CN109449892B - 一种直流系统分散电容配置的故障限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流系统分散电容配置的故障限流方法，包括：原直流系统换流站直流侧出口设置有集中并联电容，此故障限流方法取消所述的集中并联电容，并将直流系统与换流站直流母线相连的各条线路的首端分布配置线路分散电容，并在直流母线和各分散电容之间增加电力二极管阀组，其阳极连接直流母线；设第k条线路上的f点发生短路故障，在换流站闭锁之前，故障线路k对应保护动作，线路k直流断路器动作，至此隔离故障线路；换流站出口直流母线发生短路故障时，母线保护动作，所有母线相连的直流断路器动作，隔离直流故障。

Description

一种直流系统分散电容配置的故障限流方法

技术领域

本发明涉及直流系统控制保护领域。不同于传统限流措施，该方法通过直流系统电容配置方案以达到限制直流故障电流的目的。

背景技术

直流故障限流和故障隔离是直流系统发展的关键技术。由于直流系统故障阻尼小，故障发展迅速，故障峰值电流大，因此对直流系统继电保护和直流断路器的性能提出了严苛的要求。因此，采取适当的措施延缓故障发展速度，限制故障电流水平，对直流系统故障穿越、安全稳定运行以及供电可靠性具有重要意义。目前，对直流系统故障限流的相关研究，多停留在故障限流设备推陈出新及其优化上，提出了多种类型的直流故障限流器，如固态限流器、超导限流器等。这些限流方案以限制故障电流水平、延缓故障电流上升为目标，并以对直流系统正常运行及暂态响应过程的影响最小化为评价标准，通过材料种类、拓扑形式和控制方式的发明创新，提出了许多理论上可行的方案。目前，直流电网示范工程中使用常规直流电抗器进行限流，而控制方式或拓扑结构较为复杂的限流设备大多停留在理论和实验室阶段。针对这一研究现状，有必要对直流系统故障限流方式进行研究，提出对正常运行影响小，且能有效限制故障电流的方案。

发明内容

针对直流系统直流故障发展速度快、故障危害大、直流故障电流开断技术难度大的问题，本发明提出一种直流系统分散电容配置的故障限流方法，并给出了对应的故障穿越控制和故障清除后恢复供电的策略，达到降低直流故障电流水平，增强健全网络故障穿越能力的目的。技术方案如下：

一种直流系统分散电容配置的故障限流方法，包括如下的几个方面：

(1)原直流系统换流站直流侧出口设置有集中并联电容，此故障限流方法取消所述的集中并联电容，并将直流系统与换流站直流母线相连的各条线路的首端分布配置线路分散电容，并在直流母线和各分散电容之间增加电力二极管阀组，其阳极连接直流母线，定义线路分散电容的设计值为C_{d_i}(i＝1,2,…,n)，与各出线额定功率成正比，所有分散电容值之和等于原直流系统的集中并联电容C₀；定义电力二极管阀组为由M个支路并联形成的电力二极管集合，每个支路由N个电力二极管串联而成；

(2)设第k条线路上的f点发生短路故障，在换流站闭锁之前，故障线路k对应保护动作，线路k直流断路器动作，至此隔离故障线路，从故障发生到故障被隔离的暂态期间内，由于电力二极管的单向导通作用，仅故障线路k的分散电容C_{d_k}和换流站向故障点馈入故障电流；故障被线路k首端的断路器跳闸清除后，其重合或恢复供电的策略与断路器的安装位置有关，线路断路器安装在分散电容的母线侧时，在合闸过程中应加入启动电阻，线路断路器安装在分散电容的线路侧时，直接合闸，无需启动电阻；

(3)换流站出口直流母线发生短路故障时，母线保护动作，所有母线相连的直流断路器动作，隔离直流故障，在故障处理期间，由于二极管的单向导通作用，仅换流站向母线故障点放电，且仅换流站与直流母线之间的断路器需开断故障电流，其余线路断路器的开断电流为零。

本发明针对直流系统直流故障发展速度快、故障危害大、直流故障电流开断技术难度大的问题，提出一种直流系统分散电容配置的故障限流方法，及对应的故障穿越控制和故障清除后恢复供电策略，降低了直流故障电流水平，并增强了健全网络故障穿越能力。具体阐述如下：

与原直流系统换流站出口集中电容方案相比，本发明提出的分散电容配置方法，有效降低了向故障点提供短路电流的电容总容量，因而有效降低了故障电流水平，进而降低了对保护动作和断路器性能的要求；同时，由于非故障线路电容不向故障点放电，对支撑健全系统故障穿越有利，非故障线路电压跌落幅度、停电时间都有所显著减少。

与基于限流设备的各种限流方案相比，本发明提出的分散电容配置方法，在直流系统正常运行及功率波动时，其系统响应特征与不加任何限流设备的原系统相同，对正常运行影响小；限流原理由电力二极管的单向导通性实现，无附加控制，可靠性高。

