CN102856881B - 一种全桥mmc-hvdc直流故障分类检测与保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输配电技术领域的一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法。其技术方案是：1、在高压直流输电系统的直流侧设置故障监测点；2、确定直流输电直流系统故障分类检测判据；3、根据故障监测点监测到不同的故障，确定分类故障保护方案；4、根据确定的故障保护方案，对高压直流输电系统进行在线监测保护。本发明的有益效果是，当在FB-MMC-HVDC直流侧发生不同类型的故障时，根据监测点信息检测出相应故障并予以分类检测，触发相应的保护措施。

Description

一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法。

背景技术

近年来，电压源换流器VSC在高压直流输电HVDC领域受到越来越广泛的关注及应用，但由于输出电平数的限制，其输出性能较差，存在开关器件直接串联导致的动态、静态均压问题和高开关频率导致的高开关损耗等问题。由西门子公司提出的模块化多电平换流器MMC，将电容与开关器件视为一个整体来构建子模块，使用子模块串联的方法提升换流器的电压及功率等级，输出特性好，具有较低的总谐波畸变率，适用于VSC-HVDC输电领域。模块化多电平换流器子模块分为半桥型HB-MMC和全桥型FB-MMC结构。全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC结构相对于半桥型模块化多电平换流器子模块HBMMC会成倍的增加投资以及损耗，但全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC可以输出负电平，从而提高换流器交流出口电压，使其高于直流电压的一半，提高直流电压利用率；并且由于拓扑结构的不同，全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC结构具有穿越直流故障的能力。

柔性直流输电直流系统故障一般分为单极接地故障、断线故障以及两极短路故障，三种故障发生后的故障特征各不相同。针对不同故障的故障特征，本发明设计了一种故障分类检测方法，可以区别上述三种直流故障，并给出相应的保护配合方法。其中，针对两极短路故障，半桥型模块化多电平换流器子模块HB-MMC与全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC的拓扑结构决定了闭锁换流站后的短路电流通路不同。半桥型模块化多电平换流器子模块HB-MMC需闭锁换流站后立即断开交流断路器，防止交流系统通过二极管继续馈入短路电流，若要重新启动系统需要重合闸等过程，恢复时间较长；而全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC闭锁换流站后，交直流系统隔离，无需断开交流系统断路器，可以在故障消除后解锁换流站，使系统继续正常运行。

发明内容

本发明针对全桥型模块化多电平高压直流输电FB-MMC-HVDC直流系统故障进行研究，提出了一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法。

一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：在高压直流输电系统的直流侧设置故障监测点；

步骤2：确定直流输电直流系统故障分类检测判据；

步骤3：根据故障监测点监测到不同的故障，确定分类故障保护方案；

步骤4：根据确定的故障保护方案，对高压直流输电系统进行在线监测保护。

步骤1中，由于在高压直流输电系统中，直流侧故障监测点通常设置在换流站直流侧出口处，因此针对两端双极高压直流输电系统，共四个故障监测点，监测各监测点的电压和电流，共8个测量信息，实时监测各监测点的测量信息作为故障判据，以区分故障类型。

步骤2中，直流输电直流系统故障分类检测判据为：

1)直流单极接地故障

故障特征为故障极电压与0的差值绝对值小于第一阈值，非故障极电压升高到其初值的2倍，有功功率正常传输。针对此类故障，同时检测两极电压，若两极电压的值超出第二阈值，则说明检测到单极接地故障的发生。

2)直流断线故障

故障特征为功率传输中断，直流电流降为0。针对此类故障，同时检测两端直流电流，若两端直流电流的值超出第三阈值，则说明检测到直流断线故障的发生。

3)直流两极短路故障

故障特征为子模块电容放电，交流侧馈入短路电流，监测点电压与0的差值绝对值小于第四阈值，监测点电流大幅度升高。针对此类故障，检测正负两极电压，若正负两极电压的值超出第五阈值，则说明检测到直流两极短路故障的发生。

