CN107979077A - 高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法，属于柔性直流输电系统的故障保护领域。通过分析架空线柔性直流输电系统直流故障的传播机理、直流阻尼电路的配置方案及换流站闭锁且交流机械开关跳开后故障电流的衰减特性，基于附加的直流阻尼电路，给出了架空线柔性直流输电系统直流故障的快速恢复方法。相比于传统方法，本发明方法可以有效减小故障电流的上升速度，降低交流机械开关的跳开难度，且在机械开关成功跳开瞬间，故障电流的峰值相对较小，衰减所需时间相对较短，可快速恢复到正常稳定运行状态，提高了架空线柔性直流输电系统的安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电系统故障保护领域，特别涉及一种高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法。
背景技术
近年来，我国能源开发加速向西部和北部转移，能源基地与负荷中心的距离越来越远，远距离大容量输电成为我国电网发展的根本动力。柔性直流输电可有效提高清洁能源发电的并网效率，缓解电压波动对电网造成的冲击，是大规模清洁能源基地接入电网的有效技术手段。当应用于远距离大容量输电场合，出于线路建设的经济性考虑，换流站间的连接将采用架空线路。相对于目前主要使用的直流电缆，架空线路的直流故障发生率较高，因此换流站自身(或依托其他保护设备)应当具备直流故障清除能力。在架空线路发生直流故障后，闭锁MMC同时跳开换流站交流出口侧的机械开关是一种简单而可行的故障清除策略，目前国内已投运的柔直工程均实际采用该策略进行直流故障清除。机械开关跳开后，换流站接地极、半桥子模块反并联二极管、直流线路、故障点和大地仍然共同构成一条故障电流的LR放电回路。由于架空线路直流电阻一般较小，电流衰减缓慢，从而导致直流故障的清除时间较长，不利于系统恢复。随着柔性直流输电系统架空线的推广应用，其系统直流故障清除及快速恢复是亟待解决的技术难题。
对于采用架空线路的柔性直流输电系统，其送受端距离较远，通信时间相对较长，故障清除过程中送受端换流站不宜进行站间通信，而应当以换流站为基本单元进行控制。因此，有必要开展相关的研究，寻求一种可以减少直流故障清除时间，快速恢复正常运行的有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法，解决了现有技术存在的上述问题。通过分析架空线柔性直流输电系统直流故障的传播机理、直流阻尼电路的配置方案及换流站闭锁且交流机械开关跳开后故障电流的衰减特性，基于附加的直流阻尼电路，给出了架空线柔性直流输电系统直流故障的快速恢复方法。相比于传统方法，本发明方法可以有效减小故障电流的上升速度，降低交流机械开关的跳开难度，且在机械开关成功跳开瞬间，故障电流的峰值相对较小，衰减所需时间相对较短，可快速恢复到正常稳定运行状态，提高了架空线柔性直流输电系统的安全可靠性。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法，基于已投运柔直工程直流故障清除方法，即直流故障后，闭锁MMC同时跳开换流站交流出口侧的机械开关，通过附加直流阻尼电路，加快了故障电流的衰减速度；具体步骤如下：
(1)分析直流故障传播机理，并确定直流阻尼电路的配置方案；
(2)分析直流阻尼电阻加快故障电流的衰减机理，并确定阻尼电阻的参数；
(3)各换流站检测判断系统是否发生直流故障，是则顺序执行步骤(4)，否则继续进行检测；
(4)闭锁MMC，跳开交流侧机械开关，并投入直流阻尼电阻；
(5)故障电流低于直流侧隔离开关动作整定值后，跳开直流侧隔离开关，以实现故障点和换流站间的电气隔离。
(6)故障点去游离，恢复绝缘特性；
(7)待绝缘恢复后，尝试对高压大容量架空线柔性直流系统进行重启动，在重启控制策略下恢复正常运行。
步骤(1)所述的直流阻尼电路的配置方案有两种阻尼电阻的串入方式：串入方式一，在MMC桥臂子模块中串入可旁路的电阻子模块，正常运行状态下予以旁路，MMC闭锁状态下串入；串入方式二，在换流站直流出口串入直流阻尼电路，正常情况下旁路阻尼电阻，故障状态下投入阻尼电阻。
步骤(2)所述的确定阻尼电阻的参数，具体是：
当直流线路总电阻直流线路总电感和允许的故障电流最大衰减时间常数τmax满足时，取
反之，当直流线路总电阻直流线路总电感和允许的故障电流最大衰减时间常数τmax满足时，取
