CN109994989A - 一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护方法及系统 - Google Patents

一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护方法及系统 Download PDF

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王志冰
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Abstract

本发明提出一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护方法及系统，包括：基于采集到的直流断路器的电感电压和模块化多电平换流器的直流侧电压，确定直流断路器的保护动作判据；利用直流断路器的保护动作判据，确定直流断路器的保护动作逻辑。本发明通过本地测量的电气信息生成直流断路器的保护动作判据，从而快速有效的判断直流线路或母线故障的发生及位置，使得直流断路器可以快速有选择性地隔离直流故障，实现柔性直流电网对直流故障的可靠保护。

Description

一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护方法及系统
技术领域
本发明涉及直流电网安全与保护领域，具体涉及一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护方法及系统。
背景技术
柔性直流电网技术是解决大规模新能源汇集、远距离输送和大范围消纳的有效方法之一。其中，模块化多电平换流器(MMC)由于具有功率双向流动、不存在换相失败、有功和无功功率快速解耦控制等特点，成为构建柔性直流电网换流站的首选技术方案。虽然包括MMC的柔性直流电网具有诸多优点，但其仍面临许多待解决的技术问题，特别是直流故障下的电网保护问题。
由于柔性直流电网的阻抗很小，且半桥型MMC中存在续流二极管，因此直流故障电流上升的速度较快，从而给直流电网的运行带来了严重影响，所以要求直流电网中的直流断路器必须在短时间内(几毫秒内)能够快速响应，并反馈选择性的正确动作。
现有技术中小波分析方法是通过检测故障时各线路电容放电来识别故障线路，但是该方法是针对两电平VSC直流电容放电特性分析的，而MMC电容分散在子模块中，与其放电特性不同；现有技术中针对星形直流电网的单极接地故障分别设计了基于故障电压变化率(ROCOV)和短时能量的故障识别方法，但是这两种方法都没有考虑直流环网和极间短路故障的情况；而针对直流电网距离的保护方法，其有效性在很大程度上仍依赖于直流故障电流初始上升率(IRRC)的测量精度。
因此，适用于直流断路器的快速可靠的柔性直流电网故障识别方法，即直流断路器的保护动作逻辑，仍然是亟待研究的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护方法及系统。
本发明第一个方面提供了一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护方法，其包括：
基于采集到的直流断路器的电感电压和模块化多电平换流器的直流侧电压，确定直流断路器的保护动作判据；利用直流断路器的保护动作判据，确定直流断路器的保护动作逻辑。
基于采集到的直流断路器的电感电压和模块化多电平换流器的直流侧电压，确定直流断路器的保护动作判据，包括：当直流断路器的电感电压vLb增大，且检测持续时间超过最小检测时间时，则判断有直流故障发生；当发生直流故障时，进一步判定：若直流断路器的电感电压vLb正向增大，且直流断路器的电感电压vLb在第一时间阈值内超过预设值vpreset，则直流断路器所在的直流线路发生故障；若直流断路器的电感电压vLb反向增大，且模块化多电平换流器的直流侧电压vc在第二时间阈值内下降到额定电压vrated的第一设定比例以下，则直流断路器所连直流母线发生故障。
