CN103066573B

CN103066573B - 一种模块化多电平多端柔性直流系统直流故障处理方法

Info

Publication number: CN103066573B
Application number: CN201210537259.0A
Authority: CN
Inventors: 林畅; 贺之渊; 孔明; 杨杰; 朱琳; 包海龙; 刘隽
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Shanghai Municipal Electric Power Co; China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Global Energy Interconnection Research Institute; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2032-12-13
Also published as: CN103066573A

Abstract

本发明提供的一种模块化多电平多端柔性直流系统直流故障处理方法，包括步骤有：（1）继电保护装置实时检测多端柔性直流系统，若检测到直流故障点后，跳开该直流线路两端的断路器，各站的换流器均保持运行状态；（2）将跳开的断路器合闸，检测故障是否消失，若故障未消失，则再次跳开断路器，否则进行步骤（3）；（3）所述直流线路投入使用，系统正常运行。本发明简单易行、可靠，减小了暂时性直流故障对多个换流站的影响，有效保证了暂时性故障清除后的系统及时恢复运行，同时保障设备运行安全。

Description

一种模块化多电平多端柔性直流系统直流故障处理方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平多端柔性直流系统直流故障处理方法。

背景技术

用于柔性直流输电的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用目前国际上较为流行的新型模块化多电平拓扑结构。其是一种新兴起的适用于柔性直流输电技术的电压源换流器，具有对期间一直出发动态均压要求低、扩展性好、输出电压波形品质高、开关频率低、运行损耗低等诸多优点。模块化多电平式柔性直流输电在建立多端系统方面比基于晶闸管的传统直流输电系统有更强的优势，如从根本上消除了换相失败、一站故障后其余几个站可以正常运行、省去了滤波器、占地面积小等。其核心单元——子模块(Sub Module，SM)是由两个带有反并联二极管的可关断的电力电子开关器件和一个电容器构成的半桥结构。多端模块化多电平换流器的基本拓扑结构如图1所示，其由三个相单元(Phase Module或Phase Unit)组成，每个相单元包含上下对称的换流桥臂(Converter Leg)，而每个换流桥臂又由多个子模块和一个桥臂电抗器串联而成。多端连接方式与两电平和三电平柔性直流输电方式相同，采用T接换流站并联方式连接。

多端模块化多电平柔性直流输电系统直流侧故障时，特别需注意直流侧线路接线方式,及时、正确的处理直流故障,把故障影响降到最低，从而保证换流站内设备安全和直流系统的安全稳定运行。由于多端并联连接的直流网络中，柔性直流输电直流侧暂时故障的动态过程特性与两端系统一致，可采取相同的处理措施，可跳开交流线路断路器隔离故障。此时，整个多端柔性直流输电系统停运，与交流系统失去联系。各个端的换流站均闭锁跳闸，影响范围广。

直流侧暂时故障时，为了抑制换流站设备的过流，保证设备安全，通常采用直接闭锁换流器跳交流侧断路器的方法实现。目前，浙江大学徐政等人申请的申请号为201110251630.2，名称为“一种具有处理直流故障功能的多电平换流器”的专利提出通过采用全桥换流器拓扑并在直流侧设置直流故障处理单元的方法实现，当直流侧发生短路故障，系统能够自限制清除直流故障电流，可实现系统暂时性故障的及时处理。但不适用于模块化多电平结构，且未提及多端系统。

在徐政的另一篇专利，申请号为201210064542.6，名称为“一种具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统”的专利中提出通过建立柔直双极结构形式，采用故障时单级故障闭锁，而健全极运行不受影响的方法。该方法提高了系统可靠性，且该结构采用中间引出接地点，易于系统分期建设和增容扩建，同时接地支路为在单极大地回线运行方式下的系统提供电流回流通路。但该方案故障时按照永直流久性故障处理，且未涉及多端系统的故障处理方法。同时，该方法改变柔直拓扑结构较大，不适用于模块化多电平拓扑结构。

上述两种方法均是基于两端换流站的故障处理过程，且均未考虑到暂时性直流故障的故障恢复问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种模块化多电平多端柔性直流系统直流故障处理方法，简单易行、可靠，减小了暂时性直流故障对多个换流站的影响，有效保证了暂时性故障清除后的系统及时恢复运行，同时保障设备运行安全。

本发明的多端柔性直流系统是指至少有两个的柔性直流输电系统通过直流线路连接。

本发明提供的一种模块化多电平多端柔性直流系统直流故障处理方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）继电保护装置实时检测多端柔性直流系统，若检测到直流故障点后，跳开该直流线路两端的断路器，各站的换流器均保持运行状态；

（2）将跳开的断路器合闸，检测故障是否消失，若故障未消失，则再次跳开断路器，否则进行步骤（3）；

（3）所述直流线路投入使用，系统正常运行。

其中，步骤（1）所述继电保护装置检测直流故障点的方法包括：

1）当直流线路两端断路器处的继电保护装置检测出该直流线路两端电流方向相反，则判断为故障线路；

2）当直流线路两端断路器处的继电保护装置检测出电流方向相同，但该条直流线路电压与另一极直流电压绝对值差值较大，且流过两个断路器的电流数值不相等时，则判断为故障线路。

其中，步骤（1）所述检测到直流故障点后，跳开该直流线路两端的断路器时，若所述断路器的切断时间过长（时间过长是指断路器的切断时间不能抑制直流故障的过流，即切断时间大于产生过流的时间），则闭锁换流站清除暂时故障，其步骤包括：

