CN102130441A - 模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，该方法用子模块层、换流阀层和换流站层三层保护配置；子模块层保护功能设置于子模块控制器中；换流阀层针对单个换流阀的故障保护功能设置于阀基控制器VBC中；针对换流站层及直流系统的故障保护的功能在系统控制保护设备PCP中实现，本发明提供的方法使柔性直流输电系统在异常工况下能够快速进行保护动作，防止过应力的继续发展，并隔离故障组件。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电(VSC-HVDC)领域的保护配置方法，具体讲涉及模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法。
背景技术
模块化多电平技术作为可在高压直流输电场合应用的柔性直流输电技术，其应用前景广阔，应用性能优异，实现该技术的广泛应用有着重要的意义，解决其在应用过程中所遇到的难题也迫在眉睫。
由于实际应用场合的复杂性，模块化多电平系统的所采用的脆弱开关器件(IGBT)在系统异常工况下所遭受的过电压、过电流应力往往是其无法接受的，必须设计可靠快速的保护策略进行故障的隔离。
模块化多电平技术于2002年被提出，经历的发展时间短，针对该技术的保护策略设计仍然没有足够的研究基础，使其走向工程化仍存在一定的问题。可参考的保护配置仅有常规直流的保护配置方案。
然而，常规直流的保护配置并没有分层配置设计，其所有的直流保护集中在一起完成，这是因为其所采用的开关器件晶闸管(Thyristor)能够承受较大的电流，并不需要极其快速的保护，由传统PCP控制保护系统发送的最快保护命令，一般在5-6ms内能够实现阀触发信号的关断，这在常规直流中是允许的。
但是，模块化多电平换流器的故障特性与常规直流有很大不同。图1是模块化多电平换流器MMC结构图，如图1所示，模块化多电平换流器包括三个相单元，每一个相单元包括两个桥臂，每个桥臂由换流阀与桥臂电抗串联而成，换流阀采用多个子模块堆叠的方式形成，图2是子模块SM的结构图，如图2所示，子模块由一个IGBT与续流二极管组成的半桥结构与直流电容C组成，通过控制子模块的投入和退出，就可以形成稳定的交流输出电压与直流输出电压。由于其特殊的结构，模块化多电平在很多系统故障下的换流阀过流迅速且严重(如站内交流母线短路故障等)，某些故障下的电流变化甚至在us内就可以达到很高的数值(单个子模块的桥臂直通或者阀的闪络故障)，因此采用常规直流的保护技术是无法实现对换流器件的保护的，这需要对模块化多电平技术设计相应的保护配置。
针对以上情况，往往需要对柔性直流输电系统设计相应的保护策略，以使柔性直流输电系统在异常工况下能够快速进行保护动作，防止过应力的继续发展，并隔离故障组件。然而，由于采用模块化多电平变流器的柔性直流输电系统的主电路的结构将较原有的采用两电平变流器的差异较大，因此原有的柔性直流输电系统保护配置方法不适用于现有柔性直流输电系统。
发明内容
本发明的目的是针对以上情况，提供一种模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，以使柔性直流输电系统在异常工况下能够快速进行保护动作，防止过应力的继续发展，并隔离故障组件。
本发明的目的采用下述技术方案予以实现：
模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，其改进之处在于，所述方法用子模块层、换流阀层和换流站层三层保护配置；所述子模块层保护功能设置于子模块控制器中；所述换流阀层针对单个换流阀的故障保护功能设置于阀基控制器VBC中；针对所述换流站层及直流系统的故障保护的功能在系统控制保护设备PCP中实现；
所述柔性直流输电系统故障下由系统控制保护设备PCP检测到故障，所述系统控制保护设备PCP向阀基控制器发送闭锁命令，再由所述阀基控制器VBC发送命令至子模块控制器使所述子模块控制器关断电力电子开关；
所述子模块控制器单独检测到子模块故障时，首先进行相应的故障处理，然后上报阀基控制器VBC形成相关的事件记录；
若所述阀基控制器VBC检测到单个阀出现故障，则闭锁模块化多电平换流器，上报至所述系统控制保护设备系统PCP，并由所述系统控制保护设备PCP系统决定是否停机。
本发明提供的一种优选的技术方案是：所述子模块层监测子模块的基本运行参数与内部元件的状态；同时针对电流在us级就达到数kA的桥臂直通故障与阀闪络故障，对所述子模块进行故障保护；所述子模块层保护动作输出为闭锁所述子模块并对所述子模块进行旁路动作，将保护动作信号上传至阀基控制器VBC形成记录。
本发明提供的第二优选的技术方案是：所述换流阀层针对单个换流阀的故障保护功能设置于阀基控制器VBC中，所述阀基控制器VBC实现的保护功能包括：
1)所述阀基控制器VBC接收所述系统控制保护设备PCP的保护命令，并发送信号至子模块控制器SMC中，实现模块化多电平换流器电力电子开关的关断；
