CN109830935A - 一种混合多端直流输电线路故障重启控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合多端直流输电线路故障重启控制方法及装置，当直流输电线路故障重启动作时，将定直流电压受端换流器切换为定直流电流模式，并将该定直流电压受端换流器的电压参考值设置为零；在第一设定时间后，将定直流电压受端换流器电压参考值按设定电压斜率恢复，并检测反向电流变化率，判断在第一设定时间后的第一设定时间段内反向电流变化率是否大于设定变化率值；若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则定直流电压受端将其换流器的电压参考值恢复至额定电压，通过增加定直流电压受端的反向电流变化率的大小判据，提高了直流输电系统可用率和故障重启的成功率，减小了逆变侧受端换流器的过流风险。

Description

一种混合多端直流输电线路故障重启控制方法及装置

技术领域

本发明涉及直流输电及电力电子技术领域，特别是一种混合多端直流输电线路故障重启控制方法及装置。

背景技术

在特高压直流输电工程中，由于直流输电线路通常有数千公里，直流线路遭遇山火、雷击等故障的可能性大大增加。对于此类故障，控制系统采用移相去游离策略可快速恢复直流线路周围介质的绝缘性能。

现代电力系统的快速发展及电力电子技术的更新换代使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长足进步。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。同时，MMC系统还具备开关频率较低、开关损耗小、无需交流滤波器组和扩展性强等优点，这使得MMC逐步实现了工程应用，并可以运用于高直流电压、大功率输电的场合。

常规特高压直流工程整流侧及逆变侧均采用LCC换流器主接线结构，当直流线路发生故障时，仅需通过整流侧LCC换流器的移相操作就能使故障点短路电流为0，并且其再次重启动仅需通过整流侧电压判据来实现(上一次去游离完成后50ms内判断直流电压低于0.1pu触发再一次重启动控制时序)。然而对于LCC-MMC混合拓扑结构的直流输电系统来说，整流侧的LCC为送端，逆变侧包括多个MMC受端，如图1所示，为一种特高压混合多端直流输电单极拓扑结构示意图，当系统发生接地故障时，不但整流侧LCC换流器会向故障点馈入短路电流，而且逆变侧的MMC换流器也会通过反并联的二极管向接地点注入大量短路电流，故障特征如图2所示。另外，由于基于IGBT拓扑结构换流器过流能力远远小于晶闸管拓扑结构换流器，如果故障点仍存在或是长时接地故障，再一次重启动时定电压侧MMC建立起很小的直流电压也将会产生剧烈的突变直流电流。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合多端直流输电线路故障重启控制方法及装置，用以解决现有LCC-MMC特高压直流输电故障重启成功率较低的问题。

为了实现特高压直流输电系统故障安全重启，解决现有LCC-MMC特高压直流输电故障重启成功率较低的问题。本发明提供一种混合多端直流输电线路故障重启控制方法，包括以下步骤：

1)当直流输电线路故障重启动作时，将定直流电压受端换流器切换为定直流电流模式，并将该定直流电压受端换流器的电压参考值设置为零；

2)在第一设定时间后，将所述定直流电压受端换流器的电压参考值按设定电压斜率恢复，并检测反向电流变化率，判断在第一设定时间后的第一设定时间段内反向电流变化率是否大于设定变化率值；

3)若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则定直流电压受端将其换流器的电压参考值恢复至额定电压。

有益效果是，通过增加线路故障重启动，即为定直流电压受端的反向电流变化率的大小判据，提高了直流输电系统可用率，尤其是提高了输电系统故障重启的成功率，减小了逆变侧受端换流器的过流风险，使得LCC-MMC特高压直流输电故障重启成功率较高。

进一步地，为了提供系统故障重启的成功率，步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制送端的换流器触发角强制移相操作，在第二设定时间后，将送端恢复定直流电流控制，并判断在第二设定时间后的第二设定时间段内是否满足直流低电压判据，若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则所述送端将其换流器电流参考值恢复至故障前水平；

