CN109462215B - 一种混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法及装置，对于1个整流站和N‑1个逆变站组成的直流系统(N≥3)，在连接首端整流站和末端逆变站的直流线路上有N‑2个汇流母线区域，每个汇流母线区域连接一个中间逆变站，当相邻的两个汇流母线区域之间的直流线路、或者末端汇流母线区域与末端逆变站之间的直流线路发生故障时，控制直流系统重启；若直流系统重启不成功，则闭锁故障的直流线路下游的逆变站，再重启故障的直流线路上游的中间逆变站和首端整流站。本发明减少了线路故障时的功率损失和对交流系统的扰动，通过具体的线路故障清除方法实现了对混合多端直流输电系统线路故障的故障清除，提高了混合多端直流输电系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于混合直流输电技术领域，具体涉及一种混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法及装置。
背景技术
近年来，高压直流输电以其大容量、远距离输电的优势，是西电东送战略的重要组成部分。高压直流输电工程多采用常规的LCC型(Line Commutated Converter)换流器，具有输送容量大、成本低、过载能力强等优点，但常规直流输电技术采用晶闸管换相时，逆变侧存在换相失败的问题。
近年来，基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)技术的直流输电系统取得了快速进步。MMC换流器具有可独立控制有功无功功率、不存在换相失败、可为无源孤岛系统供电等诸多优点。由多个不同类型换流站组成的混合多端直流输电系统可以有效解决逆变站换相失败的问题，并且具有经济性、灵活性等优势，将是未来远距离、大容量电力输送的发展方向。如图1所示，便为其中一种混合多端直流输电系统典型拓扑结构图，为混合三端直流输电系统拓扑结构示意图。其中，LCC站为整流站，MMC站1和MMC站2均为逆变站。
虽然有诸多优点，但是，该拓扑结构将导致直流线路故障率大大升高，因此需要设计合适的故障重合闸策略。
为了解决该问题，申请公布号为CN106026007A的中国发明专利申请文件公开了一种柔性直流输电系统直流故障重合闸策略，该方法首先利用SBSM换流器清除直流故障电流，将所有SBSM换流器投入到SBSM类半桥闭锁模式，并利用SBSM类半桥闭锁模式实现SBSM-MMC不控整流桥运行方式，然后对直流线路进行判断：若直流线路不再出现电流，则表明故障已经消失，系统重启运行；若直流线路再次出现电流，立即闭锁SBSM换流器。
该方法提供了一种控制策略，即：在出现直流线路故障时，便进行系统重启，在系统重启不成功的情况下，闭锁换流站。但是，相较于两端输电系统，多端直流输电系统直流线路拓扑结构更为复杂，常规两端直流线路故障清除方法并不完全适用。若在系统重启不成功的情况下，直接闭锁所有换流站，将大大增大线路故障时的功率损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法及装置，用以解决在系统重启不成功的情况下，直接闭锁所有换流站将大大增大线路故障时的功率损失的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法，包括如下步骤：
1)对于1个整流站和N-1个逆变站组成的直流系统，在连接首端整流站和末端逆变站的直流线路上有N-2个汇流母线区域，每个汇流母线区域连接一个中间逆变站，当相邻的两个汇流母线区域之间的直流线路、或者末端汇流母线区域与末端逆变站之间的直流线路发生故障时，控制直流系统重启；其中，N≥3；
2)若直流系统重启不成功，则闭锁故障直流线路下游的逆变站，再重启故障直流线路上游的中间逆变站和首端整流站。
本发明还提供了一种混合多端直流输电系统直流线路故障清除装置，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：
