CN105932651A - 应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器以其实现的闭合方法 - Google Patents

Abstract

应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器以其实现的闭合方法，涉及高压直流输电技术及电力电子应用技术领域。本发明是为了解决现有的高压直流电网稳定性差，常常出现短路故障，缺少快速、可靠检测及切断直流电网的装置及方法的问题。真空继电器开关的和盘式机械断路器开关均串联在直流输电线路中，电压和电流检测装置分别检测正极电流和正极电压，电压检测装置和电流检测装置输出端分别连处理器输入端，电流检测装置输出端连处理器输入端，处理器输出端连步进电机输入端，步进电机通过传动机构与盘式机械断路器开关连接，处理器输出端连真空继电器开关输入端，真空继电器开关输出端连处理器输入端。它用于高压大功率直流输电线路中。

Description

应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器以其实现的闭合方法

技术领域

本发明涉及一种能够经济、安全、准确地切除高压直流线路短路故障的方法，属高压直流输电技术及电力电子应用技术领域。

背景技术

随着我国新型能源发电行业的快速发展以及多端直流并网的增多，发电厂通常由几百台甚至上千台不稳定机组组成，包括太阳能发电场、风力发电场以及潮汐发电场等。为使其保持接入电网的稳定性，直流输电表现出了比交流输电更灵活更稳定的优点，成为了该不稳定电能较佳的输送方式。但是整个系统必须承受大量的不稳定因素带来的冲击，直流断路器已成为联络各换流站之间的关键枢纽。

本发明主要是基于风电场多端直流输电模型上，提出的应对各种不同故障冲击下的直流断路器。本发明在实例仿真中得到了验证，通过电流延迟斜率的计算结果与触发信号限定值的比较，可以使得直流断路器动作，达到有效断开故障线路的目的。

发明内容

本发明是为了解决现有的高压直流电网稳定性差，常常出现短路故障，缺少快速、可靠检测及切断直流电网的装置及方法的问题。现提供应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器以其实现的闭合方法。

应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器，它包括电压检测装置、电流检测装置、处理器、步进电机、传动机构、真空继电器开关和盘式机械断路器开关，

真空继电器开关和盘式机械断路器开关均串联在高压直流输电线路中，

电压检测装置，用于检测高压直流输电线路的正极电压，

电流检测装置，用于检测高压直流输电线路的正极电流，

电压检测装置的电压信号输出端连接处理器的电压信号输入端，

电流检测装置的电流信号输出端连接处理器的电流信号输入端，

处理器的永久性故障处理信号输出端连接步进电机的永久性故障处理信号输入端，

步进电机的驱动信号输出端连接传动机构的一端，

传动机构的另一端连接盘式机械断路器开关的触发信号输入端，

处理器的瞬时处理信号输出端连接真空继电器开关的瞬时处理信号输入端，

真空继电器开关的开关信号输出端连接处理器的开关信号输入端。

根据应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器实现直流断路器的闭合方法，它包括以下步骤：

步骤一、采用电压检测装置和电流检测装置分别检测高压直流输电线路中正极线路中的电压信号和电流信号，

步骤二、处理器采集步骤一中的电压信号和电流信号，利用斜率值的计算方法分别获得电压变化的斜率值和电流变化的斜率值，如果电流变化的斜率值超出了正常斜率水平或者电压变化的斜率值低于正常电压值，则执行步骤三；

步骤三、线路出现故障，处理器给予真空继电器开关断开的触发信号，真空继电器开关断开此处的线路连接点，执行步骤四；

步骤四、处理器通过设置延时时间，使真空继电器开关断开相应的延时时间后重新恢复到闭合状态；

步骤五、真空继电器开关达到闭合时间后，使真空继电器开关闭合，此时电压电流信号将给直流系统一个信号冲击，如果系统向负荷处流动的电流或电压的最大值大于利用斜率值的计算方法获得的步骤四中延迟时间后的电压变化或电流变化的斜率值，触发信号再次触发，使真空继电器开关跳闸，再次断开正负极故障线路，由真空继电器开关中记录跳闸动作的次数，超过两次后，由处理器控制步进电机带动传动机构，控制盘式机械断路器开关断开，使线路永久性断开。