其中，直流低电压判据为Ud_act＜Ud_Lowset，Ud_act为直流电压实际值，Ud_Lowset为直流低电压判据设定值；第二设定时间大于第一设定时间。

进一步地，为了保障具有定有功功率受端的输电系统的故障重启，步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制定有功功率受端换流器切换为定直流电流模式并将该定有功功率受端换流器的功率参考值设置为零，在第三设定时间后，将定有功功率受端换流器的有功功率参考值按设定功率斜率恢复至故障前水平；

其中，第三设定时间大于第二设定时间。

进一步地，为了防止重启次数过高，保证直流输电系统安全，执行步骤1)时还判断当前故障的重启次数是否大于设定最大允许重启次数，若是，则闭锁重启。

本发明提供一种混合多端直流输电线路故障重启控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

1)当直流输电线路故障重启动作时，将定直流电压受端换流器切换为定直流电流模式，并将该定直流电压受端换流器的电压参考值设置为零；

2)在第一设定时间后，将所述定直流电压受端换流器的电压参考值按设定电压斜率恢复，并检测反向电流变化率，判断在第一设定时间后的第一设定时间段内反向电流变化率是否大于设定变化率值；

3)若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则定直流电压受端将其换流器的电压参考值恢复至额定电压，通过增加线路故障重启动，即为定直流电压受端的反向电流变化率的大小判据，提高了直流输电系统可用率，尤其是提高了输电系统故障重启的成功率，减小了逆变侧受端换流器的过流风险，使得LCC-MMC特高压直流输电故障重启成功率较高。

进一步地，为了提供系统故障重启的成功率，该装置的步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制送端的换流器触发角强制移相操作，在第二设定时间后，将送端恢复定直流电流控制，并判断在第二设定时间后的第二设定时间段内是否满足直流低电压判据，若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则所述送端将其换流器电流参考值恢复至故障前水平；

其中，直流低电压判据为Ud_act＜Ud_Lowset，Ud_act为直流电压实际值，Ud_Lowset为直流低电压判据设定值；第二设定时间大于第一设定时间。

进一步地，为了保障具有定有功功率受端的输电系统的故障重启，该装置的步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制定有功功率受端换流器切换为定直流电流模式并将该定有功功率受端换流器的功率参考值设置为零，在第三设定时间后，将定有功功率受端换流器的有功功率参考值按设定功率斜率恢复至故障前水平；

其中，第三设定时间大于第二设定时间。

进一步地，为了防止重启次数过高，保证直流输电系统安全，该装置在执行步骤1)时还判断当前故障的重启次数是否大于设定最大允许重启次数，若是，则闭锁重启。

附图说明

图1是现有技术的一种特高压混合多端直流输电单极拓扑结构示意图；

图2是现有技术的一种特高压混合多端直流输电线路接地故障示意图；

图3是本发明的一种混合多端直流输电线路故障重启控制方法的流程图；

图4是本发明的混合多端直流线路故障重启2次过程波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供一种混合多端直流输电线路故障重启控制方法，适用于一个送端和两个受端以及连接送端与受端的直流架空线路，如图1所示，送端采用传统LCC换流器串联结构，受端1和受端2为全桥(FBSM)子模块拓扑串联结构，该方法的流程，如图3所示，针对此多端直流输电线路故障，详细实现步骤为：

步骤1：通过超高速直流线路保护实时检测直流线路电流电压等电气量，当线路发生接地等故障时，线路保护动作并发送“线路重启信号(DCFR)”给控制系统；

步骤2：控制系统根据“线路重启信号”触发直流线路故障重启动控制时序，其分为检测故障后移相去游离及重新建立直流电压和直流电流两个阶段。

受端2为定直流电压换流器，在一个直流输电系统中仅能够设置一个受端2，针对该受端2，其具体的控制步骤如下：

1)当直流输电线路故障重启动作时，将定直流电压受端换流器切换为定直流电流模式，并将该定直流电压受端换流器的电压参考值设置为零。

2)在第一设定时间后，将定直流电压受端换流器的电压参考值按设定电压斜率恢复，并检测反向电流变化率，判断在第一设定时间后的第一设定时间段内反向电流变化率是否大于设定变化率值。

