CN104767185A - 一种具有直流故障清除能力的换流站及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有直流故障清除能力的换流站及其控制方法，换流站包括：模块化多电平换流器、平波电抗器、快速分流切断开关、快速开断开关、电流转移开关和线路放电引导电路。本发明能够快速有效地清除直流故障，与子模块替换方案相比，本发明的造价成本与其相当或略高于，但运行损耗较低，与采用半桥子模块的模块化多电平换流器相同；与采用直流断路器的方案相比，造价成本将有大幅度的降低，尤其是在多端直流输电系统中。

Description

一种具有直流故障清除能力的换流站及其控制方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种具有直流故障清除能力的换流站及其控制方法。

背景技术

模块化多电平换流器具有交流输出电压谐波畸变率低，模块化结构易于封装，开关器件承受的电气应力小，开关损耗低等优点。自2002年提出后，经过十余年的发展，已为业界广泛承认。由半桥子模块构成的模块化多电平换流器是现今高压直流工程中最常用的结构方案，但由于其不具有直流故障自清除能力，因此现有的基于模块化多电平换流器的高压直流工程均采用低故障率的直流电缆线路，以减少直流故障发生概率，但其造价昂贵。多端直流输电系统以及直流电网中，架空直流输电线路将会得到越来越多的应用。半桥型模块化多电平换流器发生直流故障时，换流器丧失了控制能力，工作在不控整流状态，只能通过开断与换流器相连接的交流断路器熄灭电弧。

为解决上述技术问题，目前存在两种解决方案：(1)替换半桥子模块，采用具有直流故障自清除能力的子模块，如全桥子模块、钳位双子模块或其他变型子模块；(2)仍采用半桥子模块，但在直流线路上引入直流断路器来处理直流故障。

对于第一种方案而言，从目前的研究成果来看，任何其他型的子模块都需要采用更多的电力电子器件(基于全桥子模块的模块化多电平换流器所采用的IGBT数量为半桥子模块的两倍，钳位双子模块比半桥子模块增加了25％)，这一方面增加了投资成本，另一方面将引入更多的运行损耗(基于全桥子模块的模块化多电平换流器的运行损耗相比于半桥子模块增加的百分比为68％～95％，钳位双子模块相比于半桥子模块增加的百分比为34％～58％)，运行损耗的增大大大降低了工程效益，无形中增加了系统的投资成本。对于第二种方案而言，高压直流断路器目前还未有商业化应用，且造价昂贵。另外，为有效切除故障电流，每条直流线路两端都需要安装直流断路器，在未来的多端直流输电系统以及直流电网中，为保证输电的冗余度，直流线路的条数将明显多于换流站个数，直流断路器的安装个数亦将大大增加，由此所导致的电网造价将成数倍增加。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种具有直流故障清除能力的换流站及其控制方法，能够快速有效地清除直流故障，与子模块替换方案相比，本发明的造价成本与其相当或略高于，但运行损耗较低；与采用直流断路器的方案相比，造价成本将有大幅度的降低，尤其是在多端直流输电系统中。

一种具有直流故障清除能力的换流站，包括：模块化多电平换流器、平波电抗器、快速分流切断开关、快速开断开关、电流转移开关和线路放电引导电路；其中：

所述的模块化多电平换流器交流侧与电网相连接，直流侧的高压端与平波电抗器的一端相连，直流侧的低压端接地；平波电抗器的另一端与快速开断开关的一端以及快速分流切断开关的一端相连，快速分流切断开关的另一端接地，快速开断开关的另一端与电流转移开关的一端相连，电流转移开关的另一端与线路放电引导电路的高压端以及直流输电线路相连，线路放电引导电路的低压端接地。

所述的模块化多电平换流器用于将电网的交流电转换为直流电，其采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个半桥子模块和一个电抗器串联组成。

