CN106655237A - 多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法 - Google Patents

多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法，通过基于低阻抗接地且具备负电平输出能力的MMC与机械直流隔离开关的协调配合来实现。故障期间，通过调整各MMC换流器桥臂参考电压的共模分量，能够在不牺牲换流器可控性的前提下消除故障暂态过电压。同时，通过在故障极桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压信号，控制故障极桥臂电流为零，使得机械直流隔离开关可以在零电流的条件下隔离直流故障，为机械直流隔离开关在多端柔性直流输电系统中的应用奠定基础。故障期间，MMC换流器通过健全直流母线‑交流侧低阻抗接地极‑大地形成回路，可维持一半额定有功功率的传输。

Description

多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法
技术领域
本发明属于多端柔性高压直流输电系统直流故障保护领域，更具体地，涉及多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法。
背景技术
随着国家对能源可持续发展需求的不断提升，我国以煤炭为主的能源结构将在今后几十年内逐步向以水电、核电、风电、太阳能等多种新能源并存的结构转变。发展大容量远距离先进联网和输电技术将有助于可再生能源的跨区域、互补消纳，同时可以为推进大型能源基地向大型用电区域的输电通道建设提供强大支撑。
在大容量远距离输电需求下，高压直流输电HVDC(high-voltage direct-current)较高压交流输电在经济和技术上的优势引起了国内外学者的广泛关注。基于电压源换流器的柔性直流输电技术能够通过控制电流反转来实现潮流反转。因此，在构建多端直流输电系统或者直流电网时，柔性直流输电相较于传统直流输电更具竞争力。近年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC换流器)由于其模块化结构、高运行效率及强可扩展性等优点显示出了巨大的潜力，并且已在一些实际工程中得到应用，如舟山五端直流工程。
然而，直流侧故障保护，特别是双极短路(最严重的直流故障)和单极接地(发生概率最高的直流故障)故障的保护，仍是目前多端柔性直流输电系统的重大挑战。近年来，针对双极短路的故障保护，国内外已涌现了大量优秀的研究成果。但是，针对多端柔性直流输电系统的单极接地故障保护策略却鲜有报道。
单极对地故障特性与MMC换流器的接地方式和主接线方案密切相关。一般来说，实际MMC工程中均采用高阻抗接地以及对称单极接线方案(如：舟山直流工程、美国Tans BayCable直流工程等)。直流侧单极接地故障会在健全直流母线和换流器交流侧中性点引起很大的电压应力，这将严重损坏系统的绝缘性能。目前，工业界和学术界处理单极接地故障主要有以下两种思路：
1)实际的MMC工程都是基于半桥型子模块。当直流线路上发生单极接地故障时，均是通过闭锁MMC换流器、断开交流侧断路器来消除暂态过电压。但是，这种做法将牺牲MMC的可控性且运行可靠性不高，整个换流器在故障期间将退出运行，只有等到故障消除之后才能恢复运行。在单极接地故障发生频率较高的架空输电线应用场合，该处理方式显得十分被动。
2)学术界提出一种基于混合型MMC(半桥与全桥子模块混合)的单极接地故障穿越方法。通过将故障极的桥臂参考电压中共模分量调整为零，同时引入上、下桥臂的电容电压均衡控制，实现了MMC换流器在单极接地故障期间的单极运行且能维持一半的额定功率传输。但是，此方法并不适用于多端直流输电系统。因为在多端直流输电系统中，该方法构建的故障期间的功率回路将会被直流侧保护设备所阻断。
综上所述，上述两种方案都无法有效实现多端柔性高压直流输电系统的直流单极接地故障保护。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法。旨在解决现有的故障穿越方法应用于多端柔性高压直流输电系统中仅仅能消除暂态过电压无法继续维持在故障期间的功率传输的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法。多端柔性高压直流输电系统包括n个MMC换流器，2n条直流母线以及2n个机械直流隔离开关，MMC换流器包含A、B、C三相，每相包含上、下两个桥臂，每个MMC换流器采用交流侧低阻抗接地方式且具备负电平输出能力，每个桥臂至少具备一半直流电压以上的负电平输出能力，2n条直流母线中的n条正直流母线呈辐射状连接，2n条直流母线中的n条负直流母线呈辐射状连接，每条直流母线均串联有一个机械直流隔离开关；正常工作时，一个MMC换流器用于确定直流电压，其余MMC换流器用于确定有功功率，其特征在于，包括：
(1)当直流母线发生直流侧单极接地故障时，同时执行步骤(1A)、步骤(1B)、步骤(1C)和步骤(1D)：
