CN109617026A - 一种直流电网换流站接地故障超高速保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电网换流站接地故障超高速保护方法，在直流电网中换流器桥臂装设电流互感器，用于检测桥臂过电流，给出换流器交流接地故障判据；对于每个换流站，根据上述判据区分换流站交流接地故障与直流线路故障，判断换流站是否存在交流接地故障，如果判断存在交流接地故障，向直流侧保护发送闭锁信号，避免直流断路器动作，同时闭锁故障换流器，限制故障电流；在直流电网金属回线中安装限流电感以及断路器，用于限制故障换流器故障电流以及切断该放电回路，距离故障换流站最近的金属回线直流断路器收到信号后动作，阻断故障电流通路，交流断路器跳闸，阻断交流电流通路，之后使所有非故障换流站继续正常运行。

Description

一种直流电网换流站接地故障超高速保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种对称双极接线结构MMC直流电网换流站接地故障超高速保护方法。

背景技术

近年来，我国风力发电、光伏发电等可再生能源装机容量不断扩大，使得发电中心远离负荷中心。高压直流输电方式因为适用于远距离大容量的输电，获得了较大的关注和发展。目前，具有有功和无功功率独立控制属性的MMC换流器广泛应用在柔性直流输电实际工程中，具有输出电压等级高、开关损耗低和输出电压波形好等优点。

利用MMC-HVDC虽然可以大大提高清洁能源发电基地的并网效率，并缓解电压波动对电网造成的冲击，但同时也对系统安全稳定运行提出了更高要求。目前高压大容量的多端柔性直流电网多采用对称双极结构的接线方式以及金属回线的直流侧接地方式，MMC子模块采用半桥拓扑结构，换流站交流接地故障对整个柔性直流电网产生十分严重的影响，因此需要完整可靠的超高速保护方法来提高系统运行的可靠性。适用于柔性直流电网的换流站故障超高速保护方法具重要价值和研究前景。传统的换流站保护方法利用换流器桥臂电流过电流实现故障检测，然后闭锁故障换流器子模块IGBT。但此种保护方法在发生直流线路双极短路以及单极接地故障时容易误动。高压大容量的多端柔性直流电网对保护可靠性和选择性要求更高，传统换流站保护方法已不再适用。目前急需一种能够应用于高压大容量柔性直流电网的新型换流站保护方法。因此，针对直流电网各种换流站交流故障，设计新型保护方法，是直流电网发展与推广的迫切需求。配合先进的高压大容量直流断路器，继电保护装置能够快速地实现故障处理功能，从而提高系统供电的可靠性。

发明内容

本发明提出了一种基于换流器桥臂电流差动量来判断换流站交流接地故障的方法，该方法仅利用换流器桥臂电流，而且能准确检测故障换流站，并以此方法为基础设计了一整套适用于直流电网的换流站保护方案，以解决直流电网中换流站交流接地故障的保护问题。技术方案如下：

一种直流电网换流站接地故障超高速保护方法，在直流电网中换流器桥臂装设电流互感器，用于检测桥臂过电流，换流器交流接地故障判据为：

|Δi_j|＝|i_jup+i_jdown|(j＝a,b,c)

K＝max{|Δi_a|,|Δi_b|,|Δi_c|}＞Δ₁

式中，i_jup和i_jdown分别表示换流器j相上下桥臂电流，其正方向设定为由换流器直流连接点指向换流器交流连接点，Δ₁是启动门槛值，门槛值Δ₁的选取大于系统正常运行情况下的交流相电流峰值，同时要保证区内故障准确快速启动。

对于每个换流站，根据上述判据区分换流站交流接地故障与直流线路故障，判断换流站是否存在交流接地故障，如果判断存在交流接地故障，向直流侧保护发送闭锁信号，避免直流断路器动作，同时闭锁故障换流器，限制故障电流；

在直流电网金属回线中安装限流电感以及断路器，用于限制故障换流器故障电流以及切断该放电回路，距离故障换流站最近的金属回线直流断路器收到信号后动作，阻断故障电流通路，交流断路器跳闸，阻断交流电流通路，之后，改变柔性直流输电系统的运行方式，使所有非故障换流站继续正常运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、相较传统换流站保护方法，本方法仅需要测量桥臂电流，降低了故障判断过程的计算量和复杂性，提高了故障处理速度。

相较传统换流站保护方法，本方法在处理换流站交流接地故障时，充分利用故障换流器下桥臂故障电流增长快的特点，能在故障后2ms内实现故障换流器闭锁，而且能够保证此种故障情况下所有非故障换流器和直流线路故障情况下所有换流器均可靠不闭锁，满足保护的可靠性和速动性。

附图说明

图1为四端环状MMC柔性直流输电网示意图；

图2为直流电网MMC直流侧经金属回线接地示意图；

图3为一种新型的金属回线结构示意图；

图4为直流电网换流站三相接地故障电流通路示意图；

图5为保护流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

图1所示为一个典型的四端环状MMC柔性直流输电系统，其中任意一端换流器的正负两极MMC交流侧都有可能发生故障。图2所示为高压大容量柔性直流输电系统通常采用的接地方式。图3为一种新型的金属回线结构示意图，在柔性直流输电系统每个换流站金属回线上安装限流电感以及直流断路器，用于限制故障电流以及切断放电回路。本发明的保护判据利用了换流站交流接地故障后检测到的换流器桥臂电流。

