CN103064016B - 一种mmc阀稳态运行试验装置故障保护方法 - Google Patents

一种mmc阀稳态运行试验装置故障保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法。故障保护方法根据故障类型分别选取保护方式；所述故障类型包括接地故障、补能电源故障、阀故障和通讯故障；当发生接地故障时，所述MMC辅助阀或MMC试品阀的IGBT驱动保护作主保护，主控制器检测过流作后备保护；当发生补能电源故障时，采取保护措施Ⅰ或保护措施Ⅱ，补能电源报警，并将故障或异常上报给上位机；当发生阀故障时，采取保护措施Ⅰ，同时闭锁MMC辅助阀或MMC试品阀触发脉冲；当发生通讯故障时，采取保护措施Ⅰ执行，同时将故障上报上位机。本发明能够识别故障类型，并对所有故障进行了等级划分，使各类保护分层设置、相互配合，保证了保护动作的快速性并有利于试验装置的故障排除。

Description

一种MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子领域的保护方法，具体涉及一种MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法。
背景技术
柔性直流输电（VSC-HVDC）技术在高压直流输电领域中有着广泛的应用前景，基于模块化多电平换流器（MMC）的VSC-HVDC，是实现利用IGBT阀进行直流输电的一种方式，其核心部件称作MMC阀。MMC阀的电气结构如图1所示。
MMC阀稳态运行试验的目的在于考察阀组件对于长期实际运行工况下的电流、电压和温度等关键应力的耐受能力，这也是换流器运行可靠性研究的重要组成部分。
当进行稳态运行试验时，试验装置发生各类故障没有相应的保护措施，对试验装置有不利影响，需要一种故障保护方法对发生各类故障时的试验装置进行保护。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，本方法针对稳态运行试验装置，在其故障时采用补能电源、各层控制器和上位机协同配合。当试验装置中某一设备故障，按保护方案的保护措施的同时，将故障的类型上报给上位机，上位机再向其他设备下发故障保护的命令。本发明还区分了故障的严重程度，并采取了相应的保护措施，能够保证试验过程中各设备的安全和试验的顺利进行。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，所述故障保护方法用的试验装置包括MMC辅助阀、MMC试品阀、电流检测单元、电压检测单元、负载电抗器、补能电源、充电电源和控制系统；所述补能电源通过平波电抗器与MMC辅助阀连接；所述负载电抗器连接在MMC辅助阀和MMC试品阀之间；所述MMC辅助阀、MMC试品阀和充电电源依次并联；
其改进之处在于，所述控制系统包括上位机、阀基控制器VBC和主控制器；所述阀基控制器VBC、主控制器和上位机依次连接；所述电流检测单元分别与MMC辅助阀、MMC试品阀和主控制器连接；所述电压检测单元与主控制器连接；所述补能电源与主控制器连接；阀基控制器VBC通过光纤分别与MMC辅助阀和MMC试品阀连接；
所述上位机为试验操作的显示提供监控界面；
所述故障保护方法根据故障类型分别选取保护方式；所述故障类型包括接地故障、补能电源故障、阀故障和通讯故障；
当发生接地故障时，所述MMC辅助阀或MMC试品阀的IGBT驱动保护作主保护，主控制器检测过流作后备保护；
当发生补能电源故障时，采取保护措施Ⅰ或保护措施Ⅱ，补能电源报警，并将故障或异常上报给上位机；
当发生阀故障时，采取保护措施Ⅰ，同时闭锁MMC辅助阀或MMC试品阀触发脉冲；
当发生通讯故障时，采取保护措施Ⅰ执行，同时将故障上报上位机。
其中，所述主控制器与上位机连接；所述补能电源包括依次并联的开关柜K、变压器和整流器；所述开关柜K接入10kV母线；在变压器的副边装设有电压互感器PT和电流互感器CT；所述开关柜K包括断路器；在所述整流器桥臂上和整流器输出回路中包括快熔节点；所述电流检测单元包括传感器Ⅰ和传感器Ⅱ；所述电压检测单元包括分压器Ⅰ和分压器Ⅱ；
与所述MMC辅助阀串联有传感器Ⅰ，组成MMC辅助阀-传感器Ⅰ支路；与所述MMC试品阀串联有传感器Ⅱ，组成MMC试品阀-传感器Ⅱ支路；在MMC辅助阀-传感器Ⅰ支路两端并联有分压器Ⅰ；
在MMC试品阀-传感器Ⅱ支路两端并联有分压器Ⅱ；隔离开关K3连接在分压器Ⅱ与充电电源之间；所述隔离开关K3为手动开关，通过所述上位机监视其状态；
