CN105449704A - 一种柔性直流输电系统及其直流故障处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统及其直流故障处理方法，包括A、B、C三相换流阀，其中每相换流阀均分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均分别由若干子模块级联而成；由A、B、C三相换流阀组成的输电系统一侧连接交流电网，另一侧连接直流架空线，输电系统与直流架空线连接之间接入泄放电阻R，通过加入泄放电阻R，并控制泄放电阻在直流断路器打开之前投入系统，直流断路器打开之后，电阻持续一段时间，待故障电流减小到过流门限值之下时切除，该方法给电路提供了通路，电流不会再通过二极管流入电容。本发明结构简单，方法简单有效，解决了处理直流故障过程中容易导致电容电压过压和二极管过流的问题。

Description

一种柔性直流输电系统及其直流故障处理方法

技术领域

本发明属于柔性输配电技术领域，涉及一种柔性直流输电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(ModularMultilevelConverter，MMC)可以采用不同拓扑的子模块(SubModule，SM)，常见的有半桥模块、全桥模块和双子模块。

当直流接地故障发生时，全桥模块和双子模块组成的柔性直流输电系统可以通过器件闭锁的方式将模块电容串入故障回路中提供反向电压，从而起到抑制故障电流的作用。半桥模块不具备上述功能，故半桥模块在直流接地故障发生时，会有比较大的故障电流流过器件，目前常用的方式为断开交流开关来阻断直流电流，但是一旦断开交流开关，整个系统处于停运状态，增加了系统的停机时间。

因此对于直流故障，更倾向于不断开交流断路器，而是通过断开直流断路器来切断直流故障电流。这样柔直系统仍然和交流系统连接，系统可以处于待机状态或者STATCOM状态，可以为交流系统提供无功支撑。对于瞬时故障系统可以快速恢复，对于永久故障，直流断路器断开之后可以对线路进行检修，检修结束之后系统可以再次合上断路器开始工作。后一种方案可以缩短停机时间。目前采用的具体策略是，当发生单极接地故障后，系统闭锁，打开直流断路器，等待故障消除后，合上直流断路器，解锁系统。以上策略有一个问题，在打开直流断路器时，交流侧流入故障点的电流突然失去流入故障点的通路后会同过交流系统的其他两相回流，这个电流流经半桥模块上面的二极管对电容进行充电，会导致电容电压过压和二极管过流的问题。

如图1所示，当单极接地故障发生时，如图1中Fault处所示，电流会流入故障点，此时电流的路径对于A相来说，其中由于晶闸管此时是没有开通的，故故障电流通过半桥模块的下面的二极管流通，其余两相的情况类似，A、B、C三相电流的大小根据交流电压的相位决定，电压较大的一相的电流也较大。

发生单极接地故障之后，系统会通过直流电压和直流电流或者其变化率进行检测，当直流电压低于某一阈值并且直流电流或者其变化率高于某一个阈值之后，即判断系统发生单极接地故障。

系统判断单极接地故障发生后，首先发出指令闭锁所有的IGBT，同时导通晶闸管，同时发出断开直流断路器的指令，半导体器件接到指令之后会立刻动作，IGBT被闭锁，同时晶闸管开通，直流断路器由于是机械装置，故直流开关的断开有一定的延时，

当IGBT闭锁，晶闸管导通，直流开关还没有断开时，故障电流继续流入故障点，而且呈现增大的趋势，此时换流阀中的桥臂电流会流过二极管和晶闸管，二者是并联关系，故通过电阻的比值进行分压，通常选取晶闸管的导通电阻远小于二极管，故大部分故障电流流经晶闸管，保护了二极管，

经过一定的延时之后，直流断路器打开，直流断路器的打开使得故障电流流入故障点的路径突然被切断，此时由交流侧流向故障点的电流不能突变，必然会产生新的电流回路，假如此时A相流入故障点的电流最大，那么A相流入故障点的电流被切断后，会通过B、C两相构成回路；此时IGBT是闭锁的，所以电流会流经半桥模块上面的二极管，上面的二极管没有晶闸管进行分流，当该电流较大时会发生过流故障，电流会进入模块电容，给模块电容充电，同时当该电流较大时，模块电容的电压会超过门限，形成过压故障。相应的仿真波形如图2所示，图2中自上而下分别是交流电流的波形，桥臂电流的波形和模块电压的波形，图2a为交流电流Ia_pocc,Ib_pocc,Ic_pocc，图2b为C相上桥臂电流IcP，桥臂电流流过晶闸管的电流IcPT，桥臂电流流过二极管的电流IcPD，以及流过泄放电流的电流I_DC_BRK_R；图2c为C相上桥臂的模块电压DC_SM_UC_REC；从波形中可以看到桥臂电流处于临界过流状态，模块电压已经出现过压问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性直流输电系统及其直流故障处理方法，以克服现有技术处理直流故障容易导致电容电压过压和二极管过流的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种柔性直流输电系统，包括A、B、C三相换流阀，其中每相换流阀均分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均分别由若干子模块级联而成；由A、B、C三相换流阀组成的输电系统一侧连接交流电网，另一侧连接直流架空线，由A、B、C三相换流阀组成的输电系统与直流架空线连接之间接入泄放电阻R。

