故障分析是制定保護方案的基礎。環狀柔性直流配電網不同位置發生單極斷線故障後，部分正、負極電壓/電流處於不平衡狀態，危害系統的安全穩定運行，但目前對其研究較少。為此，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）的研究人員戴志輝、陳思琦、李毅然、焦彥軍，在2022年第5期《電工技術學報》上撰文，對環狀柔直配電網單極斷線故障特性進行研究。
他們的研究結果表明，故障電流的流通路徑與單極斷線故障發生的位置有關；直流線路上發生單極斷線故障的電壓特性與換流站的功率流向有關；送端換流器與直流母線間聯絡線上發生單極斷線故障的電壓特性與換流器的控制方式有關；系統接地方式幾乎不影響單極斷線的故障特性。此外，負荷突變會影響故障發生在直流線路和送端換流器與直流母線間的聯絡線上時，突變負荷所在換流站與為其傳輸功率的送端換流站之間正、負極線路的電流特性。
隨著大型數據中心、電動汽車充電站、城市軌道交通等直流負荷日益增長，以及光伏等直流型分布式電源的高比例、大容量分散接入，傳統交流配電網面臨挑戰。作為交流配電網的重要補充，直流配電網功率轉換損耗低、供電能力強、電能質量優，有利於降低配電網運行成本和促進分布式電源高比例接入。因此，交直流協同發展是未來城市配電網的發展趨勢，具有廣闊的應用前景。
作為交直流配電網的重要「橋樑」，換流器的選擇尤為重要。其中，模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）具有開關損耗低、波形質量高、易於擴展、故障處理能力強等優點，但也存在所用元器件數量多、子模塊電容電壓難均衡等問題；兩/三電平電壓源型換流器（Voltage Source Converter, VSC）所用元器件數量相對較少，但其在電能質量等方面沒有優勢。因此，複雜環狀柔直配電網中，可根據應用場合採用MMC與VSC並存的形式。
在此背景下，為合理地設計直流故障的保護策略、避免不必要的直流停運，對直流配電網故障特性進行全面深入的研究，具有重要的理論意義和工程價值。
直流故障主要分為短路故障和斷線故障兩大類，其中，針對短路故障特性的研究已較為完善。有關學者從不同角度對短路故障的特性進行了較全面的分析，既為短路保護方案制定奠定了基礎，又為斷線故障分析中需考慮的因素提供了借鑑。
與具有故障衝擊電流特徵的短路故障相比，單極斷線故障後電氣量特徵不明顯，是直流系統故障分析的難點。有關學者的研究為直流配電網單極斷線故障特性研究提供了思路，但雙端柔性直流輸電系統故障後系統功率傳輸中斷，換流器子模塊充電，使系統產生較大的過電壓和過電流；而多端直流配電系統潮流轉移路徑具備多樣性，故障後兩端功率傳輸不會終止，換流器子模塊不會充電。
且柔性直流輸電系統是根據換流器不同工作模式分別對其斷線故障特徵進行分析，而多端直流配電系統可通過建立故障前後系統的等效模型進行分析，兩者故障特徵及故障分析方法均有所不同。
對於直流配電系統，有學者分析了開環與閉環運行方式下環網斷線故障的特徵，但未考慮故障後的電壓特性及系統在不同接地方式、故障發生在不同位置時的故障特性。除此之外鮮見文獻對環狀直流配電網單極斷線故障特性進行分析，尤其是環狀直流配電網單極斷線故障特性與故障發生的位置密切相關，有待進一步深入研究。
為此，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）的研究人員對複雜環狀柔直配電網單極斷線故障特性進行詳細分析，得出了系統中不同位置故障後故障電壓、電流特性。
他們首先通過建立故障前後系統的等效模型，對直流線路中單極斷線故障的電壓、電流特性進行了分析；其次，分析了送端換流器與直流母線間聯絡線上發生單極斷線故障的電壓、電流特性，其中，電壓特性根據換流器不同控制方式分別進行分析；然後，分析受端換流器與直流母線間聯絡線上發生單極斷線故障的電壓、電流特性；接著，討論系統接地方式對單極斷線故障特性的影響，分析負荷突變對單極斷線故障特性的影響。
研究人員最後在PSCAD/EMTDC中搭建環狀柔直配電系統模型，對理論分析進行了驗證，他們得到如下結論：
1）直流線路上發生單極斷線故障。故障後，僅所有故障極線路電流疊加了故障電流，其電壓特性與換流站的功率流向有關：送端與受端換流站之間線路發生故障後，與送端換流站相連側故障極線路電壓升高，與受端換流站相連側故障極線路電壓降低，非故障極線路電壓保持不變。兩個受端換流站之間線路發生故障後，正、負極電壓均保持不變。
2）送端換流器與直流母線間聯絡線上發生單極斷線故障。故障後，所有正、負極線路電流分別疊加一部分故障電流，其電壓特性與送端換流器的控制方式有關：當定有功功率控制時，與送端換流器相連側故障極線路電壓升高，與直流母線相連側故障極線路電壓降低，非故障極線路電壓保持不變；當定直流電壓控制時，故障極線路電壓升高，非故障極線路電壓降低，極間電壓保持不變。
3）受端換流器與直流母線間聯絡線上發生單極斷線故障。故障後，僅相鄰兩個換流埠間的線路上各疊加一部分故障電流，且疊加的故障電流與線路阻抗成反比；故障極線路電壓上升，非故障極線路電壓下降，極間電壓保持不變。
4）當故障發生在直流線路或送端換流器與直流母線間的聯絡線上時，負荷突變會使突變負荷所在換流站與為其傳輸功率的送端換流站之間的正、負極線路上疊加一個電流，其大小和方向與投入或切除負荷的大小有關，這將改變此線路上的電流，增加了後續故障識別的難度。
5）線路單極斷線故障後，交流側或直流側接地點均不會與故障點形成故障迴路，故系統接地方式幾乎不會對單極斷線故障特性產生影響。
研究人員指出，針對複雜環狀柔直配網單極斷線故障特性的分析考慮了各種典型情況，只要環網閉環運行，對不同環狀柔直配電網的拓撲結構及其控制方式，本研究所提的故障電壓、電流特徵分析方法均適用。
此外，他們也表示，通過本研究的分析，除了兩個受端換流站之間線路發生故障時無明顯電壓變化以外，其餘線路發生單極斷線故障相較於正常運行時電壓的大小和方向均有明顯差異，後續可依此再聯合故障電流特徵構造保護啟動判據。同時，單極斷線故障後的電流特徵較為明顯，尤其是直流線路故障後正、負極線路電流出現了不平衡現象，後續可依此構造保護識別判據，制定單極斷線故障的保護方案。
本文編自2022年第5期《電工技術學報》，論文標題為「複雜環狀柔直配電網單極斷線故障特性分析」。論文第一作者和通訊作者為戴志輝，1980年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力系統保護與控制。本課題得到了國家自然科學基金和河北省自然科學基金資助項目的支持。