所述的半桥子模块由两个带反并二极管的IGBT管T₁～T₂和一个电容C构成；其中，IGBT管T₁的发射极与IGBT管T₂的集电极相连并构成半桥子模块的高压端，IGBT管T₁的集电极与电容C的一端相连，IGBT管T₂的发射极与电容C的另一端相连并构成半桥子模块的低压端，两个IGBT管T₁～T₂的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。

所述的快速分流切断开关用于故障电流的分流及切除，具备承受直流高电压的能力，其由多个开关单元串联组成，所述的开关单元包括多个带反并二极管的IGBT管和一个避雷器；其中，所有IGBT管串联后与避雷器并联，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。

所述的快速开断开关用于快速隔离故障且具备零电流下快速开断的能力，其采用ABB公司的超快速断路器。

所述的电流转移开关用于将电流转移至快速分流切断开关所在的支路上，其包括多个带反并二极管的IGBT管和一个避雷器；其中，所有IGBT管串联后与避雷器并联，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号；由于不需要承受高电压等级，电流转移开关中串联的IGBT个数不需要太多。

所述的线路放电引导电路包括一个快速闭合开关和一个电阻；其中，快速闭合开关的一端构成线路放电引导电路的高压端，快速闭合开关的另一端与电阻的一端相连，电阻的另一端构成线路放电引导电路的低压端并接地。

所述的快速闭合开关具备快速的闭合能力，以便线路放电引导电路能够快速投入主回路，其采用ABB公司的超快速断路器或由多个晶闸管串联构成。

上述换流站在直流故障状况下的控制方法，包括如下步骤：

(1)在直流输电线路中检测到故障电流后，立刻对线路放电引导电路内的快速闭合开关施加闭合信号，同时对快速分流切断开关内的所有开关管施加开通信号；使得模块化多电平换流器直流侧的输出电流分别流入故障点、线路放电引导电路以及快速分流切断开关；

(2)在快速闭合开关完成闭合后，对电流转移开关内的所有开关管施加关断信号；使得模块化多电平换流器直流侧的输出电流仅流入快速分流切断开关，直流输电线路的剩余能量将通过线路放电引导电路与故障点之间的回路实现泄放；

(3)在电流转移开关完成电流开断后，对快速开断开关施加开断信号，实现模块化多电平换流器与直流输电线路物理隔离；进而对快速分流切断开关内的所有开关管施加关断信号，剩余能量将通过快速分流切断开关内的避雷器泄放，至此，直流故障清除。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

(1)子模块替换方案相比于半桥子模块需要使用更多的电力电子器件，而这些额外的器件可用于本发明换流站内快速分流切断开关等设备上，因而本发明换流站的造价成本与子模块替换方案相当或略高于，但在运行损耗方面，本发明的换流站与采用半桥子模块的模块化多电平换流器相同，低于子模块替换方案。

(2)本发明与采用直流断路器的方案相比，造价成本将有大幅度的降低，尤其是在多端直流输电系统中，直流断路器的使用数目将随着线路数的增加同比增大。而本发明的换流器与直流线路数无关，设备造价只与换流站的个数有关。

附图说明

图1为本发明换流站的结构示意图。

图2为本发明换流站在直流故障状况下的控制流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，本发明具有直流故障清除能力的换流站，包括：模块化多电平换流器1，平波电抗器2，快速分流切断开关3，超快速开断开关4，电流转移开关5和线路放电引导电路6。其中：模块化多电平换流器1的交流端与交流电网相连接，低压直流端直接接地，高压直流端与平波电抗器2的一端相连。平波电抗器2可抑制直流电流波动和直流电流在故障情况下的上升率。平波电抗器2的另一端连接至超快速开断开关4，并与快速分流切断开关3的高压端相连，快速分流切断开关3的低压端直接接地。超快速开断开关4的另一端与电流转移开关5的一端相连，电流转移开关5的另一端连接至直流线路，同时，连接至线路放电引导电路6的高压端，线路放电引导电路6的低压端直接接地。