(1A)调整各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量为零，各MMC换流器健全极桥臂参考电压共模分量维持不变，调整所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令为直流电压额定值的一半；
(1B)调整所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令为有功功率额定值的一半，用于确定有功功率的MMC换流器的无功功率指令维持不变；
(1C)在所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压控制各MMC换流器故障极桥臂电流；
(1D)在所述各MMC换流器引入上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；
(2)当故障直流母线电流为零时，等待机械直流隔离开关的动作后，恢复所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量至参考电压共模分量额定值，恢复所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令值至直流电压额定值，等待预设的直流电压恢复时间后，机械直流隔离开关再次动作；
(3)判断所述各MMC换流器所连接直流母线电流是否超过直流母线电流额定值，若是则进入步骤(4)，否则顺序执行步骤(5)；
(4)判断各MMC换流器所连接直流母线电流超过直流母线电流额定值次数是否大于各MMC换流器预设定过流次数，若是，则超过预设定过流次数的MMC换流器维持在当前控制状态，否则回到步骤(1)；
(5)同时执行步骤(5A)和步骤(5B)：
(5A)恢复所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令值至有功功率额定值；
(5B)保留所述各MMC换流器上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；
若故障直流母线为正直流母线，则负直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为上桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为下桥臂；若故障直流母线为负直流母线，则正直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为下桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为上桥臂。
本发明提供的故障穿越方法是通过基于低阻抗接地且具备负电平输出能力的MMC与机械直流隔离开关的协调配合来实现。故障期间，通过调整各MMC换流器桥臂参考电压的共模分量，能够在不牺牲换流器可控性的前提下消除故障暂态过电压。同时，通过在故障及桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压信号，控制故障极桥臂电流为零，使得机械直流隔离开关可以在零电流的条件下隔离直流故障，为机械直流隔离开关在多端柔性直流输电系统中的应用奠定基础。更进一步，故障期间，MMC换流器通过健全直流母线-交流侧低阻抗接地极-大地形成回路，维持一半额定有功功率的传输。故障重启速度快，提升了多端柔性直流输电系统对直流侧单极接地故障的主动防御力。
优选地，所述步骤(1)还同时执行以下步骤：
(1E)在所述各MMC换流器健全极桥臂参考电压上叠加第二附加参考电压以降低各MMC换流器健全极桥臂电流变化速率。
健全极桥臂参考电压上叠加第二附加参考电压以阻尼MMC换流器在故障期间的工作点转移，使暂态过程变得平滑无冲击。
优选地，所述步骤(5)中还同时执行以下步骤：
(5C)在所述各MMC换流器健全极桥臂参考电压上叠加第三附加参考电压以确定故障恢复阶段可能出现的不平衡工作点；
(5D)在所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压上叠加第四附加参考电压以降低各MMC换流器故障极桥臂电流变化速率。
故障极极桥臂参考电压上叠加第四附加参考电压以阻尼MMC换流器在故障期间的工作点转移，使暂态过程变得平滑无冲击。
优选地，步骤(1E)中，通过阻尼控制器输出第二附加参考电压vzp1并叠加至各MMC换流器健全极桥臂参考电压上，以降低各MMC换流器健全极桥臂电流变化速率；
其中，第二附加参考电压vzp1＝(idc_p-idc_rated)K1，K1表示阻尼控制器的比例参数，idc_p为健全直流母线电流，idc_rated为额定直流母线电流参考值，规定流向MMC换流器侧为正方向，K1>0。
优选地，所述步骤(5D)中，通过阻尼控制器输出第四附加参考电压vzn2并叠加至各MMC换流器故障极桥臂参考电压上，以降低各MMC换流器故障极桥臂电流变化速率；
其中，第四附加参考电压K2表示阻尼控制器的比例参数，idc_n为故障直流母线电流，为故障直流母线电流的参考值，P表示MMC换流器交流侧传输功率，Vdc为额定直流电压，规定交流侧传输的有功功率以从MMC换流器流出为正方向，K2>0。
