CN104393572A - 一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法和系统,在直流控制保护PCP层配置直流过电压保护、在换流器阀基控制VBC层配置阀过电压保护、在换流器子模块控制SMC层配置子模块过电压保护；将各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对换流器阀组和换流器子模块过电压进行协调保护。该保护配置方法和系统在交流系统异常、以及子模块故障的情况下能够快速正确的进行保护动作，避免子模块过电压与阀组过电压之间相互影响，防止过电压应力继续发展，提高了换流器系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统中柔性输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法和系统。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)的阀臂由多个子模块组成，通过多个子模块输出电平的叠加输出正弦波信号，具有开关频率降低、损耗低、谐波小等优点，易于拓展至更高电压等级，是目前柔性输电研究应用的主要方向。MMC阀组占据了柔性输电换流站投资的主要部分，其中的主要元器件IGBT、电容器相对于变压器、电抗器、线路等设备对过电压异常敏感。
对于实际运行的柔性输电工程，过电压是换流阀的重大威胁，阀组的可关断器件、电容器过电压能力有限。微秒级的过电压就可能导致可关断器件的损坏。对于子模块，控制电路或者IGBT故障都可能导致子模块处于充电状态，子模块电容电压不断上升，最终造成子模块过电压爆炸。为保护模块其他部分、防止爆炸，减少对整个阀组的影响，需要及时把模块旁路。机械旁路开关的动作需要一定的时间，在此时间内充电电流可能导致模块电压进一步升高，因此启动旁路的过电压值应尽可能低。
时间极短、幅值高的交直流电网过电压，如操作过电压、雷电过电压，一般无法通过保护系统来防护，需要通过合理的耐压设计、避雷器配置和电抗器等元件的衰减来预防。但当交流或者直流系统异常运行工况下，如发生大的扰动，控制系统无法有效控制系统的电压时，则可能造成电压超过正常允许的范围，这种类型的过电压往往能量大，持续时间长，但又远低于避雷器的动作电压，这种情况并不适合采用避雷器对电压进行限制，需要依靠保护系统对阀组进行保护。
由于微秒级的过电压脉冲就可能造成IGBT的彻底损坏，导致直流控制保护系统在阀组本体保护中的作用受到了很大限制，这一点与传统直流输电系统相比有很大的区别。另一方面，由于子模块检测到的故障信息可能由于模块本身故障引起，也可能由于阀组或系统故障引起，最终如何正确处理还需要阀控系统与直流保护控制系统综合进行判断。
因此，需要针对MMC换流器阀组的特点，制定一种更为快速有效的过电压保护配置方法和系统，能够在系统扰动和阀模块故障时，防止过电压应力继续发展，提高换流器的可靠性。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法和系统,能够保证换流器在系统扰动以及阀模块自身故障时，均能可靠的动作，保护换流阀模块不受过电压应力而损坏，从而可以提高换流器的可靠性，适合于工程应用。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法，该保护配置方法在直流控制保护PCP层配置直流过电压保护、在换流器阀基控制VBC层配置阀过电压保护、在换流器子模块控制SMC层配置子模块过电压保护；上述各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对换流器阀组和换流器子模块过电压进行协调保护。
上述PCP层配置m段直流过电压保护，每段直流过电压保护均通过实时检测直流系统正负极直流电压差值，并与相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电压，如过电压则闭锁换流器，保护所有阀组子模块；其中m段直流过电压保护的动作定值关系为：Uov1>Uov2>…>Uovm>Unom，Unom为换流器额定直流电压，Uov1、Uov2、…、Uovm、Unom均为大于零的实数；m段直流过电压保护的动作延迟关系为：Tuo1<Tuo2<…<Tuom，Tuo1、Tuo2、…、Tuom均为大于等于零的实数。
上述VBC层配置的阀过电压保护，通过实时检测桥臂阀组各子模块电压状态，与设定过电压定值Vov1进行比较，判断是否有子模块过电压，如子模块过电压持续一段时间Tvo1，则保护动作通过子模块机械旁路开关将该子模块旁路；Vov1和Tvo1均为大于等于零的实数。
上述SMC层配置的子模块过电压保护，实时检测对应子模块电压状态，判断子模块电压大于过电压定值Vov2持续一段时间Tvo2后，则通过子模块机械旁路开关将子模块旁路；Vov2和Tvo2均为大于等于零的实数。
