CN108258660B - 一种柔性直流电网直流侧故障的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性直流电网直流侧故障的处理方法，该法包括：计算直流电网直流侧故障保护辅助电感参数；检测直流电网的故障参数，根据所述参数判断故障位置；根据所述故障位置动作。本发明提供的技术方案可以快速准确地隔离故障线路，保证故障过程中非故障部分继续正常运行，实现对直流故障的可靠保护。本发明提供的直流断路器辅助电感选取原则可解决直流故障区分度不够的问题，实现了保护性选择性。

Description

一种柔性直流电网直流侧故障的处理方法

技术领域

本发明属于直流电网安全与保护领域，具体讲涉及一种柔性直流电网直流侧故障的处理方法。

背景技术

高压直流电网(high voltage direct current grid，HVDC grid)技术是解决大规模新能源汇集、远距离输送和大范围消纳的有效方法之一。其中，模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)由于具有功率双向流动、不存在换相失败、有功无功功率快速解耦控制等特点，成为构建高压直流电网换流站的首选技术方案。

虽然基于MMC的高压直流电网具有诸多优点，但其仍面临许多有待解决的技术问题，特别是直流故障下的电网保护问题，例如故障识别、定位和隔离等。由于直流电网的阻抗很小，且半桥型MMC中存在续流二极管，因此直流故障电流上升速度快，从而给直流电网带来严重影响，所以要求直流电网的保护系统必须在毫秒级的短时间内能够快速响应，且有选择性的正确动作。因此，实现直流电网的故障保护，需要一种有效的方法快速识别直流故障的发生时刻和发生位置，选择性地隔离直流故障区域，并保证非故障部分在故障扰动时能够继续保持正常运行。

现有技术对于直流电网的故障识别、定位和保护方法有所报道。例如“握手原则”披露了通过检测直流线路电压和控制交流断路器、直流开关来识别和隔离故障线路，然而该法的弊端是整个直流电网会停运，且由于交流断路器的动作一般耗时几十毫秒速度慢，系统恢复时间长，因此可能对直流电网和与其相连交流电网的运行带来危害。其次，自阻断型MMC虽可以用于直流侧故障隔离，但该类MMC增加了换流站的投资成本，且只能避免换流器自身的过电流，而并不能彻底的隔离直流故障，从而导致直流电网中所有换流站的短时停运。随着直流断路器(direct current circuit breaker，DCCB)推广和应用，已有将其用于直流故障的保护。但现有技术一般是针对两电平VSC直流故障、星形直流电网、以及单极接地故障，因此，需要提供一种对于直流环网和直流线路极间短路故障的技术方案来对快速识别和处理柔性直流电网故障。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种柔性直流电网直流侧故障的处理方法。

一种柔性直流电网直流侧故障的处理方法，所述方法包括：

I、计算直流电网直流侧故障保护辅助电感参数；

II、检测直流电网的故障参数，根据所述参数判断故障位置；

III、根据所述故障位置动作。

进一步的，所述辅助电感的选取包括：

I-1、将直流系统两端进行戴维南等效；

I-2、根据基尔霍夫电压定律确定故障时的直流线路短路故障电流I_f1(t)和直流母线短路故障电流I_f1(t)’；

I-3、比较直流线路短路故障电流和直流母线短路故障电流的速率选取辅助电感。

进一步的，所述直流线路短路故障电流I_f1(t)如下式所示：

所述直流母线短路故障电流I_f1(t)’如下式所示：

其中，R_l为线路电阻；L_b为直流断路器的辅助电感；L_l为线路电感；L₁为直流断路器母线侧电感；I₀为故障前的线路电流；U_dc1为故障前母线电压。

进一步的，所述步骤II的所述故障参数包括：辅助电感的电流i_b、压降u_b和母线电压u。

进一步的，所述步骤II包括：

若所述辅助电感电流i_b超出线路电流的阈值，则判断直流故障发生；

若所述辅助电感电流i_b的方向为直流断路器母线侧向线路侧，并且u_b超出预设值，则为直流线路短路故障；

若所述辅助电感电流i_b的方向为直流断路器线路侧向母线侧，且所述母线电压u下降到电压阈值以下，则为直流母线短路故障。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提出的直流断路器辅助电感选取原则能够在一定程度上解决直流故障区分度不够的问题，实现保护的选择性。

