CN103595025B - 电源换流器直流输电系统交流侧接线结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电源换流器直流输电系统交流侧接线结构及其控制方法，接线结构包括上级断路器CB1、接入断路器CB2、变压器T、启动电阻R、交流断路器CB3，其中换流站交流进线从上级断路器CB1引入电源，且上级断路器CB1通过接入断路器CB2与变压器T连接，启动电阻R与交流断路器CB3组成并联电路，变压器T通过启动电阻R与交流断路器CB3组成的并联电路与换流器C连接。本发明当换流器直流侧发生故障时，控制保护同时发跳开交流进线断路器和启动电阻并联断路器命令。在交流进线断路器失灵情况下，在故障回路中接入启动电阻，有效降低上级断路器跳开前流过换流器的故障电流，保护换流阀安全，降低设备原件设计参数。
Description
技术领域
本发明是一种电源换流器直流输电系统交流侧接线结构及其控制方法，特别是一种用于限制直流侧短路故障电流的电源换流器直流输电系统交流侧接线结构及其控制方法。
背景技术
出于可持续发展需要，利用以太阳能、风能等可再生能源发电已成为未来电力系统的发展方向。这些发电方式具有远离主电网、随时间波动较大等特点。基于电压源换流器的直流输电（voltage sourceconverter HVDC，VSC-HVDC）可独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，其换流器自换向，能够独立调节换流站交流侧的有功功率和无功功率，具有优越的可控性和灵活性，成为实现可再生能源发电与主电网之间的稳定联结的最有潜质的电力传输方式。柔性直流输电换流器采用可关断功率器件组成的电压源换流器，逆变站不存在换相失败情况，具备比常规直流输电优越得多的优点。
目前，电压源换流器直流输电换流器的拓扑结构有两电平、三电平和基于模块化的多电平结构，无论是哪种结构，由于采用的可关断器件带有反并联的二极管，在直流侧发生短路，特别是正极和负极间发生短路的情况下，都会形成由交流侧通过二极管，形成对短路点的不控整流放电回路，放电电流通常会达到几千安培甚至十几千安培以上，严重威胁换流阀等设备安全。
目前常规的做法是，当发生直流侧故障时，必须通过跳开交流侧的进线断路器来切断故障电流，保护换流阀等设备安全。然而，考虑到交流侧进线断路器可能存在失灵的问题，也就是需要它断开故障电流时，断路器无法执行，这种情况下，需要由失灵保护去跳开上一级母线的断路器。这种失灵保护的延时时间通常会达到300～400ms左右。为了保障设备的安全，设备的参数特别是反并联二极管和旁路晶闸管的裕度必须按照耐受300～400ms的短路电流进行考虑，这样大大增加了设备的投资。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单，能有效地限制故障电流，保障设备安全的电源换流器直流输电系统交流侧接线结构。本发明设计合理，方便实用，投资少，成本低。
本发明另一目的在于提出一种操作简单，控制方便的电源换流器直流输电系统交流侧接线结构的控制方法。
本发明提出的电源换流器直流输电系统交流侧接线结构，包括有上级断路器CB1、接入断路器CB2、变压器T、启动电阻R、交流断路器CB3，其中换流站交流进线从上级断路器CB1引入电源，且上级断路器CB1通过接入断路器CB2与变压器T连接，启动电阻R与交流断路器CB3组成并联电路，变压器T通过启动电阻R与交流断路器CB3组成的并联电路与换流器C连接。
本发明电源换流器直流输电系统交流侧接线结构的控制方法，包括如下过程：
当直流侧发生故障期间，直流输电系统的保护装置同时发送跳开CB3和CB2断路器命令，正常情况下，经过延时，交流断路器CB3和接入断路器CB2跳开，则交流电源与换流器C之间的电路被切断，直流故障清除，当接入断路器CB2由于断路器失灵不能跳开时，则由直流输电系统的后备保护装置发送去跳开上级断路器CB1的命令，在这过程中，只要交流断路器CB3能够顺利跳开，启动电阻R接入到故障回路当中。
上述直流输电系统的保护装置同时发送开交流断路器CB3和接入断路器CB2的命令，经过延时20～40ms，交流断路器CB3和接入断路器CB2跳开。
上述直流输电系统的后备保护装置发送去跳开上级断路器CB1的命令所需时间是300ms至400ms。
本发明将换流器交流进线回路上启动电阻并联开关配置为交流断路器，当换流器直流侧发生故障时，控制保护同时发跳开交流进线断路器和启动电阻并联断路器命令。在交流进线断路器失灵情况下，在故障回路中接入启动电阻，有效降低上级断路器跳开前流过换流器的故障电流，保护换流阀安全，降低设备原件设计参数，此外，本发明将启动电阻设计为数千欧姆，可以吸收兆焦级的能量，因此，能够保证投入后将故障电流大大降低，进而保障换流器的安全，并且电阻自身不损坏。本发明可以将换流阀耐受故障电流的参数明显降低，明显节约投资。
附图说明
图1是现有技术采用的电压源换流器直流输电换流站交流进线接线方式图；
图2是本发明采用的启动电阻并联开关选用断路器的换流站交流进线接线图；
图3是直流侧故障情况下的电流通路示意图。
具体实施方式
本发明提出的电源换流器直流输电交流侧接线结构，包括有上级断路器CB1、接入断路器CB2、变压器T、启动电阻R、交流断路器CB3，其中换流站交流进线从上级断路器CB1引入电源，且上级断路器CB1通过接入断路器CB2与变压器T连接，启动电阻R与交流断路器CB3组成并联电路，变压器T通过启动电阻R与交流断路器CB3组成的并联电路与换流器C连接。