直流断路器的电感电压vLb的计算公式如下所示：
其中，Lb为直流断路器电感，Larm为桥臂电感，VDC是额定直流电压，vo为直流断路器后的直流电压。
直流断路器的保护动作逻辑，包括：基于直流断路器的保护动作判据，直流断路器生成相应的跳闸信号；如果模块化多电平换流器的桥臂电流超出预设的保护阈值，则模块化多电平换流器闭锁；断开故障区域内的交流断路器和直流开关，隔离故障线路。
第一时间阈值为2ms，第二时间阈值为1ms，第一设定比例为50％。
本发明第二个方面提供了一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护系统，其包括：
保护动作判据确定模块，用于基于采集到的直流断路器的电感电压和模块化多电平换流器的直流侧电压，确定直流断路器的保护动作判据；保护动作逻辑确定模块，用于利用直流断路器的保护动作判据，确定直流断路器的保护动作逻辑。
保护动作判据确定模块，包括：判断子模块、直流线路故障子模块和直流母线故障子模块；
判断子模块，用于当直流断路器的电感电压vLb增大，且检测持续时间超过最小检测时间时，则判断有直流故障发生；直流线路故障子模块，用于当发生直流故障时，若直流断路器的电感电压vLb正向增大，且直流断路器的电感电压vLb在第一时间阈值内超过预设值vpreset，则直流断路器所在的直流线路发生故障；直流母线故障子模块，用于当发生直流故障时，若直流断路器的电感电压vLb反向增大，且模块化多电平换流器的直流侧电压vc在第二时间阈值内下降到额定电压vrated的第一设定比例以下，则直流断路器所连直流母线发生故障。
直流断路器的电感电压vLb为：
其中，Lb为直流断路器电感，Larm为桥臂电感，VDC是额定直流电压，vo为直流断路器后的直流电压。
直流断路器的保护动作逻辑，包括：跳闸信号生成子模块、换流器闭锁子模块和隔离子模块；
跳闸信号生成子模块，用于基于直流断路器的保护动作判据，直流断路器生成相应的跳闸信号；换流器闭锁子模块，用于如果模块化多电平换流器的桥臂电流超出预设的保护阈值，则模块化多电平换流器闭锁；隔离子模块，用于断开故障区域内的交流断路器和直流开关，隔离故障线路。
第一时间阈值为2ms，第二时间阈值为1ms，第一设定比例为50％。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1.本发明通过采集到的电气信息生成直流断路器的保护动作判据，执行直流断路器的保护动作逻辑，使得直流断路器可以快速有选择性地隔离直流故障，实现柔性直流电网对直流故障的可靠保护；
2.本发明所涉及的电气信息均由本地测量，不依赖于通信，从而快速有效的判断直流线路或母线故障的发生及位置；
3.本发明采用的方法使得直流断路器快速准确地隔离故障线路，可以实现保护的选择性。
附图说明
图1为本发明的设计流程图；
图2为本发明的MMC的电路示意图；
图3为本发明直流断路器的保护动作逻辑框图；
图4为本发明的四端直流环网拓扑结构图；
图5为本发明直流线路Line12的极间短路故障仿真波形图；
其中，图5(a)为DCCB的跳闸信号，图5(b)为DCCB电感电压，图5(c)为MMC直流侧电压，图5(d)为MMC传输功率；
图6为本发明直流母线Bus2的极间短路故障仿真波形图；
其中，图6(a)为DCCB的跳闸信号，图6(b)为DCCB电感电压，图6(c)为MMC直流侧电压，图6(d)为MMC传输功率。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明的保护方法，其包括：基于采集到的直流断路器的电感电压和模块化多电平换流器的直流侧电压，确定直流断路器的保护动作判据；利用直流断路器的保护动作判据，确定直流断路器的保护动作逻辑。
如图2所示，本发明以柔性直流电网为研究对象，涉及一种柔性直流电网的保护方法。
模块化多电平换流器MMC正常运行时，直流侧电压为额定直流电压VDC，上桥臂和下桥臂电感Larm上的电压为零：
vu+vl＝VDC＝vc＝vo (1)
