CN105977954B - 一种柔性直流电网的断路器混合配置方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性直流电网的断路器混合配置方法及装置，其包括送端换流站、受端换流站、直流电抗器、机械式快速开关和全控型直流断路器；位于送端换流站线路侧，每个送端换流站的输出端都经过第一直流电抗器连接一由第一、第二两个机械式快速开关串联构成的第一支路；两第一支路之间并联一由第三、第四两个机械式快速开关、第一全控型直流断路器串联构成的第二支路；位于受端换流站线路侧，每一受端换流站输入端都连接第二直流电抗器一端，由第二全控型直流断路器与第五机械式快速开关串联构成的第三支路连接第二直流电抗器另一端；两第三支路之间并联一由第三、第四两个全控型直流断路器串联构成的第四支路。本发明可以广泛在高压柔性直流输电网中应用。

Description

一种柔性直流电网的断路器混合配置方法及装置
技术领域
本发明涉及一种断路器混合配置方法及装置，特别是关于一种柔性直流电网的断路器混合配置方法及装置。
背景技术
目前，采用模块化多电平换流器(MMC)的高压柔性直流输电是解决大规模新能源集中外送的重要途径。以我国的张北地区为例，要将张北和康保地区的风电通过柔性直流输电集中外送至北京和冀北的丰宁，需要建设四端柔性直流输电网。采用柔性直流电网进行远距离输电时，考虑经济性，换流站之间不宜采用直流电缆，而应采用直流架空线路。直流架空线路的应用增大了直流侧发生故障的概率。
为了快速清除直流电网的故障，保证直流电网运行于孤岛模式或交直流并列模式下的可靠性，需在直流电网中装设直流断路器。可应用的直流断路器分为两种，一种是机械式快速开关，另一种是全控型直流断路器。机械式快速开关没有电弧开断能力，造价较低；全控型直流断路器具有开断电弧能力，造价昂贵。这两种直流断路器可以结合不同种类的换流站子模块使用。
通常基于MMC的换流器有两类子模块结构，一类是全桥子模块结构(如图1a所示)，另一类是半桥子模块结构(如图1b所示)。全桥结构与半桥结构相比，全桥结构具有穿越直流故障能力，因此仅需配置机械式快速开关，但故障时需闭锁换流站。半桥结构无直流故障穿越能力，因此需要配置全控型直流断路器以切除故障，但切除故障时可不闭锁换流器。
直流电网中若所有换流站采用全桥子模块，发生直流故障时需要闭锁全网的换流站清除故障，会造成整个直流电网短时停运；若所有换流站采用半桥子模块，需相应配置全控型直流断路器，直流故障时断开断路器即可，无需闭锁换流站。但全控型直流断路器造价高昂，当直流电网中换流站数目较大时，将极大增加全控型直流断路器的需求数量，降低工程的经济性。目前尚无将快速机械开关和全控型直流断路器、全桥换流器和半桥换流器在直流系统中混合使用的案例。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种柔性直流电网的断路器混合配置方法及装置，其能在保证直流电网输电可靠性的同时，根据电网结构充分利用全桥和半桥子模块的结构特点，配合使用快速机械开关和全控型直流断路器，提高直流电网的经济性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种柔性直流电网的断路器混合配置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)设置若干送端换流站和若干受端换流站，每一受端换流站均采用半桥子模块换流器，每一送端换流站均采用全桥子模块换流器；2)靠近送端换流站的线路侧经第一直流电抗器依次连接第一、第二两机械式快速开关，靠近受端换流站的线路侧依次经第二直流电抗器、第五机械式快速开关连接第二全控型直流断路器；3)位于送端换流站一侧，相邻两送端换流之间并联一由第三、第四两个机械式快速开关、第一个全控型直流断路器串联构成的第二支路；在该第二支路中，第三机械式快速开关一端连接一送端换流站侧的第一、第二两机械式快速开关连接点处，第三机械式快速开关另一端经第一个全控型直流断路器连接第四机械式快速开关一端，第四机械式快速开关另一端连接另一送端换流站侧的第一、第二两机械式快速开关连接点处；4)位于受端换流站一侧，相邻两受端换流站之间并联一由第三、第四两个全控型直流断路器串联构成的第四支路；在该第四支路中，第三全控型直流断路器一端连接一受端换流站侧的第二全控型直流断路器与第五机械式快速开关连接点处，第三全控型直流断路器另一端经线路连接第四全控型直流断路器一端，第四全控型直流断路器另一端连接另一受端换流站侧的第二全控型直流断路器与第五机械式快速开关连接点处。
