CN105720612B - 一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法，在高压直流输电系统中的逆变侧的直流线路出口处并联功率旁路装置；设置并联功率旁路装置的初始状态；实时监测并判断逆变侧的直流电压是否为零；控制并联功率旁路装置闭合及闭锁逆变侧换流器；判断逆变侧的交流系统电压是否恢复；控制并联功率旁路装置断开，恢复高压直流输电系统的运行。本发明提出的方法避免了连续换相失败导致的双侧直流闭锁，提升系统恢复速度；避免了直流开关开断直流电流，节省了大量电力电子装置，提高了直流输电系统运行的可靠性及稳定性。

Description

一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法

技术领域

本发明涉及直流输电故障防护领域，具体涉及一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法。

背景技术

随着“西电东送”战略逐步实施，特高压直流输电工程集中投运，我国已建成世界上容量最大、拓扑最复杂的交直流混联电网。特高压直流单回输送容量的不断提升，使得“强直弱交”特征显现，主要体现在：一是受端电网多为负荷中心，多直流馈入落点集中，各逆变站间电气距离较近，换流站近区交流系统故障可能导致多回直流同时发生换相失败；二是送端电网为能源集中区域，交流系统联系相对薄弱，若逆变侧换相失败引起直流功率输送发生暂时中断，将导致送端电网部分重要断面超过稳定极限、部分火电机组超速、风电机组因低压或高压大规模脱网，严重威胁系统安全稳定运行。

为此，在直流逆变侧连续发生换相失败导致逆变侧闭锁后，如何保证整流侧功率的正常送出，并保证故障消除后逆变侧重新解锁成功，成为保证直流系统安全稳定运行的关键技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供的一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法，该方法避免了连续换相失败导致的双侧直流闭锁，提升系统恢复速度；避免了直流开关开断直流电流，节省了大量电力电子装置，提高了直流输电系统运行的可靠性及稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1.在高压直流输电系统中的逆变侧的直流线路出口处并联功率旁路装置；