在步骤(3)中，为防止交流系统故障引发直流侧保护误动作，工程上通常将判别直流故障的整定值设置为额定直流电流的1.5倍，即1.5pu。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的直流故障的快速清除及恢复方法是在已投运柔直工程直流故障清除方法的基础上，附加直流阻尼电路，通过控制由IGBT正反向并联构成的电流转移开关，即可实现阻尼电阻的投切，该方法简单易实施，不需要附加直流断路器等设备，降低了投资费用，并且与实际工程相适应，具有良好的工程应用前景。
(2)本发明的直流故障的快速清除及恢复方法，在闭锁MMC、跳开交流侧机械开关的同时投入直流阻尼电阻，可显著加速故障电流的衰减，提高系统的恢复速度，有效提高了高压大容量架空线柔性直流系统的安全可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的本发明提供的基于附加直流阻尼电路的直流故障快速清除及恢复方法的流程图；
图2为本发明的本发明提供的在换流站出口直流线路上配置直流阻尼电路的高压大容量架空线柔性直流输电系统结构示意图；
图3为本发明的本发明提供的换流站闭锁且交流机械开关跳开后故障电流通路的示意图；图4为未配置直流阻尼电阻的整流侧直流电流仿真结果图；
图5为配置直流阻尼电阻的整流侧直流电流仿真结果图；
图6为未配置直流阻尼电阻的逆变侧直流电流仿真结果图；
图7为配置直流阻尼电阻的逆变侧直流电流仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图7所示，本发明的高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法，基于已投运柔直工程直流故障清除方法，即直流故障后，闭锁MMC同时跳开换流站交流出口侧的机械开关，通过附加直流阻尼电路，加快了故障电流的衰减速度；可有效减少架空线柔性直流输电系统故障清除时间，提高系统快速恢复的能力。具体步骤如下：
(1)分析直流故障传播机理，并确定直流阻尼电路的配置方案；
(2)分析直流阻尼电阻加快故障电流的衰减机理，并确定阻尼电阻的参数；
(3)各换流站检测判断系统是否发生直流故障，是则顺序执行步骤(4)，否则继续进行检测；
(4)闭锁MMC，跳开交流侧机械开关，并投入直流阻尼电阻；
(5)故障电流低于直流侧隔离开关动作整定值后，跳开直流侧隔离开关，以实现故障点和换流站间的电气隔离。
(6)故障点去游离，恢复绝缘特性；
(7)待绝缘恢复后，尝试对高压大容量架空线柔性直流系统进行重启动，在重启控制策略下恢复正常运行。
步骤(1)所述的直流阻尼电路的配置方案主要有两种阻尼电阻的串入方式：串入方式一，在MMC桥臂子模块中串入可旁路的电阻子模块，正常运行状态下予以旁路，MMC闭锁状态下串入；串入方式二，在换流站直流出口串入直流阻尼电路，正常情况下旁路阻尼电阻，故障状态下投入阻尼电阻。
步骤(2)所述的确定阻尼电阻的参数，具体是：
当直流线路总电阻直流线路总电感和允许的故障电流最大衰减时间常数τmax满足时，取
反之，当直流线路总电阻直流线路总电感和允许的故障电流最大衰减时间常数τmax满足时，取
所述步骤(3)中，为防止交流系统故障引发直流侧保护误动作，工程上通常将判别直流故障的整定值设置为额定直流电流的1.5倍，即1.5pu。
实施例：
参见图1至图7所示，本发明针对高压大容量架空线柔性直流输电系统直流侧故障后，电流衰减缓慢，故障清除时间较长等问题，提供的基于附加直流阻尼电路的直流故障快速清除及恢复方法，实现步骤如图1所示，具体包括：
(1)分析直流故障传播机理，并确定直流阻尼电路的配置方案，其主要有两种阻尼电阻的串入方式：串入方式一，在MMC桥臂子模块中串入可旁路的电阻子模块，正常运行状态下予以旁路，MMC闭锁状态下串入。串入方式二，在换流站直流出口串入直流阻尼电路，正常情况下旁路阻尼电阻，故障状态下投入阻尼电阻。这两种方案的选取应主要考虑工程的具体实施环境，在机理上并无本质区别。在换流站出口直流线路上配置直流阻尼电路的高压大容量架空线柔性直流输电系统的结构如图2所示。
(2)分析直流阻尼电阻加快故障电流的衰减机理。在忽略桥臂电力电子器件阻抗的情况下，换流站闭锁且交流机械开关跳开后，换流站到故障点的等值电路，即故障电流通路如图3所示。根据RL电路特性，有如下微分方程成立：
求解该微分方程可得：