本发明的有益效果为：采用电压检测装置和电流检测装置分别检测高压直流输电线路中正极线路中的电压信号和电流信号，电压检测装置和电流检测装置能够记忆前一时刻的测量值，通过处理器计算电流变化或者电压变化的斜率值，如果电流变化的斜率值超出了正常斜率水平或者电压变化的斜率值低于正常电压值，处理器控制真空继电器开关断开，真空继电器开关断开后延时一定时间后继续闭合，其冲击电流的大小会因系统故障是否消除而有所不同，若短路故障已经消除，系统向负荷处流动的电流会因负荷的大小而不同，但最大负荷的冲击电流不会超过一定的最大值，所以，再次闭合后，此时电压电流信号将给直流系统一个信号冲击，如果系统向负荷处流动的电流或电压的最大值大于利用斜率值的计算方法获得的步骤四中延迟时间后的电压变化或电流变化的斜率值，触发信号再次触发，使真空继电器开关动作于跳闸，再次断开正负极故障线路，由真空继电器开关中记录跳闸动作的次数，超过两次后，由处理器控制步进电机带动传动机构，控制盘式机械断路器开关断开，使线路永久性断开，即判定该故障为永久性故障。采用该装置能够有效快速的检测电网故障，并切除高压直流电网出现的故障，保证直流电网的稳定性。该种断路器具有对故障的反应迅速，可以实现直流线路的电流速断保护、定时限电流速断保护以及过电流保护，并且可以能够在有效的时间内进行重合闸操作。它适用于高压大功率直流输电线路操作不便的场合，具有一定的工程应用价值。

附图说明

图1为具体实施方式所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器的原理示意图；

图2为风电场环形多端直流拓扑结构模型；

图3为由电流信号所产生的判定信号原理图；

图4为1.0s时刻实测和延迟电流波形图；

图5为由电压信号所产生的判定信号原理图；

图6为在1.0s时刻实测和延迟电压波形图；

图7为判定信号的整合过程原理图；

图8为直流断路器的动作信号波形图；

图9为WF1、WF2、WF3及WF4换流站直流侧的电流仿真波形图；

图10为SS1、SS2、SS3及SS4换流站直流侧的电流仿真波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器，它包括电压检测装置1、电流检测装置2、处理器3、步进电机4、传动机构5、真空继电器开关6和盘式机械断路器开关7，

真空继电器开关6和盘式机械断路器开关7均串联在高压直流输电线路中，

电压检测装置1，用于检测高压直流输电线路的正极电压，

电流检测装置2，用于检测高压直流输电线路的正极电流，

电压检测装置1的电压信号输出端连接处理器3的电压信号输入端，

电流检测装置2的电流信号输出端连接处理器3的电流信号输入端，

处理器3的永久性故障处理信号输出端连接步进电机4的永久性故障处理信号输入端，

步进电机4的驱动信号输出端连接传动机构5的一端，

传动机构5的另一端连接盘式机械断路器开关7的触发信号输入端，

处理器3的瞬时处理信号输出端连接真空继电器开关6的瞬时处理信号输入端，

真空继电器开关6的开关信号输出端连接处理器3的开关信号输入端。

本实施方式中，电流电压信号采集过程：一般在高压直流输电线路中正极线路中的电压为正常运行的额定电压，而负极电压可视为0，电流信号也只采集正极线路上的电流，这样可单单选取正极电压信号作为电压参考信号，而负极中出现短路故障时，根据直流线路的输电特点，允许线路故障运行一段时间即使直流系统工作在单极运行状态。而在正常故障巡检的过程中，直接通过检测串联在负极线路中的电流表来检测故障位置，对于负极线路的断路故障，可以沿负极线路通过检测负极与大地之间的可移动式电流表来判断故障位置。

正极短路故障处的信号处理过程：通过对电流信号的延迟斜率计算方法，算出电流的快速上升的陡度值，若电流斜率值超出了正常斜率水平，则认为该线路出现了故障，此时信号计算处理器给予断路器断开的触发信号；切开该处的线路连接点，对于短路故障，一般会伴随有直流电压的跌落，信号计算处理器将电压信号进行判定，如果电压信号低于正常值，则同样给予断路器断开的触发信号。

线路的断开及短路故障的恢复过程：在正极线路出现短时的瞬时故障时，故障时间将持续很短，如大风对线路的干扰，鸟兽等降落在杆塔处引起的瞬时短路，以及寒潮气候引起的绝缘子闪络等。这些故障一般持续时间很短，直流断路器断开相应的线路会导致故障检测处的电压恢复稳定，电流变为0，对触发信号带来不易辨识的影响，因此可以通过电压稳定后加一定的延时环节，使直流断路器重新恢复到闭合状态，在实验仿真分析中总的断路器断开时间约为0.6-0.9s。

