CN109659967A - 含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略，该技术方案利用了超导限流器在故障后的高阻特性，能够充分发挥现有技术条件下直流断路器的开断能力，降低对多端柔性直流电网中直流断路器开断电流的要求；同时，本发明利用直流故障重启动保护模块和超导限流器旁路保护模块，解决了电阻型超导限流器恢复速度过慢的问题，使得系统在直流故障后的快速重启动变成可能；此外，本发明针对所提供的含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站，提出了一套完整的直流故障处理和重启动恢复策略。

Description

含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障 处理策略

技术领域

本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略。

背景技术

我国能源生产和需求存在地理条件上的矛盾，需要通过“西电东送”、“北电南送”把电能从能源稀疏区输送至负荷密集区。目前为止，基于电网换相换流器的高压直流输电系统(Line Commutated Converter based HVDC，LCC-HVDC)已成为了远距离大容量直流输电的主要方式。然而几十年的运行经验表明，其存在如下几个无法克服的内在缺陷：(1)LCC在换流过程中需要依赖于交流电源进行换相，然而如风电和光伏之类的新能源电厂不具备提供交流电源的能力，因此这直接限制了LCC-HVDC技术在诸多新能源并网场合的应用。(2)同样地，由于LCC对交流电压的过度敏感特性，受端的逆变侧系统极易发生换相失败，从而导致大量的直流输送功率中断；在多馈入场合，多条直流线路同时发生换相失败将造成严重的潮流转移，从而直接威胁到系统的安全稳定运行。(3)LCC-HVDC技术需要配置体积较大的无功功率补偿装置以及复杂的滤波器，这造成了换流站占地面积较大，选址困难。

随着电力电子技术的发展，基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统(Modular Multilevel Converter based HVDC，MMC-HVDC)凭借其不会发生换相失败、输出波形质量高、可以为无源网络供电等技术优势，得到了学术界和工业界的密切关注；目前已投运和在建柔性直流输电系统的最高电压等级和功率水平达到了±800kV/5000MW，已经接近LCC-HVDC的水平。可以预见，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术是高压直流输电技术未来的发展方向。

与LCC-HVDC相比，MMC-HVDC除了额定功率存在差距之外，还存在直流故障自清除的问题；虽然目前已投运柔性直流系统绝大多数采用断开交流断路器的方法处理直流故障，但是对于采用架空线输电的柔性直流系统而言，断开交流断路器的故障处理策略由于动作响应时间慢的缘故并不太适用。

自从ABB公司在2012年底发布基于机械开关和半导体器件的混合型高压直流断路器以来，混合型高压直流断路器凭借其较低的运行损耗和较快的开断速度，本学术界和工业界认为是用于处理柔性直流系统直流侧故障最具潜力的技术方案。但是由于柔性直流输电系统的电压等级不断升高，直流故障电流故障后几个毫秒之内上升到额定值的数十倍，远远超过当前高压直流断路器的开断能力。

目前看来，采用通过超导直流限流器来限制直流故障电流，从而降低高压直流断路器的故障电流开断能力，是处理柔性直流系统直流故障一种较有发展前景的技术方案。超导直流限流器在正常运行状态下对外呈现出低阻状态，不影响柔性直流系统的正常运行，故障后能够迅速转变为高阻状态，其阻抗无论是电阻还是电感，都可以抑制故障电流上升率。根据故障后限流器阻抗特性的不同，超导限流器可以分为电阻型和电感型两大类，在目前的技术条件下，电阻型限流器凭借其较小的体积和简单的结构，最具备应用于柔性直流系统的潜力；电感型限流器虽然恢复时间较快，但是存在体积较大且结构复杂的劣势，只在交流系统中有所应用。

到目前为止，已公开的绝大多数文献基本只研究采用电阻型超导限流器和直流断路器处理直流故障时直流系统的故障响应特性。为了充分发挥电阻型超导限流器的技术优势，有必要针对采用电阻型超导限流器和直流断路器处理直流故障策略进行研究。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略，该技术方案利用了超导限流器在故障后的高阻特性，能够充分发挥现有技术条件下直流断路器的开断能力；同时，本发明能够解决电阻型超导限流器恢复速度过慢的问题，使得直流故障后的快速重启动变成可能；此外，本发明针对所提供的含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站，提出了一套完整的直流故障处理和重启动恢复策略。