首先介绍故障换流器的判断方法，直流线路上易发生的故障除单极接地故障外，还有双极短路故障，对这两种故障要加以区分。以换流站正极MMC发生交流接地故障为例，由于直流侧也存在接地点，因此会构成故障放电回路，下桥臂的子模块电容放电，该部分故障电流记为i_fsm1，如图4中①号箭头指向的曲线所示。在正常运行时，桥臂电流很小；在故障后，由于换流器下桥臂子模块电容放电，i_fsm1在故障后短时间内显著升高。非故障换流器、正极直流输电线路、故障换流器上桥臂和交流故障点构成放电回路，非故障换流器子模块电容处于放电状态，故障换流器上桥臂子模块电容处于充电状态，该部分故障电流记为i_fsm2，如图4中②号箭头指向的曲线所示。由于放电回路阻抗很大，故障后i_fsm1远小于i_fsm2。此外，当正极换流器发生交流接地故障后，对于故障点所在的交流系统来说，相当于此交流系统发生接地故障，此部分交流故障电流记为i_fac，如图4中③号箭头指向的曲线曲线所示。同理，当发生负极接地故障时也存在类似的特征。据此可以根据桥臂电流差动量判断是否发生了换流器站交流接地故障。保护判据为：

|Δi_j|＝|i_jup+i_jdown|(j＝a,b,c) (1)

K＝max{|Δi_a|,|Δi_b|,|Δi_c|}＞Δ₁ (2)

式中，i_jup和i_jdown分别表示换流器j相上下桥臂电流，其正方向设定为由换流器直流连接点指向换流器交流连接点，Δ₁是启动门槛值。式(1)等于交流相电流的绝对值，因此门槛值Δ₁的选取应大于系统正常运行情况下的交流相电流峰值，同时要保证区内故障准确快速启动。本发明中阈值Δ₁取正常运行情况下交流相电流峰值的2倍，在实际工程中还需要综合考虑多种因素决定Δ₁值。

当换流站交流接地故障发生时，由于故障换流器下桥臂子模块电容放电，i_fsm1在短时间内迅速增大，使得换流器桥臂过电流保护超过阈值，保护启动。如果式(1)和式(2)成立，可以据此判断换流站是存在交流接地故障。如果判定换流站交流接地故障存在，控制系统立即向直流侧保护发送闭锁信号，避免直流断路器动作。同时闭锁故障换流器，限制故障电流。距离故障换流站最近的金属回线直流断路器收到信号后动作，阻断故障电流通路。交流断路器跳闸，阻断交流电流通路。最后，控制系统改变柔性直流输电系统的运行方式，使系统中所有非故障换流站继续正常运行。

综合换流站交流接地故障清除过程，可得整体的换流站交流接地故障保护方案流程图如图5所示。

本发明针对对称双极接线结构的MMC柔性直流输电网，通常直流电网采用的接地方式为直流侧经金属回线接地。利用故障换流器子模块电容在故障暂态过程中的放电特性设计一种保护判据，保护使用故障初期换流器桥臂电流差动量进行计算，可以实现对故障的毫秒级判断。本发明能够保证在系统不同位置发生换流站交流接地故障时保护的正确性，相较于其他保护方法，利用了故障换流器桥臂暂态电流的特性，使得保护装置仅通过检测桥臂电流就能实现故障换流器的检测，同时又避免直流线路两端断路器误动，只需要测量桥臂电流，不依赖站间通信装置，提高了保护可靠性。

Claims (1)

1.一种直流电网换流站接地故障超高速保护方法，在直流电网中换流器桥臂装设电流互感器，用于检测桥臂过电流，换流器交流接地故障判据为：

|Δi_j|＝|i_jup+i_jdown|(j＝a,b,c)

K＝max{|Δi_a|,|Δi_b|,|Δi_c|}＞Δ₁

式中，i_jup和i_jdown分别表示换流器j相上下桥臂电流，其正方向设定为由换流器直流连接点指向换流器交流连接点，Δ₁是启动门槛值，门槛值Δ₁的选取大于系统正常运行情况下的交流相电流峰值，同时要保证区内故障准确快速启动。

根据上述判据区分换流站交流接地故障与直流线路故障，判断换流站是否存在交流接地故障，如果判断存在交流接地故障，向直流侧保护发送闭锁信号，避免直流断路器动作，同时闭锁故障换流器，限制故障电流；

在直流电网金属回线中安装限流电感以及断路器，用于限制故障换流器故障电流以及切断该放电回路，距离故障换流站最近的金属回线直流断路器收到信号后动作，阻断故障电流通路，交流断路器跳闸，阻断交流电流通路，之后，改变柔性直流输电系统的运行方式，使所有非故障换流站继续正常运行。