断路器重新合闸后的正极线路电压电流信号判定：此时电压电流信号将直流系统一个信号冲击，其冲击电流的大小会因系统故障是否消除而有所不同，若短路故障已经消除，系统向负荷处流动的电流会因负荷的大小而不同，但最大负荷的冲击电流不会超过一定的最大值，所以电流的延迟斜率计算结果也不会超过一定值，触发信号的阀值比较值应大于此最大值，以保证直流断路器的可靠性，若短路故障仍未消除，系统的电流冲击信号就较大，超过触发信号的阀值比较值，此时触发信号再次触发，使断路器动作于跳闸，再次断开正负极故障线路。在判别过程中电压信号也会出现相同的变化，当故障并未消除的过程中，电压的跌落变化将比正常负荷时的冲击变化更大，所以用电压延迟斜率法可以作为电流延迟斜率法的辅助判定条件。相应的当连续两次出现闭合失败后，机械触头中的光电耦合开关记录动作次数，超过两次直接给予线路永久性断开，即判定该故障为永久性故障。在确定正极线路存在永久性故障时，可以利用盘型断路器断开直流线路，以达到大距离、小电弧的断开动作。而在瞬时故障的过程中可以选用真空继电器类型的直流断路器，以确保断路器的快速性、可靠性和经济性。

通过真空、盘形或机械杆以非直接接触的方式联合该断路器触发动作来切除故障的方法。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器作进一步说明，本实施方式中，它还包括储能电池8，高压直流输电线的直流信号输出端连接储能电池8的直流信号输入端，储能电池8的电源信号输出端作为直流断路器的供电端。

具体实施方式三：根据具体实施方式一所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器实现直流断路器的闭合方法，它包括以下步骤：

步骤一、采用电压检测装置1和电流检测装置2分别检测高压直流输电线路中正极线路中的电压信号和电流信号，

步骤二、处理器3采集步骤一中的电压信号和电流信号，利用斜率值的计算方法分别获得电压变化的斜率值和电流变化的斜率值，如果电流变化的斜率值超出了正常斜率水平或者电压变化的斜率值低于正常电压值，则执行步骤三；

步骤三、线路出现故障，处理器3给予真空继电器开关6断开的触发信号，真空继电器开关6断开此处的线路连接点，执行步骤四；

步骤四、处理器3通过设置延时时间，使真空继电器开关6断开相应的延时时间后重新恢复到闭合状态；

步骤五、真空继电器开关6达到闭合时间后，使真空继电器开关6闭合，此时电压电流信号将给直流系统一个信号冲击，如果系统向负荷处流动的电流或电压的最大值大于利用斜率值的计算方法获得的步骤四中延迟时间后的电压变化或电流变化的斜率值，触发信号再次触发，使真空继电器开关6跳闸，再次断开正负极故障线路，由真空继电器开关6中记录跳闸动作的次数，超过两次后，由处理器3控制步进电机4带动传动机构5，控制盘式机械断路器开关7断开，使线路永久性断开。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器实现直流断路器的闭合方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中，延时时间为0.6s至0.9s。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器实现直流断路器的闭合方法作进一步说明，本实施方式中，斜率值的计算方法为：

$k_i=\frac{m_{tn}-m_{t(n-1)}}{\mathrm{\τ}},$

式中，k_i为电流或电压变化的斜率值，为实时监测的计算量，也是动作的判别量，

m_tn为当前时刻的直流线路电流或电压瞬时值，

m_t(n-1)为前一时刻的直流线路电流或电压瞬时值，

τ为两个时刻之间的电流或电压差值常数。

本实施方式中，将斜率值的大小与断路器要求动作的额定值进行比较，如果大于额定参量，处理器发出指令，使真空断路器开关动作。

额定参量的选取：试验中根据短路故障电流电压与前一时刻的差值进行减法处理，由经验分析得出。

直流断路器触发信号的建模与仿真：

在PSCAD/EMTDC仿真平台中，建立了风电场环形多端直流拓扑网络模型，如图2所示，WF1、WF2、WF3及WF4分别为风电场侧的1至4号换流站，SS1、SS2、SS3及SS4分别为交流主电网侧的1至4号换流站。在仿真分析中，设定SS1换流器的直流侧正极线路在1.0s时刻发生瞬时短路故障，故障时间为0.05s。

由电流信号所产生的判定信号如图3所示，在1.0s时刻实测和延迟电流波形如图4所示，由电压信号所产生的判定信号如图5所示，在1.0s时刻实测和延迟电压波形如图6所示，判定信号的整合过程如图7所示，经过判定信号的判定，所得的直流断路器的动作信号如图8所示。