一种含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站，其交流侧通过交流断路器与交流系统连接，直流侧通过多回直流线路与多端柔性直流系统中的其他换流站连接；该换流站具有两种拓扑结构：一种为真双极结构即正负极均具有独立的换流器，另一种为伪双极结构即正负极共用同一个换流器，所述换流器采用基于半桥子模块级联的模块化多电平换流器；

真双极结构的换流站中正极换流器的直流高压端经过机械开关连接至换流站的正极直流母线，正极换流器的直流低压端与负极换流器的直流高压端连接并接地，负极换流器的直流低压端通过经过机械开关连接至换流站的负极直流母线；伪双极结构的换流站中换流器的直流高压端经过机械开关连接至换流站的正极直流母线，换流器的直流低压端经过机械开关连接至换流站的负极直流母线；

所述直流线路依次通过电阻型超导限流装置、直流断路器、平波电抗器与换流站的正极直流母线或负极直流母线连接；

所述电阻型超导限流装置包括电阻型超导限流器、旁路保护模块和直流故障重启动保护模块；其中，电阻型超导限流器与旁路保护模块采用并联方式连接之后，再与直流故障重启动保护模块采用串联方式连接；

所述旁路保护模块由超快速机械开关和电流转移开关串联组成，所述直流故障重启动保护模块由电流旁路支路与限流电阻并联组成。

进一步地，所述电流转移开关由多个带反并二极管的IGBT管串联组成，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。

进一步地，所述电流旁路支路采用超快速机械开关构成。

进一步地，所述旁路保护模块正常状态下处于断开状态，仅当其所连的换流站在直流故障后的重启动过程中旁路保护模块才会短时间闭合。

进一步地，所述电流旁路支路正常状态下处于闭合状态，仅当其所连的换流站在直流故障后的重启动过程中电流旁路支路才会短时间开断。

上述换流站的直流故障处理策略，包括如下步骤：

(1)基于直流电流判断系统是否发生直流故障及故障发生位置；

(2)根据故障发生位置采取相应的故障处理方案：若故障点位于站内，则停运故障极换流器且断开故障极直流母线所连接的直流线路；若故障点位于站外，则借助直流断路器断开故障的直流线路；

(3)对于故障点位于站外的直流线路故障，当直流线路充分去游离之后，对系统进行重启动。

进一步地，所述步骤(1)的具体实现方式如下：

对于任一与换流站直流母线所连的直流断路器，检测流经该直流断路器的电流，如果电流大于换流站额定直流电流值的1.5倍，则判定系统发生了直流故障；检测到系统发生直流故障后，进一步判断若与该直流断路器所连的换流站直流母线的注入电流(即流入的电流为正，流出的电流为负)之和绝对值大于换流站额定直流电流值的0.1倍，则判定故障发生位置在该换流站直流母线上；

若直流故障不在换流站直流母线处，则进一步根据直流电流的方向来判断故障发生位置：对于该直流断路器所连的换流站直流母线为正极直流母线情况下，若直流电流从正极直流母线流向该直流断路器对应的直流线路，则判定故障发生位置在该直流断路器对应的直流线路上，若直流电流从该直流断路器对应的直流线路流向正极直流母线，则判定故障发生位置在正极直流母线与机械开关之间；对于该直流断路器所连的换流站直流母线为负极直流母线情况下，若直流电流从负极直流母线流向该直流断路器对应的直流线路，则判定故障发生位置在负极直流母线与机械开关之间，若直流电流从该直流断路器对应的直流线路流向负极直流母线，则判定故障发生位置在该直流断路器对应的直流线路上。

进一步地，所述步骤(2)的具体实现方式如下：

若故障发生位置在换流站直流母线上或在换流站直流母线与机械开关之间，则停运故障极换流器并向与该直流母线相连的所有直流断路器发出开断信号，经过一定延时(几毫秒)后，原本通过直流断路器与该直流母线连通的所有直流线路完全与之断开；与此同时，向交流断路器发出开断信号，经过一定延时(100毫秒左右)后，换流站与交流系统之间的联系完全切断；当故障极换流器的直流出线电流为零后，断开故障极的机械开关；

