CN105743114B - 直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收装置及方法；该装置串联在直流输电系统中且包括多个依次串联的限流电阻单元；该方法获取限流电阻单元的个数及阻值；确定电路保护避雷器的保护水平参数及直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数.本发明提出的装置及方法有效抑制直流输电系统中逆变器换相失败后的直流电流增大问题；实现了根据逆变器换相失败故障的程度选择限流电阻的投入组数，能够最大程度减小限流电阻对直流系统的扰动；保证了直流输电系统中逆变器换相失败故障期间整流侧的功率传输，避免降直流功率引起整流侧交流电网的扰动，有效且可靠地提高了直流输电系统运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统领域中的新型限流电阻投切电路技术，具体涉及一种直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收装置及方法。
背景技术
在特高压直流输电工程中，送端整流器把交流电变换为直流电，受端逆变器把直流电转换为交流电供给受端电网使用，如图1所示。
整流器和逆变器由换流阀组成，换流阀使用半控型大功率半导体器件，无法控制器件的关断，必须在反向电压的作用下才能关断，而在逆变器中换流阀只在熄弧角λ的时间内承受反向电压，反向电压持续时间时间非常短，如图2和3所示。
逆变侧交流电网发生扰动或者逆变器的触发控制系统发生故障，逆变器换流阀极易失去反压而无法关断，逆变器将发生换相失败故障，导致系统直流电压跌落，电流升高，整流侧功率无法送出，将引起整流侧交流电网频率激增，严重威胁整流侧交流电网的安全运行。
在已投运的直流工程中，当逆变侧交流电网发生扰动时，国内外换流器制造厂家通常采用增大熄弧角λ的方法来降低逆变器发生换相失败的概率，若逆变侧交流电网发生严重不对称故障，则无法避免换相失败，若发生换相失败，只能迅速减小整流侧功率输出，对整流侧交流电网造成冲击。
此外，当逆变侧交流电网发生对称性故障，即便不造成逆变器换相失败，也会造成整流侧输出功率降低，对整流侧交流电网造成扰动。
目前，国内外还没有可以在逆变侧交流电网发生故障后抑制直流电压跌落、限制直流电流升高、保证整流功率传输的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收装置及方法；该装置及方法有效抑制直流输电系统中逆变器换相失败后的直流电流增大问题；实现了根据逆变器换相失败故障的程度选择限流电阻的投入组数，能够最大程度减小限流电阻对直流系统的扰动；保证了直流输电系统中逆变器换相失败故障期间整流侧的功率传输，避免降直流功率引起整流侧交流电网的扰动，有效且可靠地提高了直流输电系统运行的稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收装置，所述直流能量吸收装置串联在直流输电系统中；
所述直流能量吸收装置包括多个依次串联的限流电阻单元；
每个所述限流电阻单元中均包括一个设置在直流输电系统中的直流断路器、与所述直流断路器并联的电阻器组和电路保护避雷器。
优选的，所述直流断路器为晶闸管型直流断路器或IGBT型直流断路器；
所述电阻器组包括并联的多个电阻器串，且所述电阻器串均包括多个串联的电阻器。
优选的，所述直流能量吸收装置有多组，且均串联在直流输电系统中的送端交流电网侧整流器与受端交流电网侧逆变器之间的直流输电极线上。
优选的，所述直流能量吸收装置有多组，且均串联在直流输电系统中的受端交流电网整流侧或逆变侧的中性母线上。
直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收方法，所述直流能量吸收方法包括如下步骤：
步骤1.在所述直流输电系统中串联直流能量吸收装置；其中，所述直流能量吸收装置包括多个依次串联的限流电阻单元，且每个所述限流电阻单元中均包括一个设置在直流输电系统中的直流断路器、与所述直流断路器并联的电阻器组和电路保护避雷器；
步骤2.获取所述直流能量吸收装置中每组所述限流电阻单元的个数及限流电阻单元阻值；
步骤3.确定所述电路保护避雷器的保护水平参数；
步骤4.监测所述直流输电系统中逆变器是否发生换相失败故障；
