1.1 课题背景及研究意义
凭借着在断路器灭弧容易、传输距离远等各方面的优势，交流系统在过去一直都是电力系统中的主要输配电方式。但是，伴随着负荷的快速增长，交流配电系统一些固有的问题使其遇到了一些新的问题。伴随着城市现代化的迅猛发展，供电线路走廊以及电源的建设也遇到了这样或者那样的限制[1]，随着城市土地价格的逐渐攀高，未来配电网征地也会面临更大的经济压力。以上这些问题，便要求要使新建的配电线路能够输送更多的容量，只有这样才能够减轻电网的压力[2]。 伴随着电力电子和信息通信技术的迅猛发展，电力系统配电网在不断发生着变化。在负载方面，从交流到直流的过程需要将交流电整流成直流电的低压设备给电力系统注入了大量的谐波电流的同时也降低了电能的利用效率，这样也会严重影响电力系统的电能质量[3]。 当今社会，用户对于供电的可靠性、电能质量以及用电需求等方面的要求在不断的增强，而传统的交流配电网已经很难再满足用户的需要。 上述问题的存在，使得配电网在当今以及将来都将会面临这一难题。伴随着电力电子以及信息通信技术的迅猛发展，直流输配电方式为解决这一难题提供了一个非常好的方法。随着欧盟在 2006 年提出了直流配电系统的概念后，2011 年的电工会议上又着重讨论了直流配电系统以及其将来的发展。与此同时，VSC直流输配电系统也正在成为当今直流配电系统研究的热点[5] 。
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1.2 直流输配电技术发展概述
1882 年，纽约建立的珍珠街发电站，标志着直流传输电能的开始。但是受限于当时的技术，发电机和电动机均是直接串联在一起运行的，导致系统运行可靠性很差。而且也由于直流电传输的距离较短，也不能有效的实现变压。随着在19 世纪 80 年代开始，感应电机、三相交流发电机以及变压器的发明，使得交流输电在电能的发、输、配、用等各个领域都展现了巨大的优势，这也使得交流输电逐渐取代了直流输电，成为电力系统的主要输电方式。 伴随着电力系统规模的不断扩大，交流输电所带来的问题也越来越多，如：系统稳定性、交流系统线路损耗大、功率传输极限、存在潮流控制等各种问题。伴随着新能源发电的发展，由新能源发电并网所带来的电网的渗透压下降等问题也严重影响到了电网的稳定与安全。与此同时，伴随着电力电子和信息通信技术的长足发展，直流输电的运行性能也得到了很好的改善，使得当今直流输电在很多方面展示出了交流输电无法比拟的优点[6]。 随着当代电力电子和信息通信技术的飞速发展，半导体器件也已经从早期的半控型晶闸管（Thyristor）器件发展到了如今性能非常优异的全控型开关器件，如：场控晶闸管（MCT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、双极型晶体管（BJT）、门极关断晶闸管（GTO）等。功率半导体开关器件的技术进步，使之出现了以脉宽调制（Plus Width Modulation，PWM）技术为基础的变流器[7]。并且 PWM 变流器技术也日臻完善。目前主要应用的主电路类型有电压源型变流器（Voltage Source Converter，VSC）和电流型变流器（Current Source Converter，CSC）。 目前，直流输电技术已经从两端发展到了多端，含有两个以上换流站的直流输电系统即为多端直流输电(Multi．terminal HVDC，即 MTDC)。相比较于两端系统，MTDC 系统具有更好的灵活性和经济性，能够很好的实现多落点和多电源供电等优点，也更有利于实现大电网的跨区域共联。MTDC 系统按照换流站的类型可以划分为电压源型系统、电流源型系统和混合型系统。现如今已经正式投入到商业运行中的的 MTDC 系统都属于电流源型，由于电流源型系统存在谐波含量高、无功损耗大等问题，混合型系统和电压源型系统相信会在不久的将来发展的更好[8]。
第二章 直流配电系统建模及仿真模型介绍
伴随着电力电子技术的迅猛发展，直流配电技术也在越来越吸引着国内外众多科研机构学者争相钻研。虽然我国对于直流配电技术的研究起步较晚，但对于直流配电技术的理论研究却一直同国外学者一样在不断的深入。在直流配电输电系统的数学模型方面很多文献都用了不同的方法建立，有动态模型[13,29-31]、稳态模型[14,16,25]、暂态模型[1,15,26]、离散模型[32,33]、连续时间状态空间模型[34]等等。
2.1 直流配电系统的基本拓扑结构