优选地，所述送端换流站采用的全桥子模块换流器具有清除故障能力，若其中一送端换流站和一受端换流站之间的直流线路发生故障，以下简称该送端换流站为故障送端换流站、受端换流站为故障受端换流站；则该故障送端换流站会发生闭锁，则清除故障的过程如下：(1)故障发生；(2)闭锁故障送端换流站；(3)跳开故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站、故障送端换流站-故障受端换流站的全控型直流断路器；(4)拉开故障送端换流站-故障受端换流站线路机械式快速开关，清除故障；(5)快速重合故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站线路全控型直流断路器；(6)重启动故障线路送端换流站。
优选地，若某一送端换流站内发生故障，则故障清除过程如下：(1)故障发生；(2)闭锁故障线路送端换流站；(3)跳开故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站和故障送端换流站-故障受端换流站的全控型直流断路器；(4)跳开故障线路送端换流站输出端机械式快速开关；(5)重合故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站和故障送端换流站-故障受端换流站的全控型直流断路器。
一种柔性直流电网的断路器混合装置，其特征在于：该装置包括若干送端换流站和若干受端换流站，以含有两个所述送端换流站、两个所述受端换流站的四端柔性直流电网为例，还包括四个直流电抗器、若干机械式快速开关和若干全控型直流断路器；位于所述送端换流站线路侧，每个所述送端换流站的输出端都经过第一所述直流电抗器连接一由第一、第二两个所述机械式快速开关串联构成的第一支路；两所述第一支路之间并联一由第三、第四两个所述机械式快速开关、第一所述全控型直流断路器串联构成的第二支路；位于所述受端换流站线路侧，每一所述受端换流站输入端都连接第二所述直流电抗器一端，由第二所述全控型直流断路器与第五所述机械式快速开关串联构成的第三支路连接第二所述直流电抗器另一端；两所述第三支路之间并联一由第三、第四两个所述全控型直流断路器串联构成的第四支路。
优选地，在所述第二支路中，第三所述机械式快速开关一端连接其中一所述第一支路中第一、第二两所述机械式快速开关连接点处；第三所述机械式快速开关另一端经第一所述全控型直流断路器连接第四所述机械式快速开关一端，第四所述机械式快速开关另一端连接另一所述第一支路中第一、第二两所述机械式快速开关连接点处。
优选地，在所述第四支路中，第三所述全控型直流断路器一端连接一所述第三支路中第二所述全控型直流断路器与第五所述机械式快速开关连接点处；第三所述全控型直流断路器另一端经线路连接第四所述全控型直流断路器一端，第四所述全控型直流断路器另一端连接另一所述第三支路中第二所述全控型直流断路器与第五所述机械式快速开关连接点处。
优选地，两个所述送端换流站均采用全桥子模块换流器，两个所述受端换流站均采用半桥子模块换流器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在双极的柔性直流电网中，与现有技术所有断路器均采用全控型直流断路器的配置方式相比较，可以少配置六台全控型直流断路器，极大节省了工程投资。2、本发明在送端换流站间装设全控型直流断路器，可以在这两个换流站中任意一个发生故障时，快速可靠地断开两个换流站之间的电气联系，保证非故障换流站继续可靠地输电。3、本发明根据电网结构充分利用全桥和半桥子模块的结构特点，使送受端的机械式快速开关与全控型直流断路器密切配合，在保证直流电网输电可靠性的同时降低工程造价。综上所述，本发明可以广泛在高压柔性直流输电网中应用。
附图说明
图1a是现有技术中柔性直流换流站全桥子模块结构示意图；
图1b是现有技术中柔性直流换流站半桥子模块结构示意图；
图2是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图2所示，本发明提供一种柔性直流电网的断路器混合装置，同时采用机械式快速开关和全控型直流断路器，其包括若干送端换流站1和若干受端换流站2，以含有两个送端换流站、两个受端换流站的四端柔性直流电网为例对本发明进行详细的介绍。本发明除了两个送端换流站1和两个受端换流站2，还包括四个直流电抗器3、若干机械式快速开关4和若干全控型直流断路器5。
位于送端换流站1线路侧，每个送端换流站1的输出端都经过第一直流电抗器3连接一由第一、第二两个机械式快速开关4串联构成的第一支路；两第一支路之间并联一由第三、第四两个机械式快速开关4、第一个全控型直流断路器5串联构成的第二支路。在该第二支路中，第三机械式快速开关4一端连接其中一第一支路中第一、第二两机械式快速开关连接点处；第三机械式快速开关4另一端经第一个全控型直流断路器5连接第四机械式快速开关4一端，第四机械式快速开关4另一端连接另一第一支路中第一、第二两机械式快速开关4连接点处。
