CN106026044B - 一种电压源型换流站的保护系统、保护控制系统和保护方法 - Google Patents

一种电压源型换流站的保护系统、保护控制系统和保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电压源型换流站的保护系统、保护控制系统和保护方法，采用在直流侧电容前安装的快速开关与电容后安装的交流断路器的相互配合，实现故障线路的快速安全切断。短路故障发生，快速开关迅速隔离VSC的换流器，避免了电容放电结束后续流二极管因直流侧故障电流流入而损坏。快速开关断开后，在直流侧电容与故障线路形成的二阶回路中出现振荡电流，为交流断路器的动作提供了电流过零的条件，使用低成本的交流断路器，即可切断故障电流，保证了VSC的换流器与直流线路的安全。

Description

一种电压源型换流站的保护系统、保护控制系统和保护方法
技术领域
本发明涉及一种电压源型换流站的保护系统、保护控制系统和保护方法，尤其是一种电压源型换流站的保护系统、保护控制系统和保护方法，属于供电保护技术领域。
背景技术
直流电网没有无功环流及攻角稳定等交流电网的固有问题，且具有灵活可控等优点，成为未来电网发展的新方向。但是直流侧线路短路故障，尤其是双极短路故障的保护技术尚不成熟，成为制约直流电网发展的瓶颈问题之一。高压直流断路器作为直流电网保护系统的关键设备，对直流输电系统和直流电网的安全可靠运行有着极其重要的作用。但是，目前大容量直流断路器不仅成本很高，而且在高电压、大电流条件下，因为直流电流无自然过零点难以在极短时间内开断，无法满足直流短路电流速度上升要求电路在数毫秒内断开的需求，成为实际工程中应用的障碍。这一问题，一直困扰着国内外学术界和工程界。
当直流电网中直流侧线路发生双极短路故障时，直流正负极短接，直流侧电容通过故障点迅速放电，电容放电结束后交流系统的电流被箝位到三相短路电流，变流器自身的过电流保护闭锁变流器在交流侧通过续流二极管与直流侧线路相连。由于故障瞬间直流侧电容电压不会发生突变，续流二极管中只能通过少量电抗器的续流电流，等效电路如图1所示，图1中Rd、Ld分别为直流侧线路的等效电阻和电感，C为直流侧电容和线路的总等效电容，它们形成一个RLC二阶放电回路。此时，直流侧电容迅速放电。由于此时直流侧电容的放电电流远大于交流侧的续流电流，故此时可忽略交流侧续流。
传统的直流电网中电压源型换流站(VSC)的保护方法为在直流侧电容后安装直流断路器S2，其安装示意图如图2所示，要求在直流侧线路发生故障后迅速关断直流断路器S2，以避免故障电流流入换流站威胁系统的安全稳定。
以基于VSC的两端直流输电系统为例，其等效电路如图3所示，发生直流线路双极短路故障后启动直流断路器保护的情况进行仿真，测得此时直流电压、电流波形如图4所示。故障电流可达额定电流的10-20倍，直流断路器需在几个ms时间内切断如此大的电流，其制造难度和成本都将非常大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电压源型换流站的保护系统、保护控制系统和保护方法。
本发明所采取的技术方案是：
技术方案一：一种电压源型换流站的保护系统：
所述电压源型换流站包括直流侧电容，在直流侧线路短路故障时，所述直流侧电容与直流侧线路形成RLC二阶放电回路；其特征在于：所述电压源型换流站的直流侧电容前后分别安装快速开关S1和交流断路器B1，所述快速开关S1在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前动作，隔离所述电压源型换流站的换流器，同时使所述RLC二阶放电回路中产生振荡电流；所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流过零点时刻动作，切除故障线路。
技术方案二：一种电压源型换流站的保护控制系统：包括快速开关控制环节和交流断路器控制环节；所述快速开关控制环节接收故障检测系统的反馈信号，将辨识出现直流侧短路故障时刻设定为初始时刻t0，计算所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1，控制所述快速开关S1在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前的时刻T1隔离所述电压源型换流站的换流器，同时将设定的快速开关S1的动作时刻T1作为指令输出至所述交流断路器控制环节，所述交流断路器控制环节将快速开关S1的动作时刻T1作为初始时刻，计算所述RLC二阶放电回路中产生振荡电流的过零点时刻，控制所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流过零点时刻动作，切除故障线路。