若故障发生位置在直流线路上，则只需向该直流线路两端的直流断路器发出开断信号，经过一定延时(几毫秒)后，该直流线路被完全隔离。

进一步地，所述步骤(3)的具体实现方式如下：

首先，将故障极换流器保持在定直流电压控制状态，然后闭合旁路保护模块且断开直流故障重启动保护模块中的电流旁路支路；

然后，将故障直流线路对应的直流断路器闭合，同时监测流经该直流断路器的电流，如果电流大于换流站额定直流电流值的1.5倍，则判定为永久性直流线路故障，并重新断开对应的直流断路器；

对应的直流断路器闭合后经过一定延时，若流经该直流断路器的电流始终小于换流站额定直流电流值的1.5倍，则判定为暂时性直流线路故障，并闭合直流故障重启动保护模块中的电流旁路支路，然后逐渐抬升故障极换流器的有功功率指令值，使故障极换流站逐渐恢复到故障前的稳定运行状态；旁路保护模块闭合后经过若干秒时间，电阻型超导限流器会恢复到超导状态，进而断开旁路保护模块。

所谓故障极，对于站内故障即故障点位置所处换流站的正极或负极，对于站外故障即故障直流线路所连换流站的正极或负极。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明基于电阻型超导限流器，能够降低对多端柔性直流电网中直流断路器开断电流的要求。

(2)本发明利用直流故障重启动保护模块和超导限流器旁路保护模块，解决了常规电阻型超导限流器恢复时间过长的缺陷，使得系统具备重启动的可能。

附图说明

图1(a)为本发明换流站的真双极结构示意图。

图1(b)为本发明换流站的伪双极结构示意图。

图2为本发明电阻型超导限流装置的电路示意图。

图3为本发明旁路保护模块的结构示意图。

图4为本发明直流故障重启动保护模块的电路示意图。

图5为本发明换流站直流故障处理策略的步骤流程示意图。

图6为实施例中两端柔性直流系统的单线示意图。

图7为暂时性直流线路故障下换流站的故障电流仿真示意图。

图8为实际工程中直流断路器的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站，换流站的正极直流出线和负极直流出线首先需要经过机械开关相连接分别连接到正极直流母线和负极直流母线；正极直流母线和负极直流母线都需要经过平波电抗器、直流断路器、电阻型超导限流装置然后分别与正负极直流线路相连。

如图1(a)所示，换流站采用真双极结构时，正负极均具有独立的换流器，换流器采用由半桥子模块构成的模块化多电平换流器；正极换流器的直流高压端作为正极直流出线，正极换流器的直流低压端与负极换流器的直流高压端同时连接到接地点，负极换流器的直流低压端作为负极直流出线。如图1(b)所示，换流站采用伪双极结构时，换流站内只有一个由半桥子模块构成的模块化多电平换流器；换流器的直流高压端作为正极直流出线直流低压端作为负极直流出线，直流出线经过机械开关连接到直流母线上，直流母线经过平波电抗器、直流断路器和电阻型超导限流装置于直流线路相连接。

如图2所示，电阻型超导限流装置由三部分构成，分别为电阻型超导限流器、旁路保护模块和直流故障重启动保护模块，前两者采用并联方式连接之后，再与直流故障重启动保护模块采用串联方式连接。

如图3所示，旁路保护模块由超快速机械开关和电流转移开关串联构成。电流转移开关由多个带反并二极管的IGBT管串联组成，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接；正常状态下旁路保护模块处于断开状态，当其所连的换流站在直流故障后的重启动过程中旁路保护模块才会短时间闭合。

如图4所示，直流故障重启动保护模块由电流旁路支路和限流电阻并联组成，电流旁路支路由超快速机械开关构成；正常状态下电流旁路支路处于闭合状态，当其所连的换流站在直流故障后的重启动过程中时电流旁路支路才会短时间开断。

如图8所示，目前实际工程中所采用的直流断路器一般可以划分为三个并联支路，分别为电流转移支路、主断路器支路和能量耗散支路；其中，电流转移支路由超快速机械开关和具备双向通流能力的IGBT和反向并联二极管构成，故障后可以通过关断IGBT实现故障电流转移到主断路器支路的功能；主断路器支路由双向通流能力的IGBT和反向并联二极管构成(串联个数多于电流转移支路)，用来彻底开断故障电流；能量耗散支路由避雷器构成，用于耗散直流故障回路中电抗器存储的能量。

