CN105896488B - 一种基于组合式高压直流断路器的柔性直流电网的短路故障处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于组合式高压直流断路器的柔性直流电网的短路故障处理方法：当直流电网中某线路发生直流故障时，本发明在系统故障定位完成之前，可根据设定的电流转移开关的预动作阈值对网内组合式高压直流断路器进行预开断动作；当完成故障定位检测后，本发明对非故障线路及故障线路两端的断路器分别施加后续动作，以实现直流故障的隔离。由此，本发明方法可有效提升网内组合式高压直流断路器的断流潜力；相较于传统处理方法，本发明方法可以有效降低故障线路两侧断路器的断流压力，从而降低断路器的设计要求、减少断路器的器件投资，以有效提升组合式高压直流断路器的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种基于组合式高压直流断路器的柔性直流电网的短路故障处理方法。
背景技术
随着全球能源短缺以及环境恶化问题的不断加剧，可再生能源的开发与利用逐渐受到了世界各国的广泛重视。但受限于电力系统消纳能力，大部分可再生能源未得到有效利用，“弃风”、“弃光”现象频频发生；另一方面风电、太阳能等新能源发电具有间歇性、随机性特点，这使得传统的电力装备、电网结构和运行技术等在接纳超大规模可再生能源方面越来越力不从心。为了解决新能源并网与消纳问题，基于电压源型换流器的柔性直流输电技术，特别是直流电网技术正逐渐成为学术研究的热点。
基于柔性直流输电技术的直流电网一般包含三个及三个以上换流站。每个交流系统通过一个换流站与直流电网连接，换流站之间有多条直流线路通过直流断路器连接。当发生故障时，可通过断路器进行选择性切除线路或换流站。柔性直流电网可有效降低换流站建设成本；同时在发生故障时，仅需切除故障线路，非故障线路可继续保障功率传输，大大增强了系统稳定性。直流故障是制约柔性直流输电技术发展的重要因素，相比于交流系统，直流系统的阻尼相对较低，因此其故障发展更快、控制保护的难度更大。为解决上述问题，目前主要存在以下两种方案：
(1)直流线路采用低故障率但造价昂贵的直流电缆。虽然该方法可大幅降低直流故障发生的概率，但若将此方法用于远距离大规模送电以及多端直流输电等应用场合，会使工程总体造价较为昂贵。
(2)直流线路仍采用经济性强的架空线路，同时引入直流断路器来处理直流故障。就目前研发现状而言，基于常规机械开关和电力电子器件的混合式断路器最具有大规模商业化应用的前景。2012年11月，ABB公司宣布其开发出世界首台混合式高压直流断路器，开断时间为5ms，电流开断能力约为9kA。然而该断路器造价昂贵，经济性差。为解决这一问题，刘高任等在标题为适用于直流电网的组合式高压直流断路器(电网技术，2016年第1期第40卷)的文献中提出了改进式的适用于直流电网的组合式高压直流断路器，并对其控制策略进行了简要分析。组合式高压直流断路器的应用场合为基于电压源型换流器的通过架空线路相连的柔性直流电网，如图1所示，直流电网中各柔性直流换流站采用真双极布置方式，各换流站通过架空线路相互连接，连接方式可分为放射型、网状型等。组合式高压直流断路器分为主断单元与分断单元，如图2所示，其中主断单元包含主动短路式断流开关以及隔离开关，分断单元包括电流转移开关、超快速机械开关和辅助放电开关；主断单元中主动短路式断流开关的高压端与隔离开关的一端相连，另一端直接接地，隔离开关的另一端连接至直流母线。分断单元介于直流母线和直流线路之间，超快速机械开关与直流母线出线相连，另一端连接至电流转移开关，辅助放电开关的高压端与电流转移开关的另一端相连，其低压端直接接地。
上述组合式高压直流断路器较混合式高压直流断路器更适用于直流电网的应用场合，然而该文献中提出的控制策略在直流线路发生故障时，仅依靠故障线路两端的断路器进行故障清除，导致断路器所需开断的故障电流较大，增大了断路器的制造成本，这无疑降低了组合式高压直流断路器的应用前景。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于组合式高压直流断路器的柔性直流电网的短路故障处理方法，当直流电网中某线路发生直流故障时，本方法可有效提升网内组合式高压直流断路器的断流潜力。
一种基于组合式高压直流断路器的柔性直流电网的短路故障处理方法，如下：