模块化多电平换流器1采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个半桥子模块和一桥臂电抗器串联组成，用于将交流电网的三相交流电转换为直流电。半桥子模块输出电压存在正和零两种电平，桥臂电抗器能够抑制桥臂换流，在直流故障时起到抑制故障电流上升，保护IGBT等器件的作用。半桥子模块由两个IGBT管T₁～T₂和一个电容C构成；其中，IGBT管T₁的输出端与IGBT管T₂的输入端相连并构成半桥子模块的一端，IGBT管T₁的输入端和电容C的一端相连，IGBT管T₂的输出端与电容C的另一端相连并构成半桥子模块的另一端。

快速分流切断开关3由多个开关单元串联而成。开关单元包括若干个正反向串联的IGBT及与其相并联的反向二极管和一个同IGBT串联支路相并联的避雷器。快速分流切断开关3用于故障电流的分流和故障电流的切除，具备承受直流高电压的能力，因而所串联的IGBT数较多，与直流电压等级相关。为使其具有更大的通流能力，必要时可采用IGBT并联技术。

超快速开断开关4需要具备零电流下快速开断的能力，用于快速隔离故障，使系统具有明显的物理性隔断。本实施方式中，其采用ABB公司的超快速断路器，该设备详见关于The Hybrid HVDC Breaker的文献：An innovationbreakthrough enabling reliable HVDC grids(Magnus Callavik,Anders Blomberg,JürgenJacobson，ABB Grid Systems)。

电流转移开关5包括若干个正反向串联的IGBT及与其相并联的反向二极管和一个同IGBT串联支路相并联的避雷器。电流转移开关5用于将电流转移至快速分流切断开关3所在的支路上，由于不需要承受高电压等级，因而串联的IGBT个数不需要太多。

线路放电引导电路6由超快速闭合开关和一个低阻值电阻串联构成。超快速闭合开关6需要具备快速的闭合能力，以便线路放电引导电路能够快速投入主回路。此电路的用途在于电流转移开关5断开后，给线路一个放电回路，防止线路过电压施加在电流转移开关5上，导致IGBT等器件的损坏。本实施方式中，超快速闭合开关采用ABB公司的超快速断路器。

如图2所示，本实施方式的换流站在直流故障状况下的控制方法，包括如下步骤：

(1)直流线路t0时刻发生接地故障，系统在t1时刻检测到故障电流后，立刻对线路放电引导电路6内的超快速闭合开关施加闭合信号，同时对快速分流切断开关3内的IGBT施加开通信号。快速分流切断开关3能够瞬时闭合，但超快速闭合开关的闭合动作存在一定的延时。在t2时刻，超快速闭合开关完成闭合。此时，换流器直流侧流出的电流将分别流入故障点、线路放电引导电路6和快速分流切断开关3，电流的分配依各支路的等效电阻而定。

(2)超快速闭合开关完成闭合后，紧接着在t3时刻，对电流转移开关5内的IGBT施加关断信号，此关断过程存在一定的延时性，t4时刻，电流转移开关5完成电流开断。此时，换流器直流侧流出的电流仅流入快速分流切断开关3，实现了故障点和换流器之间的隔离。直流线路的剩余能量将通过线路放电引导电路6和故障点之间的回路实现泄放，有效抑制了线路可能产生的过电压对电流转移开关的威胁。

(3)电流转移开关5完成电流开断后，紧接着在t5时刻，对超快速开断开关4施加开断信号。开断动作存在一定的延时，在t6时刻，超快速开断开关4完成开断动作，实现换流器与直流线路的物理隔离，为下一步换流器过电流的彻底隔断做准备。

(4)紧接着，在t7时刻，对快速分流切断开关3内的IGBT施加关断信号，系统剩余能量将通过快速分流切断开关3内的避雷器泄放。当流过快速分流切断开关3的电流降低至零时(t8时刻)，直流故障彻底清除、隔离。