如图5所示，本发明换流站的直流故障处理策略步骤大体上分为三个步骤：第一个步骤是判断故障发生与否以及故障发生的位置；第二个步骤是根据故障发生位置的不同，采用不同的故障处理策略对故障点进行隔离；第三个步骤是针对直流线路故障，在故障弧道充分去游离之后系统的重启动策略。

以下我们对本发明换流站进行仿真验证，图6为两端柔性直流输电系统的结构，该两端柔性直流输电系统参数如表1所示。

表1

仿真模型中，直流断路器采用理想开关与并联避雷器来等效，电阻型超导限流器由超导带材无感绕制的线圈构成，参见《张翠萍.高温超导限流器的研究进展[J].中国材料进展,2017,36(05):335～343+351》；电阻型超导限流器的等效可变电阻随直流电流按照分段线性函数变化：当直流电流绝对值小于临界电流时，等效电阻为零；当直流电流绝对值小于大于临界电流，等效电阻取为最大失超电阻。此外，旁路保护模块、电流旁路支路以及换流器与直流母线之间的机械开关均采用理想开关来等效。

仿真中假设1s时刻正极直流线路中点发生暂时性直流故障，图7给出了系统中流过断路器1和断路器2的直流电流(从直流母线往直流线路的方向为正方向)。

根据仿真结果可以发现，换流站1直流断路器和换流站2直流断路器的直流电流分别在1.002s和1.009s达到1.5kA，因此可以判定发生了直流故障；此外，由于故障发生前后直流母线注入电流均保持为零，可以判定没有发生直流母线故障；由于换流站1直流断路器和换流站2直流断路器的直流电流都从换流站流向直流线路，因此可以判定发生的是直流线路故障。

在直流断路器的直流电流分别达到1.5kA的同时，分别对直流断路器施加开断信号，因此直流断路器1和直流断路器2分别在1.032s和1.039s开断直流电流。仿真结果表明，对于故障极的断路器1和断路器2而言，其最大开断电流只需达到8.1kA，完全满足目前主流高压直流断路器的电流开断能力。

此后，保持直流断路器处于断开状态，并且保持换流器运行在控制直流电压状态；到1.2s时刻，当故障线路充分去游离之后，首先闭合旁路保护模块且断开直流故障重启动保护模块中的电流旁路支路，然后将高压直流断路器闭合，因为直流电流在50ms之内一直小于额定值的1.5倍，可以判断发生的故障为暂时性直流线路故障。因此闭合直流故障重启动保护模块中的电流旁路支路，且在1.25s时刻将换流站切换到故障前的控制方式，并逐渐抬升换流站有功率指令值，换流站在1.5s已基本恢复到故障前稳定运行状态。

仿真结果表明，本发明提出的含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略是有效的。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站，其交流侧通过交流断路器与交流系统连接，直流侧通过多回直流线路与多端柔性直流系统中的其他换流站连接；其特征在于：该换流站具有两种拓扑结构：一种为真双极结构即正负极均具有独立的换流器，另一种为伪双极结构即正负极共用同一个换流器，所述换流器采用基于半桥子模块级联的模块化多电平换流器；

真双极结构的换流站中正极换流器的直流高压端经过机械开关连接至换流站的正极直流母线，正极换流器的直流低压端与负极换流器的直流高压端连接并接地，负极换流器的直流低压端通过经过机械开关连接至换流站的负极直流母线；伪双极结构的换流站中换流器的直流高压端经过机械开关连接至换流站的正极直流母线，换流器的直流低压端经过机械开关连接至换流站的负极直流母线；

所述直流线路依次通过电阻型超导限流装置、直流断路器、平波电抗器与换流站的正极直流母线或负极直流母线连接；

所述电阻型超导限流装置包括电阻型超导限流器、旁路保护模块和直流故障重启动保护模块；其中，电阻型超导限流器与旁路保护模块采用并联方式连接之后，再与直流故障重启动保护模块采用串联方式连接；