2)所述阀基控制器VBC监视一个桥臂的损坏子模块数量，当所述损坏子模块数量达到桥臂子模块总数量的6％～10％时，上报系统控制保护设备PCP控制保护系统并执行返回的保护动作策略；
3)当所述柔性直流输电系统发生非us级桥臂迅速过流的故障时，所述换流阀层保护将在1～2ms内可靠闭锁换流阀。
本发明提供的第三优选的技术方案是：所述换流站层保护针对交直流系统发生的故障类型设置相应的主保护与后备保护策略，根据不同的故障特性，给出相应的保护动作策略；所述保护动作策略包括：
a、报警动作；
b、切换冗余控制系统；
c、发送闭锁命令至阀基控制器VBC实现模块化多电平换流器的闭锁；
d、触发晶闸管；
e、交流断路器跳闸；
f、启动断路器失灵保护。
本发明提供的第四优选的技术方案是：所述保护配置区域包括所有的柔性直流输电系统设备；所述保护配置区域包括交流场区、换流阀区以及直流场区的所有设备。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，采用分层设置的保护配置方法，能够实现柔性直流输电系统快速、准确、可靠的隔离各种故障；
2、本发明提供的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，通过将子模块自身保护集成于子模块控制器(SMC)中，实现了子模块的故障监测以及各种us级保护动作要求的故障下换流阀的可靠闭锁；
3、本发明提供的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，通过将换流阀的保护集成于阀基控制器(VBC)中，实现了换流阀的状态监测以及1～2ms保护动作要求的故障下换流阀的可靠闭锁；
4、本发明提供的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，通过将各种柔性直流输电系统保护设置于系统控制保护设备(PCP)系统中，实现了对整个柔性直流输电系统故障的故障检测与保护动作。
附图说明
图1是模块化多电平换流器MMC结构图；
图2是子模块SM的结构图；
图3是模块化多电平换流器MMC柔性直流输电系统保护分区示意图；
图4是模块化多电平换流器MMC柔性直流输电系统保护分层示意图；
图5是阀基控制器VBC的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供了一种针对模块化多电平换流器柔性直流系统的保护分层配置方法，能够实现各种故障下的快速保护要求，图3是模块化多电平换流器MMC柔性直流输电系统保护分区示意图，如图3所示，保护配置区域包括所有的柔性直流输电系统设备；所述保护配置区域包括交流场区、换流阀区以及直流场区的所有设备；保护配置方法如下，图4是模块化多电平换流器MMC柔性直流输电系统保护分层示意图，如图4所示：
底层子模块(SM)由其自身的子模块控制器(SMC)进行保护动作，检测子模块内部的故障，如元件损坏，接发信号异常以及桥臂直通；
每一个换流阀设置单独的阀基控制器(VBC)，并针对换流阀进行单独的保护动作，针对换流阀的子模块故障数量监测，换流阀的快速过流故障，如阀闪络；
系统控制保护设备(PCP)针对整个柔性直流输电系统的故障进行保护。
根据故障发生位置的不同，SMC、VBC、PCP三层保护以不同的方式传递进行保护信号的传递：
1、柔性直流输电系统故障下由PCP检测到故障，PCP向VBC发送闭锁命令，再由VBC发送命令至SMC驱动装置使其关断电力电子开关；
2、换流阀中发生故障，则由VBC发送命令至SMC，闭锁换流装置，同时上报至PCP系统，并由PCP系统决定是否停机；
3、子模块故障下，SMC单独检测到子模块故障时，首先进行相应的故障处理，然后上报VBC形成相关的事件记录；
具体陈述将采用模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护进行分层配置：
1、子模块层(子模块控制器SMC层)
子模块层保护功能集成于子模块控制装置中，主要监测子模块的基本运行参数(如子模块的过压与欠压)与内部元件的状态，同时针对电流在us级就可以达到数kA的桥臂直通故障与阀闪络故障，对子模块进行故障保护，其主要保护动作输出为闭锁子模块并对其进行旁路动作，将保护动作信号上传至VBC形成记录；
2、换流阀层(阀基控制器VBC层)
针对单个换流阀的故障保护功能设置于阀基控制器(VBC)中，VBC实现的保护功能包括：
1)接收系统控制保护设备(PCP)的保护命令，并发送信号至子模块驱动装置(SMC)控制器，实现换流器电力电子开关的关断；
2)监视一个桥臂的损坏子模块数量，当该数量达到桥臂子模块总数量的6％～10％，上报PCP控制保护系统并执行返回的保护动作策略；
3)当柔性直流输电系统发生桥臂迅速过流的故障时(非us级)，换流阀层保护将在1～2ms内可靠闭锁换流阀；