附图说明

图1为直流系统分散电容配置的故障限流方法示意图，(a)为原系统集中电容示意图，(b)为分散电容配置示意图。

图2为二极管阀组结构图。

图3为不同断路器位置示意图，(a)在电力二极管和电容的母线侧，(b)在电力二极管与电容之间，(c)在电力二极管和电容的线路侧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

1.将原直流系统换流站直流侧出口的集中并联电容取消，在与换流站直流母线相连的各条线路的首端分布配置线路分散电容，并在直流母线和各分散电容之间增加电力二极管阀组，其阳极连接直流母线。原直流系统如图1(a)所示，直流系统分散电容配置方法示意图如图1(b)。

2.定义直流系统换流站出口集中并联电容C₀的设计值与直流系统最大功率波动成正比，与直流系统电压波动的允许限值及电压额定值的平方成反比，并在此基础上乘以大于1的系数以保留一定裕度。

定义线路分散电容的设计值为C_{d_i}(i＝1,2,…,n)，与各出线额定功率成正比，所有分散电容值之和等于原系统集中电容值C₀。

如图2所示，定义电力二极管阀组为，由M个支路并联形成的电力二极管集合，每个支路由N个电力二极管串联而成。通过这样串并联的设计方案可以满足通流和耐压的技术需要。

如图3所示，对于每条线路上的直流断路器，相对于分散电容和电力二极管阀组位置而言，其安装位置有三种情况：a)在电力二极管和电容的母线侧；b)在电力二极管与电容之间；c)在电力二极管和电容的线路侧。

3.第k条线路上的f点发生短路故障时，在换流站闭锁之前，故障线路k对应保护动作，线路k直流断路器动作，至此隔离故障线路。从故障发生到故障被隔离的暂态期间内，由于二极管的单向导通作用，仅有故障线路k的分散电容C_{d_k}和换流站向故障点馈入故障电流，由于等效的放电电容比原来集中配置电容的方式大为减小，因此显著降低了直流故障电流水平。在此期间，非故障线路上的分散电容C_{d_i}(i≠k)在二极管的单向导通作用下是不会向故障点放电的，因此增强了健全线路的故障穿越能力。

4.第k条线路的故障被线路首端的断路器跳闸清除后，其重合或恢复供电的策略与断路器的安装位置有关。对于线路断路器安装在分散配置电容的母线侧时，包括图3(a)和图3(b)两种情况，在合闸后的暂态过程中换流站需提供能量向电容C_{d_k}充电，为减小冲击电流应在合闸过程中加入启动电阻。对于线路断路器安装在分散配置电容的线路侧时，包括图3(c)的情况，在合闸前分散电容C_{d_k}已恢复至额定电压，无需启动电阻，直接合闸对系统冲击较小。

5.换流站出口直流母线发生短路故障时，母线保护动作，所有母线相连的直流断路器动作，隔离直流故障。在故障处理期间，由于二极管的单向导通作用，仅换流站向母线故障点放电，降低了故障电流水平，同时，仅换流站与直流母线之间的断路器需开断故障电流，其余线路断路器的开断电流为零。母线故障时，对图2所示的三种排列顺序而言，其故障特征和故障处理方式完全一致。

6.所提出的一种限制直流故障电流水平的直流系统电容分散配置方法，适用于换流站直流侧出口有多条直流线路的场合，特别适用于换流站向直流侧所有直流出线的负荷供给功率的情况。

Claims (1)

1.一种直流系统分散电容配置的故障限流方法，包括如下的几个方面：

(1)原直流系统换流站直流侧出口设置有集中并联电容C₀，此故障限流方法取消所述的集中并联电容C₀，并将直流系统与换流站直流母线相连的各条线路的首端分布配置线路分散电容，并在直流母线和各分散电容之间增加电力二极管阀组，其阳极连接直流母线，定义线路分散电容的设计值为C_{d_i}，i＝1,2,…,n，与各出线额定功率成正比，所有分散电容值之和等于原直流系统的集中并联电容C₀；定义电力二极管阀组为由M个支路并联形成的电力二极管集合，每个支路由N个电力二极管串联而成；

(2)设第k条线路上的f点发生短路故障，在换流站闭锁之前，故障线路k对应保护动作，线路k直流断路器动作，至此隔离故障线路，从故障发生到故障被隔离的暂态期间内，由于电力二极管的单向导通作用，仅故障线路k的分散电容C_{d_k}和换流站向故障点馈入故障电流；故障被线路k首端的直流断路器跳闸清除后，其重合或恢复供电的策略与直流断路器的安装位置有关，直流断路器安装在分散电容的母线侧时，在合闸过程中应加入启动电阻，直流断路器安装在分散电容的线路侧时，直接合闸，无需启动电阻；

(3)换流站出口直流母线发生短路故障时，母线保护动作，所有母线相连的直流断路器动作，隔离直流故障，在故障处理期间，由于二极管的单向导通作用，仅换流站向母线故障点放电，且仅换流站与直流母线之间的直流断路器需开断故障电流，其余直流断路器的开断电流为零。