上述各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合如下，PCP层配置的直流过电压保护动作定值为Uov1…Uovm、保护动作延迟为Tuo1…Tuom，VBC层配置的阀过电压保护动作定值为Vov1、保护动作延迟为Tvo1,SMC层配置的子模块过电压保护动作定值为Vov2、保护动作延迟为Tvo2，换流器额定直流电压为Unom，各保护动作定值配合关系为：(N*Vov2)>(N*Vov1)>Uov1>…>Uovm>Unom、各保护动作延迟的配合关系为：Tvo2<Tvo1<Tuo1…<Tuom，所述N为换流器正常工作时每相投入的子模块数量，N为自然数。
上述换流器过电压保护配置方法适用于采用模块化结构的电压源换流器。
另外本发明提供一种模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，该系统包括直流过电压保护装置、阀过电压保护装置、子模块过电压保护装置，其中，直流过电压保护装置配置在直流控制保护PCP层，阀过电压保护装置配置在在换流器阀基控制VBC层，子模块过电压保护装置配置在换流器子模块控制SMC层；上述各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对换流器阀组和换流器子模块过电压进行协调保护。
上述PCP层配置的直流过电压保护装置使用m段直流过电压保护，每段直流过电压保护均通过实时检测直流系统正负极直流电压差值与相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电压，如过电压则闭锁换流器，保护所有阀组子模块；其中m段直流过电压保护的动作定值关系为：Uov1>Uov2>…>Uovm>Unom，Unom为换流器额定直流电压，Uov1、Uov2、…、Uovm、Unom均为大于零的实数；m段直流过电压保护的动作延迟关系为：Tuo1<Tuo2<…<Tuom，Tuo1、Tuo2、…、Tuom均为大于等于零的实数。
上述VBC层配置的阀过电压保护装置，通过实时检测桥臂阀组各子模块电压状态，与设定过电压定值Vov1进行比较，判断是否有子模块过电压，如子模块过电压持续一段时间Tvo1，则保护动作通过子模块机械旁路开关将该子模块旁路；Vov1和Tvo1均为大于等于零的实数。
上述SMC层配置的子模块过电压保护装置，实时检测对应子模块电压状态，判断子模块电压大于过电压定值Vov2持续一段时间Tvo2后，则通过子模块机械旁路开关将子模块旁路；Vov2和Tvo2均为大于等于零的实数。
上述各个保护层的过电压保护装置的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合如下，PCP层配置的直流过电压保护动作定值为Uov1、保护动作延迟为Tuo1，VBC层配置的阀过电压护动作定值为Uov1…Uovm、保护动作延迟为Tuo1…Tuom,SMC层配置的子模块过电压保护动作定值为Vov2、保护动作延迟为Tvo2，换流器额定直流电压为Unom，各保护动作定值配合关系为：(N*Vov2)>(N*Vov1)>Uov1>…>Uovm>Unom、各保护动作延迟的配合关系为：Tvo2<Tvo1<Tuo1<…<Tuom，所述N为换流器正常工作时每相投入的子模块数量，N为自然数。
上述换流器过电压保护配置方法适用于采用模块化结构的电压源换流器。
上述直流过电压保护装置、阀过电压保护装置、子模块过电压保护装置为独立的装置，或者为通用控制保护设备中的保护模块。
采用上述方案后，本发明模块化多电平换流器的过电压保护配置方法和系统，在交流系统扰动造成阀组过压时，保护换流器迅速闭锁；在阀组子模块故障时，能够迅速旁路保证其不影响整个阀组的正常运行，提高了换流器的可靠性，更好的发挥模块化多电平结构换流器的优势，适用于工程应用。本方案充分利用子模块控制电路实现快速保护功能，由于MMC换流器子模块集成有相对智能的SMC电路，这部分电路可以实现子模块的测量和自检功能，可以为阀组运行状况的判断提供很大帮助，子模块可以针对检测到的信息进行自主过电压保护；另一方面，由于阀控系统控制周期短，通信环节少，可以快速处理量测系统和子模块的数据，最短保护延时可以控制在150μs以内，能够满足快速保护的需求，本方案加强了阀控制系统的保护功能，在阀控制系统里配置过电压保护，与阀子模块自主过电压保护以及直流控制保护系统过电压保护配合，更可靠的对阀组及子模块进行过电压保护。
附图说明
图1是本发明模块化多电平换流器的过电压保护配置方法结构图；
图2是模块化多电平换流器(MMC)的等效结构图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
模块化多电平换流器的等效结构图如图2所示，换流器包括三相6个桥臂，其每个桥臂由n个子模块(SM)和换流电抗器组成。
本发明的模块化多电平换流器过电压保护配置方法和系统结构图如图1所示，该保护配置方法在直流控制保护(PCP)层1配置直流过电压保护、在换流器阀基控制(VBC)层2配置阀过电压保护、在换流器子模块控制(SMC)层3配置子模块过电压保护；所述各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对换流器阀组和换流器子模块过电压进行协调保护。