在PSCAD/EMTDC仿真平台中建立了如图2所示的仿真模型，在发生故障后，经直流断路器的动作，各换流站直流侧的电流仿真波形如图9和图10所示，附图标记9、附图标记10、附图标记11和附图标记12分别代表了WF1、WF2、WF3及WF4换流站各直流侧的电流波形，附图标记13、附图标记14、附图标记15和附图标记16分别代表了SS1、SS2、SS3及SS4换流站各直流侧的电流波形。

在实验的过程中，为实现简便运行，图4和图6的电量差值常量都选取1，经过大量的故障仿真运行结果可以选择各自的判定比较值，这个判定比较值为经验值，可以在电子储存芯片中进行改写，从而获得较好的控制效果。在图9和图10的波形图中，换流站WF1侧的直流线路中虽然没有短路故障，但是也跟随换流站SS1侧的动作，发生电流降为0的现象，这不是WF1侧直流断路器动作造成的，而是由整个多端直流系统各换流站的定有功功率控制方式造成的，在试验的仿真模型中可以得到验证。

Claims (5)

1.应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器，其特征在于，它包括电压检测装置(1)、电流检测装置(2)、处理器(3)、步进电机(4)、传动机构(5)、真空继电器开关(6)和盘式机械断路器开关(7)，

真空继电器开关(6)和盘式机械断路器开关(7)均串联在高压直流输电线路中，

电压检测装置(1)，用于检测高压直流输电线路的正极电压，

电流检测装置(2)，用于检测高压直流输电线路的正极电流，

电压检测装置(1)的电压信号输出端连接处理器(3)的电压信号输入端，

电流检测装置(2)的电流信号输出端连接处理器(3)的电流信号输入端，

处理器(3)的永久性故障处理信号输出端连接步进电机(4)的永久性故障处理信号输入端，

步进电机(4)的驱动信号输出端连接传动机构(5)的一端，

传动机构(5)的另一端连接盘式机械断路器开关(7)的触发信号输入端，

处理器(3)的瞬时处理信号输出端连接真空继电器开关(6)的瞬时处理信号输入端，

真空继电器开关(6)的开关信号输出端连接处理器(3)的开关信号输入端。

2.根据权利要求1所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器，其特征在于，它还包括储能电池(8)，高压直流输电线的直流信号输出端连接储能电池(8)的直流信号输入端，储能电池(8)的电源信号输出端作为直流断路器的供电端。

3.根据权利要求1所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器实现直流断路器的闭合方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、采用电压检测装置(1)和电流检测装置(2)分别检测高压直流输电线路中正极线路中的电压信号和电流信号，

步骤二、处理器(3)采集步骤一中的电压信号和电流信号，利用斜率值的计算方法分别获得电压变化的斜率值和电流变化的斜率值，如果电流变化的斜率值超出了正常斜率水平或者电压变化的斜率值低于正常电压值，则执行步骤三；

步骤三、线路出现故障，处理器(3)给予真空继电器开关(6)断开的触发信号，真空继电器开关(6)断开此处的线路连接点，执行步骤四；

步骤四、处理器(3)通过设置延时时间，使真空继电器开关(6)断开相应的延时时间后重新恢复到闭合状态；

步骤五、真空继电器开关(6)达到闭合时间后，使真空继电器开关(6)闭合，此时电压电流信号将给直流系统一个信号冲击，如果系统向负荷处流动的电流或电压的最大值大于利用斜率值的计算方法获得的步骤四中延迟时间后的电压变化或电流变化的斜率值，触发信号再次触发，使真空继电器开关(6)跳闸，再次断开正负极故障线路，由真空继电器开关(6)中记录跳闸动作的次数，超过两次后，由处理器(3)控制步进电机(4)带动传动机构(5)，控制盘式机械断路器开关(7)断开，使线路永久性断开。

4.根据权利要求3所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器实现直流断路器的闭合方法，其特征在于，步骤四中，延时时间为0.6s至0.9s。

5.根据权利要求3所述的应用于风电场多端直流输电的延迟斜率法直流断路器实现直流断路器的闭合方法，其特征在于，斜率值的计算方法为：

$k_i=\frac{m_{tn}-m_{t(n-1)}}{\mathrm{\τ}},$

式中，k_i为电流或电压变化的斜率值，为实时监测的计算量，也是动作的判别量，

m_tn为当前时刻的直流线路电流或电压瞬时值，

m_t(n-1)为前一时刻的直流线路电流或电压瞬时值，

τ为两个时刻之间的电流或电压差值常数。