若是，则进入步骤5；
若否，则继续监测所述逆变器；
步骤5.确定所述直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数，完成抑制逆变器换相失败的限流。
优选的，所述步骤2包括：
2-1.根据所述直流输电系统中受端交流电网侧逆变器中所含6脉动换流桥的个数，确定限流电阻单元的组数；
2-2.根据所述直流输电系统的传输功率、标准电压值及所述逆变器中的一个6脉动换流桥发生换相失败后允许直流电压跌落值，计算得到所述限流电阻单元的阻值R0：
R0＝Ud 2/NP (1)
式(1)中，Ud为所述直流输电系统的标准电压；P为所述直流输电系统的传输功率；N为限流电阻单元的组数。
优选的，所述步骤3包括：
根据所述直流输电系统中受端交流电网侧逆变器中的一个6脉动换流桥的耐压水平，确定所述电路保护避雷器的保护水平参数UA-PL：
式(2)中，Nq为所述逆变器包含的6脉动换流桥的个数。
优选的，所述步骤5包括：
根据直流电压跌落幅值ΔUdT，确定所述直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数n：
将直流电压跌落幅值ΔUdT分为N1个档位，每个档位间隔为kUd/N1且k＜1，当ΔUdT＞nkUd/N1时，投入n个限流电阻单元。
优选的，所述步骤5包括：
根据直流电流增大幅值ΔIdT，确定所述直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数n：
将直流电流增大幅值ΔIdT分为N2个档位，每个档位间隔为kId/N2且k＜0.1，当ΔIdT＞nkId/N2时，投入n个限流电阻单元；其中，Id为直流电流值。
优选的，所述步骤5包括：
根据所述逆变器发生换相失败的6脉动换流桥数量n，确定所述直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数为n。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收装置及方法；该装置串联在直流输电系统中且包括多个依次串联的限流电阻单元；该方法获取限流电阻单元的个数及阻值；确定电路保护避雷器的保护水平参数及直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数。本发明提出的装置及方法有效抑制直流输电系统中逆变器换相失败后的直流电流增大问题；实现了根据逆变器换相失败故障的程度选择限流电阻的投入组数，能够最大程度减小限流电阻对直流系统的扰动；保证了直流输电系统中逆变器换相失败故障期间整流侧的功率传输，避免降直流功率引起整流侧交流电网的扰动，有效且可靠地提高了直流输电系统运行的稳定性。
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中，装置将直流线路限流电阻与直流断路器并联之后串联在直流线路之中，通过直流断路器投切直流输电系统限流电阻，当逆变器发生换相失败等故障导致直流电流增大时，可以通过断开直流断路器将直流线路限流电阻投入直流回路，抑制直流电流增大；限流电阻采用分组的方式，可以根据逆变器换相失败故障的程度选择限流电阻的投入组数，可以最大程度减小限流电阻对直流系统的扰动。
2、本发明所提供的技术方案，方法通过获取限流电阻单元的个数及阻值；确定电路保护避雷器的保护水平参数及直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数。实现了根据逆变器换相失败故障的程度选择限流电阻的投入组数，能够最大程度减小限流电阻对直流系统的扰动；保证了直流输电系统中逆变器换相失败故障期间整流侧的功率传输，避免降直流功率引起整流侧交流电网的扰动，有效且可靠地提高了直流输电系统运行的稳定性。
3、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是现有技术中直流输电系统示意图；
图2是现有技术中整流器换流阀电压波形示意图；
图3是现有技术中逆变器换流阀电压波形示意图；
图4是本发明的直流能量吸收装置的结构示意图；
图5是本发明的直流能量吸收装置串接在直流输电极线上的结构示意图；
图6是本发明的直流能量吸收装置串接在中性母线上的结构示意图；