位于受端换流站2线路侧，每一受端换流站2输入端都连接第二直流电抗器3一端，由第二全控型直流断路器5与第五机械式快速开关4串联构成的第三支路连接第二直流电抗器3另一端。两第三支路之间并联一由第三、第四两个全控型直流断路器5串联构成的第四支路。在该第四支路中，第三全控型直流断路器5一端连接一第三支路中第二全控型直流断路器5与第五机械式快速开关4连接点处；第三全控型直流断路器5另一端经线路连接第四全控型直流断路器5一端，第四全控型直流断路器5另一端连接另一第三支路中第二全控型直流断路器5与第五机械式快速开关4连接点处。
上述实施例中，两个送端换流站1均采用全桥子模块换流器，两个受端换流站2均采用半桥子模块换流器。
本发明还提供一种柔性直流电网的断路器混合配置方法，其包括以下步骤：
1)设置若干送端换流站1和若干受端换流站2，每一受端换流站2均采用半桥子模块换流器，每一送端换流站1均采用全桥子模块换流器。
2)靠近送端换流站1的线路侧经第一直流电抗器3依次连接第一、第二两机械式快速开关4，靠近受端换流站2的线路侧依次经第二直流电抗器3、第五机械式快速开关4连接第二全控型直流断路器5；
3)位于送端换流站1一侧，相邻两送端换流站1之间并联一由第三、第四两个机械式快速开关4、第一个全控型直流断路器5串联构成的第二支路；在该第二支路中，第三机械式快速开关4一端连接一送端换流站1侧的第一、第二两机械式快速开关4连接点处，第三机械式快速开关4另一端经第一个全控型直流断路器5连接第四机械式快速开关4一端，第四机械式快速开关4另一端连接另一送端换流站1侧的第一、第二两机械式快速开关4连接点处。
4)位于受端换流站2一侧，相邻两受端换流站2之间并联一由第三、第四两个全控型直流断路器5串联构成的第四支路；在该第四支路中，第三全控型直流断路器5一端连接一受端换流站侧的第二全控型直流断路器5与第五机械式快速开关4连接点处，第三全控型直流断路器5另一端经线路连接第四全控型直流断路器5一端，第四全控型直流断路器另一端连接另一受端换流站侧的第二全控型直流断路器5与第五机械式快速开关4连接点处。
上述各步骤中，送端换流站1采用的全桥子模块换流器具有清除故障能力，若其中一送端换流站和一受端换流站之间的直流线路发生故障，以下简称该送端换流站为故障送端换流站、受端换流站为故障受端换流站；则该故障送端换流站会发生闭锁，清除故障的过程如下：
(1)故障发生；
(2)闭锁故障送端换流站；
(3)跳开故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站之间的全控型直流断路器、故障送端换流站-故障受端换流站的全控型直流断路器；
(4)拉开故障送端换流站-故障受端换流站线路机械式快速开关，清除故障；
(5)快速重合故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站线路全控型直流断路器；
(6)重启动故障线路送端换流站。
若某一送端换流站内发生故障，则故障清除过程如下：
(1)故障发生；
(2)闭锁故障线路送端换流站；
(3)跳开故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站和故障送端换流站-故障受端换流站的全控型直流断路器；
(4)跳开故障线路送端换流站输出端机械式快速开关；
(5)重合故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站和故障送端换流站-故障受端换流站的全控型直流断路器。
实施例：以张北地区柔性直流电网工程为例，如图2所示。建设4个柔直换流站，丰宁和北京换流站采用半桥换流器，张北换流站和康保换流站采用全桥方案。张北-北京线路北京侧、康保-丰宁线路丰宁侧，北京-丰宁线路两侧，康保-张北线路之间安装全控型直流断路器。各换流站出口、康保-张北线路两侧，康保-丰宁、张北-北京线路首端配置机械式快速直流开关。
张北和康保换流站采用全桥换流器，具有清除故障能力。假设康保和丰宁间直流线路发生故障，康保站会发生闭锁，则清除故障的过程如下：
(1)故障发生；
(2)闭锁康保站换流站；
(3)跳开康保-张北线路和康保-丰宁线路的全控型直流断路器；
(4)拉开康保-丰宁线路机械式快速开关，清除故障；
(5)快速重合康保-张北线路全控型直流断路器；
(6)重启动康保换流站换流站。
若康保换流站内发生故障，故障清除过程如下：
(1)故障发生；
(2)闭锁康保站换流站；
(3)跳开康保-张北线路和康保-丰宁线路全控型直流断路器；
(4)跳开康保换流站换流站出口机械式快速开关；