优选地，所述步骤(2)中包括以下步骤：
(21)所述各机械直流隔离开关持续检测所在位置的直流母线电气量，根据所检测的电气量判断是否发生了直流侧单极接地故障，是则顺序执行步骤(22)；否则继续检测；
(22)各机械直流隔离开关根据所检测到电气量定位发生直流单极接地故障的线路，并根据发生直流单极接地故障的线路确定应正确开断的机械直流隔离开关；
(23)检测到故障直流母线电流为零后，所述应正确开断的机械直流隔离开关开断；
(24)所述应正确开断的机械直流隔离开关开断后，等待预设的直流电压恢复时间，检测所述应正确开断的机械直流隔离开关的端电压是否衰减到零，若是则闭合所述应正确开关的机械隔离直流开关，否则，保持所述应正确开关的机械隔离直流开关的开断状态。
通过主动在故障极桥臂上叠加第一附加参考电压，消除故障直流母线电流，使得机械直流隔离开关的应用成为可能。在故障直流母线电流为零后，机械隔离直流开关断开，隔开直流故障。等待了机械隔离直流开关的动作时间，恢复MMC换流器的故障极参考电压共模分量至额定值，同时恢复用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令至直流电压额定值，给机械隔离直流开关断开留有动作时间，检测机械直流隔离开关的端电压是否为零，若为零则说明故障清除，闭合机械直流隔离开关，使得故障清除后恢复速度快。
优选地，步骤(1C)中，通过电流控制器输出第一附加参考电压vzn1并叠加至故障极桥臂参考电压上用于控制各MMC换流器故障极桥臂电流；
其中，第一附加参考电压其中，Kp1表示表示电流控制器的比例参数，Ki1表示电流控制器的积分参数，idc_n为故障直流母线电流，idc_n *为故障直流母线电流的参考值，且规定流向换流器侧为电流正方向。
优选地，步骤(2)中，故障极桥臂参考电压共模分量根据公式恢复至参考电压共模分量额定值，
其中，t0为故障极桥臂开始尝试参考电压共模分量恢复的初始时刻，k1为预设的电压恢复斜率，Vdc为额定直流电压。
优选地，所述步骤(5A)中，所述有功功率根据如下公式恢复至有功功率额定值；
其中，t1为所述用于确定有功功率的MMC换流器开始尝试功率恢复的初始时刻，k2为预设的功率恢复斜率，Prated为额定有功功率值。
优选地，步骤(5C)中，通过电流控制器输出第三附加参考电压vzp2并叠加至健全极桥臂参考电压上，以确定故障恢复阶段可能出现的不平衡工作点；
其中，所述第三附加参考电压vzp2为Kp2表示电流控制器的比例参数，Ki2表示电流控制器的积分参数，idc_p为健全直流母线电流，idc_p *是健全直流母线电流的参考值，且
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.故障期间，通过故障极桥臂参考电压的共模分量的调整，能够在不牺牲换流器可控性的前提下消除故障暂态过电压。基于低阻抗接地且桥臂具备负电平输出能力的模块化多电平变流器MMC与机械直流隔离开关协调可实现多端柔性高压直流输电系统直流侧单极接地故障的穿越。
2.相比于直流断路器，机械直流隔离开关由于其不具备直流故障电流的开断能力而没有被直流输电系统所采纳。然而，机械直流隔离开关却有着成本低，通态损耗小，技术成熟等优点。本发明通过主动控制可消除故障直流母线电流，使机械直流隔离开关可以在零电流的状态下隔离直流故障，为其在直流输电系统中的应用提供了新的思路。
3.直流侧单极接地故障期间，MMC换流器通过健全直流母线-交流侧低阻抗接地点-大地形成功率回路，维持一半的额定功率传输；在直流接地故障被隔离后，成功恢复直流电压的MMC换流器可实现满功率运行，最大限度地减小故障期间多端系统的功率缺额；同时能够持续向交流系统提供无功支撑，减小了对交流系统的冲击。故障清除后恢复速度快，且稳态与故障暂态之间控制模式的切换平滑无冲击。
附图说明
图1是本发明的多端辐射状柔性直流输电系统结构示意图；
图2是基于低阻抗接地且具备负电平输出能力MMC换流器结构示意图；
图3是本发明的基于低阻抗接地且具备负电平输出能力的MMC与机械直流隔离开关协调配合动作的流程图；
图4是本发明的MMC换流器控制框图，其中，图(a)表示直流侧单极接地故障穿越期间的控制框图，图(b)表示故障恢复控制框图；
图5是本发明的三端辐射状柔性直流输电系统实例示意图；
图6是本发明的三端辐射状柔性直流输电系统实例在单极接地故障穿越期间的功率回路示意图；
图7是本发明的三端辐射状柔性直流输电系统实例在单极接地故障恢复期间的功率回路示意图；
图8是本发明实例一中换流站的仿真图；其中，(A)、(B)和(C)分别代表MMC1、MMC2和MMC3，(a)正负直流母线电压随时间的变化图，(b)正负直流母线电流以及接地极电流随时间的变化图，(c)换流器所传输的有功功率与无功功率随时间的变化图，(d)上下桥臂子模块电容电压随时间的变化图；
图9是本发明实例一中机械直流隔离开关SW2n的仿真图；其中，(a)流过SW2n的电流随时间的变化图，(b)SW2n端电压随时间的变化图；
图10是本发明实例二中换流站的仿真图；其中，(A)、(B)和(C)分别代表MMC1、MMC2和MMC3，(a)正负直流母线电压随时间的变化图，(b)正负直流母线电流以及接地极电流随时间的变化图，(c)换流器所传输的有功功率与无功功率随时间的变化图，(d)上下桥臂子模块电容电压随时间的变化图；
