CN107706894B - 一种真双极柔性直流输电工程的单极故障隔离系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真双极柔性直流输电工程的单极故障隔离系统，其特征在于：其包括一故障隔离装置，其包括分别设置在极I、极II的MMC下桥臂相连的中性母线上的电流互感器和中性母线区、设置在金属回线上的中性线差动保护装置；极I中性母线区包括直流转换开关、两直流隔刀、直流转换开关与直流隔刀之间的中性母线直流电压、直流转换开关与另一直流隔刀间的单极中性母线直流电流、两直流隔刀两侧的接地闸刀；极II保护装置与极I保护装置结构相同；中性线差动保护装置包括第一、第二隔离闸刀、金属回线直流电流，第一隔离闸刀通过换流站入地电流接地，第二隔离闸刀一侧通过接地闸刀接地。本发明可以广泛应用于真双极柔性直流输电工程。

Description

一种真双极柔性直流输电工程的单极故障隔离系统

技术领域

本发明涉及柔性直流输电领域，特别是关于一种真双极柔性直流输电工程的单极故障隔离系统。

背景技术

柔性直流输电是传统高压直流输电技术之外的一种新型直流输电技术，它区别于传统高压直流输电技术的特点在于其采用全控型(可受控导通与关断)的半导体器件——IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)进行交直流转换，而传统高压直流输电技术采用半控型(可受控导通而不能受控关断)的半导体器件——晶闸管进行交直流转换，需要依靠交流电力系统向其提供的外部电压协助关断晶闸管，确保交直流转换正常进行。目前，国际上高压大容量柔性直流输电工程多采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为换流元件，柔性直流输电技术和传统高压直流输电技术共同点在于均设置有正负极(极I为正极，极II为负极)，且一般采用正负极同时对称运行方式。柔性直流输电工程设置送端和受端两个换流站，且每个换流站均采用双极主接线连接方式。

如图1、图2所示，现有的柔性直流输电工程中送端和受端两个换流站通常采用的双极主接线连接方式是两直线电缆分别将两换流站的换流器件连接，使两个换流站之间形成回路。双极主回路结构分两种，一种为双极大地运行方式(如图1所示)，两个换流站的低压出线直接接地，没有金属回流线，而是采用大地作为电流回线，采用此种连接方式理论上极I和极II正常对称运行时，通过极I的电流i₁和通过极II的电流i₂应该是数值一样，方向相反，这样通过极I和极II的电流就可以相互抵消，大地中的不平衡电流i₁+i₂＝0，可以防止入地电流对两端换流站之间的工业设施(如金属管道、电力设施)造成影响。然而，由于这种接线方式没有金属回流线，因此，一极发生故障停运后，另外一个正常工作极由于没有电流回路，导致正常工作极无法继续工作，也需要停运，直流系统传输功率完全失去。另一种为双极金属运行方式(如图2所示)，两个换流站的低压出线共用一条低压电缆作为金属回流线，极I和极II正常对称运行时，金属回流线上没有电流，在一极出现故障停运后，另外一个正常工作极和金属回流线组成单极回路，柔性直流输电工程转换成单极金属回线运行方式可以正常运行。

然而，在世界上第一个真双极柔性直流输电工程——厦门±320kV柔性直流科技示范工程的系统联调试验过程中发现，在一极换流器或直流线路出现接地故障停运后，故障点仍持续存在很大的故障电流流入大地，故障点无法隔离，导致另外一极无法继续正常工作，两极同时停运，失去了真双极主接线形式的作用和意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种真双极柔性直流输电工程的单极故障隔离系统，通过设计真双极模块化多电平柔性直流输电工程故障后控制策略，实现单极故障后系统迅速将故障点隔离，使得直流系统不停运，双极工程自动切换成单极接线方式运行，有效提高工程运行的可靠性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种真双极柔性直流输电工程的单极故障隔离系统，其包括送端换流站、受端换流站及其控制保护系统，其特征在于：其包括一故障隔离装置，所述故障隔离装置包括依次设置在由所述送端换流站和受端换流站内的极I的MMC下桥臂引出的中性母线上的电流互感器和极I中性母线区、由所述送端换流站和受端换流站内的极II的MMC下桥臂引出的另一中性母线上的另一电流互感器和极II中性母线区、以及设置在与两中性母线出口相连的金属回线上的中性线差动保护装置；所述极I中性母线区包括直流转换开关、设置在所述直流转换开关两侧的第一、第二两直流隔刀、设置在所述直流转换开关与所述第一直流隔刀之间的中性母线直流电压、设置在所述直流转换开关与所述第二直流隔刀之间的单极中性母线直流电流、设置在所述第一直流隔刀两侧的两接地闸刀以及设置在所述第二直流隔刀前侧的另一接地闸刀；所述极II保护装置与极I保护装置结构相同；所述中性线差动保护装置包括依次设置在所述金属回线上的第一隔离闸刀、金属回线直流电流和第二隔离闸刀，所述第一隔离闸刀通过换流站入地电流接地，所述第二隔离闸刀一侧设置有接地闸刀。