①闭锁各端换流器，但交流线路的断路器继续运行；

②将跳开的断路器合闸，检测故障是否消失，若故障消失，则解锁换流器，若故障未消失，则进行步骤③；

③再次跳开直流断路器，直至暂时故障消失后，直流断路器合上，解锁换流器，系统继续运行。

其中，步骤（2）所述跳开的断路器合闸，检测故障是否消失，其检测故障的判据如下：

其中，步骤2）中直流线路电压与另一极直流电压绝对值差值较大是指柔性直流系统输出端的两线路电压不平衡度超过30%～40%。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1、本发明的多端直流侧故障位置判断方法适用于暂态故障和永久故障；

2、本发明的故障处理方法简单易行、方法可靠，故障恢复迅速；

3、本发明有效避免了直流暂时故障时的换流站闭锁，避免了整个柔直系统的停运；

4、本发明在故障时未闭锁的换流站无需附加的控制策略配合，不用增加系统设计的复杂度；

5、本发明设计的故障处理方法适用于多端系统，其给未来多端系统的应用提供基础；

6、本发明通过继电保护装置检测直流故障点的方法简单，实用性强。

7、本发明通过重新合闸检测故障点是否消失，若故障消失则系统重新投入使用，其实现了系统恢复的及时性，避免了电网的大幅度波动；

8、本发明配合换流站短时闭锁的控制方法，有效地保护设备安全。

附图说明

图1为本发明提供的模块化多电平换流器结构示意图。

图2为本发明提供的多端柔性直流输电系统结构示意图（双极短路故障）。

图3为本发明提供的多端柔性直流输电系统结构示意图（单极故障）。

图4为本发明提供的多端柔性直流输电系统故障处理方法。

图5为本发明提供的换流站闭锁故障处理方法。

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。

本实施例针对多端柔性直流系统暂时性直流故障问题，给出了多端柔性直流系统直流故障处理方法。

本实施例的多端柔性直流系统，以三端为例，在其直流线路上设置有三组继电器（S_1-1、S_1-2）、（S_2-1、S_2-2）和（S_3-1、S_3-2）和三组对应的继电保护装置（可为继电器），每组的一个继电器和对应的继电保护装置设置在柔性直流系统的直流端，另一个继电器和对应的继电保护装置设置在直流线路上，设置在同一直流线路上的继电器放置在一起。如图2和图3所示的系统，其中两条直流线路的继电器S_1-1联动。

首先结合图2、图3，说明多端直流故障线路判断方法：

直流侧故障可分为双极短路故障和单极接地故障两类。两类故障时线路两端流过电流方向如图上开关处箭头方向所示。因此多端线路故障判断方法为：

1）当某段线路两侧开关处的继电保护装置检测出电流方向相反（如图2中S_1-1和S_1-2的电流方向所示），则判断为故障线路；

2）当某段线路两侧开关处的继电保护装置检测出电流方向相同，但该条线路电压与另一极直流电压绝对值差值较大，且流过两开关的电流数值不一样时，则判断该线路为故障线路。本实施例的直流线路电压与另一极直流电压绝对值差值较大是指柔性直流系统输出端的两线路电压不平衡度超过30%～40%。（不平衡度通过绝对值差除以柔性直流系统输出正常的电压值得到。）

此故障判断方法不仅适用于直流暂态故障位置判断更适用于永久故障位置判断。

本实施例的多端柔性直流系统直流故障处理方法，其流程如图4所示，具体步骤包括：

（1）继电保护装置实时检测多端柔性直流系统，若检测到直流故障点后，跳开该直流线路两端的断路器S_1-2和S_1-1，隔离故障段直流线路，各站的换流器均保持运行状态不闭锁；

（2）将跳开的两个断路器合闸（其根据控制自动合闸），继电保护装置检测故障是否消失，若故障未消失，则再次跳开断路器，若故障消失则进行步骤（3）；

（3）直流线路投入使用，系统正常运行。

由于暂时性故障，线路切断时间短，因此未闭锁的换流站无需附加的控制切换。

考虑到若直流断路器的切断时间不能抑制直流故障的过流，需闭锁换流站清除暂时故障。其流程图如图5所示，具体步骤如下：

①检测到直流故障点后，跳开该直流线路两端的断路器S_1-2和S_1-1，隔离故障段直流线路，闭锁各端换流器，但不跳交流线路断路器；

此方法在故障时，通过直流断路器有效切断了故障线路，有效避免了各个换流站的停运，保证了直流线路暂时性故障恢复后，系统的快速恢复运行，无需重新启动。

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

1.一种模块化多电平多端柔性直流系统直流故障处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)继电保护装置实时检测多端柔性直流系统，若检测到直流故障点后，跳开直流线路两端的断路器，各站的换流器均保持运行状态；

(2)将跳开的断路器合闸，检测故障是否消失，若故障未消失，则再次跳开断路器，否则进行步骤(3)；

(3)所述直流线路投入使用，系统正常运行；

步骤(1)所述继电保护装置检测直流故障点的方法包括：

1)当直流线路两端断路器处的继电保护装置检测出该直流线路两端电流方向相反，则判断为故障线路；

2)当直流线路两端断路器处的继电保护装置检测出电流方向相同，但该条直流线路电压与另一极直流电压绝对值差值较大，且流过两个断路器的电流数值不相等时，则判断为故障线路。

2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤(1)所述检测到直流故障点后，跳开该直流线路两端的断路器时，若所述断路器的切断时间过长，则闭锁换流站清除暂时故障，其步骤包括：

①闭锁各端换流器，但交流线路的断路器继续运行；

3.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤(2)所述跳开的断路器合闸，检测故障是否消失，其检测故障的判据如下：

4.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤2)中所述直流线路电压与另一极直流电压绝对值差值较大是指柔性直流系统输出端的两线路电压不平衡度超过30％～40％。

5.如权利要求2所述的处理方法，其特征在于，所述断路器的切断时间过长是指切断时间大于产生过流的时间。