一种直流断路器重合闸控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域,具体涉及一种直流断路器重合闸控制方法及装置。
背景技术
基于电压源换流器的多端柔性直流电网技术,能够实现多电源供电和多落点受电,且控制灵活、冗余较多和可靠性高等特点,已经成为解决大规模可再生能源并网与消纳的一种有效手段,然而直流电网对故障响应时间要求较高,因此,高压直流断路器成为保证柔性直流输电系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。
现有高压直流断路器混合采用机械开关和全控型电力电子开关,其兼具了机械开关的低损耗特性和电力电子开关的快速分断特性,是目前应用高压柔性直流输电系统中直流分断最为有效的技术途径,除了具备快速和低损耗、强电流分断等特性外,还具备了快速重合闸能力;在应用于含有大容量的架空线路的柔性多端直流和直流电网的输电线路故障大多数属瞬时性故障,约占总故障次数的80%~90%以上,这些瞬时性故障多数由雷电引起的绝缘子表面闪络、线路对树枝放电、大风引起的碰线、鸟害和树枝等物掉落在导线上以及绝缘子表面污染等原因引起,这些故障被继电保护动作断开断路器后,故障点去游离,电弧熄灭,绝缘强度恢复,故障自行消除。此时,如把输电线路的断路器合上,就能恢复供电,从而减少停电时间,提高供电可靠性,现阶段研制出的混合式直流断路器均具有在毫秒级以内切断千安级以上故障电流能力,为柔性直流供电技术的应用奠定了坚实的基础。
现有高压直流断路器,如图1所示,直流断路器由机械开关(K)、隔离刀闸(K1和K2)、电力电子器件子模块(SM)和避雷器(MOV)单元构成,包含有3条并联支路,主支路1、转移支路2和能量吸收支路3其中,主支路1由快速机械开关K和电力电子器件以矩阵组合或串并联、串联形式构成的第一电子开关模块(Tm),有效的提高直流断路器稳态运行和分断的可靠性以及降低各子模块单元内部的全控型电力电子器件的通态损耗;转移支路2由多个包含有至少一个串联电力电子器件子模块的第二电子开关模块(S1、S2…Sn)串联构成;能量吸收支路由多组可变电阻构成,每组并联连接于转移支路每一个第二电子开关模块两端;其中电力电子器件子模块SM包含多种拓扑型式。一种实施例如图2(a)所示,由一组IGBT串联与另一组IGBT反串联组成;一种实施例如图2(b)所示,由4个全控型电力电子器件IGBT和缓冲均压支路组成;一种实施例如图2(c)所示,由4个二极管(Diode)组成全桥模块,一个或多个IGBT并联再和缓冲均压支路连接于全桥模块上、下桥臂之间。缓冲均压支路包含三种是实施例如图3所示,图3(a)只含有一个非线性电阻;图3(b)只含有一个阻尼电容C;图3(c)由阻尼电阻R与阻尼电容C并联后与二极管D串联组成.
