阶段、故障稳态阶段的保护新原理，并提出面向故障全过程的纵联保护原理作为后备保护新原理，上述保护原理覆盖了故障全过程。针对故障后重合于永久性故障带来的系统二次冲击问题，为提高重合成功率与系统恢复可靠性，结合换流器的高可控性提出了主动探测式的自适应重合/重启与故障定位方法。最后，在上述继电保护新原理的理论基础上，提出适用于交直流混合电网的交流系统保护方案、直流系统保护方案、交直流后备保护方案。其中交流系统保护方案包含高压直流受端电网保护方案、柔性直流受端电网保护方案、不受FACTS调节特性影响的交流电网保护方案；直流系统保护方案包含传统高压直流线路保护方案、柔性直流电网保护方案、混合直流电网保护与自适应重启方案。本项目的研究为交直流混合电网安全运行提供理论支撑。