近日，我院智能电网保护与控制团队在新能源领域国际顶级期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》（SCI，中科院一区Top期刊，IF 16.3）发表了题为《Protection and Fault Ride-through Techniques of VSC-HVDC Systems for Offshore Wind Power Transmission—Research Status, Challenges, and Prospects》的综述论文。详细阐述了海上风电直流送出系统继电保护与故障穿越领域面临的关键挑战与可行的发展方向。何佳伟副研究员为论文第一作者，李斌教授为论文通讯作者。
深远海风电基地、沙戈荒风光基地建设是未来新能源开发利用的主要趋势之一，柔性直流输电技术由于在输送效率、输电安全等方面的突出优势，成为深远海、沙戈荒新能源基地远距离外送并网的首选方案。目前，我国正在大力推进海上多端直流、特高压柔性直流技术的工程示范与推广。但是，有别于传统交流电网和常规直流输电系统，柔性直流输电系统阻尼小、故障电流上升速度快、冲击危害大，一点故障以后将迅速波及全网，导致全系统停运。本文围绕海上风电直流送出系统继电保护与故障穿越，系统阐述了故障特性分析、线路保护原理、故障穿越控制三大关键技术的核心难点、最新进展和发展趋势。
建设以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”战略目标的关键技术途径。为此，我国必须大力推动新能源高效开发与友好消纳，加快实现生产侧新能源替代的能源结构转型。风力发电是新能源发电中技术最成熟、最具商业化发展潜力的发电方式之一。其中，海上风电距离负荷中心近、风功率密度受季节影响小、预测风速下降趋势缓和，因此成为各国风电发展的重要方向。
随着海上风电资源的陆续开发，海上风电场建设已经逐渐由近海区域向远海、深海区域迈进。一般情况下，近海风电的输送方式主要为高压交流输电（图1），中远海风电外送可采用柔性低频输电技术（图2），而柔性直流输电技术则在深远海风电外送并网方面最具技术经济性优势（图3）。
图1 近海风电交流送出系统
图2 中远海风电柔性低频送出系统
图3 深远海风电柔性直流送出系统
由于在远海风电开发与送出方面的巨大需求，欧洲成为海上风电直流送出技术研究与应用的先驱，如图4所示是欧洲海上风电直流送出系统的规划方案，未来十年将在北海、波罗的海区域建设大量海上风电直流送出工程。我国在海上风电直流送出方面的理论研究与工程应用起步较晚，但需求和潜力巨大。近年来已经投运了如东海上风电柔直外送工程，并正在建设广东青州、广东阳江三山岛等多个海上风电直流工程。
图4 欧洲海上风电直流送出系统规划
以海上风电直流送出为典型场景，论文重点分析了直流输电系统的暂态响应特性，给出了未来海上风电外送系统设备轻型化、紧凑化演进对故障特性分析可能带来的挑战。在此基础上，阐述了直流系统继电保护研究现状，梳理了典型的直流线路保护原理及其优缺点，并指出了远海风电直流系统保护面临的主要挑战和可行的研究方向。最后，论文讨论了直流故障穿越核心技术（直流故障限流、直流耗能）的关键难点与发展趋势。
近年来，李斌教授、何佳伟副研究员团队长期围绕大规模新能源接入的交直流电网保护控制理论研究、装备研发和工程应用开展工作，突破了故障“精准辨识→快速隔离→安全穿越”的体系化关键难题。
■ 故障精准辨识
图5 不受电源特性影响的快速时域距离保护装置
针对常规保护装置无法适应风电场等电力电子电源并网的难题，团队提出了不依赖电源特性的快速时域距离保护、快速时域电流差动保护新原理，研制了国际首套新能源/储能并网线路时域距离保护装置，动作时间<25ms，抗噪能力提升至20dB以上。
■ 故障快速隔离
图6 自主研制的直流保护装置及其硬件在环测试
针对海风直流系统故障快速隔离的需求，团队提出了直流线路暂态量超高速保护、暂态功率极性快速方向纵联保护等新原理。自主研制了直流线路单端量保护、纵联保护装置（如图6所示），单端保护动作时间<3ms，耐受过渡电阻>300Ω，较传统方法提升3倍以上；双端量保护动作时间<30ms，动作速度较传统方法提升1个数量级。
■ 故障安全穿越
有效的故障限流与快速的故障开断是保障柔性直流输电系统故障安全穿越的核心技术，团队提出了基于电流转移的电力电子型直流故障限流器。基于所提方法，与南瑞继保合作研制了国际首台对地200kV、端间50kV直流故障限流器（如图7所示），故障电流抑制率>50%，实现与直流断路器的协同配合，降低断路器耗能容量55%以上，显著降低故障限流开断装备的整体工程造价。
图7 对地200kV、端间50kV直流故障限流器及测试系统
团队长期立足解决工程实际问题的核心理念，与国网公司、南网公司、南瑞集团、中电装备、北京四方等行业龙头企业长期开展合作研发、成果转化及工程应用工作。团队基于交直流电网故障“精准辨识→快速隔离→安全穿越”的核心成果，与天津电力公司、南瑞集团合作研制了新能源并网线路时域距离保护装置、与南瑞继保合作研制柔直线路保护装置、直流故障限流器等关键装备。相关产品在新能源/储能交流并网、柔性直流系统、柔性低频输电系统等30余个工程中应用、推广，有力保障系统的安全可靠运行，取得了显著的经济社会效益。
图8 时域距离保护装置首台套应用
图9 新能源/储能交流并网、柔性直流系统、柔性低频输电系统等典型场景应用证明
作者简介
第一作者：何佳伟，天津大学副研究员。主要从事柔性交直流电网保护控制、新能源电力系统保护控制等方向的研究工作。入选第八届（2022）中国科协“青年人才托举工程”，获2021年中国电工技术学会优博论文奖，获2021年天津市技术发明特等奖（3/12），2023年河南省科技进步一等奖（4/15），2024年国家电网公司科技进步二等奖（2/10），2次入选斯坦福全球前2%顶尖科学家。主持国家自然科学基金、天津市自然科学基金、国网公司/南网公司等纵横向项目10余项。第一/通讯作者发表SCI论文33篇（中科院一区、Top 24篇），EI期刊论文19篇。出版英文专著1部，获授权国家发明专利20余项。担任《电力系统保护与控制》、《电力自动化设备》等期刊青年编委，SCI期刊《Protection and Control of Modern Power Systems》技术编辑。
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供稿 | 何佳伟
编辑 | 吴润华
审核 | 张秀娟