当柔性直流电网中某条直流线路发生短路故障，在该故障定位检测完成之前，对电网中的组合式高压直流断路器进行判断是否对其进行预开断动作，进而根据判断结果执行相应操作；当完成该故障定位检测后，对故障线路和非故障线路两端的组合式高压直流断路器分别施加不同的开关动作，以实现直流故障的隔离。
当柔性直流电网中某条直流线路发生短路故障，该直流线路会通过故障点向大地注入故障电流，网内流经各直流线路上的电流均会发生改变。
对电网中的组合式高压直流断路器进行判断的具体过程如下：
首先，对于电网中的任一组合式高压直流断路器，检测其各分断单元中流经电流转移开关的电流，同时设定预动作电流阈值Imax；
若电网中所有组合式高压直流断路器分断单元中流经电流转移开关的电流均未超过预动作电流阈值Imax，则网内所有组合式高压直流断路器均不进行预开断动作；
若电网中某一直流线路所连的分断单元中流经电流转移开关的电流超过预动作电流阈值Imax，则对该分断单元所属的组合式高压直流断路器进行预开断动作。
对组合式高压直流断路器执行预开断动作的具体操作过程如下：首先，对组合式高压直流断路器主断单元中的主动短路式断流开关施加导通信号；然后，通过该组合式高压直流断路器所连的换流站向网内其余换流站发送预动作指令；其余换流站收到预动作指令后，同样也对各自所连的组合式高压直流断路器主断单元中的主动短路式断流开关施加导通信号。
所述的预动作电流阈值Imax设定为电流转移开关稳态工作电流大小的1.5倍。
对故障线路和非故障线路两端的组合式高压直流断路器分别施加不同的开关动作，具体执行过程如下：
对于电网中的任一组合式高压直流断路器，若该组合式高压直流断路器所连的直流线路均为非故障线路，则对其主断单元中的主动短路式断流开关施加关断信号；
若该组合式高压直流断路器所连的直流线路中存在有故障线路，则先对其主断单元中的主动短路式断流开关以及各分断单元中的辅助放电开关均施加导通信号；然后对于该组合式高压直流断路器中的任一分断单元，待主动短路式断流开关以及该分断单元中的辅助放电开关均导通后，进一步对该分断单元中的电流转移开关施加关断信号，当流经该电流转移开关的电流下降为零时，再进一步对该分断单元中的超快速机械开关施加关断信号，待所有分断单元中的超快速机械开关均完全断开后，最后对主断单元中的主动短路式断流开关施加关断信号；流经主动短路式断流开关的电流立刻下降至零，剩余能量通过避雷器进行耗散。
与现有组合式高压直流断路器的故障处理策略相比，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明故障处理策略在处理直流故障时可根据故障电流大小进行预开断动作，即当直流线路电流超过预动作阈值时，向全网主动短路式断流开关发送闭合信号。
(2)采用本发明故障处理策略时，非故障线路侧换流站注入故障点的电流被有效分流至该侧主动短路式断流开关，可显著减小故障侧主动短路式断流开关的断流压力，从而降低主动短路式断流开关所需的电力电子器件数量。
(3)由于主动短路式断流开关为组合式高压直流断路器的核心部件，因此本发明故障处理策略可大幅降低组合式高压直流断路器的投资成本，提升其应用前景。
附图说明
图1为本发明基于组合式高压直流断路器的柔性直流电网的场景示意图。
图2(a)为组合式高压直流断路器的结构示意图。
图2(b)为组合式高压直流断路器中分断单元的结构示意图。
图3为本发明组合式高压直流断路器预开断动作的流程示意图。
图4为完成故障检测后本发明组合式高压直流断路器后续协调动作的流程示意图。
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。
本发明基于组合式高压直流断路器的直流电网直流侧短路故障协调处理策略的应用场合为基于电压源型换流器的通过架空线路相连的配备组合式高压直流断路器的柔性直流电网。在图1所示案例中，直流电网包含4个柔性直流换流站。各柔性直流换流站通过架空线路相连。换流站采用真双极布置方式，为简便分析，换流站均为真双极中的正极。组合式高压直流断路器的配置方式如图2所示，断路器分为主断单元与分断单元，其中主断单元包含主动短路式断流开关以及隔离开关，分断单元包括电流转移开关、超快速机械开关和辅助放电开关。主断单元中，主动短路式断流开关的高压端与隔离开关的一端相连，另一端直接接地，隔离开关的另一端连接至直流母线。分断单元介于直流母线和直流线路之间，超快速机械开关与直流母线出线相连，另一端连接至电流转移开关，辅助放电电路的高压端与电流转移开关的另一端相连，其低压端直接接地。
针对上述场景，本发明基于组合式高压直流断路器的直流电网直流侧短路故障协调处理策略，包括过程如下：