前述的PCP层1配置m段直流过电压保护，每段直流过电压保护均通过实时检测直流系统正负极直流电压差值，并与相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电压，如过电压则闭锁换流器，保护所有阀组子模块；其中m段直流过电压保护的动作定值关系为：Uov1>Uov2>…>Uovm>Unom，Unom为换流器额定直流电压，Uov1、Uov2、…、Uovm、Unom均为大于零的实数；m段直流过电压保护的动作延迟关系为：Tuo1<Tuo2<…<Tuom，Tuo1、Tuo2、…、Tuom均为大于等于零的实数。
前述VBC层2配置的阀过电压保护，通过实时检测桥臂阀组各子模块电压状态，与设定过电压定值Vov1进行比较，判断是否有子模块过电压，如子模块过电压持续一段时间Tvo1，则保护动作通过子模块机械旁路开关将该子模块旁路；Vov1和Tvo1均为大于等于零的实数。
前述SMC层3配置的子模块过电压保护，实时检测对应子模块电压状态，判断子模块电压大于过电压定值Vov2持续一段时间Tvo2后，则通过子模块机械旁路开关将子模块旁路；Vov2和Tvo2均为大于等于零的实数。
前述各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合如下，PCP层配置的直流过电压保护动作定值为Uov1…Uovm、保护动作延迟为Tuo1…Tuom，VBC层配置的阀过电压保护动作定值为Vov1、保护动作延迟为Tvo1,SMC层配置的子模块过电压保护动作定值为Vov2、保护动作延迟为Tvo2，换流器额定直流电压为Unom，各保护动作定值配合关系为：(N*Vov2)>(N*Vov1)>Uov1>…>Uovm>Unom、各保护动作延迟的配合关系为：Tvo2<Tvo1<Tuo1…<Tuom，所述N为换流器正常工作时每相投入的子模块数量，N为自然数。
前述换流器过电压保护配置方法适用于采用模块化结构的电压源换流器。
另外本发明还提供一种模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，包括直流过电压保护装置、阀过电压保护装置、子模块过电压保护装置，其中，直流过电压保护装置配置在直流控制保护PCP层，阀过电压保护装置配置在在换流器阀基控制VBC层，子模块过电压保护装置配置在换流器子模块控制SMC层。所述各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对换流器阀组和换流器子模块过电压进行协调保护。
PCP层配置的直流过电压保护装置使用m段直流过电压保护，每段直流过电压保护均通过实时检测直流系统正负极直流电压差值与相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电压，如过电压则闭锁换流器，保护所有阀组子模块；其中m段直流过电压保护的动作定值关系为：Uov1>Uov2>…>Uovm>Unom，Unom为换流器额定直流电压，Uov1、Uov2、…、Uovm、Unom均为大于零的实数；m段直流过电压保护的动作延迟关系为：Tuo1<Tuo2<…<Tuom，Tuo1、Tuo2、…、Tuom均为大于等于零的实数。
VBC层配置的阀过电压保护装置，通过实时检测桥臂阀组各子模块电压状态，与设定过电压定值Vov1进行比较，判断是否有子模块过电压，如子模块过电压持续一段时间Tvo1，则保护动作通过子模块机械旁路开关将该子模块旁路；Vov1和Tvo1均为大于等于零的实数。
SMC层配置的子模块过电压保护装置，实时检测对应子模块电压状态，判断子模块电压大于过电压定值Vov2持续一段时间Tvo2后，则通过子模块机械旁路开关将子模块旁路；Vov2和Tvo2均为大于等于零的实数。
各个保护层的过电压保护装置的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合如下，PCP层配置的直流过电压保护动作定值为Uov1、保护动作延迟为Tuo1，VBC层配置的阀过电压护动作定值为Uov1…Uovm、保护动作延迟为Tuo1…Tuom,SMC层配置的子模块过电压保护动作定值为Vov2、保护动作延迟为Tvo2，换流器额定直流电压为Unom，各保护动作定值配合关系为：(N*Vov2)>(N*Vov1)>Uov1>…>Uovm>Unom、各保护动作延迟的配合关系为：Tvo2<Tvo1<Tuo1<…<Tuom，所述N为换流器正常工作时每相投入的子模块数量，N为自然数。
换流器过电压保护配置方法适用于采用模块化结构的电压源换流器。
直流过电压保护装置、阀过电压保护装置、子模块过电压保护装置为独立的装置，或者为通用控制保护设备中的保护模块。
本发明以直流过电压保护功能包括两段为例来介绍实施方案，但本发明的保护配置方法不限于上述保护功能，对于包含多段直流过电压保护功能的电压源换流器过电压保护都适用。