1)对于1个整流站和N-1个逆变站组成的直流系统，在连接首端整流站和末端逆变站的直流线路上有N-2个汇流母线区域，每个汇流母线区域连接一个中间逆变站，当相邻的两个汇流母线区域之间的直流线路、或者末端汇流母线区域与末端逆变站之间的直流线路发生故障时，控制直流系统重启；其中，N≥3；
2)若直流系统重启不成功，则闭锁故障直流线路下游的逆变站，再重启故障直流线路上游的中间逆变站和首端整流站。
本发明的有益效果：
在某一直流线路故障时，控制直流系统重启，在重启不成功的情况下，将该直流线路故障下游的逆变站进行闭锁，再重启该故障直流线路上游的首端整流站和中间逆变站，减少了线路故障时的功率损失和对交流系统的扰动。通过具体可行的线路故障清除方法实现了混合多端直流输电系统线路故障的故障清除，保护了混合多端直流输电系统的设备安全，提高了混合多端直流输电系统的可靠性。
作为方法及装置的进一步改进，为了实现故障直流线路的安全隔离，步骤2)中，还包括：闭锁故障直流线路下游逆变站并执行零电流控制策略，同时首端整流站将触发角移到160°，清除故障电流，检测故障直流线路上的隔离开关的电流，若电流达到设定阈值，断开该隔离开关。在检测到故障时，实现对该故障直流线路下游的逆变站的隔离，安全可靠。
作为方法及装置的进一步改进，为了保护混合多端直流输电系统的设备安全，当首端整流站与首端汇流母线区域之间的直流线路故障时，控制直流系统重启；若重启不成功，则闭锁所有整流站和逆变站。针对不同的直流线路故障采取不同的故障清除策略，实现了混合多端直流线路故障的快速判别及故障清除，保护了混合多端直流输电系统的设备安全，提高了系统的可靠性。
作为方法及装置的进一步改进，为了实现直流线路故障位置的准确定位，通过检测汇流母线区域的直流线路的电流变化方向来确定直流线路故障位置。将汇流母线区域的电流变化方向作为辅助判据，提高了系统的可靠性。
作为方法及装置的进一步改进，为了防止汇流母线故障对交流系统的扰动，当汇流母线区域发生故障时，闭锁所有整流站和逆变站。在汇流母线区域发生故障时直接闭锁所有换流站，避免了对交流系统的扰动，提高了混合多端直流输电系统的可靠性和可用性。
附图说明
图1是本发明方法所针对的混合三端直流输电系统拓扑结构示意图；
图2是本发明的混合三端直流输电系统直流线路1故障时快速恢复时序图；
图3是本发明的混合三端直流输电系统直流线路2故障时快速恢复时序图；
图4是本发明的汇流母线故障保护配合时序图；
图5是本发明方法所针对的混合四端直流输电系统拓扑结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
方法实施例1
下面以混合三端直流输电系统为例，来说明本发明的混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法。
混合三端直流输电系统拓扑结构如图1所示，包括整流站LCC站和两个逆变站，分别为MMC站1和MMC站2。
LCC站、MMC站1、MMC站2分别配置线路保护系统，LCC站线路保护包括行波保护、电压突变量保护、直流线路低电压保护、直流线路纵差保护；含汇流母线的MMC型换流站(例如MMC站1)线路保护包括行波保护、电压突变量保护、汇流母线差动保护；不含汇流母线的MMC型换流站(例如MMC站2)线路保护包括行波保护、电压突变量保护。其中，行波保护、电压突变量保护、汇流母线差动保护为主保护，直流线路低电压保护和直流线路纵差保护为后备保护。各换流站的保护范围为本站电流测点至其他换流站的平波电抗器。这里的各种保护逻辑均可对应采用成熟的技术，不再赘述。
当直流线路发生故障时，首先，各换流站保护系统检测故障是否发生，由中间换流站(MMC站1)定位故障线路。
如图1所示，MMC站1针对直流线路1和直流线路2分别配置线路保护系统，IDL2为直流线路1保护的电流测点，IDL4为直流线路2保护的电流测点，两套保护系统的主逻辑一致。直流线路1发生接地故障时，系统向故障点馈入电流，IDL2电流反向增大；直流线路2发生故障，系统向故障点馈入电流，IDL4正向增大，MMC站1线路保护系统采用直流电流变化方向作为辅助判据，实现故障选线的功能。