步骤3中，针对设置故障监测点监测到不同的故障，对直流输电系统采取不同的保护方法：

a)直流单极接地故障

若为短时故障且直流线路具备承受过电压的能力，则可允许系统继续运行；若为长期故障，则跳开交流侧断路器进行检修。

b)直流断线故障

此类故障为长期故障，一旦检测到发生此类故障，需闭锁两端换流站，并跳开交流侧断路器进行检修。

c)直流两极短路故障

短时故障时，闭锁换流站后无需跳开交流断路器，待故障消失后，解锁换流站，使系统恢复运行；若为长期故障，则跳开交流侧断路器进行检修。

本发明的有益效果是，当在高压直流输电系统的全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC-HVDC直流侧发生不同类型的故障时，根据监测点信息检测出相应故障并予以分类检测，触发相应的保护措施。本检测方法不仅可以区分检测高压直流输电系统的全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC-HVDC系统直流侧故障，也适用于高压直流输电系统的半桥型模块化多电平换流器子模块HB-MMC-HVDC系统，且给出了相应故障后的保护措施。

附图说明

图1是本发明提供的高压直流输电系统直流侧故障监测点以及监测信息示意图；

图2是本发明提供的一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法的直流侧单极接地故障；

图3是本发明提供的一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法的直流侧断线故障；

图4是本发明提供的一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法的直流侧两级短路故障；

图5是是本发明提供的一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法的故障分类检测以及相应保护的逻辑判断原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

步骤1：设置故障监测点

在高压直流输电系统中，直流侧故障监测点通常设置在换流站直流侧出口处，本研究针对两端双极高压直流输电系统的全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC-HVDC系统直流侧故障进行研究。图1中，设定的故障监测点包括up_1、up_2、down_1和down_2；实时监测四个监测点的测量信息，即监测点up_1、up_2、down_1和down_2的电压和电流，即U_{dc_up1}、I_{dc_up1}、U_{dc_up2}、I_{dc_up2}、U_{dc_down1}、I_{dc_down1}、U_{dc_down2}和I_{dc_down2}共8个测量信息利用监测点的测量信息作为故障判据，以区分故障类型。

步骤2：确定故障分类检测判据

1)直流单极接地故障

针对直流侧单极接地故障，如图2所示发生正极接地故障，故障监测点信息为：经短时震荡后，故障极电压约为0，非故障极电压约为到其初值的2倍，直流电流保持不变，有功功率正常传输：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}1}\≈U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}2}\≈0\\ U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}1}=2\×U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}1\_0}\\ U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}2}=2\×U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}2\_0}\\ I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}1}=I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}2}=I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}\_0}\\ I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}1}=I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}2}=I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}\_0}\end{array}\right.$

其中，U_{dc_down1_0},U_{dc_down2_0},I_{dc_up_0},I_{dc_down_0}代表监测点各测量值的初始值。故障检测部分同时检测两极电压作为判据，给出设定的第二阈值，如一极电压降低了85%，同时另一极电压升高了185%：

$\left\{\begin{array}{c}\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}1}\right|\≤15\%\×\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}1\_0}\right|\\ \left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}2}\right|\≤15\%\×\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}2\_0}\right|\\ \left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}1}\right|\≥185\%\×\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}1\_0}\right|\\ \left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}2}\right|\≥185\%\×\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}2\_0}\right|\end{array}\right.$

其中，U_{dc_up1_0},U_{dc_up2_0},U_{dc_down1_0},U_{dc_down2_0}代表监测点测量电压的初始值。

若满足上述判据，则给出相应的报警信号说明检测到单极接地故障的发生。

2)直流断线故障

针对直流侧断线故障，如图3所示，故障监测点信息为：经短时震荡后，两端直流电流变为0，功率传输中断，两端直流电压则取决于换流站为整流站还是逆变站，且与控制方式有关。即：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}1}=I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}2}\≈0\\ I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}1}=I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}2}\≈0\end{array}\right.$

故障检测部分同时检测两端直流电流作为判据，给出设定的第三阈值，如降低到15%的初始值：

$\left\{\begin{array}{c}\left|I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}1}\right|,\left|I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}2}\right|\≤15\%\left|I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}\_0}\right|\\ \left|I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}1}\right|,\left|I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}2}\right|\≤15\%\left|I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}\_0}\right|\end{array}\right.$

其中，I_{dc_up_0},I_{dc_down_0}代表各监测点测量电流的初始值。

若满足上述判据，则给出相应的报警信号，说明检测到直流断线故障的发生。

3)直流两极短路故障

针对直流侧两级短路故障，如图4所示，故障监测点信息为：经短时震荡后，测点电压迅速下降到0附近，测点电流升高到初始值的几十倍。故障检测部分同时检测两端直流电压作为判据，给出设定的第五阈值，如降低到15%的初始值时：