步骤2.设置所述并联功率旁路装置的初始状态；

步骤3.实时监测并判断所述逆变侧的直流电压是否为零；若是，则判定所述逆变侧发生换相失败故障，并进入步骤4；

若否，则持续实时监测；

步骤4.控制所述并联功率旁路装置闭合及闭锁逆变侧换流器；

步骤5.判断所述逆变侧的交流系统电压是否恢复；

若否，则进入步骤6；

若是，则进入步骤7；

步骤6.经过1个时间间隔后，返回步骤5；

步骤7.控制所述并联功率旁路装置断开，恢复所述高压直流输电系统的运行，返回步骤3。

优选的，所述步骤1包括：

在高压直流输电系统中的逆变侧的直流线路出口处并联功率旁路装置；

其中，所述功率旁路装置包括并联的第一支路及第二支路，且所述第一支路与第二支路之间连接有第二开关；

所述第一支路上串联有高压钳位二极管阀及高压电容；

所述第二支路上串联有第一开关和电阻，且所述第一开关及第二开关为机械开关或IGBT电子开关。

优选的，所述并联功率旁路装置中的所述高压钳位二极管阀、高压电容及第二开关构成的回路为所述功率旁路装置中的可投切回路；

所述高压电容所在支路为所述并联功率旁路装置中的电压支撑回路；

所述电阻所在支路为所述并联功率旁路装置中的电阻耗能回路。

优选的，所述步骤2包括：

将所述第一开关及第二开关均设置为断开状态，使得所述并联功率旁路装置的初始状态为断开状态。

优选的，所述步骤4包括：

4-1.在所述逆变侧发生换相失败故障的时长达到一个时间间隔后，控制所述高压直流输电系统同时触发信号一及信号二；

其中，信号一为逆变侧换流器闭锁信号；

信号二为所述功率旁路装置投入信号；

4-2.根据所述信号一闭锁所述逆变侧换流器，并根据所述信号二闭合所述第一开关及第二开关。

优选的，所述时间间隔为0.5s至2.5s。

优选的，所述步骤7包括：

7-1.控制整流侧换流器恢复运行，控制所述高压直流输电系统同时触发信号三及信号四；

其中，所述信号三为所述逆变侧换流器的解锁信号；所述信号四为断开所述第一开关及第二开关信号；

7-2.根据所述信号三解锁所述逆变侧换流器，并根据所述信号四断开所述第一开关及第二开关，恢复所述高压直流输电系统的运行；

7-3.返回所述步骤3。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法，在高压直流输电系统中的逆变侧的直流线路出口处并联功率旁路装置；设置并联功率旁路装置的初始状态；实时监测并判断逆变侧的直流电压是否为零；控制并联功率旁路装置闭合及闭锁逆变侧换流器；判断逆变侧的交流系统电压是否恢复；控制并联功率旁路装置断开，恢复高压直流输电系统的运行。本发明提出的方法避免了连续换相失败导致的双侧直流闭锁，提升系统恢复速度；避免了直流开关开断直流电流，节省了大量电力电子装置，提高了直流输电系统运行的可靠性及稳定性。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案，在直流线路逆变侧出口处并联一个功率旁路装置，解决送端功率过剩问题，保持送端系统稳定。

2、本发明所提供的技术方案，功率旁路装置拓扑结构简单，控制容易，工程适用性强。

3、本发明所提供的技术方案，在逆变侧发生连续换相失败后，逆变侧换流器无法送出直流功率，通过功率旁路装置消耗送端直流功率，有效防止了送端系统大量功率转移，降低了送端系统暂态失稳风险，提高了系统运行的安全和稳定。

4、本发明所提供的技术方案，功率旁路装置在逆变侧发生换相失败后，可以提供放电电流和维持直流输电系统直流电压，提高了逆变侧换流阀闭锁可靠性。

5、本发明所提供的技术方案，功率旁路装置在系统恢复阶段，可以避免连续换相失败引起的双侧直流闭锁，提升系统恢复速度。

6、本发明提供的技术方案，功率旁路装置可以避免采用直流开关开断大直流电流，节省了昂贵的高压直流开断装置。

附图说明

图1是本发明的一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法的流程图；

图2是本发明的实施例的示意图；

图3是本发明的应用例的示意图；

图4是本发明的方法中步骤4的流程示意图；

图5是本发明的方法中步骤5的流程示意图；

图6是本发明的具体应用例中的功率旁路装置投切策略流程图。

其中，D-高压钳位二极管阀；C-高压电容；SW1-第一开关；SW2-第二开关；R-电阻。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法，