2、本发明提出的直流电网故障判别、定位及处理方法所需要电气信息均由本地测量装置测量，无需依赖通信完成，能够实现保护的快速性。

3、本发明提出的直流电网故障判别、定位方法用于直流断路器保护，可以快速准确地隔离故障线路，保证非故障部分在故障过程中继续正常运行，实现对直流故障的可靠保护。

附图说明

图1为两端直流系统线路极间短路故障的电路示意图；

图2为两端直流系统的戴维南等效示意图；

图3为典型四端直流环网示意图；

图4为故障的判别和定位示意图；

图5为直流电网的故障识别和定位方法的流程图；

图6为基于直流断路器的四端直流环网的保护配置图；

图7为直流断路器的跳闸信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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它实施例，都属于本发明保护的范围。

直流电网中的直流线路阻抗小，故障电流上升速度快，一旦直流电网某个区域中的直流线路发生故障，区域所有直流断路器都将可能同时“感受”到故障电流的存在，直流断路器可能难以正确识别故障区和非故障区，并正确断开故障线路，难以满足直流电网保护的“选择性”及“可靠性”要求。因此，提出了在每个直流断路器连接端加装串联辅助电感以实现直流故障电流的区分和故障的定位的方法，但该辅助电感的参数选取要考虑诸多因素，对于复杂的直流环网而言，难以通用。本发明提出了一种基于故障电流变化率的辅助电感选取原则。

以两端直流系统为例进行辅助电感选取的说明，并由此可类推到复杂直流环网。图1所示为两端直流系统线路极间短路故障的电路示意图。为了计算故障电流，将两端直流系统进行戴维南等效，其中MMC等效为从直流断路器母线侧端口看进去的电压源和内电阻，如图2所示。此外，为了简化故障电流的近似计算公式，该等效电路采用了集中线路参数模型，忽略了线路间等效电容的影响。

结合KVL定律，通过分析图2所示的简化等效电路，可以推导出当直流线路发生极间短路故障F12时的故障电流I_f1和I_f2的数学表达式：

U_dc1＝(2R₁+2sL_b+2sL₁+R_f)I_f1+R_fI_f2-2L₁I₀

U_dc2＝R_fI_f2+(2R₂+2sL_b+2sL₂+R_f)I_f2+2L₂I₀ (1)

式中，L_b为直流断路器的辅助电感值，R_l＝R₁+R₂为线路电阻值，L_l＝L₁+L₂为线路电感值，R_f为故障电阻值，U_dc1和U_dc2为故障前一时刻的母线电压值，I₀为故障前一时刻的线路电流值。

当故障发生在DCCB2的线路侧端口，且R_f＝0时，有：

同理，可以推导出当MMC2侧的直流母线发生极间短路故障F2时的故障电流：

对于DCCB1而言，当F12故障发生时，其动作；当F2故障发生时，其不动作；因此需要DCCB1能够区分I_f1(t)和I_f1(t)'的变化速率dI_f1(t)/dt和dI_f1(t)'/dt，即需要dI_f1(t)/dt＞dI_f1(t)'/dt。从表达式可以看出，L_b越大，dI_f1(t)/dt和dI_f1(t)'/dt的区分度越大。然而，L_b的存在会对直流电网稳态运行特性造成一定影响(如减小MMC的稳态运行区间)，因此取值不宜过大，工程中一般取0.1～0.3H之间的数值。

针对图3所示的典型四端直流环网，施加所有可能的9种直流线路极间短路故障的场景，即故障F12、F13、F34、F24、F32、F1、F2、F3和F4。

当其中任一直流线路极间短路故障发生时，L_b21上的故障电流i_b21都会迅速增大，并超出其正常运行范围的限值。由于MMC自身设有过电流保护，使其处于安全运行范围(safe operating area，SOA)，该保护所能切断的最大电流一般为MMC最大持续导通电流的2倍；因此为了确保直流断路器(DCCB)能够在MMC自保护之前动作，本发明中i_b21的限值选为线路额定电流的1.5倍。当发生F12、F13和F1故障时，故障电流i_b21的方向是从母线侧往线路侧(设为正方向)；当发生F24、F34、F32、F2、F3和F4故障时，故障电流i_b21的方向是从线路侧往母线侧(设为负方向)。

对于安装在L_b21位置上的直流断路器而言，只有当故障定位在直流线路Line12和直流母线Bus2上(即F12和F2故障)时，其需要动作。观察可以看出，当电流方向为正向时，故障F12情况下电感压降u_b21的大小明显大于故障F13和F1情况下，因此可以以i_b21的大小和方向、u_b21的大小作为识别和定位F12故障的判据，即当i_b21＞1.5I_rated且u_b21＞U_21preset时，判断发生了F12故障。其中，由于u_b21＝L_b21×di_b21/dt，包含了电流以i_b21变化率的信息，且u_b21的测量比di_b21/dt简单，因此选取u_b21电气量。