本发明的电源换流器直流输电交流侧接线结构的控制方法，包括如下过程：
当直流侧发生故障期间，直流输电系统的保护装置同时发送跳开交流断路器CB3和接入断路器CB2的命令，正常情况下，经过延时，交流断路器CB3和接入断路器CB2跳开，则交流电源与换流器C之间的电路被切断，直流故障清除，当接入断路器CB2由于断路器失灵不能跳开时，则由直流输电系统的后备保护装置发送去跳开上级断路器CB1的命令，在这过程中，只要交流断路器CB3能够顺利跳开，启动电阻R接入到故障回路当中。
上述直流输电系统的保护装置同时发送跳开CB3和接入断路器CB2的命令，经过延时20～40ms，交流断路器CB3和接入断路器CB2跳开。
上述直流输电系统的后备保护装置发送去跳开上级断路器CB1的命令所需时间是300ms至400ms。
附图1是通常采用的电压源换流器直流输电换流站交流进线接线方式，即换流站交流进线从上级断路器CB1引入电源，接入断路器CB2，再接入联接变压器T，变压器T与换流器C之间接入启动电阻R，通常启动电阻并联开关采用刀闸DS。
由于采用的可关断器件带有反并联的二极管，在直流侧发生短路，特别是正极和负极间发生短路的情况下，都会形成由交流侧通过二极管，形成对短路点的不控整流放电回路，回路当中只有联接变压器T的电抗以及桥臂电抗器限制电流。因此，放电电流通常会达到几千安培甚至十几千安培以上，严重威胁换流阀等设备安全。
此时，控制保护系统都会采取跳开进线断路器CB2的方式来切断故障电流，约延时40ms后清除故障。然而，考虑到接入断路器CB2可能存在自身的原因，无法执行断开故障电流命令，则控制保护系统启动失灵保护，延时约300ms至400ms后，跳开上级断路器CB1来清除故障。这种配合和策略考虑了后备保护的作用，是成熟的方式。但是，在这种情况下，由于故障电流需要持续到上级断路器CB1跳开，也就是达到300ms至400ms，因此，为保证安全起见换流器的设备必须按照耐受300ms至400ms时长故障电流来设计参数，设备投资高，有时甚至是无法选到合适的设备原件。
为了解决这个问题，本发明提出将启动电阻R并联开关由刀闸DS更改为交流断路器CB3，见附图2。断路器CB3能力和时间与接入断路器CB2一致。采用这种接线方式，在故障情况下，控制保护首先同时发出跳开接入断路器CB2和交流断路器CB3的命令。具体是当直流侧发生故障期间，保护同时发跳开交流断路器CB3和接入断路器CB2的命令。正常情况下，经过约40ms延时交流断路器CB3和接入断路器CB2跳开，则交流电源与换流器C之间的电路被切断，直流故障清除。反之，当接入断路器CB2由于断路器失灵不能跳开时，则由保护出口去跳开上级断路器CB1。考虑到断路器失灵保护动作时间，以及上级断路器CB1跳开所需时间，这个延时大约需要300ms至400ms。在这过程中，只要交流断路器CB3能够顺利跳开，启动电阻R接入到故障回路当中，就可以有效的抑制故障电流。附图3为故障时的电流通路示意图，虚线框内的Ra、Rb、Rc分别为交流断路器CB3跳开后串入故障电流通路中的a、b、c三相启动电阻R，Xt为变压器T的电抗，换流器C的桥臂在故障期间由于子模块内的IGBT闭锁，因此单个桥臂等效如附图3所示的二极管与电抗串联的支路，交流电压可以通过这个支路向直流侧不控整流，形成较大的短路电流。
由于启动电阻设计为数千欧姆，可以吸收兆焦级的能量，因此，能够保证投入后将故障电流大大降低，进而保障换流器的安全，并且电阻自身不损坏。其带来的意义是非常明显的，既只要将启动电阻并联开关更换为断路器，就可以解决一旦接入断路器CB2失灵情况下，将换流阀耐受故障电流的参数明显降低，节约投资。
Claims (3)
1.一种电源换流器直流输电系统交流侧接线结构的控制方法，所述电源换流器直流输电系统交流侧接线结构包括有上级断路器CB1 、接入断路器CB2、变压器T、启动电阻R、交流断路器CB3，其中换流站交流进线从上级断路器CB1引入电源，且上级断路器CB1通过接入断路器CB2与变压器T连接，启动电阻R与交流断路器CB3组成并联电路，变压器T通过启动电阻R与交流断路器CB3组成的并联电路与换流器C连接，其特征在于电源换流器直流输电系统交流侧接线结构的控制方法包括如下过程：
当直流侧发生故障期间，直流输电系统的保护装置同时发送跳开CB3和CB2断路器命令，正常情况下，经过延时，交流断路器CB3和接入断路器CB2跳开，则交流电源与换流器C之间的电路被切断，直流故障清除，当接入断路器CB2由于断路器失灵不能跳开时，则由直流输电系统的后备保护装置发送去跳开上级断路器CB1的命令，在这过程中，只要交流断路器CB3能够顺利跳开，启动电阻R接入到故障回路当中。
2.根据权利要求1所述的电源换流器直流输电系统交流侧接线结构的控制方法，其特征在于上述直流输电系统的保护装置同时发送开交流断路器CB3和接入断路器CB2的命令，经过延时20～40ms， 交流断路器CB3和接入断路器CB2跳开。
3.根据权利要求1所述的电源换流器直流输电系统交流侧接线结构的控制方法，其特征在于上述直流输电系统的后备保护装置发送去跳开上级断路器CB1的命令所需时间是300ms至400ms。
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