图7是本发明的直流能量吸收的流程示意图；
图8是本发明的具体应用例中的逆变侧交流系统发生单相接地故障时串联限流电路前后整流侧输出功率对比示意图。
图中，1-直流能量吸收装置；2-限流电阻单元；3-直流断路器；4-电阻器组；401-电阻器；5-电路保护避雷器。
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4所示，本发明提供一种直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收装置，直流能量吸收装置1串联在直流输电系统中；
直流能量吸收装置1包括多个依次串联的限流电阻单元2；
每个限流电阻单元2中均包括一个设置在直流输电系统中的直流断路器3、与所述直流断路器并联的电阻器组4和电路保护避雷器5。
其中，直流断路器3为晶闸管型直流断路器或IGBT型直流断路器；
电阻器组4包括并联的多个电阻器串，且电阻器串均包括多个串联的电阻器401。
如图5所示，直流能量吸收装置1有多组，且均串联在直流输电系统中的送端交流电网侧整流器与受端交流电网侧逆变器之间的直流输电极线上。
如图6所示，直流能量吸收装置1有多组，且均串联在直流输电系统中的受端交流电网整流侧或逆变侧的中性母线上。
如图7所示，本发明提供一种直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收方法，包括如下步骤：
步骤1.在直流输电系统中串联直流能量吸收装置；其中，直流能量吸收装置包括多个依次串联的限流电阻单元，且每个所述限流电阻单元中均包括一个设置在直流输电系统中的直流断路器、与所述直流断路器并联的电阻器组和电路保护避雷器；
步骤2.获取直流能量吸收装置中每组限流电阻单元的个数及限流电阻单元阻值；
步骤3.确定电路保护避雷器的保护水平参数；
步骤4.监测直流输电系统中逆变器是否发生换相失败故障；
若是，则进入步骤5；
若否，则继续监测逆变器；
步骤5.确定直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数，完成抑制逆变器换相失败的限流。
其中，步骤2包括：
2-1.根据直流输电系统中受端交流电网侧逆变器中所含6脉动换流桥的个数，确定限流电阻单元的组数；
2-2.根据直流输电系统的传输功率、标准电压值及逆变器中的一个6脉动换流桥发生换相失败后允许直流电压跌落值，计算得到限流电阻单元的阻值R0：
R0＝Ud 2/NP (1)
式(1)中，Ud为直流输电系统的标准电压；P为直流输电系统的传输功率；N为限流电阻单元的组数。
其中，步骤3包括：
根据直流输电系统中受端交流电网侧逆变器中的一个6脉动换流桥的耐压水平，确定电路保护避雷器的保护水平参数UA-PL：
式(2)中，Nq为逆变器包含的6脉动换流桥的个数。
其中，若根据直流电流增大幅值ΔIdT，确定直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数n，则步骤5包括：
将直流电压跌落幅值ΔUdT分为N1个档位，每个档位间隔为kUd/N1且k＜1，当ΔUdT＞nkUd/N1时，投入n个限流电阻单元。
其中，根据直流电流增大幅值ΔIdT，确定直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数n，步骤5包括：
将直流电流增大幅值ΔIdT分为N2个档位，每个档位间隔为kId/N2且k＜0.1，当ΔIdT＞nkId/N2时，投入n个限流电阻单元；其中，Id为直流电流值。
其中，根据逆变器发生换相失败的6脉动换流桥确定限流电阻单元的投入个数，步骤5包括：
根据逆变器发生换相失败的6脉动换流桥数量n，确定直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数为n。
其中，可以根据实际需要，步骤5选择上述3种类判据的一种或几种来确定投入限流电阻的组数。
本发明提供一种利用直流能量吸收装置及方法抑制直流输电系统中逆变器换相失败的具体应用例，如下：