网状网络主要是由两个或者两个以上环网结合，潮流的路径不确定而且网络的结构也更加的复杂，更加的难以控制；环状网络中任何两个站间的潮流路径都是有两条，这样会使得供电可靠性高，但故障检测与保护、潮流控制则相对复杂；辐射网络的潮流路径相对确定，这样潮流易于控制，但是供电可靠性则较低。 本文将采用辐射型系统作为主要的研究对象，配电形式则将会使用单极两线制，原因主要是因为单极系统便能够满足配电网的运行，比双极系统具有更高的经济性，对于直流配电系统的推广也有更好的促进作用；而在另一方面，单极一线一地制系统对接地点的电气和接地设备要求都很高，为了保证接地极能够很可靠的接地，则要付出很大的成本。除此之外，城市地下有大量的通信电缆埋设以及大量的人口流动密度，出于财产安全和人身和角度考虑，此系统也会暂时不加以考虑。
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2.2 直流配电系统各元件建模原理
直流配电系统应包含整流器、直直变换器、蓄电池等元件。接下来本节对各个元件建模原理进行详细描述.如图 2-2 所示，如果换流电抗器和换流变压器和的电阻忽略时，VSC 交流侧的输出电压的基频分量 Uc与交流母线侧电压的基频分量 Us共同作用于换流电抗器和换流变压器的等效电抗 Xc，并控制交流系统与 VSC 换流器间的无功功率 Q和有功功率 P 的交换。 由式（2-2）可知，无功功率的交换决定于 VSC 交流侧输出电压的基波幅值Uc。当 Us－Uccosδ>0 时，VSC 吸收无功功率；当 Us－Uccosδ<0 时，VSC 发出无功功率。VSC 发出或吸收的无功功率便可以通过调节 Uc幅值达到。 综上所述，通过 PWM 控制的 VSC 能够控制无功和有功功率的输出。为了保证 VSC 能够正常的运行，直流网络的功率平衡必须要保持，即输入直流网络的有功功率必须应该等于换流站和直流网络的有功损耗与直流网络输出的有功功率之和。功率的任何不平衡，直流电压都将会引起变化。为了实现 VSC 系统能够自动平衡功率，则应该要在一端换流站能够控制住直流电压，并以此作为整个直流网络的功率平衡节点。
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第三章 直流配电系统故障分析 ....... 24
3.1 直流侧故障分析.... 24
3.1.1 极间短路故障分析...... 24
3.1.2 单极接地故障分析...... 27
3.2 交流侧故障分析..... 28
3.3 VSC 桥臂故障分析 ........ 34
3.4 本章小结........ 37
第四章 主动式保护配置研究.... 38
4.1 保护设备........ 38
4.2 保护原理........ 39
4.3 保护启动元件........ 48
4.4 本章小结........ 49
第五章 总结和展望 ........... 50
第四章 主动式保护配置研究
随着直流配电系统规模的日益扩大，复杂程度越来越高，短路、接地、VSC模块内部故障等问题日益突出，所以，集短路、接地等保护于一体的主动式综合保护意义重大。因此，结合上一章中对直流配电系统的故障分析，针对故障时直流系统中的交流、直流、电压、电流等电气量的变化趋势，本文提出主动式综合保护方案。 主动式保护即为利用电力电子器件，将保护与控制集成一体的一个体系。主动式保护的原则是减小故障影响范围，避免小故障扩大成大事故。其可观性是可以监测母线侧、传统保护设备的运行情况，根据负荷中断产生的影响，做出最优的保护策略。其可控性是当故障发生时，不是盲目地跳闸切负荷，而是根据优化保护策略，实现保护动作的执行，如不间断供电负荷在事故情况下可以继续运行。 本保护的总体方案是在直流配电系统原有的基础上，增加一套主动式综合保护体系，即集短路、接地为一体的综合保护。本保护体系将从直流配电系统中采集故障信息，并且作用于它的控制对象，即 VSC 变流器，使得主动式综合保护体系能够密切监测整个直流配电系统，包括直流母线、直流线路、VSC 模块的运行情况，在故障发生的第一时间准确切除故障。
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总结
本文利用电力电子技术，将保护与控制集成一体，形成主动式综合保护，利用计算机网络与通信技术，实现保护系统的智能化，实现直流系统运行参数可观测可控制，保证直流配电系统可靠稳定运行。本文的研究主要成果如下：
（1）搜集各种文献资料，介绍目前直流配电系统保护的国内外研究现状，重点分析了现今直流系统保护存在的问题，以及本课题的着眼点。
（2）介绍了直流配电系统中的主要组成部分，详细描述了各组成部分的结构、功能以及控制方式等，并介绍了在 PSCAD/EMTDC 中搭建的直流系统模型，以及其正常工作状态及各项参数等。
（3）分析了直流配电