进一步，所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流首次过零点时刻动作，切除故障线路。
技术方案三：一种电压源型换流站的的保护方法，包括以下步骤：
步骤1：所述快速开关S1在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前动作，隔离所述电压源型换流站的换流器，同时使所述RLC二阶放电回路中产生振荡电流；
步骤2：所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流过零点时刻动作，切除故障线路。
进一步，所述步骤1中快速开关S1的动作时刻T1的计算方法由以下具体步骤组成：
步骤1-1：设定初始时刻t0时故障后直流侧电容的电压vC和电流iL的初始条件为vC(t0)＝V0，iL(t0)＝I0，直流侧电容的电压vC的表达式为：
式中，Rd、Ld分别为直流线路的等效电阻和电感，C为直流侧电容；
步骤1-2：计算所述直流侧电容的电压vC下降到零的时刻t1：
式中，γ＝arctan[(V0ω0Csinβ)/(V0ω0Ccosβ-I0)]；
步骤1-3：计算快速开关S1的动作时刻T1：
T1＝t1-Δt1 (3)
其中Δt1为时间裕量，用以保证所述电压源型换流站的换流器在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前被隔离。
进一步，所述步骤2中所述振荡电流过零点时刻T2的计算方法为：
以快速开关S1的动作时刻T1为初始时刻，其初始条件为vC(T1)＝V0’,iL(T1)＝I0’,得出故障电流的表达式：
由此计算出所述振荡电流的振荡周期：
令id＝0，得出所述振荡电流过零点的时刻T2为：
其中λ＝arctan[(I'0ω0Ld sinβ)/(I'0ω0Ld cosβ-V0')]，n为自然数。
更进一步，所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流首次过零点时刻动作，切除故障线路。
再进一步，所述步骤2中所述振荡电流首次过零点时刻的计算方法为：令(6)式中n＝0，得出所述振荡电流首次过零点的时刻为
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明通过VSC直流侧电容前安装的快速开关与电容后安装的交流断路器的相互配合，将直流故障电流的切断转变成了交流故障电流的切断，利用快速开关和交流断路器等器件替代了高成本的直流断路器，实现了故障线路的快速安全切断。
2、本发明先用快速开关切断电容的充电电流，在故障初期电容电压较高时，该电流并不大，且该支路中没有电感，所以该快速开关的制造难度和成本势必远远小于直流断路器。
3、本发明中快速开关首先动作，既隔离了VSC的换流器，延长了故障线路切断所需时间，同时又为交流断路器的动作创造了条件。交流断路器根据保护系统发出的指令信号，切断故障电流，隔离故障点，保证了系统能够迅速恢复运行。
附图说明
图1是直流电网输电线路双极短路故障时的等效电路图；
图2是直流断路器安装示意图；
图3是直流侧电容放电等效电路；
图4是直流断路器动作时的直流电压、电流波形图；
图5是应用本发明的系统示意图；
图6是快速开关开断后故障电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一种电压源型换流站的保护系统：
如图5所示，所述电压源型换流站包括直流侧电容，在直流侧线路短路故障时，所述直流侧电容与直流侧线路形成RLC二阶放电回路；所述电压源型换流站的直流侧电容前后分别安装快速开关S1和交流断路器B1，所述快速开关S1在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前动作，隔离所述电压源型换流站的换流器，同时使所述RLC二阶放电回路中产生振荡电流；所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流过零点时刻动作，切除故障线路。
实施例2：