某直流输电工程单极输电容量4000MW，电压等级为±800kV，逆变器由4个6脉动换流桥组成，限流电阻的组数4；则限流电阻的基准值R0＝40Ω，逆变器中一个6脉动换流桥的耐压水平为200kV，则避雷器的保护水平UA-PL＝200kV，采用直流电压跌落和6脉动换流桥发生换相失败相结合的方法来确定投入限流电阻的组数，将直流电压跌落幅值分为4个档位，每个档位间隔为180kV(k＝0.9)，当ΔUdT＞n×180kV时，投入n个限流电阻，若系统检测到n个6脉动换流桥发生换相失败，则投入n个限流电阻；
采用限流电阻前后整流侧传输功率的仿真计算结果如图8所示，结果表明，采用了限流电阻之后，当逆变器发生最严重的换相失败故障，也可以保证故障期间整流侧的功率输出，证明了本发明对于保证换相失败故障期间整流器的功率传输起到关键作用。
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 (9)
1.一种直流输电系统抵御受端故障的直流能量吸收方法，其特征在于，所述直流能量吸收方法包括如下步骤：
步骤1.在所述直流输电系统中串联直流能量吸收装置；其中，所述直流能量吸收装置包括多个依次串联的限流电阻单元，且每个所述限流电阻单元中均包括一个设置在直流输电系统中的直流断路器、与所述直流断路器并联的电阻器组和电路保护避雷器；
步骤2.获取所述直流能量吸收装置中每组所述限流电阻单元的个数及限流电阻单元阻值；
步骤3.确定所述电路保护避雷器的保护水平参数；
步骤4.监测所述直流输电系统中逆变器是否发生换相失败故障；
若是，则进入步骤5；
若否，则继续监测所述逆变器；
步骤5.确定所述直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数，完成抑制逆变器换相失败的限流；
所述直流能量吸收装置串联在直流输电系统中；
所述直流能量吸收装置包括多个依次串联的限流电阻单元；
每个所述限流电阻单元中均包括一个设置在直流输电系统中的直流断路器、与所述直流断路器并联的电阻器组和电路保护避雷器。
2.如权利要求1所述的直流能量吸收方法，其特征在于，所述直流断路器为晶闸管型直流断路器或IGBT型直流断路器；
所述电阻器组包括并联的多个电阻器串，且所述电阻器串均包括多个串联的电阻器。
3.如权利要求1所述的直流能量吸收方法，其特征在于，所述直流能量吸收装置有多组，且均串联在直流输电系统中的送端交流电网侧整流器与受端交流电网侧逆变器之间的直流输电极线上。
4.如权利要求1所述的直流能量吸收方法，其特征在于，所述直流能量吸收装置有多组，且均串联在直流输电系统中的受端交流电网整流侧或逆变侧的中性母线上。
5.如权利要求1所述的直流能量吸收方法，其特征在于，所述步骤2包括：
2-1.根据所述直流输电系统中受端交流电网侧逆变器中所含6脉动换流桥的个数，确定限流电阻单元的组数；
2-2.根据所述直流输电系统的传输功率、标准电压值，计算得到所述限流电阻单元的阻值R0：
R0＝Ud 2/NP (1)
式(1)中，Ud为所述直流输电系统的标准电压；P为所述直流输电系统的传输功率；N为限流电阻单元的组数。
6.如权利要求5所述的直流能量吸收方法，其特征在于，所述步骤3包括：
根据所述直流输电系统中受端交流电网侧逆变器中的一个6脉动换流桥的耐压水平确定所述电路保护避雷器的保护水平参数UA-PL：
式(2)中，Nq为所述逆变器包含的6脉动换流桥的个数。
7.如权利要求6所述的直流能量吸收方法，其特征在于，所述步骤5包括：
根据直流电压跌落幅值ΔUdT，确定所述直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数n：
将直流电压跌落幅值ΔUdT分为N1个档位，每个档位间隔为k Ud/N1且k<1，当△UdT>nkUd/N1时，投入n个限流电阻单元。
8.如权利要求6所述的直流能量吸收方法，其特征在于，所述步骤5包括：
根据直流电流增大幅值ΔIdT，确定所述直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数n：
将直流电流增大幅值ΔIdT分为N2个档位，每个档位间隔为k Id/N2且k<0.1，当ΔIdT>nkId/N2时，投入n个限流电阻单元；其中，Id为直流电流值。
9.如权利要求6所述的直流能量吸收方法，其特征在于，所述步骤5包括：
根据所述逆变器发生换相失败的6脉动换流桥数量n，确定所述直流能量吸收装置中限流电阻单元的投入个数为n。
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