vLarm＝vLb＝0 (2)
式中，vu和vl分别为上桥臂电压和下桥臂电压，vc是MMC直流侧电压，Vo是直流断路器后直流电压，vLarm是各相上、下桥臂电感电压之和，vLb是直流断路器电感Lb上电压。
1)直流线路极间短路故障F12
当MMC直流侧发生线路极间短路故障F12后，MMC在检测到故障前仍保持正常运行状态。此时，Vo迅速降低，桥臂电感Larm和直流断路器电感Lb上会产生很大的直流电压(vLarm>0，vLb>0)。故障初始阶段，故障电流直流分量主要是桥臂故障电流。MMC直流侧电压vc下降到额定直流电压VDC以下，而MMC在控制的作用下仍然产生VDC的电压，即vc＝vu+vl-vLarm，vu+vl＝VDC，vc≤VDC。
对于MMC而言，各相桥臂均由N个子模块SM串联而成，其中子模块电容为CSM，并且子模块电容电压可以通过排序算法进行平衡，因此其在故障时放电是均等的。
各相上、下桥臂电感电压之和可以近似表示为：
vLarm＝VDC-vc (3)
各相直流故障电流ifj幅值相等，并表示为：
式中，t0是故障发生时刻。
则j相的上桥臂电流可以表示为：
式中，ij是j相的交流侧电流，IDC是额定直流电流。
直流断路器电感电压会导致直流电流iDC增加，即：
式中，vLb是直流断路器电感Lb上电压。直流电流是三相桥臂电流之和，因此式(7)可以根据式(5)改写为：
比较式(7)和(8)，桥臂电感电压和直流断路器电感电压之间的关系可以表示为：
将式(9)代入式(5)，可得：
由于桥臂电感和直流断路器电感共同承担故障直流电压，考虑式(6)和(7)可得：
根据式(11)和(12)可以看出，直流断路器电感电压不仅可以反映直流故障电流变化率的信息，还可以反映直流侧故障电压的信息，因此可以考虑采用直流断路器的电感电压作为直流线路极间短路故障的保护动作判据。
2)直流母线极间短路故障F1
当MMC直流侧发生母线极间短路故障F1时，此时MMC将不再受控制作用，其直流侧输出电压vc会迅速下降，因此，可以考虑采用MMC直流侧电压vc作为直流母线极间短路故障的保护动作判据。
如图3所示，根据上述对直流断路器保护动作判据的分析，可以得到的完整保护动作逻辑如下所示：
1)使用本地电压测量装置监测直流断路器电感电压vLb和MMC直流侧电压vc，上述电气量均由本地电压测量装置测量，不需要依赖通信完成，从而可以实现柔性直流电网快速保护的要求；
2)当直流断路器电感电压vLb增大，且检测持续时间超过最小检测时间时，判断有直流故障发生；
3)若vLb正向增大，则可能是该直流断路器所在直流线路发生短路故障；且此时vLb在检测时间2ms内超过预设值vpreset，则确认故障；
4)若vLb反向增大，则可能是该直流断路器所连直流母线发生短路故障；且此时vc在检测时间1ms内下降到50％的额定电压vrated以下，则确认故障。
如图4所示的四端直流环网的拓扑结构图，MMC1、2、3和4及其相连的直流线路Line12、24、34、13构成了一个环形网，而MMC1、2、4及其相连的直流线路Line12、32、24和MMC1、3、4及其相连的直流线路Line13、32、34的连接分别构成了两个星形网。因此，该直流环网包含了一般电网所具有的典型“星形”和“环形”结构，将其用于直流故障分析和保护策略研究具有普遍的通用性。
如表1所示的四端直流环网系统参数，系统正常运行时，MMC1和MMC 3采用定有功功率控制，并分别向直流电网输送500MW的有功功率，MMC4也采用定有功功率控制，接收500MW的有功功率传输给交流电网，MMC2采用定直流电压控制，维持直流电网的直流母线电压在800kV。
表1四端环形直流电网的系统参数
在该四端直流环网的每条直流线路两端安装直流断路器，DCCB12、21、13、31、23、32、24、42、34和43；MMC换流站的直流母线出口处安装直流开关DCS1、2、3和4；交流母线出口处安装交流断路器ACCB1、2、3和4。
根据发明提出的直流断路器保护动作逻辑，有如下的直流电网保护策略：