包括如下步骤：

步骤1.在高压直流输电系统中的逆变侧的直流线路出口处并联功率旁路装置；

步骤2.设置并联功率旁路装置的初始状态；

步骤3.实时监测并判断逆变侧的直流电压是否为零；若是，则判定逆变侧发生换相失败故障，并进入步骤4；

若否，则持续实时监测；

步骤4.控制并联功率旁路装置闭合及闭锁逆变侧换流器；

步骤5.判断逆变侧的交流系统电压是否恢复；

若否，则进入步骤6；

若是，则进入步骤7；

步骤6.经过1个时间间隔后，返回步骤5；

步骤7.控制并联功率旁路装置断开，恢复高压直流输电系统的运行，返回步骤3。

如图2所示，步骤1包括：

在高压直流输电系统中的逆变侧的直流线路出口处并联功率旁路装置；

其中，功率旁路装置包括并联的第一支路及第二支路，且第一支路与第二支路之间连接有第二开关SW2；

第一支路上串联有高压钳位二极管阀D及高压电容C；

第二支路上串联有第一开关SW1和电阻R，且第一开关SW1及第二开关SW2为机械开关或IGBT电子开关。

如图3所示，并联功率旁路装置中的高压钳位二极管阀D、高压电容C及第二开关SW2构成的回路为功率旁路装置中的可投切回路；

高压电容C所在支路为并联功率旁路装置中的电压支撑回路；

电阻R所在支路为并联功率旁路装置中的电阻耗能回路。

其中，步骤2包括：

将第一开关SW1及第二开关SW2均设置为断开状态，使得并联功率旁路装置的初始状态为断开状态。

如图4所示，步骤4包括：

4-1.在逆变侧发生换相失败故障的时长达到一个时间间隔后，控制高压直流输电系统同时触发信号一及信号二；

其中，信号一为逆变侧换流器闭锁信号；

信号二为功率旁路装置投入信号；

4-2.根据信号一闭锁逆变侧换流器，并根据信号二闭合第一开关SW1及第二开关SW2。

其中，时间间隔为0.5s至2.5s。

如图5所示，步骤7包括：

7-1.控制整流侧换流器恢复运行，控制高压直流输电系统同时触发信号三及信号四；

其中，信号三为逆变侧换流器的解锁信号；信号四为断开第一开关SW1及第二开关SW2信号；

7-2.根据信号三解锁逆变侧换流器，并根据信号四断开第一开关SW1及第二开关SW2，恢复高压直流输电系统的运行；

7-3.返回步骤3。

本发明提供一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法的具体应用例，如下：

如图2及3所示，在逆变侧直流线路出口处并联一个功率旁路装置，该装置由高压钳位二极管阀和机械或IGBT电子开关组成的可控投切回路、高压电容C构成直流电压支撑回路、大功率电阻构成耗能回路组成，其工作状态可分为系统启动阶段、逆变侧闭锁阶段和系统恢复阶段。

图3中C为高压电容器，对于500kV直流输电系统，考虑最大放电电流(两倍额定直流电流)，将其定为100uF，D为二极管高压硅堆，SW1和SW2为机械或IGBT电子开关，其控制指令来自逆变侧换流器控制系统。

(1)系统启动阶段

在直流系统初始启动阶段，投切回路开关SW1、SW2均断开，高压钳位二极管D受到正向直流电压导通，系统对电压支撑回路的电容C充电，直至达到系统额定直流电压U_d，充电结束后，直流系统正常运行。

(2)逆变侧闭锁阶段

当逆变侧因为交流系统电压跌落、换流阀触发信号丢失等原因，导致逆变侧连续换相失败。当到达系统设定保护时间值时，逆变侧换流器控制系统将同时触发两个信号：信号一为逆变侧换流器闭锁信号；信号二为并联型直流功率旁路装置投入信号，闭合投切回路开关SW1、SW2，将并联回路投入到逆变侧直流线路中。此时，直流电容通过SW2对逆变侧换流器放电，由于平波电抗器反电势的作用，强迫流过晶闸管电流过零，促使其可靠闭锁。

同时系统直流功率经大功率电阻快速泄放，直流支撑电容提供直流电压，整流侧可持续输送一定的(或额定)功率，避免了连续换相失败引起的送端系统大功率转移，降低了送端系统发生暂态失稳的风险。

(3)系统恢复阶段

在系统恢复阶段，首先将整流侧换流阀恢复运行，同时系统触发两个信号。信号一为直流系统逆变侧换流阀解锁信号；信号二为断开投切回路开关SW1、SW2，将泄能电阻回路切除。此时直路电压维持在U_d附近，直流系统很快恢复正常运行状态。

如图6所示的功率旁路装置投切策略流程图，控制系统判断逆变侧换流器发生连续换相失败以后，闭锁换流器并投入功率旁路装置。当逆变侧交流系统恢复正常后，给逆变侧换流器发出解锁信号并退出功率旁路装置，直流系统恢复正常。