进一步的，泄放电阻R通过开关Kr连接于直流架空线。

进一步的，上桥臂和下桥臂采用的子模块均为半桥模块，其中每相换流阀的半桥模块的下管并联一个晶闸管以处理直流故障的过流问题。

进一步的，两柔性直流输电系统并联组成两端柔性直流输电系统。

一种用于上述的柔性直流输电系统的直流故障处理方法，包括以下步骤：

步骤1，检测判定柔性直流输电系统是否发生单极接地故障；

步骤2，判定故障发生后柔性直流输电系统给出闭锁半桥模块中的IGBT的指令，在闭锁IGBT信号发出的同时，给出晶闸管开通信号以及给出泄放电阻R切入信号；

步骤3，在泄放电阻R切入后，断开直流断路器，当直流断路器的断开后，大部分电流转移至泄放电阻R支路，只有极少的电流通过B、C相回流；

步骤4，当电流减小后，断开泄放电阻R；

步骤5，经过延时Th后，直流断路器的开关会试图重新闭合，如果是瞬时故障，且故障已经清除，则系统解锁重新启动；如果故障还没有清除，等待下一次重新闭合直流断路器，经过若干次重合直流断路器都不成功后会判断故障为永久故障，确保断开直流断路器。

进一步的，步骤2中泄放电阻R的开关动作经过延时Tr被投入系统中，延时Tr为5ms。

进一步的，步骤3在泄放电阻R切入信号给出后经过延时Td之后，直流断路器的断开需要经过延时Tb才打开，延时Tb为5ms，其中Tr小于Tb与Td之和。

进一步的，步骤3给出泄放电阻R切入信号的同时给出直流断路器断开的信号，泄放电阻R的开关动作经过延时Ta，泄放电阻R才被投入系统中，直流断路器的断开需要经过延时Tc，直流断路器打开，其中Ta小于Tc。

进一步的，延时Th为150ms。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种柔性直流输电系统，包括A、B、C三相换流阀，其中每相换流阀均分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均分别由若干子模块级联而成；由A、B、C三相换流阀组成的输电系统一侧连接交流电网，另一侧连接直流架空线，通过在输电系统与直流架空线连接之间接入泄放电阻R，使得直流断路器断开之后原本通过模块中IGBT回流的故障电流流入了泄放电阻，从而避免了模块中IGBT过流以及该电流对模块电容进行充电造成的过压问题。

进一步的，泄放电阻R通过开关Kr连接于直流架空线，能够通过开关控制泄放电阻R的切入与断开，不用的时候能够及时断开泄放电阻R。

一种柔性直流输电系统及其直流故障处理方法，通过加入泄放电阻R，并控制泄放电阻在直流断路器打开之前投入系统，直流断路器打开之后，电阻持续一段时间，待故障电流减小到过流门限值之下时切除，该方法给电路提供了通路，电流不会再通过二极管流入电容，本发明结构简单有效，从根本上解决了柔性直流输电系统出现直流故障时产生的过压和过流的问题。

附图说明

图1为柔直系统在断开直流断路器之后的电流回流路径图。

图2为现有技术断开直流断路器之后各种波形图，具体为：图2a是交流电流的波形图，图2b为桥臂电流的波形图，图2c为模块电压的波形图。

图3为本发明系统结构示意图。

图4为本发明系统断开直流断路器之后各种波形图，具体为：图4a是交流电流的波形图，图4b为桥臂电流的波形图，图4c为模块电压的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图3所示，一种柔性直流输电系统，包括A、B、C三相换流阀，其中每相换流阀均分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均分别由若干子模块级联而成；由A、B、C三相换流阀组成的输电系统一侧连接交流电网，另一侧连接直流架空线，由A、B、C三相换流阀组成的输电系统与直流架空线连接之间接有泄放电阻R，泄放电阻R通过开关Kr接入该系统；如图3所示，左右两侧柔性直流输电系统并联组成两端柔性直流输电系统；上桥臂和下桥臂采用的子模块均为半桥模块，其中每相换流阀半桥模块的下管并联一个晶闸管以处理直流故障的过流问题；每个半桥模块有两个IGBT，下管指位于下面的IGBT，IGBT中文又名绝缘栅双极型晶体管。