图11是本发明实例二中机械直流隔离开关SW2n的仿真图；其中，(a)流过SW2n的电流随时间的变化图，(b)SW2n端电压随时间的变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为多端柔性高压直流输电系统的结构图，多端柔性高压直流输电系统包括n个换流站端口、n条正直流母线、n条负直流母线和2n台机械直流隔离开关。每个换流站端口为MMC换流器，MMC换流器采用交流侧低阻抗接地方式，三相交流端口经星型电抗装置接地，星型电抗装置中性点直接接地，MMC换流器具备负电平输出能力，每个桥臂至少具备一半直流电压以上的负电平输出能力，目前符合要求的换流器拓扑包括全桥型MMC、全桥子模块与半桥子模块比例大于等于1:1的半桥与全桥子模块混合型MMC以及半桥与其他具备负电平输出能力的子模块混合的MMC。所有MMC换流器的正直流母线呈辐射状连接，所有MMC换流器的负直流母线呈辐射状连接，且每个正直流母线和每个负直流母线均串联有机械直流隔离开关。
图2为半桥与全桥子模块混合型MMC换流器结构图，三相交流端口经星型电抗装置接地，星型电抗装置中性点直接接地，MMC换流器具备负电平输出能力，全桥子模块与半桥子模块比例大于等于1:1。
本发明提供的多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法，如图3所示。
(1)各MMC换流器持续检测所在位置的直流母线电压及电流等电气量，根据所检测的电气量判断是否发生了直流侧单极接地故障，是则顺序执行步骤(2)，否则继续检测；
(2)各MMC换流器检测到直流侧发生单极接地故障之后，同时执行以下步骤(2A)、步骤(2B)、步骤(2C)、步骤(2D)以及步骤(2E)：
(2A)调整各MMC换流器故障极桥臂参考电压的共模分量为零，各MMC换流器健全极桥臂参考电压的共模分量维持不变，同时调整用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令为直流电压额定值的一半，以消除单极接地故障期间的过电压及过电流。
假设直流侧单极接地故障发生在负直流母线，则各MMC换流器下桥臂为故障极桥臂，正直流母线为健全直流母线，各MMC换流器的上桥臂为健全极桥臂。各MMC换流器上桥臂参考电压共模分量和下桥臂参考电压共模分量可由以下公式得到：
其中，Vdc为额定直流电压，vp_com表示上桥臂参考电压中的共模分量，vn_com表示下桥臂参考电压中的共模分量。
(2B)调整用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令为有功功率额定值的一半，以维持单极接地故障期间MMC换流器的功率传输，用于确定有功功率的MMC换流器的无功功率指令维持不变。
(2C)引入故障极桥臂电流控制器，电流控制器的输出第一附加参考电压vzn1作为附加信号叠加到各MMC换流器故障极桥臂参考电压上，控制各MMC换流器故障极桥臂电流，使故障期间各MMC换流器所传输的功率通过交流侧低阻抗接地极-大地形成回路。
第一附加参考电压vzn1可由以下公式计算得到：
其中，Kp1表示电流控制器的比例参数，Ki1表示电流控制器的积分参数，idc_n为故障直流母线电流，是故障直流母线电流的参考值，且规定流向换流器侧为电流正方向。
(2D)通过在各MMC换流器中引入上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角γ来维持上下桥臂子模块和下桥臂子模块之间的电容电压均衡。
错相角γ可通过以下方式来确定：
首先，计算各MMC换流器每一相上桥臂能量Wpj,和下桥臂能量Wnj，公式如下：
其中，N为子桥臂中子模块个数，C为子模块电容，Vcpi为上桥臂第i个子模块的电容电压，Vcni为下桥臂第i个子模块的电容电压，1≤i≤N，j＝a,b,c；a，b，c分别表示A,B,C三相。
其次，上、下桥臂的能量经PI控制器可得到错相角γ，公式如下：
γ＝Kp(Wnj-Wpj)+Ki∫(Wnj-Wpj)dt
其中，Kp为PI控制器的比例参数，和Ki为PI控制器的积分参数。
最后，将获得的错相角γ叠加到各MMC换流器上桥臂参考信号差模分量和下桥臂参考信号差模分量的相位上，当下桥臂为故障极时，上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模可表示为：
其中，vp_diff表示上桥臂参考电压差模分量，vn_diff表示下桥臂参考电压差模分量，Em内电动的幅值，ω为交流系统的角频率，为初相角。
(2E)引入健全极桥臂阻尼控制器，阻尼控制器的输出第二电压vzp1作为附加信号叠加到各MMC换流器健全极桥臂参考电压上，减少各MMC换流器健全极桥臂电流变化率，以阻尼各MMC换流器在故障期间的工作点转移，使暂态过程变得平滑无冲击。
第二附加参考电压vzp1可由以下公式计算得到：
vzp1＝(idc_p-idc_rated)K1
其中，K1表示阻尼控制器的比例参数，idc_p为健全直流母线电流，idc_rated为额定直流电流参考值，规定流向换流器侧为正方向，K1>0。