(1)柔性直流电网中某条直流线路发生短路故障；假定直流线路发生短路故障，此时直流线路会通过故障点向大地流入故障电流，直流电网内流经各线路的直流电流会发生改变。
(2)在系统故障定位完成之前，根据设定的电流转移开关的预动作阈值判断是否进行预开断动作，如图3所示：
检测流经直流电网内各电流转移开关的电流，设断路器预动作阈值为Imax。检测换流站是否收到故障定位信号；本实施方式设定预动作阈值Imax为稳态工作电流大小的1.5倍。
若故障检测时间较快，在换流站收到故障定位信号之前，流经直流电网内所有线路电流转移开关的电流均未超过预动作阈值Imax，则网内所有断路器均不进行预开断动作。
若故障检测时间较慢，在换流站收到故障定位信号之前，流经直流电网内某条线路电流转移开关的电流超过了预动作阈值Imax，则对该侧换流站主动短路式断流开关施加导通信号，并将预动作指令传递给网内其余换流站。网内其余换流站在接收到预动作信号后，对该侧主动短路式断流开关施加导通信号。
(3)系统完成故障定位检测，对非故障线路及故障线路两端的断路器分别施加后续动作，以实现直流故障的隔离，如图4所示：
换流站收到故障定位信号，若换流站为非故障线路侧换流站，则对该侧主动短路式断流开关施加开断信号。若该侧主动短路式断流开关之前收到了预动作信号，处于导通状态，则收到信号后立刻关断；若非故障线路侧的主动短路式断流开关之前未收到预动作信号，处于开断态，则收到信号后继续保持开断状态。
若换流站为故障线路侧换流站，对故障线路侧的断路器施加故障清除信号。断路器收到信号后，对主动短路式断流开关以及辅助放电开关施加导通信号。其中，若主动短路式断流开关在收到信号前已经处于导通状态，则继续保持导通状态。当主动短路式断流开关以及辅助放电开关导通后，对电流转移开关施加开断信号。当流经电流转移开关的电流下降为零时，对超快速机械开关施加开断信号。当超快速机械开关完成开断后，对主动短路式断流开关施加开断信号。流经主动短路式断流开关的电流立刻下降至零，剩余能量通过避雷器进行耗散。
以图1为例，假定该直流电网为±500kV/3000MW的多端柔性直流系统，其换流器采用真双极结构，考虑真双极系统中的正极系统。换流站1通过架空线路与三个换流站相连，每个换流站额定容量均为1500MW，直流电压为500kV。换流站1、2、3均为定有功功率、定无功功率控制，其中换流站1、2向直流侧输入的功率分别为1500MW以及600MW，换流站3从直流侧吸收的功率为1500MW。换流站4采用定直流电压、定无功功率控制。系统详细参数如表1所示，系统中各断路器均按现有原则进行配置。
表1
在对断路器进行设计的时候，应考虑最严重的工况。对于直流线路12靠换流站1侧的断路器来讲，当直流线路12靠换流站1侧发生金属性短路故障时，其所需开断的短路电流达到最大值。因此，考察这种故障类型下两种策略的断流特性。t＝2s时直流故障发生。考虑一定的信号延时，假定信号从换流站1传递到换流站2的时间为4ms，传递到换流站3、4的时间均为1ms。假设电流转移开关预动作的阈值为稳态直流电流的1.5倍，即4.5kA。
换流站1侧断路器动作时序如下：
t＝2.0s时，直流线路12靠换流站1侧发生金属性接地故障；
t＝2.0005s时，流经直流线路12靠换流站1侧电流转移开关的电流持续超过预动作阈值0.5ms，换流站1侧主动短路式断流开关闭合接地，同时将闭合信号传递给换流站2、3、4；
t＝2.005s时，换流站1实现故障定位，对线路12中该侧辅助放电开关施加导通信号，并将故障定位信号传递给换流站2、3、4；
t＝2.00525s时，线路12中该侧电流转移开关断开，对超快速机械开关施加开断信号；
t＝2.00725s时，超快速机械开关完成开断动作；
t＝2.0073s时，换流站1侧主动短路式断流开关开断故障电流，剩余能量通过避雷器泄放。
换流站2侧断路器动作时序如下：
t＝2.0045s时，换流站2接收到换流站1发来的预动作信号，该侧主动短路式断流开关闭合导通；
t＝2.009s时，换流站2接收到换流站1发来的故障定位信号，对线路12中该侧辅助放电开关施加导通信号；
t＝2.00925s时，该侧电流转移开关断开，对超快速机械开关施加开断信号；
t＝2.01125s时，超快速机械开关完成开断动作；
t＝2.0113s时，该侧主动短路式断流开关开断故障电流，剩余能量通过避雷器泄放。
换流站3侧断路器动作时序如下：
t＝2.0015s时，换流站3接收到换流站1发来的预动作信号，该侧主动短路式断流开关闭合导通；