其中τ＝L/(R+Rd)为故障电流衰减时间常数；IF为故障电流的峰值，其大小与换流站子模块的闭锁速度和交流机械开关的动作速度直接相关，考虑到机械开关动作速度慢于子模块闭锁速度，故障电流的峰值通常出现在交流机械开关跳开瞬间。可以看出，直流阻尼电阻的引入减小了子模块闭锁、交流机械开关跳开后换流站到故障点RL等值电路的放电时间常数，从而加快了故障电流的衰减。
对于直流阻尼电阻参数的确定可按以下方式理解：
当直流线路总电阻直流线路总电感和允许的故障电流最大衰减时间常数τmax满足时，取
反之，当直流线路总电阻直流线路总电感和允许的故障电流最大衰减时间常数τmax满足时，取
(3)各换流站持续检测所在位置直流侧母线电压及电流等电气量，在此基础上，判断系统是否发生直流故障，是则顺序执行步骤(4)，否则继续进行检测，为防止交流系统故障引发直流侧保护误动作，工程上通常将判别直流故障的整定值设置为额定直流电流的1.5倍(即1.5pu)。
(4)闭锁MMC，跳开交流侧机械开关，并投入直流阻尼电阻。当检测到直流故障发生时，立即停止对换流站子模块的IGBT施加触发信号，即闭锁子模块；同时对交流侧机械开关发出“跳开”信号，对于超快速机械开关，其完全断开通常需要1～2个周波，即约20～40ms；向直流阻尼电路发出“投入”信号，即断开送受端直流阻尼电路的开关L1和L2，以将阻尼电阻串入。
(5)故障电流低于直流侧隔离开关动作整定值后，跳开直流侧隔离开关，以实现故障点和换流站间的电气隔离。
(6)直流侧隔离开关跳开后，保持0.2～0.5s，以使故障点去游离，恢复绝缘特性。
(7)待绝缘恢复后，尝试对高压大容量架空线柔性直流系统进行重启动，在重启控制策略下恢复正常运行。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法，其特征在于：基于已投运柔直工程直流故障清除方法，即直流故障后，闭锁MMC同时跳开换流站交流出口侧的机械开关，通过附加直流阻尼电路，加快了故障电流的衰减速度；具体步骤如下：
(1)分析直流故障传播机理，并确定直流阻尼电路的配置方案；
(2)分析直流阻尼电阻加快故障电流的衰减机理，并确定阻尼电阻的参数；
(3)各换流站检测判断系统是否发生直流故障，是则顺序执行步骤(4)，否则继续进行检测；
(4)闭锁MMC，跳开交流侧机械开关，并投入直流阻尼电阻；
(5)故障电流低于直流侧隔离开关动作整定值后，跳开直流侧隔离开关，以实现故障点和换流站间的电气隔离；
(6)故障点去游离，恢复绝缘特性；
(7)待绝缘恢复后，尝试对高压大容量架空线柔性直流系统进行重启动，在重启控制策略下恢复正常运行。
2.根据权利要求1所述的高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法，其特征在于：步骤(1)所述的直流阻尼电路的配置方案有两种阻尼电阻的串入方式：串入方式一，在MMC桥臂子模块中串入可旁路的电阻子模块，正常运行状态下予以旁路，MMC闭锁状态下串入；串入方式二，在换流站直流出口串入直流阻尼电路，正常情况下旁路阻尼电阻，故障状态下投入阻尼电阻。
3.根据权利要求1所述的高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法，其特征在于：步骤(2)所述的确定阻尼电阻的参数，具体是：
当直流线路总电阻直流线路总电感和允许的故障电流最大衰减时间常数τmax满足时，取
反之，当直流线路总电阻直流线路总电感和允许的故障电流最大衰减时间常数τmax满足时，取
4.根据权利要求1所述的高压大容量架空线柔性直流系统故障快速清除及恢复方法，其特征在于：为防止交流系统故障引发直流侧保护误动作，工程上通常将判别直流故障的整定值设置为额定直流电流的1.5倍，即1.5pu。
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Cited By (2)
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| CN111049407B (zh) * | 2020-01-03 | 2021-03-02 | 东南大学 | 具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法 |
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