当电流方向为负向时，其中故障F2情况下母线对地电压u₂下降到0附近，幅度远大于故障F24、F34、F32、F3和F4情况下，因此可以以i_b21的大小的方向、u₂的大小作为识别和定位F2故障的判据，即当i_b21＜-1.5I_rated且u₂＜5％U_2rated时，判断发生了F2故障。

同理，可以得到其它故障的识别和定位判据，即当故障发生在直流线路上时，以辅助电感的电流大小和方向、辅助电感的压降大小为判据；当故障发生在直流母线上时，以辅助电感的电流大小和方向，直流母线对地电压大小为判据，具体如图4所示。

根据上述直流故障的分析，可以利用辅助电感上的电流、压降和母线对地电压三个电气量作为故障判据来进行直流电网的故障识别和定位，具体方法如下：

1)监测辅助电感上的电流i_b、压降u_b和母线电压u。上述电气量均由本地电压和电流测量装置测量，不需要依赖通信完成，从而可以实现直流电网快速保护的要求。

2)如果i_b超出1.5倍的线路额定电流值，则判断有直流故障发生。

3)若i_b的方向为直流断路器母线侧向线路侧，则可能是该辅助电感所在直流线路发生短路故障；若此时u_b也超出预设值，则确认故障。

4)若i_b的方向为直流断路器线路侧向母线侧，则可能是该辅助电感所连直流母线发生短路故障；若此时u下降到5％的额定电压以下，则确认故障。

如图5所示为上述直流电网的故障识别和定位方法的流程图。

本发明在不考虑现阶段直流断路器工程投入成本的前提下，给出了基于直流断路器的四端直流环网的保护配置图，如图6所示。可以看出，该四端直流环网的每条直流线路两端安装直流断路器，如图中所示的DCCB12、21、13、31、23、32、24、42、34和43；MMC换流站的直流母线出口处安装直流开关，如图中所示的DCS1、2、3和4；交流母线出口处安装交流断路器，如图中所示的ACCB1、2、3和4。

在上述故障识别和定位方法的基础上，给出了直流电网的保护策略，具体如下：

1)直流断路器采用上述故障识别和定位方法自动生成跳闸信号并动作。为了避免发出误跳闸信号，在识别和定位回路中采用单稳延迟模块，如图7所示。触发跳闸信号后，直流断路器等待3ms后断开，该延迟是为了模拟直流断路器的动作延迟。

2)使用本地电流测量装置来检测MMC桥臂上的电流。如果MMC检测到桥臂电流超出其保护阈值时，MMC闭锁以保护自身的开关器件。

3)断开故障区域内的交流断路器和直流开关，从而彻底地隔离故障线路。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种柔性直流电网直流侧故障的处理方法，其特征在于，所述方法包括：

I、计算直流电网直流侧故障保护辅助电感参数；

II、检测直流电网的故障参数，根据所述参数判断故障位置；

III、根据所述故障位置动作；

所述步骤II的所述故障参数包括：辅助电感的电流i_b、压降u_b和母线电压u；

所述步骤II包括：

若所述辅助电感电流i_b超出线路电流的阈值，则判断直流故障发生；

若所述辅助电感电流i_b的方向为直流断路器母线侧向线路侧，并且u_b超出预设值，则为直流线路短路故障；

若所述辅助电感电流i_b的方向为直流断路器线路侧向母线侧，且所述母线电压u下降到电压阈值以下，则为直流母线短路故障。

2.如权利要求1所述的一种柔性直流电网直流侧故障的处理方法，其特征在于，所述辅助电感的选取包括：

I-1、将直流系统两端进行戴维南等效；

I-2、根据基尔霍夫电压定律确定故障时的直流线路短路故障电流I_f1(t)和直流母线短路故障电流I_f1(t)'；

I-3、比较直流线路短路故障电流和直流母线短路故障电流的速率选取辅助电感。

3.如权利要求2所述的一种柔性直流电网直流侧故障的处理方法，其特征在于，所述直流线路短路故障电流I_f1(t)如下式所示：

所述直流母线短路故障电流I_f1(t)'如下式所示：

其中，R_l为线路电阻；L_b为直流断路器的辅助电感；L_l为线路电感；L₁为直流断路器母线侧电感；I₀为故障前的线路电流；U_dc1为故障前母线电压。

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