然后，当判断直流线路1发生故障时，LCC站和MMC站2的行波保护、电压突变量保护动作，MMC站1的直流线路1的行波保护、电压突变量保护动作。如图2所示，直流系统先移相，清除故障电流，经过线路去游离时间，直流系统进行重启，此时若直流线路1故障清除，直流系统建立电压电流，恢复功率传输；若直流线路1故障仍然存在，检测到直流电压未能建立，控制所有换流站故障极闭锁。
当判断直流线路2发生故障时，LCC站和MMC站2的行波保护、电压突变量保护动作，MMC站1的直流线路2的行波保护、电压突变量保护动作。如图3所示，直流系统先移相，清除故障电流，经过线路去游离时间，直流系统进行重启，此时若直流线路2故障清除，直流系统建立电压电流，恢复功率传输；若直流线路2故障仍然存在，检测到直流电压未能建立，闭锁MMC站2，并执行零电流控制策略(零电流控制策略即MMC站控制系统通过调节柔直阀子模块正投/负投比例，来控制柔直阀出口电压与直流线路电压相同，确保柔直阀出口电流为零，避免柔直阀向故障点馈入电流)，直流系统再执行一次移相重启(LCC站将触发角移到160°)，在移相过程中检测直流线路2上隔离开关HSS2的电流，达到设定阈值时，拉开隔离开关HSS2，实现对直流线路2和MMC站2的隔离，随后LCC站和MMC站1自动重启，系统恢复运行。
当汇流母线区域发生故障时，由于汇流母线在MMC站1站内，瞬时故障可能性较小，为避免对系统的二次冲击，针对此类故障闭锁信号的优先级高于重启信号，因此通过闭锁实现故障清除。如图4所示，汇流母线故障时，行波保护、电压突变量保护先动作，直流系统执行移相重启，随后汇流母线差动保护动作，MMC站1将汇流母线差动保护动作信号通过快速站间通讯传到LCC站和MMC站2，终止线路重启逻辑，实现所有换流站故障极闭锁。其中，汇流母线差动保护配置两段保护，每段具有不同的保护定值及相应的延时，快速段延时宜设置在10ms之内，保护选取汇流母线区域的IDL2、IDL3、IDL4来计算差流，保护判据为|IDL2-IDL3-IDL4|>Max(△,k*IDL2)，其中，△为启动定值，k为制动系数。整体来看，通过合理地配置汇流母线差动保护和调整保护动作信号的执行逻辑，实现直流系统直接闭锁，避免了直流系统重启对交流系统的扰动。
为了实现上述方法，可采用直流输电系统领域常用的装置来实现，例如：嵌入式工业控制平台、PC装置等。
该方法通过具体可行的线路故障清除方法对混合多端直流输电系统线路故障进行快速识别和故障清除，实现了对直流线路的保护，保护了混合多端直流输电系统的设备安全，提高了混合多端直流输电系统的可靠性和可用率。
方法实施例2
下面以混合四端直流输电系统为例，来进一步说明本发明的混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法。
其拓扑结构如图5所示，在图1的基础上，增加了一个逆变站MMC站3，相应增加了直流线路3。
当判断直流线路1发生故障时，直流系统先移相，清除故障电流，经过线路去游离时间，直流系统进行重启，此时若直流线路1故障清除，直流系统建立电压电流，恢复功率传输；若直流线路1故障仍然存在，检测到直流电压未能建立，控制所有换流站故障极闭锁。
当判断直流线路2发生故障时，直流系统先移相，清除故障电流，经过线路去游离时间，直流系统进行重启，此时若直流线路2故障清除，直流系统建立电压电流，恢复功率传输；若直流线路2故障仍然存在，检测到直流电压未能建立，闭锁MMC站2和MMC站3，直流系统再执行一次移相重启，在移相过程中检测直流线路2上的隔离开关HSS2的电流，达到设定阈值时，拉开直流线路2上的隔离开关HSS2，实现对直流线路2以及MMC站2、MMC站3的隔离，随后LCC站和MMC站1自动重启，系统恢复运行。
当判断直流线路3发生故障时，直流系统先移相，清除故障电流，经过线路去游离时间，直流系统进行重启，此时若直流线路3故障清除，直流系统建立电压电流，恢复功率传输；若直流线路3故障仍然存在，检测到直流电压未能建立，闭锁MMC站3，直流系统再执行一次移相重启，在移相过程中检测直流线路3上的隔离开关HSS5的电流，达到设定阈值时，拉开直流线路3上的隔离开关HSS5，实现对直流线路3以及MMC站3的隔离，随后LCC站、MMC站1、MMC站2自动重启，系统恢复运行。