然而,基于电压源换流器的换流技术的多端柔性直流电网,通常具有很高的等效容抗,该等效电容不但来自于换流器侧,还包含着传输线路上的分布电容,故在基于电压源换流器的直流输电系统初始启动充电或因临时故障重新启动充电阶段,由于大电容的存在,会导致一个来自于交流侧较大的浪涌电流,为了抑制该浪涌电流的峰值,一般会在换流器的交流侧增加一个电阻,当抑制完浪涌电流后再被旁路开关旁路掉,但如果在直流侧也同样预插一个电阻和旁路开关,增加了额外成本以及换流站的占地面积。另外在终端出现开路故障的重合闸过程中,由于电压波的全反射会导致一个约2倍标准值的过电压,故在高压直流断路器在重合于故障线路过程中,浪涌电流与过电压增大了对柔性直流输电系统中其他设备的电气应力,降低了柔性直流输电系统运行的可靠性,故高压直流断路器在保证具有重合闸功能的同时,还应具备限流限压的能力,为实现直流系统快速重启提供有效保障。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于现有高压直流断路器重合闸的控制过程中不具备限流限压的能力,降低了柔性直流输电系统运行的可靠性的问题。
有鉴于此,本发明提供一种直流断路器重合闸控制方法,包括:
判断转移支路的第二电子开关模块是否发生闭锁;
当所述转移支路的第二电子开关发生闭锁时,监测闭锁时间是否小于预设闭锁时间;
当所述闭锁时间不小于所述预设闭锁时间时,导通所述第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第一导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的所述第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于所述可变电阻的动作电压;
判断发生故障的输电线路的故障电流是否大于预设阈值;
当所述故障电流不大于所述预设阈值时,导通所述未导通的所述第二电子开关模块。
优选地,所述判断发生故障的输电线路的故障电流是否大于预设阈值的步骤,包括:
判断发生故障的输电线路的故障电流的峰值是否大于预设峰值;或者
判断发生故障的输电线路的故障电流在预设时间内的变化率是否大于预设变化率。
优选地,还包括:
当所述故障电流大于所述预设阈值时,闭锁所述导通的所述第二电子开关模块。
优选地,当闭锁所述导通的所述第二电子开关模块的步骤之后,包括:
监测所述闭锁时间是否小于所述预设闭锁时间;
当所述闭锁时间不小于所述预设闭锁时间时,再次导通所述第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第二导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的所述第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于所述可变电阻的动作电压;
判断所述故障电流在预设时间内变化率是否大于预设阈值;
当所述故障电流在所述预设时间内变化率大于所述预设阈值时,再次闭锁所述再次导通的所述第二电子开关模块;
重复所述监测所述闭锁时间是否小于所述预设闭锁时间直至所述当所述故障电流在所述预设时间内变化率大于所述预设阈值时,再次闭锁所述再次导通的所述第二电力电子器件模块的步骤,判断重复次数是否达到预设次数;
当所述重复次数达到所述预设次数时,所述故障电流在所述预设时间内变化率仍大于所述预设阈值,控制闭锁所述再次导通的所述第二电力电子器件模块和隔离刀闸。
优选地,还包括:
当所述重复次数未达到所述预设次数时,所述故障电流在所述预设时间内变化率不大于所述预设阈值,导通所述未导通的所述第二电子开关模块。
优选地,所述判断转移支路的第二电子开关模块是否发生闭锁的步骤之前,包括:
判断输电线路是否发生故障;
当所述输电线路发生故障时,依次控制主支路的第一电子开关模块和机械开关按照预设时间闭锁,直至闭锁后的时间满足所述机械开关的预设动作时间时,闭锁所述转移支路的所述第二电子开关模块。
相应地,本发明还提供直流断路器重合闸控制装置,包括:
第一判断单元,用于判断转移支路的第二电子开关模块是否发生闭锁;
第一监测单元,用于当所述转移支路的第二电子开关发生闭锁时,监测闭锁时间是否小于预设闭锁时间;
第一控制单元,用于当所述闭锁时间不小于所述预设闭锁时间时,导通所述第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第一导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的所述第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于所述可变电阻的动作电压;
第二判断单元,用于判断发生故障的输电线路的故障电流在预设时间内变化率是否大于预设阈值;
第二控制单元,用于当所述故障电流不大于所述预设阈值时,导通所述未导通的所述第二电子开关模块。