1)直流断路器采用发明提出的保护动作逻辑自动生成跳闸信号并动作。触发跳闸信号后，直流断路器等待3ms后断开，该延迟是为了模拟直流断路器的动作延迟；
2)使用本地电流测量装置来检测MMC桥臂上的电流。如果MMC检测到桥臂电流超出其保护阈值时，MMC闭锁以保护自身的开关器件；
3)断开故障区域内的交流断路器和直流开关，从而彻底地隔离故障线路。
对该四端直流环网进行直流故障的仿真分析。
1)直流线路Line12极间短路故障
如图5(a)所示DCCB的跳砸信号(0代表直流断路器闭合，1代表直流断路器断开，下同)，1s时在直流线路Line12上施加极间短路故障F12。可以看出，当故障发生后，如图5(b)所示的DCCB电压电感波形图，vLb12和vLb21迅速正向增大，其分别在故障后的0.3ms和0.29ms时达到预设动作值10kV，从而确认故障并发送跳闸信号给直流断路器DCCB12和DCCB21，DCCB12和21在3ms延迟后断开。在DCCB的保护作用下，如图5(c)和(d)所示，各MMC的直流电压和传输功率经历约200ms的波动后恢复正常，其中由于MMC1和MMC2与故障线路相连，因此波动幅度较大。
2)直流母线Bus2极间短路故障
1s时在直流母线Bus2上施加极间短路故障F2。可以看出，当故障发生后，vLb21、vLb23、vLb24迅速反向增大，如图6(b)所示，且MMC2直流侧电压迅速降低，其在故障后瞬间降至50％的额定电压，如图6(c)所示，从而确认故障并发送跳闸信号给直流断路器DCCB21、DCCB23和DCCB24，如图6(a)所示，DCCB21、DCCB23和DCCB24在3ms延迟后断开。在DCCB的保护作用下，MMC1、3和4经历约600ms的波动后恢复正常，而MMC2会在故障后的0.16ms自保护闭锁。由于MMC2是控制电压的换流站，因此当MMC2闭锁后，MMC4自动切换为定电压控制，维持整个直流电网的直流电压，如图6(c)所示。此后，分别在1.1s和1.5s时断开ACCB2和DCS2彻底隔离故障母线。
从图6(d)中可以看出，MMC2闭锁后到ACCB2断开前，MMC2交流侧输出功率会有一个衰减的振荡过程，这是由交流系统和故障点之间通过续流二极管的能量交换产生的。
通过上述仿真分析可以看出，本发明提出的直流断路器保护动作判据可以很好的实现直流故障的快速可靠保护。
实施例2
基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护系统，下面进行说明。
本发明提供的保护系统可以包括：
保护动作判据确定模块，用于基于采集到的直流断路器的电感电压和模块化多电平换流器的直流侧电压，确定直流断路器的保护动作判据；
保护动作逻辑确定模块，用于利用直流断路器的保护动作判据，确定直流断路器的保护动作逻辑。
保护动作判据确定模块，可以包括：判断子模块、直流线路故障子模块和直流母线故障子模块；
判断子模块，用于当直流断路器的电感电压vLb增大，且检测持续时间超过最小检测时间时，则判断有直流故障发生；
直流线路故障子模块，用于当发生直流故障时，直流线路故障单元，用于若直流断路器的电感电压vLb正向增大，且直流断路器的电感电压vLb在第一时间阈值内超过预设值vpreset，则直流断路器所在的直流线路发生故障；直流母线故障子模块，用于当发生直流故障时，若直流断路器的电感电压vLb反向增大，且模块化多电平换流器的直流侧电压vc在第二时间阈值内下降到额定电压vrated的第一设定比例以下，则直流断路器所连直流母线发生故障。
直流断路器的电感电压vLb为：
其中，Lb为直流断路器电感，Larm为桥臂电感，VDC是额定直流电压，vo为直流断路器后的直流电压。
直流断路器的保护动作逻辑，可以包括：跳闸信号生成子模块、换流器闭锁子模块和隔离子模块；
跳闸信号生成子模块，用于基于直流断路器的保护动作判据，直流断路器生成相应的跳闸信号；
换流器闭锁子模块，用于如果模块化多电平换流器的桥臂电流超出预设的保护阈值，则模块化多电平换流器闭锁；隔离子模块，用于断开故障区域内的交流断路器和直流开关，隔离故障线路。