步骤2)中判据可以采取对比变化率的大小，也可以采用离散表达形式，例如，Id_t+1-Id_t＞ΔId_set且(Id_t+1＜0)&(Id_t＜0)，其中，Id_t为t时刻直流电流采样值，Id_t+1为下一个运行周期直流电流采样值，ΔId_set为反向电流判据启动定值，当Id_t+1-Id_t＞ΔId_set时即为反向电流变化率大于设定变化率值。

3)若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则定直流电压受端将其换流器的电压参考值恢复至额定电压。

在上述步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制送端的换流器触发角强制移相操作，在第二设定时间后，将送端恢复定直流电流控制，并判断在第二设定时间后的第二设定时间段内是否满足直流低电压判据，若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则所述送端将其换流器电流参考值恢复至故障前水平。当然，关于送端的控制还可采用现有直流输电故障重启中的其他控制方式。

上述的直流低电压判据为Ud_act＜Ud_Lowset，Ud_act为直流电压实际值，Ud_Lowset为直流低电压判据设定值；当Ud_act＜Ud_Lowset时满足直流低电压判据，控制各端换流器故障重启。

其中，第二设定时间大于第一设定时间，第一设定时间为定直流电压受端切换为定直流电流模式的去游离时间，优选为350ms；第二设定时间为送端触发角强制移相操作的去游离时间，优选为400ms；第一设定时间段为反向电流变化率判据的判断时间，优选为50ms；第二设定时间段为直流低电压判据的判断时间，优选为150ms。

另外，受端1为定有功功率换流器，当直流输电线路中存在受端1，即处于定有功功率模式的受端时，上述步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制处于定有功功率模式的定有功功率受端换流器切换为定直流电流模式并将该定有功功率受端换流器的功率参考值设置为零，在第三设定时间后，将定有功功率受端换流器的有功功率参考值按设定功率斜率恢复至故障前水平。同样，当直流输电线路中不存在该受端1时，可以不使用该定有功功率受端的控制步骤。

其中，第三设定时间大于第二设定时间，该第三设定时间为定有功功率受端切换为定直流电流模式的去游离时间，优选为450ms。

当上述设定时间和设定时间段确定后，送端、受端1和受端2构成的直流输电线路具体的控制流程如下：

送端强制移相的去游离时间为400ms，受端1由定有功功率模式切换为定直流电流模式并置零有功功率参考值的去游离时间为450ms，受端2由定电压模式切换为定直流电流模式并置零直流电压参考值去游离时间为350ms。

在受端2MMC侧的350ms去游离时间结束后，其由定直流电流控制模式切换为定直流电压控制模式，使得直流电压参考值按设定电压斜率恢复，并且，检测受端2的MMC换流器的反向电流变化率。

若在去游离结束后的50ms内反向电流变化率小于设定变化率值，受端2继续恢复直流电压至额定值，若在去游离结束后的50ms内反向电流变化率大于设定变化率值重新进行重启步骤。

在受端2按设定斜率升压至额定电压后，在去游离结束后的50ms内反向电流变化率小于设定变化率值，在送端LLC侧400ms去游离时间结束后，触发角强制移相信号消失，其控制器切换为正常的定直流电流控制，并判断在150ms内是否满足直流低电压判据，若在送端LLC侧去游离结束后的150ms内直流低电压检测判据满足则重新进行重启步骤；若不满足，则整流侧送端继续恢复电流参考值至故障前水平；另外，在受端1MMC侧450ms去游离时间结束后，其由定直流电流控制模式切换为定有功功率控制模式，有功功率参考值按设定功率斜率恢复至故障前水平。如图4所示，为在上述优选的设定时间下的本方法的2次重启的波形图。