图4(a)表示直流侧单极接地故障穿越期间的MMC换流器控制框图，当下桥臂为故障极桥臂时，下桥臂的参考电压共模分量为零，下桥臂的参考电压差模分量为同时下桥臂参考电压上叠加有第一附加参考电压vzn1；上桥臂的参考电压共模分量为0.5Vdc，上桥臂的参考电压差模分量为同时上桥臂参考电压上叠加有第二附加参考电压vzp1。
(3)考虑机械直流隔离开关的动作时间，在故障直流母线电流衰减到零后等待机械直流隔离开关的动作时间，以保证机械直流隔离开关的有效动作。然后以一定的斜率恢复各MMC换流器故障极桥臂的参考电压共模分量至参考电压共模分量额定值，恢复用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令值至额定值，以尝试恢复故障直流母线电压。等待预设的直流电压恢复时间后，机械直流隔离开关再次动作。预设的直流电压恢复时间一般取50ms～200ms。
故障极桥臂参考电压共模分量由以下公式计算得到：
其中，t0为故障极桥臂开始尝试共模电压恢复的初始时刻，k1为预设的电压恢复斜率，k1一般取0.0025Vdc～0.01VdckV/ms。
(4)判断所述各MMC换流器所连接直流母线电流是否超过直流母线电流额定值，则进入步骤(5)，否则顺序执行步骤(6)；
(5)判断各MMC换流器所连接直流母线超过直流母线电流额定值次数是否大于各MMC换流器预设定过流次数，若是，则超过预设定过流次数的MMC换流器维持在当前控制状态，否则回到步骤(2)，预设定过流次数根据经验值给出，一般取2～3次。
(6)若MMC换流器直流母线未出现过流，则表明直流侧单极接地故障已被隔离，MMC换流器需进行功率恢复。同时执行步骤(A)、步骤(B)和步骤(C)：
(6A)以一定的斜率恢复用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令直至额定值。
有功功率指令值P*可由以下公式计算得到：
其中，t1为用于确定有功功率的MMC换流器开始尝试功率恢复的初始时刻，k2为预设的功率恢复斜率，Prated为额定有功功率值，k2一般取0.005Prated～0.02PratedMW/ms。
(6B)保留所述各MMC换流器上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角。
(6C)引入健全极桥臂电流控制器，电流控制器输出的第三附加参考电压vzp2作为附加信号叠加到各MMC换流器健全极桥臂参考电压上，以确定故障恢复阶段可能出现的不平衡工作点；
第三附加参考电压vzp2可由以下公式计算得到：
其中，Kp2表示电流控制器的比例参数，Ki2表示电流控制器的积分参数，是健全直流母线电流的参考值，满足：
(6D)引入故障极桥臂阻尼控制器，阻尼控制器的输出第四附加参考电压vzn2作为附加信号叠加到各MMC换流器故障极桥臂参考电压上，以阻尼MMC换流器在故障恢复期间的工作点转移，使暂态过程变得平滑无冲击。
第四附加参考电压vzn2可由以下公式计算得到：
其中，K2表示阻尼控制器的比例参数，为故障直流母线电流的参考值，可由以下公式计算得到：
其中，P表示MMC换流器交流侧传输功率，规定交流侧传输的有功功率以从MMC换流器流出为正方向，K2>0。
图4(b)表示直流侧单极接地故障恢复期间的MMC换流器控制框图，当下桥臂为故障极桥臂时，上桥臂的参考电压共模分量为0.5Vdc，上桥臂的参考电压差模分量为同时上桥臂参考电压上叠加有第三附加参考电压vzp2，下桥臂的参考电压共模分量为0.5Vdc，下桥臂的参考电压差模分量为同时下桥臂参考电压上叠加有第四附加参考电压vzn2。
步骤(3)中机械直流隔离开关动作包括以下步骤：
(1)各机械直流隔离开关持续检测所在位置的直流母线电气量，根据所检测的电气量判断是否发生了直流侧单极接地故障，是则顺序执行步骤(2)；否则继续检测。
(2)各机械直流隔离开关根据所检测到电气量定位发生直流单极接地故障的线路，并根据发生直流单极接地故障的线路确定应正确开断的机械直流隔离开关。
按照如下步骤确定应正确开断的机械直流隔离开关：
规定指向直流母线线路节点的方向为流过机械直流隔离开关的电流正方向；
若机械直流隔离开关位于正直流母线上，判断机械直流隔离开关对地电压降到零且流过机械直流隔离开关的电流减小，若是则该机械直流隔离开关为应正确开断的机械直流隔离开关；
若机械直流隔离开关位于负直流母线上，判断机械直流隔离开关对地电压降到零且流过机械直流隔离开关的电流增大，若是则该机械直流隔离开关为应正确开断的机械直流隔离开关。
(23)检测到故障直流母线电流为零后，所述应正确开断的机械直流隔离开关开断。
(24)所述应正确开断的机械直流隔离开关开断后，等待预设的直流电压恢复时间。检测所述应正确开断的机械直流隔离开关的端电压是否衰减到零，若是则闭合所述应正确开关的机械隔离直流开关，否则，保持所述应正确开关的机械隔离直流开关的开断状态。