所述分压器I和分压器II均与主控制器连接；所述负载电抗器串联有隔离开关K1；所述隔离开关K1为手动开关，通过所述上位机监视其状态；所述充电电源包括电源柜；所述电源柜接入380V电网。
其中，所述接地故障包括MMC辅助阀侧对地短路和MMC试品阀侧对地短路；所述MMC辅助阀侧对地短路和MMC试品阀侧对地短路通过MMC辅助阀和MMC试品阀的IGBT的自身检测或电流检测单元判断。
其中，所述补能电源故障包括直流输出短路、一次回路掉电、快熔熔断、桥臂/相间短路、桥臂开路和控制电源掉电。
其中，所述直流输出短路的判断条件为：电流检测单元检测到大于直流保护电流设定值的故障电流；当发生直流输出短路时，试验装置的主控制器采取保护措施Ⅰ，同时将故障以开关节点和报文的形式上报上位机；
所述一次回路掉电的补能电源通过电压互感器PT判断；当发生一次回路掉电时，试验装置的主控制器采取保护措施Ⅰ，同时将故障以开关节点和报文的形式上报上位机。
其中，所述快熔熔断通过快熔节点判断；当发生快熔熔断时，试验装置的主控制器采取保护措施Ⅰ，同时将故障以开关节点和报文的形式上报上位机；
所述桥臂/相间短路的判断条件为：变压器副边串联的电流互感器CT检测到大于交流保护电流设定值的故障电流；直流电流未超过设定值；当发生桥臂/相间短路时，试验装置的主控制器采取保护措施Ⅱ，同时将故障以开关节点和报文的形式上报上位机。
其中，所述桥臂开路的判断条件为：交流、直流电流均未超过设定值，三相电流发生不平衡；当发生桥臂开路时，补能电源报警，同时将异常以报文形式上报上位机。
所述控制电源掉电的判断条件为：控制电源中交流或者直流其中之一掉电；当发生控制电源掉电时，补能电源报警，同时将异常以报文形式上报上位机。
其中，所述阀故障包括MMC辅助阀闭锁、MMC试品阀闭锁和双阀闭锁；所述阀故障通过阀基控制器VBC上报或电压检测单元判断；当发生阀故障时，采取保护措施Ⅰ，同时闭锁阀触发脉冲。
其中，所述通讯故障的判断条件为：至少一个周期内未收到上位机下发的巡检信号；当发生通讯故障时，采取保护措施Ⅰ，同时将故障以开关节点形式上报上位机。
其中，所述保护措施Ⅰ指的是开关柜K中的断路器分闸；同时，整流器逆变三周波后退出；所述保护措施Ⅱ指的是开关柜K中的断路器分闸；同时，整流器闭锁后退出。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法适用于MMC阀稳态运行试验，能够保证试验过程中各设备的安全和试验的顺利进行；
2、本发明提供的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法能够识别故障类型，并对所有故障进行了等级划分，使各类保护分层设置、相互配合，保证了保护动作的快速性并有利于试验装置的故障排除；
3、本发明提供的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，对故障时采用补能电源、阀基控制器、主控制器实现保护措施分层设置，保证保护动作的快速性。
4、本发明区分了故障的严重程度，将故障分为接地故障、补能电源故障、阀故障和通讯故障；并采取了相应的保护措施，有利于故障类型的识别和保证故障保护动作的灵敏性和可靠性，有效抑制故障的发展，快速隔离故障元件，对设备起到保护的作用。
5、在稳态运行试验装置中，采用了控制系统对整个实验进行控制，控制系统采用分层结构，逻辑清晰、可靠性高，并且操作平台一体化有利于规范实验步骤和简化实验流程，使试验装置具备较强的可操作性和灵活性。
附图说明
图1是MMC阀的电气结构图；
图2是本发明提供的MMC阀稳态运行试验装置及其控制保系统示意图。
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。
本发明提供的MMC阀稳态运行试验装置示意图如图2所示，稳态运行试验装置由MMC辅助阀、MMC试品阀、电流检测单元、电压检测单元、负载电抗器、补能电源、充电电源和控制系统组成。
补能电源通过平波电抗器与MMC辅助阀连接；所述负载电抗器连接在MMC辅助阀和MMC试品阀之间；所述MMC辅助阀、MMC试品阀和充电电源依次并联；
控制系统包括上位机、阀基控制器VBC和主控制器；所述阀基控制器VBC、主控制器和上位机依次连接；电流检测单元分别与MMC辅助阀、MMC试品阀和主控制器连接；所述电压检测单元与主控制器连接；阀基控制器VBC通过光纤分别与MMC辅助阀和MMC试品阀连接；上位机为试验操作的显示提供监控界面。
