CN107046278A - 一种基于电压源换流器的直流故障限流模块及保护方案 - Google Patents

Abstract

一种基于电压源换流器的直流故障限流模块及保护方案。所述限流模块安装在电压源换流器直流侧出口处正负两极，包括全控型晶体管T和限流电阻R_lim，直流系统正常运行时，全控晶体管T一直处于导通状态，限流电阻处于被旁路状态，系统故障后，根据换流器保护发出的动作信号关断限流模块中全控晶体管T，此时故障电流在限流模块内只能流经限流电阻，通过直流侧采集到的数据与各类整定条件进行比较，判断系统是否发生故障以及故障发生在交流侧还是直流侧。与现有技术相比，本发明提供了一种简单、可靠的直流故障限流模块及保护方案，能将交流侧、换流器和直流侧的过流影响限制到允许范围，有效地降低了系统对直流断路器开断容量要求。

Description

一种基于电压源换流器的直流故障限流模块及保护方案

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体为一种基于电压源换流器的直流故障限流模块及保护方案。

背景技术

直流故障隔离技术是柔性直流系统发展的关键技术。柔性直流系统发生直流故障时，故障电流快速上升到很大的过流水平，将会严重影响整个直流系统包括交流侧、直流侧和换流器的安全可靠运行。为了保证直流系统的安全可靠运行，要求在故障发生的几个毫秒内快速隔离故障直流线路，即必须采取一定的故障隔离方法对直流故障线路进行隔离。

目前，针对直流系统直流故障的隔离方法主要有三种：(1)直流故障时通过跳开交流侧断路器实现对直流故障线路的隔离。该方法简单、方便，但是却存在动作时间慢、停电面积大导致整个直流系统供电可靠性降低等缺点。(2)利用换流器实现故障清除。这种方法存在投资成本大、额外功率损耗增加等缺点。(3)利用直流断路器直接切除故障线路，但目前能够快速动作( 一般为几个毫秒) 的大容量直流断路器技术尚不成熟。

由于直流系统故障时的故障电流无自然过零点，因此直流断路器难以熄弧并成功切除故障，目前大容量的直流断路器真正推广到实际工程应用还存在一定的困难。针对这一现状，有必要设计一种有效、实用且简单可靠的直流故障隔离系统及方法，确保直流断路器可以有效跳闸并隔离故障。

发明内容

针对目前柔性直流系统中直流故障隔离难度大的问题，本发明提出了一种基于电压源换流器的直流故障限流模块及保护方案。

所述限流模块安装在电压源换流器直流侧出口处正负两极；限流模块包括全控型晶体管T和限流电阻R_lim，连接方式为：全控型晶体管T和限流电阻R_lim构成的并联模块串联接入电压源换流器直流侧出口处；所述限流模块的连接方向：正极所在全控晶体管T的导通方向与正极电流流向一致，负极所在全控晶体管T的导通方向与负极电流流向一致；所述保护方案包括以下步骤：

步骤1：数据采集：在电压源换流器直流出口侧安装电压、电流互感器和谐波分析仪，采集直流侧电压、电流以及直流侧谐波含量等数据；

步骤2：检验是否满足直流电流变化率保护判据：比较当前直流电流变化率di _dc/dt与直流电流变化率整定值(di _dc/dt)_set，若(di _dc/dt)大于(di _dc/dt)_set，转至步骤3；若di _dc/dt小于等于(di _dc/dt)_set，跳转至步骤4；

步骤3：判别是否出现交流系统故障：比较当前直流侧电压U_dc与0.9倍额定运行电压值0.9U _{dc_N}，若U_dc大于 0.9U _{dc_N}，可判断为直流系统发生故障，直流保护和换流器保护发出动作信号，关断限流模块内的全控型晶体管T，将限流电阻投入故障回路中，并触发直流断路器跳闸；若U_dc小于等于 0.9U _{dc_N}，则可判断为交流侧发生故障，交流保护发出动作信号；

步骤4：判别是否为交流扰动故障：比较当前直流侧二次谐波含量THD₂与二次谐波整定值THD_2.set，若THD₂ 大于 THD_2.set，则可判断为交流扰动故障，交流保护发出动作信号；若THD₂ 小于等于 THD_2.set，则可判断系统没有故障，限流模块内的全控型晶体管T一直处于导通状态。

所述限流模块具有正常运行和故障限流两种工作状态：当直流系统正常运行时，限流模块的全控晶体管T一直处于导通状态，限流电阻一直处于被旁路状态；直流系统故障发生后，根据换流器保护发出的动作信号关断限流模块中全控晶体管T，此时故障电流在限流模块内只能流经限流电阻。

所述限流模块中全控晶体管T的关断信号为电压源换流器保护所发出的动作信号。

所述限流模块中全控晶体管T的数目可视直流侧接入情况而变化：当换流器直流侧接入直流负荷时，限流模块中只需一个全控晶体管T；当换流器直流侧接入用于功率交换的储能装置时，需要在限流模块中另增一个全控晶体管T_m，连接方式为：与当前限流模块中的全控晶体管T反向并联，T_m的关断信号与T相同。