t＝2.006s时，换流站3接收到换流站1发来的故障定位信号，由于为非故障侧换流站，因此对该侧主动短路式断流开关施加闭合信号。
换流站4侧断路器动作时序如下：
t＝2.0015s时，换流站4接收到换流站1发来的预动作信号，该侧主动短路式断流开关闭合导通；
t＝2.006s时，换流站4接收到换流站1发来的故障定位信号，由于为非故障侧换流站，因此对该侧主动短路式断流开关施加闭合信号。
可以看出换流站1侧主动短路式断流开关的导通时间为2.0005s至2.0073s，共6.8ms；换流站2侧主动短路式断流开关的导通时间为2.0045s至2.0113s，共6.8ms；换流站3侧主动短路式断流开关的导通时间为2.0015s至2.006s，共4.5ms；换流站4侧主动短路式断流开关的导通时间为2.0015s至2.006s，共4.5ms。
现有处理策略下，换流站1侧主动短路式断流开关峰值电流为28.95kA；而本发明处理策略下，换流站1侧主动短路式断流开关峰值电流仅为16.52kA，下降了29.1％。这是由于换流站3、4侧主动短路式断流开关的导通减小了换流站3、4灌入换流站1侧主动短路式断流开关的电流，从而减小了换流站1侧断路器的断流压力。
与现有组合式高压直流断路器的处理策略相比，本发明策略在处理直流故障时可根据故障电流大小进行预开断动作，即当直流线路电流超过预动作阈值时，向全网主动短路式断流开关发送闭合信号。采用本发明策略时，非故障线路侧换流站注入故障点的电流被有效分流至该侧主动短路式断流开关，可显著减小故障侧主动短路式断流开关的断流压力，从而降低主动短路式断流开关所需的电力电子器件数量。由于主动短路式断流开关为组合式高压直流断路器的核心部件，因此本发明策略可大幅降低组合式高压直流断路器的投资成本，提升其应用前景。
Claims (3)
1.一种基于组合式高压直流断路器的柔性直流电网的短路故障处理方法，其特征在于：
当柔性直流电网中某条直流线路发生短路故障，在该故障定位检测完成之前，对电网中的组合式高压直流断路器进行判断是否对其进行预开断动作，进而根据判断结果执行相应操作；当完成该故障定位检测后，对故障线路和非故障线路两端的组合式高压直流断路器分别施加不同的开关动作，以实现直流故障的隔离；
对电网中的组合式高压直流断路器进行判断的具体过程如下：
首先，对于电网中的任一组合式高压直流断路器，检测其各分断单元中流经电流转移开关的电流，同时设定预动作电流阈值Imax；
若电网中所有组合式高压直流断路器分断单元中流经电流转移开关的电流均未超过预动作电流阈值Imax，则网内所有组合式高压直流断路器均不进行预开断动作；
若电网中某一直流线路所连的分断单元中流经电流转移开关的电流超过预动作电流阈值Imax，则对该分断单元所属的组合式高压直流断路器进行预开断动作；
对组合式高压直流断路器执行预开断动作的具体操作过程如下：首先，对组合式高压直流断路器主断单元中的主动短路式断流开关施加导通信号；然后，通过该组合式高压直流断路器所连的换流站向网内其余换流站发送预动作指令；其余换流站收到预动作指令后，同样也对各自所连的组合式高压直流断路器主断单元中的主动短路式断流开关施加导通信号；
对故障线路和非故障线路两端的组合式高压直流断路器分别施加不同的开关动作，具体执行过程如下：
对于电网中的任一组合式高压直流断路器，若该组合式高压直流断路器所连的直流线路均为非故障线路，则对其主断单元中的主动短路式断流开关施加关断信号；
若该组合式高压直流断路器所连的直流线路中存在有故障线路，则先对其主断单元中的主动短路式断流开关以及各分断单元中的辅助放电开关均施加导通信号；然后对于该组合式高压直流断路器中的任一分断单元，待主动短路式断流开关以及该分断单元中的辅助放电开关均导通后，进一步对该分断单元中的电流转移开关施加关断信号，当流经该电流转移开关的电流下降为零时，再进一步对该分断单元中的超快速机械开关施加关断信号，待所有分断单元中的超快速机械开关均完全断开后，最后对主断单元中的主动短路式断流开关施加关断信号。
2.根据权利要求1所述的短路故障处理方法，其特征在于：当柔性直流电网中某条直流线路发生短路故障，该直流线路会通过故障点向大地注入故障电流，网内流经各直流线路上的电流均会发生改变。
3.根据权利要求1所述的短路故障处理方法，其特征在于：所述的预动作电流阈值Imax设定为电流转移开关稳态工作电流大小的1.5倍。
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