一种电压源型换流站的保护控制系统：包括快速开关控制环节和交流断路器控制环节；所述快速开关控制环节接收故障检测系统的反馈信号，将辨识出现直流侧短路故障时刻设定为初始时刻t0，计算所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1，控制所述快速开关S1在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前的时刻T1隔离所述电压源型换流站的换流器，同时将设定的快速开关S1的动作时刻T1作为指令输出至所述交流断路器控制环节，所述交流断路器控制环节将快速开关S1的动作时刻T1作为初始时刻，计算所述RLC二阶放电回路中产生振荡电流的过零点时刻，控制所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流过零点时刻动作，切除故障线路。
进一步，所述保护控制系统在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流首次过零点时刻动作，切除故障线路。
实施例3：
一种电压源型换流站的的保护方法，包括以下步骤：
步骤1：所述快速开关S1在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前动作，隔离所述电压源型换流站的换流器，同时使所述RLC二阶放电回路中产生振荡电流；
步骤2：所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流过零点时刻动作，切除故障线路。
进一步，所述步骤1中快速开关S1的动作时刻T1的计算方法由以下具体步骤组成：
步骤1-1：设定初始时刻t0时故障后直流侧电容的电压vC和电流iL的初始条件为vC(t0)＝V0，iL(t0)＝I0，直流侧电容的电压vC的表达式为：
式中，Rd、Ld分别为直流线路的等效电阻和电感，C为直流侧电容；
步骤1-2：计算所述直流侧电容的电压vC下降到零的时刻t1：
式中，γ＝arctan[(V0ω0Csinβ)/(V0ω0Ccosβ-I0)]；
步骤1-3：计算快速开关S1的动作时刻T1：
T1＝t1-Δt1 (3)
其中Δt1为时间裕量，用以保证所述电压源型换流站的换流器在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前被隔离。
进一步，所述步骤2中所述振荡电流过零点时刻T2的计算方法为：
以快速开关S1的动作时刻T1为初始时刻，其初始条件为vC(T1)＝V0’,iL(T1)＝I0’,得出故障电流的表达式：
由此计算出所述振荡电流的振荡周期：
令id＝0，得出所述振荡电流过零点的时刻T2为：
其中λ＝arctan[(I'0ω0Ld sinβ)/(I'0ω0Ld cosβ-V0')]，n为自然数。
更进一步，所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流首次过零点时刻动作，切除故障线路。
再进一步，所述步骤2中所述振荡电流首次过零点时刻的计算方法为：令(6)式中n＝0，得出所述振荡电流首次过零点的时刻为
本发明基于快速开关S1与交流断路器B1相配合实现VSC中换流器的保护。由安装于直流侧电容前的快速开关S1与安装于直流侧电容后的交流断路器B1分为两个步骤切断故障，系统示意图如图5所示。安装于直流侧电容前的快速开关S1首先动作迅速隔离了VSC中换流器，避免了VSC中换流器的续流二极管因流入故障电流而损坏，并为下一步交流断路器B1的动作提供了振荡电流过零点的条件；电容后的交流断路器B1在振荡电流过零点时动作，隔离故障点。
不考虑交流系统的影响时，电容放电回路如图3所示，故障后直流侧电压为vC，其KVL方程为：
式(7)所对应的特征方程为
LdCλ2+RdCλ+1＝0 (8)
特征方程(8)式的两个根r1、r2可表示为
根据(RdC)2-4LdC与0不同的大小关系，(7)式可以有不同的解，考虑到直流线路金属短路时的电阻较小，只对(RdC)2-4LdC<0即的情况求解，得到(1)式结果。
当短路故障发生后，直流侧电容对故障线路放电，当期电压减小到0之后，线路故障电流将会流过VSC中换流器的二极管而造成其损坏。因此必须在电容放电结束前断开快速开关S1，确保VSC的安全。
由(1)式可知，电容放电时间与初始电压、电流值以及电路电容电感值均有关，当已知各参数值时，即可准确算出电容电压下降到零的时刻，在(3)式引入与实际器件中控制器和开关的反应速度延迟等因素相关的时间裕量Δt1，便于准确控制直流断路器动作时间。