所述控制保护系统包括直流保护检测模块和直流控制系统；所述直流保护检测模块检测到送端换流站和受端换流站内任一极发生接地故障时，发送紧急停运命令到故障极的MMC子模块；所述故障极MMC子模块接收到紧急停运指令后闭锁，并发送分位信号到所述直流控制系统；所述直流控制系统接收到分位信号后，根据故障极中性母线上电流互感器示数范围发送相应控制信号到所述直流转换开关或所述第一、第二两直流隔刀，实现故障极隔离。

所述直流控制系统根据所述电流互感器示数范围发送相应控制信号是指：当故障极中性母线上电流互感器示数小于第一设定阈值时，发送控制信号到故障极直流转换开关使其断开；当所述电流互感器示数小于第二设定阈值且所述直流转换开关处于分位状态时，发送控制信号到所述第一、第二两直流隔刀，完成中性母线隔离。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过对柔性直流输电工程各种直流故障类型的仿真，研究了故障电流的发展形态和衰减过程，进而重新设计了真双极柔性直流输电工程双极区的主接线方式和主设备参数，使直流故障的迅速隔离满足硬件条件。2、本发明根据直流故障性质和主接线形式，提出了换流站故障后的隔离策略，实现一极换流站出现故障后系统转为单极金属回线方式继续运行，保证50％的额定功率输送能力，避免直流功率完全失去给交流电网带来剧烈冲击。综上所述，本发明可以广泛应用于真双极柔性直流输电领域。

附图说明

图1是现有真双极柔性直流输电工程双极大地运行方式示意图；

图2是现有真双极柔性直流输电工程双极金属运行方式示意图；

图3是双极金属运行方式发生单极故障后故障电流的流通回路示意图；

图4是本发明真双极柔性直流输电工程的单极故障系统的双极区主接线示意图。

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3所示，真双极柔性直流输电工程双极金属接线方式在正常运行时，极I阀侧出现单相接地故障(两相、三相故障原理相同)，直流保护检测到极I故障后，将极I闭锁停运，并跳开极I交流侧进线开关，系统运行方式由双极金属回线运行方式转换为极II单极金属回线运行方式。但是，由于换流站各桥臂的MMC子模块中IGBT配置有反并联的二极管，虽然IGBT已经闭锁被关断，但反并联的二极管的导通方向和极II工作电流的方向一致，因此极II的正常工作电流可以通过极I下桥臂的反并联二极管流入极I换流器阀侧的接地故障点，经过大地回路从金属回线的固定接地点流出，从而形成了大地回线和金属回线并联的运行方式。故障点持续有大电流流入大地，对设备不利，也极有可能造成换流站工作人员人身伤害。同时导致故障点无法伴随极I的闭锁停运而隔离。

如图4所示，当极I阀侧出现故障时，极II的工作电流一部分通过P1.WN区(极I中性母线区)的IDNE(单极中性母线直流电流)流向极I下桥臂流入大地。中性线差动保护是判别IDME(金属回线直流电流)和极I、极II的IDNE的差值，极I闭锁之后，延时600ms清零极I的IDNE采样。中性线差动保护变为判别IDME和极II中IDNE的差值。由于，已经被清零的极I的IDNE实际上仍存在数值，所以导致中性线差动保护动作，将极II闭锁。从而出现单极故障引发双极停运的后果。

基于上述分析，本发明提供的一种真双极柔性直流输电工程的单极故障隔离系统，包括送端换流站、受端换流站、故障隔离装置以及控制保护系统。送端和受端换流站均包括极I、极II两个单极，每个单极均含有一个独立的MMC换流阀，且与高压极母线相连的MMC换流阀桥臂称为两极的上桥臂，与中性母线相连的MMC换流阀桥臂称为两极的下桥臂。送端换流站和受端换流站的中性母线出口至双极区共用一条低压电缆作为金属回流线，构成真双极柔性直流输电双极金属运行系统。

故障隔离装置包括依次设置在由两端换流站内极I的MMC下桥臂引出的中性母线上的电流互感器(IDNC)和极I中性母线区(P1.WN)、由两端换流站内极II的MMC下桥臂引出的另一中性母线上的另一电流互感器(IDNC)和极II中性母线区(P2.WN)、以及设置在金属回线上的中性线差动保护装置。极I中性母线区包括直流转换开关NBS、设置在直流转换开关NBS两侧的直流隔刀QS6和QS7、设置在直流转换开关NBS与直流隔刀QS6之间的UDN(中性母线直流电压)、设置在直流转换开关NBS与QS7之间的IDNE、设置在直流隔刀QS6两侧的接地闸刀QS61、QS62以及设置在直流隔刀QS7前侧的接地闸刀QS71。极II保护装置与极I保护装置设置相同，在此不再赘述。中性线差动保护装置包括依次设置的隔离闸刀QS8、IDME和隔离闸刀QS9，隔离闸刀QS8通过IDGND(换流站入地电流)接地，隔离闸刀QS9一侧设置有接地闸刀QS92。