$\left\{\begin{array}{c}\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}1}\right|\≤15\%\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}1\_0}\right|\\ \left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}2}\right|\≤15\%\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{up}2\_0}\right|\\ \left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}1}\right|\≤15\%\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}1\_0}\right|\\ \left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}2}\right|\≤15\%\left|U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{down}2\_0}\right|\end{array}\right.$

其中，U_{dc_up1_0},U_{dc_up2_0},U_{dc_down1_0},U_{dc_down2_0}代表监测点各测量值的初始值。

若满足上述判据，则给出相应的报警信号，说明检测到直流侧两极短路故障的发生。

步骤3：确定分类故障保护方案

1)直流单极接地故障

若为短时故障且直流线路可以承受过电压的能力较强，则可允许系统继续运行；若为长期故障，则跳开交流侧断路器进行检修。

2)直流断线故障

此类故障为长期故障，一旦检测到发生此类故障，需闭锁两端换流站，并跳开交流侧断路器进行检修。

3)直流两极短路故障

此类故障极其严重，但是由于全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC不同于半桥型模块化多电平换流器子模块HB-MMC的特殊拓扑结构，半桥型模块化多电平换流器子模块HB-MMC结构闭锁换流站后可以阻断子模块放电电流，但交流系统仍会通过二极管馈入短路电流；而全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC结构只需要闭锁换流站即可完全阻断短路电流，使交直流系统完全隔离，从而在短时故障情况下故障消失后解锁换流站即可使系统恢复运行，而半桥型模块化多电平换流器子模块HB-MMC结构则需闭锁换流站并跳闸，以防止交流侧短路电流的馈入，在故障消失后还需要重合闸以使系统恢复运行，从故障到恢复运行耗时较长。综上所述，全桥型模块化多电平换流器子模块FB-MMC结构相对于半桥型模块化多电平换流器子模块HB-MMC结构具有穿越两极短路故障的能力。若为短时故障则闭锁两端换流站，故障消失后解锁换流站使系统继续运行；若为长期故障需检修则跳闸检修。

步骤4：当模块化多电平高压直流输电直流侧发生上述三种故障时，针对上述不同的故障特征，在故障监测点同时进行检测，根据不同的判据，可以区分地给出相应的报警信号，其判断逻辑如图5所示，进而对故障进行处理，如继续保持运行、闭锁换流站和跳开交流断路器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：在高压直流输电系统的直流侧设置故障监测点；

步骤2：确定直流输电直流系统故障分类检测判据；

步骤3：根据故障监测点监测到不同的故障，确定分类故障保护方案；

步骤4：根据确定的故障保护方案，对高压直流输电系统进行在线监测保护；

所述直流输电直流系统故障分类检测判据为：

1)直流单极接地故障

故障特征为故障极电压与0的差值绝对值小于第一阈值，非故障极电压升高到其初值的2倍，有功功率正常传输；针对此类故障，同时检测两极电压，若两极电压的值超出设定的第二阈值，则说明检测到单极接地故障的发生；

2)直流断线故障

故障特征为功率传输中断，直流电流降为0；针对此类故障，同时检测两端直流电流，若两端直流电流的值超出设定的第三阈值，则说明检测到直流断线故障的发生；

3)直流两极短路故障

故障特征为子模块电容放电，交流侧馈入短路电流，监测点电压与0的差值绝对值小于第四阈值，监测点电流大幅度升高；针对此类故障，检测正负两极电压，若正负两极电压的值超出设定的第五阈值，则说明检测到直流两极短路故障的发生；

所述第一阀值为15％，第二阀值为185％，第三阀值为15％，第四阀值为15％，第五阀值为15％。

2.根据权利要求1所述的一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法，其特征在于，所述高压直流输电系统的直流侧的故障监测点设置在换流站直流侧出口处，共设置四个故障监测点，用于监测各监测点的电压和电流，并将实时监测各监测点的测量信息作为故障判据，区分故障类型。

3.根据权利要求1所述的一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法，其特征在于，所述步骤3中，针对设置故障监测点监测到不同的故障，对直流输电系统采取不同的保护方法：

a)直流单极接地故障

若为短时故障且直流线路具备承受过电压的能力，则系统继续运行；若为长期故障，则跳开交流侧断路器进行检修；

b)直流断线故障

此类故障为长期故障，一旦检测到发生此类故障，则闭锁两端换流站，并跳开交流侧断路器进行检修；

c)直流两极短路故障

短时故障时，闭锁换流站后无需跳开交流断路器，待故障消失后解锁换流站，使系统恢复运行；若为长期故障，则跳开交流侧断路器进行检修。