CN108879750A - 一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性直流输出技术领域，尤其涉及一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统及其控制方法，该系统包括分别连接在柔性直流换流站各个输出端的高压直流断路器，还包括连接在柔性直流换流站输出端与高压直流断路器之间的限流电感和能量耗散电路，所述限流电感与能量耗散电路并联，限流电感用于限制故障电流；能量耗散电路用于耗散故障电流的能量。通过使用本发明，可以实现以下效果：限流电感较好地抑制故障电流峰值，并削减故障电流上升速度，且可以降低故障切除对高压直流断路器开断容量和开断速度的要求；吸能电阻与高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA共同耗散故障电流的能量，可以加速故障电流熄灭，从而提高故障隔离速度。

Description

一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输出技术领域，尤其涉及一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统及其控制方法。

背景技术

多端柔性直流输电系统可以对有功和无功功率进行独立调节，在新能源等领域具有广泛的应用前景。然而，由于多端柔性直流输电系统直流侧呈低阻抗特性，直流线路的故障电流峰值大且上升速度快。与基于电网换相换流器的传统高压直流输电系统相比，多端柔性直流输电系统缺乏低压限流功能，极大的故障电流容易使得换流设备及线路绝缘损坏。同时，目前高压直流断路器的开断容量和开断速度不足，无法满足多端柔性直流系统故障切除的要求。

目前在多端柔性直流输电系统中，为限制故障电流可以通过在换流站子模块中增加分流或者限流模块，但增加辅助电路的方法一定程度上抑制了故障电流，减少了器件损坏，提高了系统的安全性，但采用单一电路难以彻底隔离故障，往往需要借助交流侧断路器，进而导致系统停运。另外一种限流手段就是开发具有新型拓扑结构的换流器，但这类增加了系统结构和控制的复杂性，不利于多端柔性直流系统想复杂直流电网扩展。

公告号为CN 106300309A的发明专利，公开了一种具有快速恢复能力的柔性直流电网故障限流器。该限流器包括四个串联一极管组D1～D4，口字形铁芯，绕组L1和绕组L2，其中，四个串联二极管组D1～D2分别作为四个桥臂构成一个单相整流桥；绕组L1绕制在口字形铁芯的一侧，绕组与直流偏置电源Udc1串联之后，接在D1、D3的共阴极点P和D2、D4的共阳极点N之间：在口字形铁芯的另一侧绕制绕组L2；绕组L2与直流开关S串联后，接在直流电源Udc2的两端。该限流器结构复杂，涉及到器件数目较多，需要还需配置偏置电源，增加了限流器的投入，不利于在多端柔性直流系统中广泛使用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统及其控制方法。

本发明提出一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统，包括分别连接在柔性直流换流站各个输出端的高压直流断路器，还包括连接在柔性直流换流站输出端与高压直流断路器之间用于限制故障电流的限流电感和用于耗散故障电流能量的能量耗散电路，所述限流电感与能量耗散电路并联，所述能量耗散电路包括并联连接的双向晶闸管T1、T2以及吸能电阻Rr，所述双向晶闸管T1、T2的连接方向相反，所述吸能电阻Rr的一端连接限流电感的输出端，另一端连接双向晶闸管T1、T2的并联节点。

优选的，在所述限流电感和高压直流断路器之间还连接有隔离开关，所述隔离开关用于切除高压直流断路器的残余电流。

本发明还提出一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

当发生线路故障时，且在检测到线路故障前，高压直流断路器处于闭合状态，双向晶闸管T1、T2处于开断状态，限流电感随着故障电流变大而增大阻值，从而抑制故障电流峰值，并削弱故障电流的上升速度；

当检测到直流线路故障时，高压直流断路器的主开关开断，同时双向晶闸管T1、T2触发导通，此时吸能电阻Rr与高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA一起耗散故障电流的能量，从而加速故障电路熄灭，减少金属氧化物避雷器MOA的泄能负担；

当故障电流快速衰减至接近零的数值时，隔离开关开断切除高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA的残余电流。

