CN105680424B - 柔性直流输电系统的架空线路暂时性故障的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于柔性直流输电系统的架空线路暂时性故障的新型保护策略，针对架空线路用于直流电力传输易发生闪络等暂时性故障，通过改进故障保护控制方法，进而提高整个柔性直流输电系统的稳定性。在传统直流侧故障保护方法的基础上对常见架空线路故障优化判别条件，提高故障判断的准确性，缩短闭锁延迟时间；通过改进检测直流电压及电流的大小以及变化率的算法并分析数据来确定故障的类型及严重程度。本发明在保证架空线路适用于柔性直流输电实际工程的同时，提高系统运行的稳定性，减少了故障误判概率，减少电压畸变提高了电能质量，大大节约了直流输电工程造价成本。

Description

柔性直流输电系统的架空线路暂时性故障的保护方法
技术领域
本发明涉及适用于柔性直流输电系统的架空线路暂时性故障的保护策略，属于电力技术领域。
背景技术
随着对电能质量和电网安全稳定性要求的提高，柔性直流输电技术(VSC-HVDC)弥补了传统高压交直流输电技术的不足。其中MMC模块化多电平换流器由于拓扑结构本质区别，同传统两电平，三电平电压源换流器相比具备输出电压波形质量高，直流侧故障对换流器冲击小，对开关器件要求低，开关损耗低等优点。
但半桥子模块构成的MMC柔性直流输电系统在双级短路故障时无法通过闭锁换流器来切断故障电流，这严重影响了系统可靠性。从原理上分析，处理直流侧故障的基本途径有三类：①利用直流侧设备(如直流断路器)隔离故障点；②利用换流器本身控制实现故障的自清除；③利用交流侧设备(如交流断路器，交流熔断器)切断交流系统的连接。但目前，直流断路器在高压大功率场合中的工程应用还无法实现，工程上一般都是配置高速交流断路器来应对直流侧故障；而交流断路器毕竟是机械开关难以响应快速暂态过程，多次开断会缩短交流断路器的寿命，且每次直流侧故障都会造成VSC-HVDC系统停运严重影响系统的可用率。所以为了尽量避免直流侧故障的发生，现有MMC工程均采用成本高而故障率较低的电缆作为直流输电线路。针对传统MMC直流侧故障电流无法通过通过闭锁换流器来切断的问题，国内外学者相继提出了具备直流侧故障自清除的新型拓扑包括全桥型MMC(FBMMC)子模块拓扑，箝位双子模块(CDMMC)拓扑，混合式拓扑等。而电压源型换流器拓扑能具备直流侧故障自清除能力使VSC-HVDC推广到架空线应用场合成为可能。如图1a所示，为采用新型拓扑换流器在直流侧发生故障情况下的流程图。与图1b传统拓扑相比，在瞬时故障时无需断开交流侧断路器能实现故障的穿越。
直流输电采用架空线路，可能由于雷电，污染，外部力量的破坏等原因而导致对地绝缘失效，或者由于两导体间绝缘的破坏等原因发生短路，断线等故障。架空线的故障可能为永久性故障，一般易发生闪络等暂时性故障。针对永久性故障，必须断开交流侧断路器，进行故障隔离检修。针对瞬时性故障，新型的拓扑换流器迅速闭锁换流站以切除故障然后在几毫秒后重启，如果重启2-3次失败则说明为永久性故障，需要跳开交流断路器进行检修。直流故障的主要特点如下：①相同点：直流电压电流变化明显。断线故障极电流下降到零，单级接地以及两极短路故障电流激增，电压下降明显。②不同点为断线故障电流下降为零，电压变化与系统配置关系较大；单极接地故障单极电容下降到零，另一极电容电压上升到2p.u左右，交流电流变化不明显；两极短路故障，直流电容电压下降为零，交流电流接近三相短路电流。
直流架空线路应用于具备清除直流侧故障MMC-HVDC的关键在于如何快速有效的清除直流侧故障。架空线路由于污染，闪电等因素一般为暂时性故障，如何提高换流站对故障辨识的准确性，优化辨别故障的条件，缩短闭锁延迟时间，保持系统稳定运行是本发明专利的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于针对具备直流侧故障清除的MMC-HVDC输电系统，在传统直流侧故障保护方法的基础上优化常见架空线路故障判别条件，提高故障判断的准确性，缩短闭锁延迟时间；通过改进检测直流电压及电流的大小以及变化率的方法并分析数据来确定故障的类型及严重程度——对于永久性故障包括断线，两极长时间短路，则通过断开交流侧断路器来处理；对于瞬时性故障，设定对应的电流，电压，变化率上限值，当瞬时性故障不超过上限值则认为可自行灭弧清除直流侧故障不需要闭锁换流器，反则需要通过闭锁换流站来清除故障电流恢复空气绝缘。在保证柔性直流输电系统稳定运行的同时，通过改变直流侧故障保护方法，提高系统运行的稳定性，减少了故障误判概率，减少电压畸变提高了电能质量。