仿真算例中直流输电系统直流电压为500kV，功率1000MW，设定旁路装置电容为100uF，电阻250Ω，直流平波电抗器为0.5968mH，直流线路总电阻5Ω；

第0秒时，直流系统启动，直流电压上升同时通过钳位二极管开始对高压电容器C充电，当电压等于额定直流电压时，充电结束；

第2秒时，逆变侧交流系统发生100ms瞬时性三相接地短路，故障清除后系统恢复正常；

第4秒时，交流系统电压从额定1.0pu跌落到0.3p.u，直流系统发生连续换相失败(直流电压为零)；

当换相失败持续1s后(第5秒时)，直流控制系统闭锁逆变侧换流器，同时投入功率旁路装置，即SW1和SW2闭合。此时旁路装置高压电容C通过SW2和平波电抗器对逆变侧换流器放电，平波电抗器产生的反电势强迫流过晶闸管电流过零，促使其可靠闭锁。逆变侧换流阀闭锁后，送端的直流系统功率可通过泄能电阻R消耗，流过整流侧换流器的直流功率不变，不会导致送端交流系统大量功率转移，避免了切除发电机或功率振荡，保持了送端系统的稳定；

第6秒时，逆变侧交流系统电压从0.3pu恢复到正常1.0pu；

第7秒时，控制系统解锁逆变侧换流器，随后退出功率旁路装置，即SW1和SW2打开，直流系统恢复正常，直流功率重新从整流侧传送到逆变侧。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于功率旁路的高压直流输电换相失败的抑制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1.在高压直流输电系统中的逆变侧的直流线路出口处并联功率旁路装置；

步骤2.设置所述并联功率旁路装置的初始状态；

步骤3.实时监测并判断所述逆变侧的直流电压是否为零；若是，则判定所述逆变侧发生换相失败故障，并进入步骤4；

若否，则持续实时监测；

步骤4.控制所述并联功率旁路装置闭合及闭锁逆变侧换流器；

步骤5.判断所述逆变侧的交流系统电压是否恢复；

若否，则进入步骤6；

若是，则进入步骤7；

步骤6.经过1个时间间隔后，返回步骤5；

步骤7.控制所述并联功率旁路装置断开，恢复所述高压直流输电系统的运行，返回步骤3；

所述步骤1包括：

在高压直流输电系统中的逆变侧的直流线路出口处并联功率旁路装置；

其中，所述功率旁路装置包括并联的第一支路及第二支路，且所述第一支路与第二支路之间连接有第二开关；

所述第一支路上串联有高压钳位二极管阀及高压电容；

所述第二支路上串联有第一开关和电阻，且所述第一开关及第二开关为机械开关或IGBT电子开关；

所述步骤4包括：

步骤4-1.在所述逆变侧发生换相失败故障的时长达到一个时间间隔后，控制所述高压直流输电系统同时触发信号一及信号二；

其中，信号一为逆变侧换流器闭锁信号；

信号二为所述功率旁路装置投入信号；

步骤4-2.根据所述信号一闭锁所述逆变侧换流器，并根据所述信号二闭合所述第一开关及第二开关；

所述步骤7包括：

步骤7-1.控制整流侧换流器恢复运行，控制所述高压直流输电系统同时触发信号三及信号四；

其中，所述信号三为所述逆变侧换流器的解锁信号；所述信号四为断开所述第一开关及第二开关信号；

步骤7-2.根据所述信号三解锁所述逆变侧换流器，并根据所述信号四断开所述第一开关及第二开关，恢复所述高压直流输电系统的运行；

步骤7-3.返回所述步骤3。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述并联功率旁路装置中的所述高压钳位二极管阀、高压电容及第二开关构成的回路为所述功率旁路装置中的可投切回路；

所述高压电容所在支路为所述并联功率旁路装置中的电压支撑回路；

所述电阻所在支路为所述并联功率旁路装置中的电阻耗能回路。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

将所述第一开关及第二开关均设置为断开状态，使得所述并联功率旁路装置的初始状态为断开状态。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4-1的时间间隔为0.5s至2.5s。

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