通过使用本发明，可以实现以下效果：

1.在发生故障时，故障电流变大，同时限流电感阻抗值增大，此时限流电感可以降低故障电流峰值，并削减故障电流上升速度，保护换流器件免受过流而损坏，且降低对高压直流断路器的开断容量和开断速度的要求；

2.吸能电阻与高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA共同耗散故障电流的能量，加速故障电流熄灭。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的拓扑电路图；

图2是为实施例中电网模型示意图；

图3是为实施例中高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路不投入时，柔性直流换流站2交流侧三相电流的仿真图；

图4是为实施例中高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路不投入时，柔性直流换流站2二极管电流的仿真图；

图5是为实施例中高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路不投入时，直流电缆Cable12近换流站2端的直流线路电流仿真图；

图6是为实施例中高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2的交流侧三相电流的仿真图；

图7是为实施例中高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2二极管电流的仿真图；

图8是为实施例中高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，直流电缆Cable12近换流站2端的直流线路电流的仿真图；

图9是为实施例中高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站1交流侧电流的仿真图；

图10是为实施例中高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站1的IGBT换流单元电流的仿真图；

图11是为实施例中高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站1的功率仿真图；

图12是为实施例中高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2交流侧电流的仿真图；

图13是为实施例中高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2的IGBT换流单元电流的仿真图；

图14是为实施例中高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2的功率仿真图；

图15是为实施例中高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站3交流侧电流的仿真图；

图16是为实施例中高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站3的IGBT换流单元电流的仿真图；

图17是为实施例中高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站3的功率仿真图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明的基本思想是在现有的多端柔性直流输电线路中增加限流电感和能量耗散电路，限流电感用于限制故障电流，能量耗散电路用于耗散故障电流的能量。

结合附图1，本实施例提供了一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统，包括分别连接在柔性直流换流站各个输出端的高压直流断路器，还包括连接在柔性直流换流站输出端与高压直流断路器之间的限流电感Lmn和能量耗散电路，所述限流电感与能量耗散电路并联，高压直流断路器包括并联连接的主开关和金属氧化物避雷器MOA。

具体的，能量耗散电路包括并联连接的双向晶闸管T1、T2以及吸能电阻Rr，所述双向晶闸管T1、T2的连接方向相反，所述吸能电阻Rr的一端连接限流电感的输出端，另一端连接双向晶闸管T1、T2的并联节点。

作为本实施例的进一步优选，在限流电感和高压直流断路器之间还连接有隔离开关，所述隔离开关用于切除高压直流断路器的残余电流。

限流电感Lmn在系统正常运行时，由于通过的是直流电气量，在直流侧呈现极低的阻抗值，一旦发生故障时，直流电流幅值变大，阻抗值迅速增大，可以较好地抑制故障电流峰值，并削减故障电流上升速度，可以有效地保护换流站内部二极管免受过流而损坏，同时可以降低对于高压直流断路器开断容量和开断速度的要求；能量耗散电路由双向晶闸管T1、T2和吸能电阻Rr组成，当高压直流断路器的主开关开断后，晶闸管T1和T2触发导通，使得吸能电阻Rr与高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA共同耗散故障电流能量，减少高压直流断路器中吸能元件金属氧化物避雷器MOA耗散故障电流的压力，从而加速故障电流熄灭。

在实际电网系统中，在每个换流站都安装对应的故障处理系统。图2为本发明的电网模型示意图。图2所示系统直流侧的电压±200kV，G为交流侧电源，直流侧额定电流0.5kA，直流电缆Cable12长度为200km，直流电缆Cable13长度为100km，CLC13、CLC31、CLC12、CLC21分别表示限流电感和能量耗散电路组成的限流电路，CB12、CB13、CB21分别表示高压直流断路器，i_Cable21为直流电缆Cable12近柔性直流换流站端的电流。