主控制器与上位机连接。补能电源包括依次并联的开关柜K、变压器和整流器；所述开关柜K接入10kV母线；在变压器的副边装设有电压互感器PT和电流互感器CT；所述开关柜K包括断路器。在整流器桥臂上和整流器输出回路中包括快熔节点。补能电源与主控制器连接。
电流检测单元包括传感器Ⅰ和传感器Ⅱ；电压检测单元包括分压器Ⅰ和分压器Ⅱ；与所述MMC辅助阀串联有传感器Ⅰ，组成MMC辅助阀-传感器Ⅰ支路；与所述MMC试品阀串联有传感器Ⅱ，组成MMC试品阀-传感器Ⅱ支路；在MMC辅助阀-传感器Ⅰ支路两端并联有分压器Ⅰ；
在MMC试品阀-传感器Ⅱ支路两端并联有分压器Ⅱ；隔离开关K3连接在分压器Ⅱ与充电电源之间。分压器I和分压器II均与主控制器连接。负载电抗器串联有隔离开关K1；充电电源包括电源柜；所述电源柜接入380V电网。所述隔离开关K1和K3均为手动开关，通过所述上位机监视隔离开关K1和K3状态。
MMC辅助阀和MMC试品阀均包含n个串联的子模块；n为实际工程中一个MMC阀所含子模块的个数；每个子模块包括并联的半桥结构与子模块电容器CSM；半桥结构包括开关、两个IBGT模块、电阻R1和晶闸管T1；开关、晶闸管T1和其中一个IGBT模块依次并联；两个IGBT模块串联后形成IGBT模块支路，电阻R1与IGBT模块支路并联；每个IGBT模块包括二极管以及与其反并联的IGBT器件。
在充电、试验阶段，各部分都可能出现故障。故障分为接地故障、补能电源故障、阀故障和通讯故障。接地故障包括辅助阀侧对地短路、试品阀侧对地短路；补能电源故障包括直流输出短路、一次回路掉电、快熔熔断、桥臂/相间短路；阀故障包括MMC辅助阀闭锁、MMC试品阀闭锁和双阀闭锁。
辅助阀或试品阀侧对地短路，相当于某时刻投入的电容器串联对地放电，最严重的是所有电容器都投入且不经电抗器放电。MMC辅助阀（MMC试品阀）侧对地短路时，已投入的子模块上管IGBT和未投入的子模块下管IGBT出现过流。IGBT的驱动保护可在10μs内启动，闭锁保护IGBT。对于MMC试品阀（MMC辅助阀）侧，故障电流上升较慢，需要主控制器作后备保护。
补能电源直流输出短路，特别是在平波电抗器前短路时，短路电流很大，为防止晶闸管烧毁，可以采取整流器逆变三周波退出同时分闸补能电源断路器的措施。当补能电源的一次侧掉电或者由于快速熔断器熔断造成桥臂开路，都可以采取相同的保护措施。
补能电源的相间短路，不会对MMC阀造成危害，但会威胁整流器和变压器的安全。桥臂短路、误触发实质上是短时的相间短路。可以采用分闸补能电源断路器、闭锁整流器的措施。
子模块过压、阀组件短时过压、回路电流下降至零都会导致阀闭锁。处于放电状态的阀闭锁时，阀不会产生过压，而处于充电状态的阀闭锁时，则会产生过压。同时补能电源出口出现过压。应该采取退出补能电源的方法，将未闭锁的阀也闭锁。
通讯故障也是严重故障，装置的各部分配合依靠实时的通讯联系，若某条通讯出现中断，那么试验装置的可靠性也就无法保证，需要紧急停止试验。
试验装置是一个整体，应对故障时需要补能电源、MMC辅助阀VBC、MMC试品阀VBC、主控制器和上位机协同配合。试验装置某一设备故障，按保护方案的措施保护的同时，还需将故障的类型上报给上位机，上位机再向其他设备下发故障保护的命令。此外，还要区分故障的严重程度，采取合适的保护措施。经过归纳得出的试验装置的故障保护方案如下表1所示。
表1稳态运行试验装置的保护方案
其中：
保护措施Ⅰ：高压开关柜K中的断路器分闸；同时，整流器逆变三周波后退出。
保护措施Ⅱ：高压开关柜K中的断路器分闸；同时，整流器闭锁后退出。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，所述故障保护方法用的试验装置包括MMC辅助阀、MMC试品阀、电流检测单元、电压检测单元、负载电抗器、补能电源、充电电源和控制系统；所述补能电源通过平波电抗器与MMC辅助阀连接；所述负载电抗器连接在MMC辅助阀和MMC试品阀之间；所述MMC辅助阀、MMC试品阀和充电电源依次并联；
其特征在于，所述控制系统包括上位机、阀基控制器VBC和主控制器；所述阀基控制器VBC、主控制器和上位机依次连接；所述电流检测单元分别与MMC辅助阀、MMC试品阀和主控制器连接；所述电压检测单元与主控制器连接；所述补能电源与主控制器连接；阀基控制器VBC通过光纤分别与MMC辅助阀和MMC试品阀连接；
所述上位机为试验操作的显示提供监控界面；
所述故障保护方法根据故障类型分别选取保护方式；所述故障类型包括接地故障、补能电源故障、阀故障和通讯故障；