本发明提供的故障穿越方法是通过基于低阻抗接地且具备负电平输出能力的MMC与机械直流隔离开关的协调配合来实现。故障期间，通过调整各MMC换流器桥臂参考电压的共模分量，能够在不牺牲换流器可控性的前提下消除故障暂态过电压。同时，通过在故障及桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压信号，控制故障极桥臂电流为零，使得机械直流隔离开关可以在零电流的条件下隔离直流故障，为机械直流隔离开关在多端柔性直流输电系统中的应用奠定基础。更进一步，故障期间，MMC换流器通过健全直流母线-交流侧低阻抗接地极-大地形成回路，维持一半额定有功功率的传输。故障重启速度快，提升了多端柔性直流输电系统对直流侧单极接地故障的主动防御力。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的多端辐射状柔性直流输电系统直流侧单极接地故障穿越及恢复控制方法进行详细说明。
下述各实例中，均以基于阻抗接地的辐射状三端MMC-HVDC系统为例，换流器采用全桥型MMC结构，如图5所示。交流线电压有效值为220kV，直流母线电压为±200kV，每个桥臂包含250个全桥子模块。MMC1、MMC2和MMC3的子模块电容分别为12mF、9mF和3mF，桥臂电感分别为90mH、120mH和360mH。星型接地电抗均为1H，机械直流隔离开关的动作时间为3ms。正常工作时，MMC1确定直流电压，MMC2和MMC3确定有功功率。假设单极接地故障发生在线路2负直流母线处。
实例一
采用架空线作为多端柔性高压直流输电系统直流输电线路。在检测到单极接地故障后，MMC换流器切换到故障穿越控制模式：调整故障极桥臂参考信号的共模指令为零，直流电压指令为额定值的一半，有功功率指令为额定值的一半。同时通过引入上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角γ来维持上桥臂子模块电容电压的均衡和下桥臂子模块电容电压的均衡，且在故障极桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压信号vzn1，在健全极桥臂参考电压上叠加第二附加参考电压信号vzp1。故障穿越期间多端柔性高压直流输电系统的功率回路如图6所示，上桥臂的参考电压信号和下桥臂的参考电压信号为：
其中，
vzp1＝(idc_p-idc_rated)K1
在故障极桥臂电流衰减到零之后，等待5ms，MMC换流器进行直流电压恢复尝试：以预设的斜率恢复故障极桥臂的共模电压以及直流电压指令直至额定值。由于采用架空传输线，直流侧单极接地故障多为非永久性故障，故本实例进行了两次电压恢复尝试。若直流母线重新出现过流现象，则回到故障穿越控制模式；若直流母线未出现过流现象，则切换到故障恢复控制模式：以预设的的斜率恢复有功功率指令直至额定值，同时保留上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角γ来维持维持上桥臂子模块电容电压的均衡和下桥臂子模块电容电压的均衡，且在健全极桥臂参考电压上叠加第三附加参考电压信号vzp2，在故障极桥臂参考电压上叠加第四附加参考电压信号vzn2。所述故障恢复期间多端系统的功率回路如图7所示，上、下桥臂的参考电压信号分别为：
其中，
所述各机械直流隔离开关在检测到发生单极接地故障后，立即根据所检测到的电压及电流等电气信息定位发生接地故障的直流线路，并选择应正确开断的机械直流隔离开关。应正确开断的机械直流隔离开关在检测到故障直流母线电流衰减到零之后，执行开断操作；完成开断后等待预设的直流电压恢复时间。若所述机械直流隔离开关的端电压衰减到零，则闭合该机械隔离直流开关，否则，保持开断状态。
假设单极接地故障发生在0.8s，并在1.35s时被清除。各换流站正负直流母线电压如图8(a)所示，结果表明：单极接地故障暂态过电压立刻得到了有效抑制。各换流站正负母线电流以及接地极电流如图8(b)所示，结果表明：故障穿越期间直流电流连续可控，健全极所传输的功率电流通过接地极-大地形成回路，且整个故障穿越及恢复过程平滑无冲击。各换流站所传输的有功、无功功率如图8(c)所示，结果表明：故障穿越期间无功功率未受到干扰，而有功功率维持在额定值的一半。各换流站上下桥臂之间子模块电容电压如图8(d)所示，结果表明：子模块电容电压在整个故障穿越和恢复期间均保持均衡。流过机械直流隔离开关SW2n的电流如图9(a)所示，SW2n的开关动作逻辑如图9(a)中黑色虚线所示，结果表明：机械直流隔离开关可实现零点流开断；SW2n的端电压如图9(b)所示，结果表明：当机械直流隔离开关的端电压满足衰减到零的条件时，该机械直流隔离开关重合闸。
实例二
采用电缆线作为多端柔性高压直流输电系统直流输电线路。在检测到单极接地故障后，MMC换流器切换到故障穿越控制模式：调整故障极桥臂参考信号的共模指令为零，直流电压指令为额定值的一半，有功功率指令为额定值的一半。同时通过引入上、下桥臂参考电压差模分量之间的错相角γ来维持上、下桥臂之间子模块电容电压的均衡，且在故障极桥臂参考电压上叠加第一附加参考信号vzn1，在健全极桥臂参考电压上叠加第二附加参考信号vzp1。所述故障穿越期间多端系统的功率回路仍如图6所示，上、下桥臂的参考电压信号分别为：
其中，
vzp1＝(idc_p-idc_rated)K1