所述直流电流变化率整定值(di _dc/dt)_set = (di _dc/dt)_{max_T}，(di _dc/dt)_{max_T}为限流模块中全控晶体管T闭锁之前直流线路最大电流变化率。

所述二次谐波整定值THD_2.set = 10 THD_2max，其中THD_2max为正常运行时直流线路二次谐波最大值。

与现有技术相比，本发明通过在电压源换流器出口处安装限流模块，在直流故障发生以后实现快速故障限流。将直流侧采集到的数据与各类整定条件比较，判断故障发生位置，进行故障定位。当系统判定故障发生在直流侧时，限流模块能将交流侧、换流器和直流侧的过流影响限制到允许范围，配合直流断路器安全可靠地切除并隔离直流故障，大大降低了对直流断路器动作速度和切除容量的要求，且具有成本低、额外功率损耗小的特点。

附图说明

图1为基于电压源换流器的直流故障限流模块示意图。

图2为保护方案动作流程图。

图3为限流模块内电流流通路径图。

图4为直流系统接入直流负荷时限流模块示意图。

图5为直流系统接入储能装置时限流模块示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明的实施范围并不局限于此。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是一种基于电压源换流器的直流故障限流模块示意图，所述限流模块安装在电压源换流器直流侧出口处正负两极；限流模块包括全控型晶体管T和限流电阻R_lim，连接方式为：全控型晶体管T和限流电阻R_lim构成的并联模块串联接入电压源换流器直流侧出口处；所述限流模块的连接方向：正极所在全控晶体管T的导通方向与正极电流流向一致，负极所在全控晶体管T的导通方向与负极电流流向一致。图2为保护方案的动作流程图，所述保护方案包括以下步骤：

步骤1：数据采集：在电压源换流器直流出口侧安装电压、电流互感器和谐波分析仪，采集直流侧电压、电流以及直流侧谐波含量等数据；

步骤2：检验是否满足直流电流变化率保护判据：比较当前直流电流变化率di _dc/dt与直流电流变化率整定值(di _dc/dt)_set，若(di _dc/dt)大于(di _dc/dt)_set，转至步骤3；若di _dc/dt小于等于(di _dc/dt)_set，跳转至步骤4；

步骤3：判别是否出现交流系统故障：比较当前直流侧电压U_dc与0.9倍额定运行电压值0.9U_{dc_N}，若U_dc大于0.9U_{dc_N}，可判断为直流系统发生故障，直流保护和换流器保护发出动作信号，关断限流模块内的全控型晶体管T，将限流电阻投入故障回路中，并触发直流断路器跳闸；若U_dc小于等于 0.9U_{dc_N}，则可判断为交流侧发生故障，交流保护发出动作信号；

步骤4：判别是否为交流扰动故障：比较当前直流侧二次谐波含量THD₂与二次谐波整定值THD_2.set，若THD₂ 大于 THD_2.set，则可判断为交流扰动故障，交流保护发出动作信号；若THD₂ 小于等于 THD_2.set，则可判断系统没有故障，限流模块内的全控型晶体管T一直处于导通状态。

图3为限流模块内电流流通路径图，所述限流模块具有正常运行和故障限流两种工作状态：当直流系统正常运行时，限流模块的全控晶体管T一直处于导通状态，限流电阻一直处于被旁路状态；直流系统故障发生后，根据换流器保护发出的动作信号关断限流模块中全控晶体管T，此时故障电流在限流模块内只能流经限流电阻。

所述限流模块中全控晶体管T的关断信号为电压源换流器保护所发出的动作信号。

图4和图5分别为直流系统接入直流负荷和储能装置时限流模块示意图，所述限流模块中全控晶体管T的数目可视直流侧接入情况而变化：当换流器直流侧接入直流负荷时，限流模块中只需一个全控晶体管T；当换流器直流侧接入用于功率交换的储能装置时，需要在限流模块中另增一个全控晶体管T_m，连接方式为：与当前限流模块中的全控晶体管T反向并联，T_m的关断信号与T相同。

所述直流电流变化率整定值(di _dc/dt)_set = (di _dc/dt)_{max_T}，(di _dc/dt)_{max_T}为限流模块中全控晶体管T闭锁之前直流线路最大电流变化率。

所述二次谐波整定值THD_2.set = 10 THD_2max，其中THD_2max为正常运行时直流线路二次谐波最大值。

直流短路故障并非引起直流电流变化率超过整定值的唯一因素，交流故障引起的谐波扰动同样会引起直流电流变化率发生剧烈变化。当交流故障产生的谐波扰动较小时，直流电流变化率可能不会超过电流变化率整定值，此时需要根据直流侧二次谐波含量来判断交流侧是否发生交流扰动故障。系统正常运行时直流侧二次谐波含量较小，而交流故障产生的二次谐波会通过换流器传递至直流侧，导致直流侧二次谐波含量剧增，因此可以根据直流侧二次谐波含量判断是否发生交流扰动故障；当交流故障谐波扰动较大时，直流电流变化率可能超过整定值，此时需要根据直流电压跌落程度来判断故障发生在交流侧还是直流侧，因为对于直流短路故障，主要特征之一就是直流侧电压快速跌落至较低水平，而交流故障引起的谐波扰动导致电压跌落的程度较小，因此，可以通过直流电压跌落程度来判断故障发生侧。