(5)重合康保-张北线路和康保-丰宁线路全控型直流断路器。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种柔性直流电网的断路器混合配置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)设置若干送端换流站和若干受端换流站，每一受端换流站均采用半桥子模块换流器，每一送端换流站均采用全桥子模块换流器；
2)靠近送端换流站的线路侧经第一直流电抗器依次连接第一、第二两机械式快速开关，靠近受端换流站的线路侧依次经第二直流电抗器、第五机械式快速开关连接第二全控型直流断路器；
3)位于送端换流站一侧，相邻两送端换流站之间并联一由第三、第四两个机械式快速开关、第一个全控型直流断路器串联构成的第二支路；在该第二支路中，第三机械式快速开关一端连接一送端换流站侧的第一、第二两机械式快速开关连接点处，第三机械式快速开关另一端经第一个全控型直流断路器连接第四机械式快速开关一端，第四机械式快速开关另一端连接另一送端换流站侧的第一、第二两机械式快速开关连接点处；
4)位于受端换流站一侧，相邻两受端换流站之间并联一由第三、第四两个全控型直流断路器串联构成的第四支路；在该第四支路中，第三全控型直流断路器一端连接一受端换流站侧的第二全控型直流断路器与第五机械式快速开关连接点处，第三全控型直流断路器另一端经线路连接第四全控型直流断路器一端，第四全控型直流断路器另一端连接另一受端换流站侧的第二全控型直流断路器与第五机械式快速开关连接点处。
2.如权利要求1所述的一种柔性直流电网的断路器混合配置方法，其特征在于：所述送端换流站采用的全桥子模块换流器具有清除故障能力，若其中一送端换流站和一受端换流站之间的直流线路发生故障，以下简称该送端换流站为故障送端换流站、受端换流站为故障受端换流站；则该故障送端换流站会发生闭锁，则清除故障的过程如下：
(1)故障发生；
(2)闭锁故障送端换流站；
(3)跳开故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站、故障送端换流站-故障受端换流站的全控型直流断路器；
(4)拉开故障送端换流站-故障受端换流站线路机械式快速开关，清除故障；
(5)快速重合故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站线路全控型直流断路器；
(6)重启动故障线路送端换流站。
3.如权利要求2所述的一种柔性直流电网的断路器混合配置方法，其特征在于：若某一送端换流站内发生故障，则故障清除过程如下：
(1)故障发生；
(2)闭锁故障线路送端换流站；
(3)跳开故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站和故障送端换流站-故障受端换流站的全控型直流断路器；
(4)跳开故障线路送端换流站输出端机械式快速开关；
(5)重合故障线路送端换流站-相邻正常送端换流站和故障送端换流站-故障受端换流站的全控型直流断路器。
4.一种柔性直流电网的断路器混合装置，其特征在于：该装置包括若干送端换流站和若干受端换流站，其含有两个所述送端换流站、两个所述受端换流站的四端柔性直流电网，还包括四个直流电抗器、若干机械式快速开关和若干全控型直流断路器；
位于所述送端换流站线路侧，每个所述送端换流站的输出端都经过第一所述直流电抗器连接一由第一、第二两个所述机械式快速开关串联构成的第一支路；两所述第一支路之间并联一由第三、第四两个所述机械式快速开关、第一所述全控型直流断路器串联构成的第二支路；
位于所述受端换流站线路侧，每一所述受端换流站输入端都连接第二所述直流电抗器一端，由第二所述全控型直流断路器与第五所述机械式快速开关串联构成的第三支路连接第二所述直流电抗器另一端；两所述第三支路之间并联一由第三、第四两个所述全控型直流断路器串联构成的第四支路；在所述第二支路中，第三所述机械式快速开关一端连接其中一所述第一支路中第一、第二两所述机械式快速开关连接点处；第三所述机械式快速开关另一端经第一所述全控型直流断路器连接第四所述机械式快速开关一端，第四所述机械式快速开关另一端连接另一所述第一支路中第一、第二两所述机械式快速开关连接点处；
在所述第四支路中，第三所述全控型直流断路器一端连接一所述第三支路中第二所述全控型直流断路器与第五所述机械式快速开关连接点处；第三所述全控型直流断路器另一端经线路连接第四所述全控型直流断路器一端，第四所述全控型直流断路器另一端连接另一所述第三支路中第二所述全控型直流断路器与第五所述机械式快速开关连接点处；
两个所述送端换流站均采用全桥子模块换流器，两个所述受端换流站均采用半桥子模块换流器。
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