在故障极桥臂电流衰减到零之后，等待5ms，MMC换流器进行直流电压恢复尝试：以预设的斜率恢复故障极桥臂的共模电压以及直流电压指令直至额定值。由于采用电缆传输线，直流侧单极接地故障多为永久性故障，故本实例仅进行了一次电压恢复尝试。若直流母线重新出现过流现象，则回到所述故障穿越控制模式；若直流母线未出现过流现象，则切换到故障恢复控制模式：以预设的的斜率恢复有功功率指令直至额定值，同时保留上、下桥臂参考电压差模分量之间的错相角γ来维持上、下桥臂之间子模块电容电压的均衡，且在健全极桥臂参考电压上叠加第三附加参考信号vzp2，在故障极桥臂参考电压上叠加第四附加参考信号vzn2。所述故障恢复期间多端系统的功率回路仍如图7所示，上、下桥臂的参考电压信号分别为：
其中，
所述各机械直流隔离开关在检测到发生单极接地故障后，立即根据所检测到的电压及电流等电气信息定位发生接地故障的直流线路，并选择应正确开断的机械直流隔离开关。所述应正确开断的机械直流隔离开关在检测到故障直流母线电流衰减到零之后，执行开断操作；完成开断后等待预设的直流电压恢复时间。若所述机械直流隔离开关的端电压衰减到零，则闭合该机械隔离直流开关，否则，保持开断状态。
假设单极接地故障发生在0.8s。各换流站正负直流母线电压如图10(a)所示，结果表明：单极接地故障暂态过电压立刻得到了有效抑制。各换流站正负母线电流以及接地极电流如图10(b)所示，结果表明：故障穿越期间直流电流连续可控，健全极所传输的功率电流通过接地极-大地形成回路，且整个故障穿越及恢复过程平滑无冲击。各换流站所传输的有功、无功功率如图10(c)所示，结果表明：故障穿越期间无功功率未受到干扰，而有功功率维持在额定值的一半。各换流站上下桥臂之间子模块电容电压如图10(d)所示，结果表明：子模块电容电压在整个故障穿越和恢复期间均保持均衡。流过机械直流隔离开关SW2n的电流如图11(a)所示，SW2n的开关动作逻辑如图11(a)中黑色虚线所示，结果表明：机械直流隔离开关可实现零点流开断；SW2n的端电压如图11(b)所示，结果表明：机械直流隔离开关的端电压未满足衰减到零的条件，故该机械直流隔离开关持续维持开断状态。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法，多端柔性高压直流输电系统包括n个MMC换流器，2n条直流母线以及2n个机械直流隔离开关，MMC换流器包含A、B、C三相，每相包含上、下两个桥臂，每个MMC换流器采用交流侧低阻抗接地方式且具备负电平输出能力，每个桥臂至少具备一半直流电压以上的负电平输出能力，2n条直流母线中的n条正直流母线呈辐射状连接，2n条直流母线中的n条负直流母线呈辐射状连接，每条直流母线均串联有一个机械直流隔离开关；正常工作时，一个MMC换流器用于确定直流电压，其余MMC换流器用于确定有功功率，其特征在于，包括：
(1)当直流母线发生直流侧单极接地故障时，同时执行步骤(1A)、步骤(1B)、步骤(1C)和步骤(1D)：
(1A)调整各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量为零，各MMC换流器健全极桥臂参考电压共模分量维持不变，调整所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令为直流电压额定值的一半；
(1B)调整所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令为有功功率额定值的一半，用于确定有功功率的MMC换流器的无功功率指令维持不变；
(1C)在所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压控制各MMC换流器故障极桥臂电流；
(1D)在所述各MMC换流器引入上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；
(2)当故障直流母线电流为零时，等待机械直流隔离开关的动作后，恢复所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量至参考电压共模分量额定值，恢复所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令值至直流电压额定值，等待预设的直流电压恢复时间后，机械直流隔离开关再次动作；
(3)判断所述各MMC换流器所连接直流母线电流是否超过直流母线电流额定值，若是则进入步骤(4)，否则顺序执行步骤(5)；
(4)判断各MMC换流器所连接直流母线电流超过直流母线电流额定值次数是否大于各MMC换流器预设定过流次数，若是，则超过预设定过流次数的MMC换流器维持在当前控制状态，否则回到步骤(1)；
(5)同时执行步骤(5A)和步骤(5B)：
(5A)恢复所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令值至有功功率额定值；
(5B)保留所述各MMC换流器上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；