通过直流侧采集到的数据与各类整定条件比较，判断系统是否发生故障以及故障发生在交流侧还是直流侧。当直流系统正常运行时，限流模块的全控晶体管T一直处于导通状态，限流电阻一直处于被旁路状态；当系统故障判定为直流故障时，根据换流器保护发出的动作信号关断限流模块中全控晶体管T，此时故障电流在限流模块内只能流经限流电阻，系统的阻尼特性得到增强，故可将故障电流限制在合理范围内，并配合直流断路器切断故障。当系统判定故障为交流故障时，交流保护发出动作信号，触发交流断路器跳闸，切断交流故障。

与现有技术相比，本发明通过在电压源换流器出口处安装限流模块，在直流故障发生以后实现快速故障限流，将交流侧、换流器和直流侧的过流影响限制到允许范围，配合直流断路器安全可靠地切除并隔离直流故障，大大降低了对直流断路器动作速度和切除容量的要求，且具有成本低、额外功率损耗小的特点。

Claims (6)

1.一种基于电压源换流器的直流故障限流模块及保护方案，其特征在于，所述限流模块安装在电压源换流器直流侧出口处正负两极；限流模块包括全控型晶体管T和限流电阻R_lim，连接方式为：全控型晶体管T和限流电阻R_lim构成的并联模块串联接入电压源换流器直流侧出口处；所述限流模块的连接方向：正极所在全控晶体管T的导通方向与正极电流流向一致，负极所在全控晶体管T的导通方向与负极电流流向一致；所述保护方案包括以下步骤：

步骤1：数据采集：在电压源换流器直流出口侧安装电压、电流互感器和谐波分析仪，采集直流侧电压、电流以及直流侧谐波含量等数据；

步骤2：检验是否满足直流电流变化率保护判据：比较当前直流电流变化率di _dc/dt与直流电流变化率整定值(di _dc/dt)_set，若(di _dc/dt)大于(di _dc/dt)_set，转至步骤3；若di _dc/dt小于等于(di _dc/dt)_set，跳转至步骤4；

步骤3：判别是否出现交流系统故障：比较当前直流侧电压U_dc与0.9倍额定运行电压值0.9U_{dc_N}，若U_dc大于 0.9U_{dc_N}，可判断为直流系统发生故障，直流保护和换流器保护发出动作信号，关断限流模块内的全控型晶体管T，将限流电阻投入故障回路中，并触发直流断路器跳闸；若U_dc小于等于 0.9U_{dc_N}，则可判断为交流侧发生故障，交流保护发出动作信号；

步骤4：判别是否为交流扰动故障：比较当前直流侧二次谐波含量THD₂与二次谐波整定值THD_2.set，若THD₂ 大于 THD_2.set，则可判断为交流扰动故障，交流保护发出动作信号；若THD₂ 小于等于 THD_2.set，则可判断系统没有故障，限流模块内的全控型晶体管T一直处于导通状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压源换流器的直流故障限流模块及保护方案，其特征在于，所述限流模块具有正常运行和故障限流两种工作状态：当直流系统正常运行时，限流模块的全控晶体管T一直处于导通状态，限流电阻一直处于被旁路状态；直流系统故障发生后，根据换流器保护发出的动作信号关断限流模块中全控晶体管T，此时故障电流在限流模块内只能流经限流电阻。

3.根据权利要求1所述的一种基于电压源换流器的直流故障限流模块及保护方案，其特征在于：所述限流模块中全控晶体管T的关断信号为电压源换流器保护所发出的动作信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于电压源换流器的直流故障限流模块及保护方案，其特征在于，所述限流模块中全控晶体管T的数目可视直流侧接入情况而变化：当换流器直流侧接入直流负荷时，限流模块中只需一个全控晶体管T；当换流器直流侧接入用于功率交换的储能装置时，需要在限流模块中另增一个全控晶体管T_m，连接方式为：与当前限流模块中的全控晶体管T反向并联，T_m的关断信号与T相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于电压源换流器的直流故障限流模块的保护方案，其特征在于：所述直流电流变化率整定值(di _dc/dt)_set = (di _dc/dt)_{max_T}，(di _dc/dt)_{max_T}为限流模块中全控晶体管T闭锁之前直流线路最大电流变化率。

6.根据权利要求1所述的一种基于电压源换流器的直流故障限流模块的保护方案，其特征在于：所述二次谐波整定值THD_2.set = 10 THD_2max，其中THD_2max为正常运行时直流线路二次谐波最大值。