快速开关S1断开后，振荡电流在直流侧RLC二阶回路中形成，交流断路器B1在其过零点切断振荡电流，隔离故障点，保证VSC中换流器与直流侧线路的安全。
由于LC振荡而产生的交流电流，可由交流断路器实现该故障电流的可靠关断。以基于VSC的两端直流输电系统为例，在发生直流线路双极短路故障的情况进行仿真，测得快速开关开断后的故障电流波形如图6所示。

Claims (8)

1.一种电压源型换流站的保护系统，所述电压源型换流站包括直流侧电容，在直流侧线路短路故障时，所述直流侧电容与直流侧线路形成RLC二阶放电回路；其特征在于：所述电压源型换流站的直流侧电容前后分别安装快速开关S1和交流断路器B1，所述快速开关S1在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前动作，隔离所述电压源型换流站的换流器，同时使所述RLC二阶放电回路中产生振荡电流；所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流过零点时刻动作，切除故障线路。
2.一种用于权利要求1所述保护系统的保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：所述快速开关S1在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前动作，隔离所述电压源型换流站的换流器，同时使所述RLC二阶放电回路中产生振荡电流；
步骤2：所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流过零点时刻动作，切除故障线路。
3.根据权利要求2所述的保护方法，其特征在于：所述步骤1中快速开关S1的动作时刻T1的计算方法由以下具体步骤组成：
步骤1-1：设定初始时刻t0时故障后直流侧电容的电压vC和电流iL的初始条件为vC(t0)＝V0，iL(t0)＝I0，直流侧电容的电压vC的表达式为：
式中，Rd、Ld分别为直流线路的等效电阻和电感，C为直流侧电容；
步骤1-2：计算所述直流侧电容的电压vC下降到零的时刻t1：
式中，γ＝arctan[(V0ω0Csinβ)/(V0ω0Ccosβ-I0)]；
步骤1-3：计算快速开关S1的动作时刻T1：
T1＝t1-Δt1 (3)
其中Δt1为时间裕量，用以保证所述电压源型换流站的换流器在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前被隔离。
4.根据权利要求2所述的保护方法，其特征在于：所述步骤2中所述振荡电流过零点时刻T2的计算方法为：
以快速开关S1的动作时刻T1为初始时刻，其初始条件为vC(T1)＝V0’,iL(T1)＝I0’,得出故障电流的表达式：
由此计算出所述振荡电流的振荡周期：
令id＝0，得出所述振荡电流过零点的时刻T2为：
其中λ＝arctan[(I'0ω0Ld sinβ)/(I'0ω0Ld cosβ-V′0)]，n为自然数。
5.根据权利要求2所述的保护方法，其特征在于：所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流首次过零点时刻动作，切除故障线路。
6.根据权利要求5所述的保护方法，其特征在于：所述步骤2中所述振荡电流首次过零点时刻的计算方法为：令(6)式中n＝0，得出所述振荡电流首次过零点的时刻为
7.一种用于权利要求1所述的保护系统的保护控制系统：其特征在于：包括快速开关控制环节和交流断路器控制环节；所述快速开关控制环节接收故障检测系统的反馈信号，将辨识出现直流侧短路故障时刻设定为初始时刻t0，计算所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1，控制所述快速开关S1在所述直流侧电容的电压下降到零的时刻t1之前的时刻T1隔离所述电压源型换流站的换流器，同时将设定的快速开关S1的动作时刻T1作为指令输出至所述交流断路器控制环节，所述交流断路器控制环节将快速开关S1的动作时刻T1作为初始时刻，计算所述RLC二阶放电回路中产生振荡电流的过零点时刻，控制所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流过零点时刻动作，切除故障线路。
8.一种根据权利要求7所述保护控制系统：其特征在于：所述交流断路器B1在所述快速开关S1动作之后的所述振荡电流首次过零点时刻动作，切除故障线路。
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