本实施方式中，t0～t1之间的间隔为500μs，t1～t2间隔为2ms，t2～t3间隔为50μs，t3～t4间隔为250μs，t4～t5间隔为50μs，t5～t6间隔为2ms，t6～t7间隔为50μs，t7～t8间隔为1ms。因而，整个过程的时间为5.9ms。

实际上，在快速分流切断开关3内的IGBT关断以后，就完成了故障清除，因此，整个故障切断时间约合5ms；为进一步提升故障隔离的时间，减少过电流对换流器的影响，还可以将线路放电引导电路6内的超快速闭合开关用若干个串联的晶闸管阀替换，可将超快速闭合开关延时动作的2ms缩短至几十或几百微妙。如此，整个故障切断时间约合3ms，但设备投资成本因晶闸管的引入增加了。

Claims (9)

1.一种具有直流故障清除能力的换流站，其特征在于，包括：模块化多电平换流器、平波电抗器、快速分流切断开关、快速开断开关、电流转移开关和线路放电引导电路；其中：

所述的模块化多电平换流器交流侧与电网相连接，直流侧的高压端与平波电抗器的一端相连，直流侧的低压端接地；平波电抗器的另一端与快速开断开关的一端以及快速分流切断开关的一端相连，快速分流切断开关的另一端接地，快速开断开关的另一端与电流转移开关的一端相连，电流转移开关的另一端与线路放电引导电路的高压端以及直流输电线路相连，线路放电引导电路的低压端接地。

2.根据权利要求1所述的换流站，其特征在于：所述的模块化多电平换流器采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个半桥子模块和一个电抗器串联组成。

3.根据权利要求2所述的换流站，其特征在于：所述的半桥子模块由两个带反并二极管的IGBT管T₁～T₂和一个电容C构成；其中，IGBT管T₁的发射极与IGBT管T₂的集电极相连并构成半桥子模块的高压端，IGBT管T₁的集电极与电容C的一端相连，IGBT管T₂的发射极与电容C的另一端相连并构成半桥子模块的低压端，两个IGBT管T₁～T₂的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。

4.根据权利要求1所述的换流站，其特征在于：所述的快速分流切断开关由多个开关单元串联组成，所述的开关单元包括多个带反并二极管的IGBT管和一个避雷器；其中，所有IGBT管串联后与避雷器并联，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。

5.根据权利要求1所述的换流站，其特征在于：所述的快速开断开关采用ABB公司的超快速断路器。

6.根据权利要求1所述的换流站，其特征在于：所述的电流转移开关包括多个带反并二极管的IGBT管和一个避雷器；其中，所有IGBT管串联后与避雷器并联，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。

7.根据权利要求4所述的换流站，其特征在于：所述的线路放电引导电路包括一个快速闭合开关和一个电阻；其中，快速闭合开关的一端构成线路放电引导电路的高压端，快速闭合开关的另一端与电阻的一端相连，电阻的另一端构成线路放电引导电路的低压端并接地。

8.根据权利要求7所述的换流站，其特征在于：所述的快速闭合开关采用ABB公司的超快速断路器或由多个晶闸管串联构成。

9.一种如权利要求7所述的换流站在直流故障状况下的控制方法，包括如下步骤：

(1)在直流输电线路中检测到故障电流后，立刻对线路放电引导电路内的快速闭合开关施加闭合信号，同时对快速分流切断开关内的所有开关管施加开通信号；使得模块化多电平换流器直流侧的输出电流分别流入故障点、线路放电引导电路以及快速分流切断开关；

(2)在快速闭合开关完成闭合后，对电流转移开关内的所有开关管施加关断信号；使得模块化多电平换流器直流侧的输出电流仅流入快速分流切断开关，直流输电线路的剩余能量将通过线路放电引导电路与故障点之间的回路实现泄放；

(3)在电流转移开关完成电流开断后，对快速开断开关施加开断信号，实现模块化多电平换流器与直流输电线路物理隔离；进而对快速分流切断开关内的所有开关管施加关断信号，剩余能量将通过快速分流切断开关内的避雷器泄放，至此，直流故障清除。