当发生接地故障时，所述MMC辅助阀或MMC试品阀的IGBT驱动保护作主保护，主控制器检测过流作后备保护；
当发生补能电源故障时，采取保护措施Ⅰ或保护措施Ⅱ，补能电源报警，并将故障或异常上报给上位机；
当发生阀故障时，采取保护措施Ⅰ，同时闭锁MMC辅助阀或MMC试品阀触发脉冲；
当发生通讯故障时，采取保护措施Ⅰ执行，同时将故障上报上位机；
所述主控制器与上位机连接；所述补能电源包括依次并联的开关柜K、变压器和整流器；所述开关柜K接入10kV母线；在变压器的副边装设有电压互感器PT和电流互感器CT；所述开关柜K包括断路器；在所述整流器桥臂上和整流器输出回路中包括快熔节点；所述电流检测单元包括传感器Ⅰ和传感器Ⅱ；所述电压检测单元包括分压器Ⅰ和分压器Ⅱ；
与所述MMC辅助阀串联有传感器Ⅰ，组成MMC辅助阀-传感器Ⅰ支路；与所述MMC试品阀串联有传感器Ⅱ，组成MMC试品阀-传感器Ⅱ支路；在MMC辅助阀-传感器Ⅰ支路两端并联有分压器Ⅰ；
在MMC试品阀-传感器Ⅱ支路两端并联有分压器Ⅱ；隔离开关K3连接在分压器Ⅱ与充电电源之间；所述隔离开关K3为手动开关，通过所述上位机监视其状态；
所述分压器I和分压器II均与主控制器连接；所述负载电抗器串联有隔离开关K1；所述隔离开关K1为手动开关，通过所述上位机监视其状态；所述充电电源包括电源柜；所述电源柜接入380V电网；
所述保护措施Ⅰ指的是开关柜K中的断路器分闸；同时，整流器逆变三周波后退出；所述保护措施Ⅱ指的是开关柜K中的断路器分闸；同时，整流器闭锁后退出。
2.如权利要求1所述的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，其特征在于，所述接地故障包括MMC辅助阀侧对地短路和MMC试品阀侧对地短路；所述MMC辅助阀侧对地短路和MMC试品阀侧对地短路通过MMC辅助阀和MMC试品阀的IGBT的自身检测或电流检测单元判断。
3.如权利要求1所述的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，其特征在于，所述补能电源故障包括直流输出短路、一次回路掉电、快熔熔断、桥臂/相间短路、桥臂开路和控制电源掉电。
4.如权利要求3所述的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，其特征在于，所述直流输出短路的判断条件为：电流检测单元检测到大于直流保护电流设定值的故障电流；当发生直流输出短路时，试验装置的主控制器采取保护措施Ⅰ，同时将故障以开关节点和报文的形式上报上位机；
所述一次回路掉电的补能电源通过电压互感器PT判断；当发生一次回路掉电时，试验装置的主控制器采取保护措施Ⅰ，同时将故障以开关节点和报文的形式上报上位机。
5.如权利要求3所述的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，其特征在于，所述快熔熔断通过快熔节点判断；当发生快熔熔断时，试验装置的主控制器采取保护措施Ⅰ，同时将故障以开关节点和报文的形式上报上位机；
所述桥臂/相间短路的判断条件为：变压器副边串联的电流互感器CT检测到大于交流保护电流设定值的故障电流；直流电流未超过设定值；当发生桥臂/相间短路时，试验装置的主控制器采取保护措施Ⅱ，同时将故障以开关节点和报文的形式上报上位机。
6.如权利要求3所述的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，其特征在于，所述桥臂开路的判断条件为：交流、直流电流均未超过设定值，三相电流发生不平衡；当发生桥臂开路时，补能电源报警，同时将异常以报文形式上报上位机；
所述控制电源掉电的判断条件为：控制电源中交流或者直流其中之一掉电；当发生控制电源掉电时，补能电源报警，同时将异常以报文形式上报上位机。
7.如权利要求1所述的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，其特征在于，所述阀故障包括MMC辅助阀闭锁、MMC试品阀闭锁和双阀闭锁；所述阀故障通过阀基控制器VBC上报或电压检测单元判断；当发生阀故障时，采取保护措施Ⅰ，同时闭锁阀触发脉冲。
8.如权利要求1所述的MMC阀稳态运行试验装置故障保护方法，其特征在于，所述通讯故障的判断条件为：至少一个周期内未收到上位机下发的巡检信号；当发生通讯故障时，采取保护措施Ⅰ，同时将故障以开关节点形式上报上位机。
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