本发明的技术特征如下：
(1)通过改进检测直流电压及电流的大小以及变化率的方法并分析数据来确定架空线路瞬时故障的类型及严重程度——对于瞬时性故障，设定对应的电流i，电压u，变化率(di/dt,du/dt)上限值，当瞬时性故障不超过上限值则认为可自行灭弧清除直流侧故障不需要闭锁换流器，反则需要通过闭锁换流站来清除故障电流恢复空气绝缘。
(2)将能清除故障电流的换流站与架空线路结合；当直流侧发生永久性故障时，由于换流站本身拓扑结构所以能迅速抑制MMC的不控整流效应，关断故障电流通路，在很短时间内实现故障清除。
(3)柔性直流输电系统的架空线路暂时性故障的保护方法提高了换流站对故障辨识的准确性，优化辨别故障的条件，缩短闭锁延迟时间，保持系统稳定运。
其有益效果是：
本发明重点研究柔性直流输电系统的架空线路暂时性故障的保护方法，优化故障判别方法增强故障辨别的准确性。
(1)用于柔性直流输电系统的架空线路暂时性故障的保护方法让使用架空线代替成本高昂铺设复杂的电缆作为输电线路成为现实，极大了减少了整个输电系统的成本，提高了经济效益。
(2)该保护策略在保证柔性直流输电系统稳定运行的同时，通过改变直流侧故障保护方法，缩短了清除直流侧故障时间，提高系统运行的稳定性，减少了故障误判概率，提高了电能质量，从而提高系统的经济效益和实用效益。
附图说明
图1a新型换流器直流故障处理流程图；图1b为传统拓扑换流器在直流侧发生故障情况下的流程图；
图2为柔性直流输电系统架空线路常见三种类型的故障；其中图2a为直流侧常见的极间短路故障，图2b为一极接地短路故障，图2c为断线故障；
图3为改进的故障判别算法流程图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步描述。
参见图2a-2c，表示MMC-HVDC柔性直流输电系统的单线示意图；由交流侧电源，换流电抗器，换流站，直流输电架空线路组成；由于直流架空线路易发生闪络等暂时性故障影响了架空线路投入实际工程应用。图2a表示直流侧常见的极间短路，图2b表示一极接地短路，图2c表示断线故障的情况。对于上述常见三种故障情况，一般将断线故障，极间短路故障，长时间接地按永久性故障方式处理；其他瞬时性故障则根据新提出故障保护方法判断是否进行换流站闭锁来清除直流侧故障。
参见图3，为改进的暂时性故障判别算法流程图。一般情况下，直流侧发生故障，系统会直接闭锁换流站换流器；而改进的算法会根据故障程度来判断是否需要闭锁换流站。首先检测直流电压及电流的大小以及变化率的方法并分析数据来确定架空线路瞬时故障的类型及严重程度——对于瞬时性故障，设定对应的电流i，电压u，变化率(di/dt,du/dt)上限值，当瞬时性故障不超过上限值则认为可自行灭弧清除直流侧故障不需要闭锁换流器，反之则需要通过闭锁换流站来清除故障电流恢复空气绝缘。

Claims (2)

1.柔性直流输电系统的架空线路暂时性故障的保护方法，其特征在于：在直流侧故障保护方法的基础上对架空线路暂时性故障优化判别条件，包括：
(1)设定电流i上限值、电压u上限值、电流变化率上限值和电压变化率上限值；
(2)当瞬时性故障不超过电流i上限值、电压u上限值、电流变化率上限值和电压变化率上限值则认为可自行灭弧清除直流侧故障，不需要闭锁换流器，若瞬时性故障超过电流i上限值、电压u上限值、电流变化率上限值或电压变化率上限值则需要通过闭锁换流站来清除故障电流恢复空气绝缘。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的架空线路暂时性故障的保护方法，其应用到柔性直流输电系统的特征在于：①直流输电系统的换流站需具备清除直流侧故障的功能②直流侧电能的传输线路采用架空线路③直流侧架空线路采用权利要求1所述的暂时性故障的保护方法来进行故障保护。
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