优选地,所述第二判断单元包括:
第一判断子单元,用于判断发生故障的输电线路的故障电流的峰值是否大于预设峰值;或者
第二判断子单元,用于判断发生故障的输电线路的故障电流在预设时间内的变化率是否大于预设变化率。
优选地,还包括:
第三控制单元,用于当所述故障电流大于所述预设阈值时,闭锁所述导通的所述第二电子开关模块。
优选地,还包括:
第二监测单元,用于监测所述闭锁时间是否小于所述预设闭锁时间;
第四控制单元,用于当所述闭锁时间不小于所述预设闭锁时间时,再次导通所述第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第二导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的所述第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于所述可变电阻的动作电压;
第三判断单元,用于判断所述故障电流是否大于预设阈值;
第五控制单元,用于当所述故障电流大于所述预设阈值时,再次闭锁所述再次导通的所述第二电子开关模块;
第四判断单元,重复所述监测所述闭锁时间是否小于所述预设闭锁时间直至所述当所述故障电流大于所述预设阈值时,再次闭锁所述再次导通的所述第二电力电子器件模块的步骤,判断重复次数是否达到预设次数;
第六控制单元,用于当所述重复次数达到所述预设次数时,所述故障电流仍大于所述预设阈值,控制闭锁所述再次导通的所述第二电力电子器件模块和隔离刀闸。
优选地,还包括:
第七控制单元,用于当所述重复次数未达到所述预设次数时,所述故障电流不大于所述预设阈值,导通所述未导通的所述第二电子开关模块。
优选地,在第一判断单元执行操作之前,包括:
第五判断单元,用于判断输电线路是否发生故障;
第八控制单元,用于当所述输电线路发生故障时,依次控制主支路的第一电子开关模块和机械开关按照预设时间闭锁,直至闭锁后的时间满足所述机械开关的预设动作时间时,闭锁所述转移支路的所述第二电子开关模块。
本发明实施例提供的一种直流断路器重合闸控制方法及装置,通过判断转移支路的第二电子开关模块是否发生闭锁,当转移支路的第二电子开关发生闭锁时,监测闭锁时间是否小于预设闭锁时间,当闭锁时间不小于预设闭锁时间时,导通第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第一导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于可变电阻的动作电压,判断发生故障的输电线路的故障电流是否大于预设阈值,当故障电流不大于预设阈值时,即发生故障的故障线路只是发生了临时性的故障,且故障已经消失,电流增长缓慢并倾向于平稳的正常电流,导通未导通的第二电子开关模块,通过检测导通的转移支路的故障电流与预设阈值的大小判定故障线路是临时性故障还是永久性故障,不需要导通转移支路中所有的第二电子开关模块,避免了断路器重合闸过程中的产生的较大的浪涌电流对其他设备造成影响,解决了现有高压直流断路器重合闸的控制过程中不具备限流限压的能力,降低了柔性直流输电系统运行的可靠性的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种直流断路器拓扑结构示意图;
图2是本发明实施例提供的一种电力电子器件的拓扑结构示意图;
图3是本发明实施例提供的一种缓冲均压支路的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的一种直流断路器重合闸控制方法的流程图;
图5是本发明实施例提供的一种直流断路器重合闸于永久性故障示意图;
图6是本发明实施例提供的一种直流断路器重合闸于临时性故障示意图;
图7是本发明另一实施例提供的一种直流断路器重合闸控制装置的结构示意图。
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,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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。
本发明实施例提供一种直流断路器重合闸控制方法,应用于图1所述的结构,具体控制方法如图4所示,包括:
S11,判断转移支路的第二电子开关模块是否发生闭锁,当所述转移支路的第二电子开关发生闭锁时,执行步骤S12。如图5或图6所示,当输电系统的某一输电线路发生故障时,先闭锁主支路的第一电子开关模块和机械开关,为了避免机械开关损坏,通常先闭锁第一电子开关模块,例如图5所示以五组第二电子开关模块为例,当故障发生于t0时刻后第一电子开关模块Tm随即闭锁,在t0-t1之间某一时刻机械开关K闭锁,第二电子开关模块S1、S2、S3、S4、S5此时处于导通状态,故障电流流入转移支路2中直至到达t1时刻全部闭锁,由于第二电子开关模块较机械开关闭锁时间延迟,即闭锁后的时间满足所述机械开关的预设动作时间时,保证了机械开关K可靠断开,当第二电子开关模块于t1时刻全部闭锁之后,由能量吸收支路的可变电阻产生反向电压,制使得电压过零点,使得故障电流于t2时刻切断。