一种基于上述系统直流故障处理方法，包括以下步骤：

步骤1，检测判定柔性直流输电系统是否发生单极接地故障；

步骤2，判定故障发生后，柔性直流输电系统给出闭锁半桥模块中IGBT的指令，在闭锁IGBT信号发出的同时，给出晶闸管开通信号以及给出泄放电阻R切入信号，泄放电阻R的开关动作经过延时Tr，泄放电阻R被投入系统中，电流从故障点一部分被分流至泄放电阻中；Tr通常为5ms；该延时由开关器件的机械动作时间决定；当IGBT闭锁，同时晶闸管导通之后，故障电流流入接地点，对于柔直系统的每一个桥臂而言，电流流过晶闸管；

步骤3，在泄放电阻R切入后，断开直流断路器，当直流断路器的断开后，大部分电流转移至泄放电阻R支路，只有极少的电流通过B、C相回流；具体为在泄放电阻R切入信号给出后经过延时Td之后，给出直流断路器断开的信号，直流断路器的断开需要经过延时Tb才打开，其中Tr小于Tb与Td之和，Tb通常为5ms，该延时由开关器件的机械动作时间决定；或者同时给出泄放电阻R的切入信号和直流断路器断开的信号，泄放电阻R的开关动作经过延时Ta，泄放电阻R才被投入系统中，直流断路器的断开需要经过延时Tc，直流断路器打开，其中Ta小于Tc；当直流断路器的断开后，大部分电流转移至泄放电阻R支路，只有极少的电流通过B、C相回流；

步骤4，当电流减小后，断开泄放电阻R；

步骤5，经过延时Th后，直流断路器的开关会试图重新闭合，如果是瞬时故障，且故障已经清除，则系统解锁重新启动；如果故障还没有清除，会等待下一次重新闭合直流断路器，经过若干次重合直流断路器都不成功后会判断故障为永久故障，确保断开直流断路器，进行线路检修，换流阀工作在STATCOM状态；其中Th为150ms，不同系统中Th时间可能会不同。

通过上述系统以及方法，相应的直流故障的波形图如图4a、b、c所示，图4a为交流电流Ia_pocc,Ib_pocc,Ic_pocc；图4b为C相上桥臂电流IcP，桥臂电流流过晶闸管的电流IcPT,桥臂电流流过二极管的电流IcPD,以及流过泄放电流的电流I_DC_BRK_R；图4c为C相上桥臂的模块电压DC_SM_UC_REC，可以看出直流断路器断开后，流过C相的电流很小，同时C相模块的模块电压也没有升高，上述问题得到解决。

Claims (9)

1.一种柔性直流输电系统，其特征在于，包括A、B、C三相换流阀，其中每相换流阀均分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均分别由若干子模块级联而成；由A、B、C三相换流阀组成的输电系统一侧连接交流电网，另一侧连接直流架空线，由A、B、C三相换流阀组成的输电系统与直流架空线连接之间接入泄放电阻R。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统，其特征在于，泄放电阻R通过开关Kr连接于直流架空线。

3.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统，其特征在于，上桥臂和下桥臂采用的子模块均为半桥模块，其中每相换流阀的半桥模块的下管并联一个晶闸管以处理直流故障的过流问题。

4.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统，其特征在于，两柔性直流输电系统并联组成两端柔性直流输电系统。

5.一种用于权利要求3所述的柔性直流输电系统的直流故障处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，检测判定柔性直流输电系统是否发生单极接地故障；

步骤2，判定故障发生后柔性直流输电系统给出闭锁半桥模块中的IGBT的指令，在闭锁IGBT信号发出的同时，给出晶闸管开通信号以及给出泄放电阻R切入信号；

步骤3，在泄放电阻R切入后，断开直流断路器，当直流断路器断开后，大部分电流转移至泄放电阻R支路，只有极少的电流通过B、C相回流；

步骤4，当电流减小后，断开泄放电阻R；

步骤5，经过延时Th后，直流断路器的开关会试图重新闭合，如果是瞬时故障，且故障已经清除，则系统解锁重新启动；如果故障还没有清除，等待下一次重新闭合直流断路器，经过若干次重合直流断路器都不成功后会判断故障为永久故障，确保断开直流断路器。

6.根据权利要求5所述的直流故障处理方法，其特征在于，步骤2中泄放电阻R的开关动作经过延时Tr被投入系统中。

7.根据权利要求6所述的直流故障处理方法，其特征在于，步骤3在泄放电阻R切入信号给出后经过延时Td之后，直流断路器的断开需要经过延时Tb才打开，其中Tr小于Tb与Td之和。

8.根据权利要求5所述的直流故障处理方法，其特征在于，步骤3给出泄放电阻R切入信号的同时给出直流断路器断开的信号，泄放电阻R的开关动作经过延时Ta，泄放电阻R才被投入系统中，直流断路器的断开需要经过延时Tc，直流断路器打开，其中Ta小于Tc。

9.根据权利要求5所述的直流故障处理方法，其特征在于，延时Th为150ms。