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专利要求保护范围之内。
Claims (15)
1.一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法，其特征在于，所述保护配置方法在直流控制保护PCP层配置直流过电压保护、在换流器阀基控制VBC层配置阀过电压保护、在换流器子模块控制SMC层配置子模块过电压保护；所述各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对换流器阀组和换流器子模块过电压进行协调保护。
2.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法，其特征在于，所述的PCP层配置m段直流过电压保护，每段直流过电压保护均通过实时检测直流系统正负极直流电压差值，并与相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电压，如过电压则闭锁换流器，保护所有阀组子模块；其中m段直流过电压保护的动作定值关系为：Uov1>Uov2>…>Uovm>Unom，Unom为换流器额定直流电压，Uov1、Uov2、…、Uovm、Unom均为大于零的实数；m段直流过电压保护的动作延迟关系为：Tuo1<Tuo2<…<Tuom，Tuo1、Tuo2、…、Tuom均为大于等于零的实数。
3.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法，其特征在于，所述的VBC层配置的阀过电压保护，通过实时检测桥臂阀组各子模块电压状态，与设定过电压定值Vov1进行比较，判断是否有子模块过电压，如子模块过电压持续一段时间Tvo1，则保护动作通过子模块机械旁路开关将该子模块旁路；Vov1和Tvo1均为大于等于零的实数。
4.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法，其特征在于，所述的SMC层配置的子模块过电压保护，实时检测对应子模块电压状态，判断子模块电压大于过电压定值Vov2持续一段时间Tvo2后，则通过子模块机械旁路开关将子模块旁路；Vov2和Tvo2均为大于等于零的实数。
5.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法，其特征在于，所述的PCP层配置m段直流过电压保护装置，每段直流过电压保护均通过实时检测直流系统正负极直流电压差值与相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电压，如过电压则闭锁换流器，保护所有阀组子模块；其中m段直流过电压保护的动作定值关系为：Uov1>Uov2>…>Uovm>Unom，Unom为换流器额定直流电压，Uov1、Uov2、…、Uovm、Unom均为大于零的实数；m段直流过电压保护的动作延迟关系为：Tuo1<Tuo2<…<Tuom，Tuo1、Tuo2、…、Tuom均为大于等于零的实数；
所述的VBC层配置的阀过电压保护，通过实时检测桥臂阀组各子模块电压状态，与设定过电压定值Vov1进行比较，判断是否有子模块过电压，如子模块过电压持续一段时间Tvo1，则保护动作通过子模块机械旁路开关将该子模块旁路；Vov1和Tvo1均为大于等于零的实数。
所述的SMC层配置的子模块过电压保护，实时检测对应子模块电压状态，判断子模块电压大于过电压定值Vov2持续一段时间Tvo2后，则通过子模块机械旁路开关将子模块旁路；Vov2和Tvo2均为大于等于零的实数。
6.如权利要求1或5所述的一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法，其特征在于,所述各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合如下，PCP层配置的直流过电压保护动作定值为Uov1…Uovm、保护动作延迟为Tuo1…Tuom，VBC层配置的阀过电压保护动作定值为Vov1、保护动作延迟为Tvo1,SMC层配置的子模块过电压保护动作定值为Vov2、保护动作延迟为Tvo2，换流器额定直流电压为Unom，各保护动作定值配合关系为：(N*Vov2)>(N*Vov1)>Uov1>…>Uovm>Unom、各保护动作延迟的配合关系为：Tvo2<Tvo1<Tuo1…<Tuom，所述N为换流器正常工作时每相投入的子模块数量，N为自然数。
7.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的过电压保护配置方法，其特征在于,所述换流器过电压保护配置方法适用于采用模块化结构的电压源换流器。