S12,监测闭锁时间是否小于预设闭锁时间,当所述闭锁时间不小于所述预设闭锁时间时,执行步骤S13。为了最大程度利用可变电阻继而切断故障电流,闭锁时间需尽量满足可变电阻的吸收能量平衡和系统的去离子化时间,可利用排序法和固定时长法确定闭锁时间,其中,排序法是将可变电阻吸收能量和恢复时间以及系统去离子化时间进行优化,将恢复至初始状态后的可变电阻重新投入;固定时长法可预先计算可变电阻吸收的能量和系统去离子化时间,并以此来预设各避雷器的投入次序和等待系统去离子化时间。
S13,导通所述第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第一导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的所述第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于所述可变电阻的动作电压。如图5所示,可控制第二电子开关模块S1、S2导通,施加到未导通的所述第二电子开关模块并联的可变电阻的电压为(例如450KV)大于可变电阻的动作电压(例如150KV),可变电阻MOV被击穿,此时故障电流流入S1-S2-MOV3-MOV4-MOV5,导通第二电子开关模块可以任意选择,只需满足上述条件即可。
S14,判断发生故障的输电线路的故障电流是否大于预设阈值,具体可以包括:判断发生故障的输电线路的故障电流的峰值是否大于预设峰值,或者是判断发生故障的输电线路的故障电流在预设时间内的变化率是否大于预设变化率,当所述故障电流不大于所述预设阈值时,执行步骤S15;当所述故障电流大于所述预设阈值时,执行步骤S16。检测通路S1-S2-MOV3-MOV4-MOV5中电流的变化率。
S15,导通所述未导通的所述第二电子开关模块。当故障电流在预设时间内变化率不大于预设阈值时,则判定直流断路器重合闸于临时性故障,此时导通未导通的所有的第二电子开关模块,继而触发已闭锁的主支路导通,系统恢复正常工作。如图6所示当于t3时刻导通S1、S2后,由于判定直流断路器重合闸于临时性故障,此时S3、S4、S5在一定的去离子时间后相继于t4、t5、t6时刻导通,继而随后触发Tm、K于t7时刻导通。
S16,闭锁所述导通的所述第二电子开关模块。当故障电流大于预设阈值时,表明线路发生永久性故障,则直流断路器不需要进行重合闸操作。如图5所示,当满足可变电阻能量吸收时间的情况下,S1、S2可于t3、t5时刻导通,也可以导通其他的第二电子开关模块,由于判定发生永久性故障,故第一电子开关模块与机械开关永久性闭锁。
本发明实施例提供的直流断路器重合闸控制方法,通过判断转移支路的第二电子开关模块是否发生闭锁,当转移支路的第二电子开关发生闭锁时,监测闭锁时间是否小于预设闭锁时间,当闭锁时间不小于预设闭锁时间时,导通第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第一导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于可变电阻的动作电压,判断发生故障的输电线路的故障电流是否大于预设阈值,当故障电流不大于预设阈值时,即发生故障的故障线路只是发生了临时性的故障,且故障已经消失,电流增长缓慢并倾向于平稳的正常电流,导通未导通的第二电子开关模块,通过检测导通的转移支路的故障电流与预设阈值的大小,判定故障线路是临时性故障还是永久性故障,不需要导通转移支路中所有的第二电子开关模块,避免了断路器重合闸过程中的产生的较大的浪涌电流对其他设备造成影响,解决了现有高压直流断路器重合闸的控制过程中不具备限流限压的能力,降低了柔性直流输电系统运行的可靠性的问题。
为了提高故障检测的可靠性,避免由于临时性故障线路恢复时间大于断路器的重合闸时间,导致只根据一次闭合后检测出电流变化率大于预设阈值,则直接判断为永久性故障,影响输电系统正常使用,当闭锁导通的所述第二电子开关模块的步骤之后,进行预定次数的重合闸操作,具体包括以下步骤:
S17,监测所述闭锁时间是否小于所述预设闭锁时间,当所述闭锁时间不小于所述预设闭锁时间时,执行步骤S18。
S18,再次导通所述第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第二导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的所述第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于所述可变电阻的动作电压,其中当前第二导通数量与第一导通数量可以相同,也可以不同,只需满足上述条件即可。
S19,判断所述故障电流是否大于预设阈值,当所述故障电流大于所述预设阈值时,