所述旁路保护模块由超快速机械开关和电流转移开关串联组成，所述直流故障重启动保护模块由电流旁路支路与限流电阻并联组成。

2.根据权利要求1所述的换流站，其特征在于：所述电流转移开关由多个带反并二极管的IGBT管串联组成，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。

3.根据权利要求1所述的换流站，其特征在于：所述电流旁路支路采用超快速机械开关构成。

4.根据权利要求1所述的换流站，其特征在于：所述旁路保护模块正常状态下处于断开状态，仅当其所连的换流站在直流故障后的重启动过程中旁路保护模块才会短时间闭合。

5.根据权利要求1所述的换流站，其特征在于：所述电流旁路支路正常状态下处于闭合状态，仅当其所连的换流站在直流故障后的重启动过程中电流旁路支路才会短时间开断。

6.一种如权利要求1所述换流站的直流故障处理策略，包括如下步骤：

(1)基于直流电流判断系统是否发生直流故障及故障发生位置；

(2)根据故障发生位置采取相应的故障处理方案：若故障点位于站内，则停运故障极换流器且断开故障极直流母线所连接的直流线路；若故障点位于站外，则借助直流断路器断开故障的直流线路；

(3)对于故障点位于站外的直流线路故障，当直流线路充分去游离之后，对系统进行重启动。

7.根据权利要求6所述的直流故障处理策略，其特征在于：所述步骤(1)的具体实现方式如下：

对于任一与换流站直流母线所连的直流断路器，检测流经该直流断路器的电流，如果电流大于换流站额定直流电流值的1.5倍，则判定系统发生了直流故障；检测到系统发生直流故障后，进一步判断若与该直流断路器所连的换流站直流母线的注入电流之和绝对值大于换流站额定直流电流值的0.1倍，则判定故障发生位置在该换流站直流母线上；

若直流故障不在换流站直流母线处，则进一步根据直流电流的方向来判断故障发生位置：对于该直流断路器所连的换流站直流母线为正极直流母线情况下，若直流电流从正极直流母线流向该直流断路器对应的直流线路，则判定故障发生位置在该直流断路器对应的直流线路上，若直流电流从该直流断路器对应的直流线路流向正极直流母线，则判定故障发生位置在正极直流母线与机械开关之间；对于该直流断路器所连的换流站直流母线为负极直流母线情况下，若直流电流从负极直流母线流向该直流断路器对应的直流线路，则判定故障发生位置在负极直流母线与机械开关之间，若直流电流从该直流断路器对应的直流线路流向负极直流母线，则判定故障发生位置在该直流断路器对应的直流线路上。

8.根据权利要求6所述的直流故障处理策略，其特征在于：所述步骤(2)的具体实现方式如下：

若故障发生位置在换流站直流母线上或在换流站直流母线与机械开关之间，则停运故障极换流器并向与该直流母线相连的所有直流断路器发出开断信号，经过一定延时后，原本通过直流断路器与该直流母线连通的所有直流线路完全与之断开；与此同时，向交流断路器发出开断信号，经过一定延时后，换流站与交流系统之间的联系完全切断；当故障极换流器的直流出线电流为零后，断开故障极的机械开关；

若故障发生位置在直流线路上，则只需向该直流线路两端的直流断路器发出开断信号，经过一定延时后，该直流线路被完全隔离。

9.根据权利要求6所述的直流故障处理策略，其特征在于：所述步骤(3)的具体实现方式如下：

首先，将故障极换流器保持在定直流电压控制状态，然后闭合旁路保护模块且断开直流故障重启动保护模块中的电流旁路支路；

然后，将故障直流线路对应的直流断路器闭合，同时监测流经该直流断路器的电流，如果电流大于换流站额定直流电流值的1.5倍，则判定为永久性直流线路故障，并重新断开对应的直流断路器；

对应的直流断路器闭合后经过一定延时，若流经该直流断路器的电流始终小于换流站额定直流电流值的1.5倍，则判定为暂时性直流线路故障，并闭合直流故障重启动保护模块中的电流旁路支路，然后逐渐抬升故障极换流器的有功功率指令值，使故障极换流站逐渐恢复到故障前的稳定运行状态；旁路保护模块闭合后经过若干秒时间，电阻型超导限流器会恢复到超导状态，进而断开旁路保护模块。