当距离柔性直流换流站2的10km处发生故障时，图3为高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路不投入时，柔性直流换流站2交流侧三相电流的仿真图，图中，i_a2，i_b2，i_c2表示柔性直流换流站交流侧三相电流；图4为高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路不投入时，柔性直流换流站2二极管电流的仿真图，图中，i_D1，i_D2，i_D3表示柔性直流换流站二极管电流；图5为高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路不投入时，直流电缆Cable12近柔性直流换流站2端的直流线路电流仿真图，图中，i_Cable21为直流电缆Cable12近柔性直流换流站端的电流；图6为高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2的交流侧三相电流的仿真图；图7为高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2二极管电流的仿真图；图8为高压直流直流断路器不动作，限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，直流电缆Cable12近换流站2端的直流线路电流的仿真图；图9为高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站1交流侧电流的仿真图；图10为高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站1的IGBT换流单元电流的仿真图；图11为高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站1的功率仿真图；图12为高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2交流侧电流的仿真图；图13为高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2的IGBT换流单元电流的仿真图；图14为高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站2的功率仿真图；图15为高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站3交流侧电流的仿真图；图16为高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站3的IGBT换流单元电流的仿真图；图17为高压直流直流断路器动作，且限流电感Lmn和能量耗散电路投入时，柔性直流换流站3的功率仿真图。

图3－5表明，在故障暂态期间，限流电感和能量耗散电路能有有效地抑制交流侧电流、二极管电流以及直流线路电流，且使得直流线路电流低于高压直流断路器开断容量。在此期间，若利用高压直流断路器切除直流线路故障，将完全能避免二极管因过流而损坏，从而加速系统恢复。

图6－17表明，利用该故障处理系统切除故障，可以有效避免IGBT换流单元出现过流，实现故障快速切除，且故障切除后剩余系统能快速恢复稳定运行。

针对上述系统，本实施例还相应的提出一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

当发生线路故障时，且在检测到线路故障前，高压直流断路器处于闭合状态，双向晶闸管T1、T2处于开断状态，限流电感随着故障电流变大而增大阻值，从而抑制故障电流峰值，并削弱故障电流的上升速度；

当检测到直流线路故障时，高压直流断路器的主开关开断，同时双向晶闸管T1、T2触发导通，此时吸能电阻Rr与高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA一起耗散故障电流的能量，从而加速故障电路熄灭，减少金属氧化物避雷器MOA的泄能负担；

经过若干时间后，故障电流快速衰减至接近零的数值，隔离开关开断切除高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA的残余电流。

通过使用本发明，可以实现以下效果：

1.在发生故障时，故障电流变大，同时限流电感阻抗值增大，此时限流电感可以降低故障电流峰值，并削减故障电流上升速度，保护换流器件免受过流而损坏，且降低对高压直流断路器的开断容量和开断速度的要求；

2.吸能电阻与高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA共同耗散故障电流的能量，加速故障电流熄灭。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统，包括分别连接在柔性直流换流站各个输出端的高压直流断路器，其特征在于，还包括连接在柔性直流换流站输出端与高压直流断路器之间用于限制故障电流的限流电感和用于耗散故障电流能量的能量耗散电路，所述限流电感Lmn与能量耗散电路并联，所述能量耗散电路包括并联连接的双向晶闸管T1、T2以及吸能电阻Rr，所述双向晶闸管T1、T2的连接方向相反，所述吸能电阻Rr的一端连接限流电感Lmn的输出端，另一端连接双向晶闸管T1、T2的并联节点。

2.根据权利要求2所述的多端柔性直流输电线路的故障处理系统，其特征在于，在所述限流电感和高压直流断路器之间还连接有隔离开关，所述隔离开关用于切除高压直流断路器的残余电流。

3.一种多端柔性直流输电线路的故障处理系统的控制方法，基于权利要求1－2任一项所述的多端柔性直流输电线路的故障处理系统，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

当发生线路故障时，且在检测到线路故障前，高压直流断路器处于闭合状态，双向晶闸管T1、T2处于开断状态，限流电感随着故障电流变大而增大阻值；

当检测到直流线路故障时，高压直流断路器的主开关开断，同时双向晶闸管T1、T2触发导通，此时吸能电阻Rr与高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA一起耗散故障电流的能量；

当故障电流快速衰减至接近零的数值时，隔离开关开断切除高压直流断路器中的金属氧化物避雷器MOA的残余电流。