若故障直流母线为正直流母线，则负直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为上桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为下桥臂；若故障直流母线为负直流母线，则正直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为下桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为上桥臂。
2.根据权利要求1所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(1)还同时执行以下步骤：
(1E)在所述各MMC换流器健全极桥臂参考电压上叠加第二附加参考电压以降低各MMC换流器健全极桥臂电流变化速率。
3.根据权利要求1所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(5)中还同时执行以下步骤：
(5C)在所述各MMC换流器健全极桥臂参考电压上叠加第三附加参考电压以确定故障恢复阶段可能出现的不平衡工作点；
(5D)在所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压上叠加第四附加参考电压以降低各MMC换流器故障极桥臂电流变化速率。
4.根据权利要求2所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(1E)中，通过阻尼控制器输出第二附加参考电压vzp1并叠加至各MMC换流器健全极桥臂参考电压上，以降低各MMC换流器健全极桥臂电流变化速率；
其中，第二附加参考电压vzp1＝(idc_p-idc_rated)K1，K1表示阻尼控制器的比例参数，idc_p为健全直流母线电流，idc_rated为额定直流母线电流参考值，规定流向MMC换流器侧为正方向，K1>0。
5.根据权利要求3所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(5D)中，通过阻尼控制器输出第四附加参考电压vzn2并叠加至各MMC换流器故障极桥臂参考电压上，以降低各MMC换流器故障极桥臂电流变化速率；
其中，第四附加参考电压K2表示阻尼控制器的比例参数，idc_n为故障直流母线电流，为故障直流母线电流的参考值，P表示MMC换流器交流侧传输功率，Vdc为额定直流电压，规定交流侧传输的有功功率以从MMC换流器流出为正方向，K2>0。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(2)中包括以下步骤：
(21)所述各机械直流隔离开关持续检测所在位置的直流母线电气量，根据所检测的电气量判断是否发生了直流侧单极接地故障，是则顺序执行步骤(22)；否则继续检测；
(22)各机械直流隔离开关根据所检测到电气量定位发生直流单极接地故障的线路，并根据发生直流单极接地故障的线路确定应正确开断的机械直流隔离开关；
(23)检测到故障直流母线电流为零后，所述应正确开断的机械直流隔离开关开断；
(24)所述应正确开断的机械直流隔离开关开断后，等待预设的直流电压恢复时间，检测所述应正确开断的机械直流隔离开关的端电压是否衰减到零，若是则闭合所述应正确开关的机械隔离直流开关，否则，保持所述应正确开断的机械隔离直流开关的开断状态。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(1C)中，通过电流控制器输出第一附加参考电压vzn1并叠加至故障极桥臂参考电压上用于控制各MMC换流器故障极桥臂电流；
其中，第一附加参考电压Kp1表示表示电流控制器的比例参数，Ki1表示电流控制器的积分参数，idc_n为故障直流母线电流，idc_n *为故障直流母线电流的参考值，且规定流向换流器侧为电流正方向。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(2)中，故障极桥臂参考电压共模分量根据公式恢复至参考电压共模分量额定值，
其中，t0为故障极桥臂开始尝试参考电压共模分量恢复的初始时刻，k1为预设的电压恢复斜率，Vdc为额定直流电压。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(5A)中，所述有功功率根据如下公式恢复至有功功率额定值；
其中，t1为所述用于确定有功功率的MMC换流器开始尝试功率恢复的初始时刻，k2为预设的功率恢复斜率，Prated为额定有功功率值。
10.根据权利要求3所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(5C)中，通过电流控制器输出第三附加参考电压vzp2并叠加至健全极桥臂参考电压上，以确定故障恢复阶段可能出现的不平衡工作点；
其中，所述第三附加参考电压vzp2为Kp2表示电流控制器的比例参数，Ki2表示电流控制器的积分参数，idc_p为健全直流母线电流，idc_p *是健全直流母线电流的参考值，且
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