3、换流站层(系统控制保护设备PCP层)
针对换流站及直流系统的故障保护，其功能在系统控制保护设备(PCP)中实现，换流站层保护针对交柔性直流输电系统可能发生的故障类型设置相应的主保护与后备保护策略，根据不同的故障特性，给出相应的保护动作策略，包括：
1)报警；
2)切换冗余控制系统；
3)发送闭锁命令至VBC实现换流器的闭锁；
4)触发晶闸管；
5)交流断路器跳闸；
6)启动断路器失灵保护。
图5是阀基控制器的结构示意图，如图5所示，阀基控制器(VBC)由阀基控制器0-6组成：阀基控制器0负责完成(1)调制：需要将阀基控制器的上层自动化装置发来的桥臂电压参考值根据以IGBT为核心的子模块储能电容电压转化为桥臂子模块投入数量命令；(2)电流平衡控制：执行电流平衡控制运算，修正桥臂子模块投入数量，进而修正桥臂电压抑制上下桥臂、相间的环流；通信管理：(3)与上层自动化装置实现内容可寻址网络协议(ContentAddressable Network，CAN)、高级数据链路控制协议(High-Level Data Link Control，HDLC)及其他光脉冲形式通信(4)桥臂过流保护：执行模块化多电平式柔性直流输电系统特有的桥臂过流检测及保护处理逻辑，实现桥臂过流保护功能；
阀基控制器1-6负责完成(1)电压平衡控制：根据投入电平数目，以及桥臂子模块的当前状态，来产生具体桥臂子模块投退命令；(2)阀保护：根据子模块回报的状态信息，进行故障判断，并根据故障等级进行相应的处理，不发生误动作；(3)通信管理：与桥臂子模块实现串行通信。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
Claims (5)
1.模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，其特征在于，所述方法用子模块层、换流阀层和换流站层三层保护配置；所述子模块层保护功能设置于子模块控制器中；所述换流阀层针对单个换流阀的故障保护功能设置于阀基控制器VBC中；针对所述换流站层及直流系统的故障保护的功能在系统控制保护设备PCP中实现；
所述柔性直流输电系统系统故障下由系统控制保护设备PCP检测到故障，所述系统控制保护设备PCP向阀基控制器发送闭锁命令，再由所述阀基控制器VBC发送命令至子模块控制器使所述子模块控制器关断电力电子开关；
所述子模块控制器单独检测到子模块故障时，首先进行相应的故障处理，然后上报阀基控制器VBC形成相关的事件记录；
若所述阀基控制器VBC检测到单个阀出现故障，则闭锁模块化多电平换流器，上报至所述系统控制保护设备系统PCP，并由所述系统控制保护设备PCP系统决定是否停机。
2.如权利要求1所述的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，其特征在于，所述子模块层监测子模块的基本运行参数与内部元件的状态；同时针对电流在us级就达到数kA的桥臂直通故障与阀闪络故障，对所述子模块进行故障保护；所述子模块层保护动作输出为闭锁所述子模块并对所述子模块进行旁路动作，将保护动作信号上传至阀基控制器VBC形成记录。
3.如权利要求1所述的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，其特征在于，所述换流阀层针对单个换流阀的故障保护功能设置于阀基控制器VBC中，所述阀基控制器VBC实现的保护功能包括：
1)所述阀基控制器VBC接收所述系统控制保护设备PCP的保护命令，并发送信号至子模块控制器SMC中，实现模块化多电平换流器电力电子开关的关断；
2)所述阀基控制器VBC监视一个桥臂的损坏子模块数量，当所述损坏子模块数量达到桥臂子模块总数量的6％～10％时，上报系统控制保护设备PCP控制保护系统并执行返回的保护动作策略；
3)当所述柔性直流输电系统系统发生非us级桥臂迅速过流的故障时，所述换流阀层保护将在1～2ms内可靠闭锁换流阀。
4.如权利要求1所述的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，其特征在于，所述换流站层保护针对交直流系统发生的故障类型设置相应的主保护与后备保护策略，根据不同的故障特性，给出相应的保护动作策略；所述保护动作策略包括：
a、报警动作；
b、切换冗余控制系统；
c、发送闭锁命令至阀基控制器VBC实现模块化多电平换流器的闭锁；
d、触发晶闸管；
e、交流断路器跳闸；
f、启动断路器失灵保护。
5.如权利要求1-4任一所述的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的保护配置方法，其特征在于，所述保护配置区域包括所有的柔性直流输电系统设备；所述保护配置区域包括交流场区、换流阀区以及直流场区的所有设备。
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