第一时间阈值为2ms，第二时间阈值为1ms，第一设定比例为50％。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护方法，其特征在于，包括：
基于采集到的直流断路器的电感电压和模块化多电平换流器的直流侧电压，确定所述直流断路器的保护动作判据；
利用所述直流断路器的保护动作判据，确定所述直流断路器的保护动作逻辑。
2.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述基于采集到的直流断路器的电感电压和模块化多电平换流器的直流侧电压，确定所述直流断路器的保护动作判据，包括：
当直流断路器的电感电压vLb增大，且检测持续时间超过最小检测时间时，则判断有直流故障发生；
当发生直流故障时，进一步判定：
若所述直流断路器的电感电压vLb正向增大，且所述直流断路器的电感电压vLb在第一时间阈值内超过预设值vpreset，则所述直流断路器所在的直流线路发生故障；
若所述直流断路器的电感电压vLb反向增大，且模块化多电平换流器的直流侧电压vc在第二时间阈值内下降到额定电压vrated的第一设定比例以下，则所述直流断路器所连直流母线发生故障。
3.如权利要求2所述的保护方法，其特征在于，所述直流断路器的电感电压vLb的计算公式如下所示：
其中，Lb为直流断路器电感，Larm为桥臂电感，VDC是额定直流电压，vo为直流断路器后的直流电压。
4.如权利要求2所述的保护方法，其特征在于，所述直流断路器的保护动作逻辑，包括：
基于所述直流断路器的保护动作判据，所述直流断路器生成相应的跳闸信号；
如果所述模块化多电平换流器的桥臂电流超出预设的保护阈值，则所述模块化多电平换流器闭锁；
断开故障区域内的交流断路器和直流开关，隔离故障线路。
5.如权利要求2所述的保护方法，其特征在于，
所述第一时间阈值为2ms，所述第二时间阈值为1ms，所述第一设定比例为50％。
6.一种基于直流断路器的柔性直流电网的保护系统，其特征在于，包括：
保护动作判据确定模块，用于基于采集到的直流断路器的电感电压和模块化多电平换流器的直流侧电压，确定所述直流断路器的保护动作判据；
保护动作逻辑确定模块，用于利用所述直流断路器的保护动作判据，确定所述直流断路器的保护动作逻辑。
7.如权利要求6所述的保护系统，其特征在于，所述保护动作判据确定模块，包括：判断子模块、直流线路故障子模块和直流母线故障子模块；
所述判断子模块，用于当直流断路器的电感电压vLb增大，且检测持续时间超过最小检测时间时，则判断有直流故障发生；
所述直流线路故障子模块，用于当发生直流故障时，若所述直流断路器的电感电压vLb正向增大，且所述直流断路器的电感电压vLb在第一时间阈值内超过预设值vpreset，则所述直流断路器所在的直流线路发生故障；
所述直流母线故障子模块，用于当发生直流故障时，若所述直流断路器的电感电压vLb反向增大，且模块化多电平换流器的直流侧电压vc在第二时间阈值内下降到额定电压vrated的第一设定比例以下，则所述直流断路器所连直流母线发生故障。
8.如权利要求7所述的保护系统，其特征在于，所述直流断路器的电感电压vLb为：
其中，Lb为直流断路器电感，Larm为桥臂电感，VDC是额定直流电压，vo为直流断路器后的直流电压。
9.如权利要求7所述的保护系统，其特征在于，所述直流断路器的保护动作逻辑，包括：跳闸信号生成子模块、换流器闭锁子模块和隔离子模块；
所述跳闸信号生成子模块，用于基于所述直流断路器的保护动作判据，所述直流断路器生成相应的跳闸信号；
所述换流器闭锁子模块，用于如果所述模块化多电平换流器的桥臂电流超出预设的保护阈值，则所述模块化多电平换流器闭锁；
所述隔离子模块，用于断开故障区域内的交流断路器和直流开关，隔离故障线路。
10.如权利要求7所述的保护系统，其特征在于，
所述第一时间阈值为2ms，所述第二时间阈值为1ms，所述第一设定比例为50％。
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