8.一种模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，其特征在于，所述系统包括直流过电压保护装置、阀过电压保护装置、子模块过电压保护装置，其中，直流过电压保护装置配置在直流控制保护PCP层，阀过电压保护装置配置在在换流器阀基控制VBC层，子模块过电压保护装置配置在换流器子模块控制SMC层。所述各个保护层的过电压保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对换流器阀组和换流器子模块过电压进行协调保护。
9.如权利要求8所述的模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，其特征在于，所述的PCP层配置的直流过电压保护装置使用m段直流过电压保护，每段直流过电压保护均通过实时检测直流系统正负极直流电压差值与相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电压，如过电压则闭锁换流器，保护所有阀组子模块；其中m段直流过电压保护的动作定值关系为：Uov1>Uov2>…>Uovm>Unom，Unom为换流器额定直流电压，Uov1、Uov2、…、Uovm、Unom均为大于零的实数；m段直流过电压保护的动作延迟关系为：Tuo1<Tuo2<…<Tuom，Tuo1、Tuo2、…、Tuom均为大于等于零的实数。
10.如权利要求8所述的模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，其特征在于，所述的VBC层配置的阀过电压保护装置，通过实时检测桥臂阀组各子模块电压状态，与设定过电压定值Vov1进行比较，判断是否有子模块过电压，如子模块过电压持续一段时间Tvo1，则保护动作通过子模块机械旁路开关将该子模块旁路；Vov1和Tvo1均为大于等于零的实数。
11.如权利要求8所述的模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，其特征在于，所述的SMC层配置的子模块过电压保护装置，实时检测对应子模块电压状态，判断子模块电压大于过电压定值Vov2持续一段时间Tvo2后，则通过子模块机械旁路开关将子模块旁路；Vov2和Tvo2均为大于等于零的实数。
12.如权利要求8所述的模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，其特征在于，所述的直流过电压保护装置使用m段直流过电压保护，每段直流过电压保护均通过实时检测直流系统正负极直流电压差值与相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电压，如过电压则闭锁换流器，保护所有阀组子模块；其中m段直流过电压保护的动作定值关系为：Uov1>Uov2>…>Uovm>Unom，Unom为换流器额定直流电压，Uov1、Uov2、…、Uovm、Unom均为大于零的实数；m段直流过电压保护的动作延迟关系为：Tuo1<Tuo2<…<Tuom，Tuo1、Tuo2、…、Tuom均为大于等于零的实数；
所述的阀过电压保护装置，通过实时检测桥臂阀组各子模块电压状态，与设定过电压定值Vov1进行比较，判断是否有子模块过电压，如子模块过电压持续一段时间Tvo1，则保护动作通过子模块机械旁路开关将该子模块旁路；Vov1和Tvo1均为大于等于零的实数；
所述的子模块过电压保护装置，实时检测对应子模块电压状态，判断子模块电压大于过电压定值Vov2持续一段时间Tvo2后，则通过子模块机械旁路开关将子模块旁路；Vov2和Tvo2均为大于等于零的实数。
13.如权利要求8或12所述的模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，其特征在于，所述各个保护层的过电压保护装置的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合如下，PCP层配置的直流过电压保护动作定值为Uov1、保护动作延迟为Tuo1，VBC层配置的阀过电压护动作定值为Uov1…Uovm、保护动作延迟为Tuo1…Tuom,SMC层配置的子模块过电压保护动作定值为Vov2、保护动作延迟为Tvo2，换流器额定直流电压为Unom，各保护动作定值配合关系为：(N*Vov2)>(N*Vov1)>Uov1>…>Uovm>Unom、各保护动作延迟的配合关系为：Tvo2<Tvo1<Tuo1<…<Tuom，所述N为换流器正常工作时每相投入的子模块数量，N为自然数。
14.如权利要求8所述的模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，其特征在于，所述换流器过电压保护配置方法适用于采用模块化结构的电压源换流器。
15.如权利要求8所述的模块化多电平换流器的过电压保护配置系统，其特征在于，所述直流过电压保护装置、阀过电压保护装置、子模块过电压保护装置为独立的装置，或者为通用控制保护设备中的保护模块。
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