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故障分析是制定保护方案的基础。环状柔性直流配电网不同位置发生单极断线故障后，部分正、负极电压/电流处于不平衡状态，危害系统的安全稳定运行，但目前对其研究较少。为此，新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员戴志辉、陈思琦、李毅然、焦彦军，在2022年第5期《电工技术学报》上撰文，对环状柔直配电网单极断线故障特性进行研究。 他们的研究结果表明，故障电流的流通路径与单极断线故障发生的位置有关；直流线路上发生单极断线故障的电压特性与换流站的功率流向有关；送端换流器与直流母线间联络线上发生单极断线故障的电压特性与换流器的控制方式有关；系统接地方式几乎不影响单极断线故障特性。此外，负荷突变会影响故障发生在直流线路和送端换流器与直流母线间联络线上时，突变负荷所在换流站与为其传输功率的送端换流站之间正、负极线路的电流特性。
随着大型数据中心、电动汽车充电站、城市轨道交通等直流负荷日益增长，以及光伏等直流型分布式电源的高比例、大容量分散接入，传统交流配电网面临挑战。作为交流配电网的重要补充，直流配电网功率转换损耗低、供电能力强、电能质量优，有利于降低配电网运行成本和促进分布式电源高比例接入。因此，交直流协同发展是未来城市配电网的发展趋势，具有广阔的应用前景。
作为交直流配电网的重要“桥梁”，换流器的选择尤为重要。其中，模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）具有开关损耗低、波形质量高、易于扩展、故障处理能力强等优点，但也存在所用元器件数量多、子模块电容电压难均衡等问题；两/三电平电压源型换流器（Voltage Source Converter, VSC）所用元器件数量相对较少，但其在电能质量等方面没有优势。因此，复杂环状柔直配电网中，可根据应用场合采用MMC与VSC并存的形式。
在此背景下，为合理地设计直流故障的保护策略、避免不必要的直流停运，对直流配电网故障特性进行全面深入的研究，具有重要的理论意义和工程价值。
直流故障主要分为短路故障和断线故障两大类，其中，针对短路故障特性的研究已较为完善。有关学者从不同角度对短路故障的特性进行了较全面的分析，既为短路保护方案制定奠定了基础，又为断线故障分析中需考虑的因素提供了借鉴。
与具有故障冲击电流特征的短路故障相比，单极断线故障后电气量特征不明显，是直流系统故障分析的难点。有关学者的研究为直流配电网单极断线故障特性研究提供了思路，但双端柔性直流输电系统故障后系统功率传输中断，换流器子模块充电，使系统产生较大的过电压和过电流；而多端直流配电系统潮流转移路径具备多样性，故障后两端功率传输不会终止，换流器子模块不会充电。且柔性直流输电系统是根据换流器不同工作模式分别对其断线故障特征进行分析，而多端直流配电系统可通过建立故障前后系统的等效模型进行分析，两者故障特征及故障分析方法均有所不同。
对于直流配电系统，有学者分析了开环与闭环运行方式下环网断线故障的特征，但未考虑故障后的电压特性及系统在不同接地方式、故障发生在不同位置时的故障特性。除此之外鲜见文献对环状直流配电网单极断线故障特性进行分析，尤其是环状直流配电网单极断线故障特性与故障发生的位置密切相关，有待进一步深入研究。
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员对复杂环状柔直配电网单极断线故障特性进行详细分析，得出了系统中不同位置故障后故障电压、电流特性。
他们首先通过建立故障前后系统的等效模型，对直流线路中单极断线故障的电压、电流特性进行了分析；其次，分析了送端换流器与直流母线间联络线上发生单极断线故障的电压、电流特性，其中，电压特性根据换流器不同控制方式分别进行分析；然后，分析受端换流器与直流母线间联络线上发生单极断线故障的电压、电流特性；接着，讨论系统接地方式对单极断线故障特性的影响，分析负荷突变对单极断线故障特性的影响。
图1 复杂环状柔直配电网拓扑结构
研究人员最后在PSCAD/EMTDC中搭建环状柔直配电系统模型，对理论分析进行了验证，他们得到如下结论：
1）直流线路上发生单极断线故障。故障后，仅所有故障极线路电流叠加了故障电流，其电压特性与换流站的功率流向有关：送端与受端换流站之间线路发生故障后，与送端换流站相连侧故障极线路电压升高，与受端换流站相连侧故障极线路电压降低，非故障极线路电压保持不变。两个受端换流站之间线路发生故障后，正、负极电压均保持不变。
2）送端换流器与直流母线间联络线上发生单极断线故障。故障后，所有正、负极线路电流分别叠加一部分故障电流，其电压特性与送端换流器的控制方式有关：当定有功功率控制时，与送端换流器相连侧故障极线路电压升高，与直流母线相连侧故障极线路电压降低，非故障极线路电压保持不变；当定直流电压控制时，故障极线路电压升高，非故障极线路电压降低，极间电压保持不变。
3）受端换流器与直流母线间联络线上发生单极断线故障。故障后，仅相邻两个换流端口间的线路上各叠加一部分故障电流，且叠加的故障电流与线路阻抗成反比；故障极线路电压上升，非故障极线路电压下降，极间电压保持不变。
4）当故障发生在直流线路或送端换流器与直流母线间联络线上时，负荷突变会使突变负荷所在换流站与为其传输功率的送端换流站之间的正、负极线路上叠加一个电流，其大小和方向与投入或切除负荷的大小有关，这将改变此线路上的电流，增加了后续故障识别的难度。
5）线路单极断线故障后，交流侧或直流侧接地点均不会与故障点形成故障回路，故系统接地方式几乎不会对单极断线故障特性产生影响。
研究人员指出，针对复杂环状柔直配网单极断线故障特性的分析考虑了各种典型情况，只要环网闭环运行，对不同环状柔直配电网的拓扑结构及其控制方式，本研究所提的故障电压、电流特征分析方法均适用。
此外，他们表示，通过本研究的分析，除了两个受端换流站之间线路发生故障时无明显电压变化以外，其余线路发生单极断线故障相较于正常运行时电压的大小和方向均有明显差异，后续可依此再联合故障电流特征构造保护启动判据。同时，单极断线故障后的电流特征较为明显，尤其是直流线路故障后正、负极线路电流出现了不平衡现象，后续可依此构造保护识别判据，制定单极断线故障的保护方案。
本文编自2022年第5期《电工技术学报》，论文标题为“复杂环状柔直配电网单极断线故障特性分析”。论文第一作者和通讯作者为戴志辉，1980年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力系统保护与控制。本课题得到了国家自然科学基金和河北省自然科学基金资助项目的支持。
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