S20,再次闭锁所述再次导通的所述第二电子开关模块;
S21,重复所述监测所述闭锁时间是否小于所述预设闭锁时间直至所述当所述故障电流大于所述预设阈值时,再次闭锁所述再次导通的所述第二电力电子器件模块的步骤,判断重复次数是否达到预设次数,当所述重复次数达到所述预设次数时,执行步骤S22;当所述重复次数未达到所述预设次数时,执行步骤S23。
S22,所述故障电流仍大于所述预设阈值,控制闭锁所述再次导通的所述第二电力电子器件模块和隔离刀闸,此时判定断路器重合闸于永久性故障,在闭锁再次导通的第二电力电子器件模块之后闭锁隔离刀闸,完成重合闸分断操作,避免漏电流对可变电阻产生热效应等影响。
S23,当所述重复次数未达到所述预设次数时,所述故障电流不大于所述预设阈值,导通所述未导通的所述第二电子开关模块。
相应地,本发明还提供一种直流断路器重合闸控制装置,如图2所示,包括:
第一判断单元21,用于判断转移支路的第二电子开关模块是否发生闭锁;
第一监测单元22,用于当所述转移支路的第二电子开关发生闭锁时,监测闭锁时间是否小于预设闭锁时间;
第一控制单元23,用于当所述闭锁时间不小于所述预设闭锁时间时,导通所述第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第一导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的所述第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于所述可变电阻的动作电压;
第二判断单元24,用于判断发生故障的输电线路的故障电流是否大于预设阈值;
第二控制单元25,用于当所述故障电流不大于所述预设阈值时,导通所述未导通的所述第二电子开关模块。
优选地,所述第二判断单元包括:
第一判断子单元,用于判断发生故障的输电线路的故障电流的峰值是否大于预设峰值;或者
第二判断子单元,用于判断发生故障的输电线路的故障电流在预设时间内的变化率是否大于预设变化率。
优选地,还包括:
第三控制单元,用于当所述故障电流大于所述预设阈值时,闭锁所述导通的所述第二电子开关模块。
优选地,还包括:
第二监测单元,用于监测所述闭锁时间是否小于所述预设闭锁时间;
第四控制单元,用于当所述闭锁时间不小于所述预设闭锁时间时,再次导通所述第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第二导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的所述第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于所述可变电阻的动作电压;
第三判断单元,用于判断所述故障电流是否大于预设阈值;
第五控制单元,用于当所述故障电流大于所述预设阈值时,再次闭锁所述再次导通的所述第二电子开关模块;
第四判断单元,重复所述监测所述闭锁时间是否小于所述预设闭锁时间直至所述当所述故障电流大于所述预设阈值时,再次闭锁所述再次导通的所述第二电力电子器件模块的步骤,判断重复次数是否达到预设次数;
第六控制单元,用于当所述重复次数达到所述预设次数时,所述故障电流仍大于所述预设阈值,控制闭锁所述再次导通的所述第二电力电子器件模块隔离刀闸。
优选地,还包括:
第七控制单元,用于当所述重复次数未达到所述预设次数时,所述故障电流不大于所述预设阈值,导通所述未导通的所述第二电子开关模块。
优选地,在第一判断单元执行操作之前,包括:
第五判断单元,用于判断输电线路是否发生故障;
第八控制单元,用于当所述输电线路发生故障时,依次控制主支路的第一电子开关模块和机械开关按照预设时间闭锁,直至闭锁后的时间满足所述机械开关的预设动作时间时,闭锁所述转移支路的所述第二电子开关模块。
本发明实施例提供的直流断路器重合闸控制装置,通过判断转移支路的第二电子开关模块是否发生闭锁,当转移支路的第二电子开关发生闭锁时,监测闭锁时间是否小于预设闭锁时间,当闭锁时间不小于预设闭锁时间时,导通第二电子开关模块,其中当前导通的所述第二电子开关的第一导通数量小于初始闭锁数量且施加到未导通的第二电子开关模块并联的可变电阻的电压大于可变电阻的动作电压,判断发生故障的输电线路的故障电流是否大于预设阈值,当故障电流不大于预设阈值时,即发生故障的故障线路只是发生了临时性的故障,且故障已经消失,电流增长缓慢并倾向于平稳的正常电流,导通未导通的第二电子开关模块,通过检测导通的转移支路的故障电流与预设阈值的大小,判定故障线路是临时性故障还是永久性故障,不需要导通转移支路中所有的第二电子开关模块,避免了断路器重合闸过程中的产生的较大的浪涌电流对其他设备造成影响,解决了现有高压直流断路器重合闸的控制过程中不具备限流限压的能力,降低了柔性直流输电系统运行的可靠性的问题。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。