进一步地，在上述控制方法基础上，检测的反向电流变化率一直大于设定变化率值或者一直满足直流低电压判据，按照系统研究确定的最大允许重启次数进行多次重启动，直到故障点清除。对于最后一次重启动，如果重启次数大于该系统研究确定的最大允许重启次数则会闭锁重启。

上述的控制方法可以通过简单处理器、存储器和程序构成的控制系统的形式进行实现，现有的特高压直流输电中存在一种极控系统，将上述控制方法融入该极控系统也可实现特高压直流输电的故障重启控制。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种混合多端直流输电线路故障重启控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)当直流输电线路故障重启动作时，将定直流电压受端换流器切换为定直流电流模式，并将该定直流电压受端换流器的电压参考值设置为零；

2)在第一设定时间后，将所述定直流电压受端换流器的电压参考值按设定电压斜率恢复，并检测反向电流变化率，判断在第一设定时间后的第一设定时间段内反向电流变化率是否大于设定变化率值；

3)若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则定直流电压受端将其换流器的电压参考值恢复至额定电压。

2.根据权利要求1所述的混合多端直流输电线路故障重启控制方法，其特征在于，步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制送端的换流器触发角强制移相操作，在第二设定时间后，将送端恢复定直流电流控制，并判断在第二设定时间后的第二设定时间段内是否满足直流低电压判据，若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则所述送端将其换流器电流参考值恢复至故障前水平；

其中，直流低电压判据为Ud_act＜Ud_Lowset，Ud_act为直流电压实际值，Ud_Lowset为直流低电压判据设定值；第二设定时间大于第一设定时间。

3.根据权利要求2所述的混合多端直流输电线路故障重启控制方法，其特征在于，步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制定有功功率受端换流器切换为定直流电流模式并将该定有功功率受端换流器的功率参考值设置为零，在第三设定时间后，将定有功功率受端换流器的有功功率参考值按设定功率斜率恢复至故障前水平；

其中，第三设定时间大于第二设定时间。

4.根据权利要求3所述的混合多端直流输电线路故障重启控制方法，其特征在于，执行步骤1)时还判断当前故障的重启次数是否大于设定最大允许重启次数，若是，则闭锁重启。

5.一种混合多端直流输电线路故障重启控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

1)当直流输电线路故障重启动作时，将定直流电压受端换流器切换为定直流电流模式，并将该定直流电压受端换流器的电压参考值设置为零；

2)在第一设定时间后，将所述定直流电压受端换流器的电压参考值按设定电压斜率恢复，并检测反向电流变化率，判断在第一设定时间后的第一设定时间段内反向电流变化率是否大于设定变化率值；

3)若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则定直流电压受端将其换流器的电压参考值恢复至额定电压。

6.根据权利要求5所述的混合多端直流输电线路故障重启控制系统，其特征在于，步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制送端的换流器触发角强制移相操作，在第二设定时间后，将送端恢复定直流电流控制，并判断在第二设定时间后的第二设定时间段内是否满足直流低电压判据，若是，则控制各端换流器故障重启；若否，则所述送端将其换流器电流参考值恢复至故障前水平；

其中，直流低电压判据为Ud_act＜Ud_Lowset，Ud_act为直流电压实际值，Ud_Lowset为直流低电压判据设定值；第二设定时间大于第一设定时间。

7.根据权利要求6所述的混合多端直流输电线路故障重启控制系统，其特征在于，步骤1)中当直流输电线路故障重启动作时，还控制定有功功率受端换流器切换为定直流电流模式并将该定有功功率受端换流器的功率参考值设置为零，在第三设定时间后，将定有功功率受端换流器的有功功率参考值按设定功率斜率恢复至故障前水平；

其中，第三设定时间大于第二设定时间。

8.根据权利要求7所述的混合多端直流输电线路故障重启控制系统，其特征在于，执行步骤1)时还判断当前故障的重启次数是否大于设定最大允许重启次数，若是，则闭锁重启。