控制保护系统包括直流保护检测模块和直流控制系统；直流保护检测模块检测到任一极发生接地故障后，发送紧急停运命令到故障极的MMC子模块；故障极MMC子模块接收到紧急停运指令后闭锁，并发送分位信号到直流控制系统；直流控制系统接收到分位信号后，根据故障极中性母线上IDNC示数范围发送相应控制信号到NBS或直流隔刀QS6和QS7，具体的，当IDNC示数小于第一设定阈值(例如1000A)时，发送控制信号到故障极NBS使其断开；当IDNC示数小于第二设定阈值(例如20A)且NBS处于分位状态时，发送控制信号到直流隔刀QS6和QS7，完成“中性母线隔离”。待故障极的高压直流线路放电完毕后，由运行人员通过顺控流程的“极隔离”操作，使故障极直流系统完全隔离。

上述实施例中，两极低压母线上直流转换开关NBS的直流转换能力根据直流输电工程的额定电压、额定功率以及电磁暂态仿真研究得到的故障电流发展形态确定。

以厦门柔性直流输电工程为例，额定电压为±320kV，额定功率为1000MW，正常运行时，经过金属回线的最大电流为1680A。当一极发生接地故障后，最大运行电流一部分由故障点流入大地，组成大地回线通路；另一部分通过金属回线正常流通。因此，故障达到稳态后，流过故障回路的电流小于1680A。在故障的暂态过程中，子模块电容的能量通过短路点释放，同时，直流线路的对地等效电容的能量也通过子模块对故障点放电，此时在故障瞬间，放电电流极大。通过电磁暂态仿真研究换流站各处直流故障后的故障电流发展形态，可以发现故障电流最大值超过10kA，但由于交流进线开关已经断开，故障极的直流系统没有持续的能量供给，因此故障电流衰减迅速，在400ms后，柔直换流站各处直流故障后的故障电流都会衰减到1000A以下。考虑到一定的设备裕度，在工程投标规范中，要求NBS的直流转换能力应不小于1800A。另外，为了实现NBS断开后的可靠隔离，在NBS两侧配置直流隔刀QS6和QS7，同时在直流隔刀两侧配置相应的接地刀闸。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种真双极柔性直流输电工程的单极故障隔离系统，其包括送端换流站、受端换流站及其控制保护系统，其特征在于：其包括一故障隔离装置，所述故障隔离装置包括依次设置在由所述送端换流站和受端换流站内的极I的MMC下桥臂引出的中性母线上的电流互感器和极I中性母线区、由所述送端换流站和受端换流站内的极II的MMC下桥臂引出的另一中性母线上的另一电流互感器和极II中性母线区、以及设置在与两中性母线出口相连的金属回线上的中性线差动保护装置；

所述极I中性母线区包括直流转换开关、设置在所述直流转换开关两侧的第一、第二直流隔刀、设置在所述直流转换开关与所述第一直流隔刀之间的中性母线直流电压、设置在所述直流转换开关与所述第二直流隔刀之间的单极中性母线直流电流、设置在所述第一直流隔刀两侧的两接地闸刀以及设置在所述第二直流隔刀前侧的另一接地闸刀；所述极II保护装置与极I保护装置结构相同；所述中性线差动保护装置包括依次设置在所述金属回线上的第一隔离闸刀、金属回线直流电流和第二隔离闸刀，所述第一隔离闸刀通过换流站入地电流接地，所述第二隔离闸刀一侧设置有接地闸刀；

所述控制保护系统包括直流保护检测模块和直流控制系统；所述直流保护检测模块检测到送端换流站和受端换流站内任一极发生接地故障时，发送紧急停运命令到故障极的MMC子模块；所述故障极MMC子模块接收到紧急停运指令后闭锁，并发送分位信号到所述直流控制系统；所述直流控制系统接收到分位信号后，根据故障极中性母线上电流互感器示数范围发送相应控制信号到所述直流转换开关或所述第一、第二直流隔刀，实现故障极隔离；

所述直流控制系统根据所述电流互感器示数范围发送相应控制信号是指：当故障极中性母线上电流互感器示数小于第一设定阈值时，发送控制信号到故障极直流转换开关使其断开；当所述电流互感器示数小于第二设定阈值且所述直流转换开关处于分位状态时，发送控制信号到所述第一、第二直流隔刀，完成中性母线隔离。