当汇流母线1区域或汇流母线2区域故障时，闭锁所有换流站。具体过程可参考实施例1，这里不再赘述。
装置实施例
本发明还提供了一种混合多端直流输电系统直流线路故障清除装置，该装置实际上为计算机等具备数据处理能力的设备，该设备包括处理器，该处理器可以是通用处理器，还可以是数字信号处理器、专用集成电路等，该处理器用于执行指令实现本发明的方法，具体方法参考上述介绍的方法实施例1和方法实施例2，这里不再赘述。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对于1个整流站和N-1个逆变站组成的直流系统，在连接首端整流站和末端逆变站的直流线路上有N-2个汇流母线区域，每个汇流母线区域连接一个中间逆变站，当相邻的两个汇流母线区域之间的直流线路、或者末端汇流母线区域与末端逆变站之间的直流线路发生故障时，控制直流系统重启；其中，N≥3；
2)若直流系统重启不成功，则闭锁故障直流线路下游的逆变站，再重启故障直流线路上游的中间逆变站和首端整流站。
2.根据权利要求1所述的混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法，其特征在于，步骤2)中，还包括：闭锁故障直流线路下游逆变站并执行零电流控制策略，同时首端整流站将触发角移到160°，清除故障电流，检测故障直流线路上的隔离开关的电流，若电流达到设定阈值，断开该隔离开关。
3.根据权利要求1所述的混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法，其特征在于，当首端整流站与首端汇流母线区域之间的直流线路故障时，控制直流系统重启；若重启不成功，则闭锁所有整流站和逆变站。
4.根据权利要求1或3所述的混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法，其特征在于，通过检测汇流母线区域的直流线路的电流变化方向来确定直流线路故障位置。
5.根据权利要求1所述的混合多端直流输电系统直流线路故障清除方法，其特征在于，当汇流母线区域发生故障时，闭锁所有整流站和逆变站。
6.一种混合多端直流输电系统直流线路故障清除装置，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：
1)对于1个整流站和N-1个逆变站组成的直流系统，在连接首端整流站和末端逆变站的直流线路上有N-2个汇流母线区域，每个汇流母线区域连接一个中间逆变站，当相邻的两个汇流母线区域之间的直流线路、或者末端汇流母线区域与末端逆变站之间的直流线路发生故障时，控制直流系统重启；其中，N≥3；
2)若直流系统重启不成功，则闭锁故障直流线路下游的逆变站，再重启故障直流线路上游的中间逆变站和首端整流站。
7.根据权利要求6所述的混合多端直流输电系统直流线路故障清除装置，其特征在于，步骤2)中，还包括：闭锁故障直流线路下游逆变站并执行零电流控制策略，同时首端整流站将触发角移到160°，清除故障电流，检测故障直流线路上的隔离开关的电流，若电流达到设定阈值，断开该隔离开关。
8.根据权利要求6所述的混合多端直流输电系统直流线路故障清除装置，其特征在于，当首端整流站与首端汇流母线区域之间的直流线路故障时，控制直流系统重启；若重启不成功，则闭锁所有整流站和逆变站。
9.根据权利要求6或8所述的混合多端直流输电系统直流线路故障清除装置，其特征在于，通过检测汇流母线区域的直流线路的电流变化方向来确定直流线路故障位置。
10.根据权利要求6所述的混合多端直流输电系统直流线路故障清除装置，其特征在于，当汇流母线区域发生故障时，闭锁所有整流站和逆变站。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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