CN110137923A - 一种含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法 - Google Patents

一种含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法，包括在发生直流故障且直流断路器动作后，经过预设延时保证故障线路去游离；在直流断路器的主动配合下，换流器通过主动控制将电压信号注入到故障线路，检测反射电压的极性，若反射电压的极性与电压信号的极性相同，判定故障为瞬时性故障，对故障线路进行重合闸操作；若反射电压的极性与电压信号的极性相反，判定故障为永久性故障，不重合直流断路器，进行故障定位。本发明提供的自适应重合闸方法通过判断故障性质控制断路器是否进行重合闸，从而防止断路器重合闸于永久性故障而对系统造成的二次冲击，反射电压的极性可以明显区分所有的故障类型，可靠性高。

Description

一种含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法
技术领域
本发明属于柔性直流输电领域，更具体地，涉及一种含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法。
背景技术
基于MMC(Modular multilevel converter)，模块化多电平换流器)的直流输电技术凭借其模块化结构、谐波含量低、自启动、功率解耦控制、开关损耗低等特点，在新能源发电、异步互联、城市电网增容、向无源系统供电、连接弱交流电网等方面有着广阔的应用场景。考虑到输电距离、电压等级以及成本问题，柔直系统常采用架空线路进行大规模功率传输。架空线路工作环境恶劣，故障发生概率高；同时故障电流上升速度快、幅值大，给换流站和系统的安全运行造成危害，因此需在线路上安装DCCB(Direct Current CircuitBreaker，直流断路器)来进行故障隔离。
架空线故障大多数是瞬时性故障，因此故障隔离后，应快速进行系统重启，以恢复系统的供电，从而提高系统的可靠性。目前工程上常采用自动重合闸方案进行故障重启。该方法的最大问题在于不能判断故障性质，一旦重合于永久性故障，将会对系统和换流站造成二次危害，且二次分闸进一步增加了直流断路器的开断容量需求。以中国的张北工程为例，无论是混合式直流断路器还是机械式直流断路器，二次分闸需要的开断容量高达100余MJ，高于故障隔离期的一次分闸。这给断路器避雷器配置以及拓扑的设计带来了更大的挑战。为提高重合闸的成功率以及系统的安全性，将在断路器合闸之前，进行故障性质的判断。若判断结果为瞬时性故障，则断路器应立刻进行合闸；若判断结果为永久性故障，则需进行故障测距，安排维修工作。这种通过预先判断故障性质的重合闸方法称为“自适应重合闸”。
针对交流系统的自适应重合闸研究，存在一系列成熟的方案。与交流系统相比，直流线路不存在线路换位、分支等因素的影响，因此健全极线路与故障极线路的耦合作用较小。这一特点使得交流系统的自适应重合闸方案不能很好地应用于直流系统中。
基于以上考虑，不少学者提出了适用于直流系统的自适应重合闸方案。例如可以利用正负极直流电压的差异性实现永久性故障的辨识。然而该方法反映高阻故障能力差。为提高对高阻故障的灵敏性，还可以通过将换流站运行于不控整流模式来进行故障性质的判断，进而实现系统的重启。然而运行模式的改变将会使得操作复杂化，并带来稳定性问题。另外还有人提出了主动式自适应重合闸方案，该方案采用级联的断路器主动电压信号的方法，实现故障性质的判别。这种电压信号的故障识别方案，具有较高的可靠性与安全性，且无需添加额外的设备与投资。然而，该方案所采用的断路器拓扑是级联型断路器，具有局限性，仅适用于含级联型高压直流断路器的系统。
综上所述，为提高系统的可靠性与换流站安全性，需对故障隔离后的直流系统进行自适应重合闸。而自适应重合闸的关键问题在于对故障性质进行判断。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法，旨在解决现有自适应重合闸方案可靠性不高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法，包括：
(1)在发生直流故障且直流断路器动作后，经过预设延时保证故障线路去游离；
(2)在直流断路器的主动配合下，换流器通过主动控制将电压信号注入到所述故障线路，检测反射电压的极性，
若反射电压的极性与所述电压信号的极性相同，判定故障为瞬时性故障，对故障线路进行重合闸操作；
若反射电压的极性与所述电压信号的极性相反，判定故障为永久性故障，不重合直流断路器，进行故障定位。
本发明提供的柔性直流输电系统自适应重合闸方法在故障线路去游离后，对故障性质的判别，从而防止断路器重合闸于永久性故障而造成的二次冲击，降低柔性直流输电网络对直流断路器开断容量的要求，提高柔性直流输电系统的安全性和供电可靠性。
优选地，直流断路器包括主支路、换流支路和耗能支路，换流支路作为电压信号注入故障线路的通道。
优选地，直流断路器包括ABB混合式直流断路器、耦合型机械直流断路器、负压耦合型机械直流断路器、级联全桥子模块混合型直流断路器。
优选地，电压信号由所述换流器在双闭环矢量控制的基础上通过引入比例系数控制信号幅度得到，用于故障性质的判断。
优选地，电压信号注入期间，直流断路器开通预设时间，使得电压信号能够进入到故障线路上，预设时间决定了电压信号的宽度。
优选地，电压信号的幅值和宽度的选取应满足特定的要求。其中幅值的选取要考虑对换流器、断路器以及信号检测的影响，宽度的选取应考虑采样频率、开关器件的投切频率等。电压信号的幅值为2％Vdcn～15％Vdcn，其中，Vdcn为柔性直流输电系统正常运行时的额定电压。电压信号的宽度为100μs。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的柔性直流输电系统自适应重合闸方法在故障线路去游离后，通过判断故障性质控制断路器是否进行重合闸，从而防止断路器重合闸于永久性故障而对系统造成的二次冲击，其中故障性质通过反射电压的极性判断，无论故障电阻是否很高，只要是不同性质的故障，反射电压的极性可以很明显的区分，因此可以识别所有的故障类型，并且反映高阻故障的能力很强，即对故障判断的可靠性高；
2、本发明通过换流器的主动控制实现故障线路电压信号的注入，对断路器拓扑和故障性质的依赖较低，具有较高的普适性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的柔性直流输电系统的拓扑图；
图2是本发明实施例提供的混合式高压直流断路器的结构示意图；
图3是本发明提供的含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的换流器主动控制框图；
图5是本发明实施例提供的混合式高压直流断路器主动配合的示意图；
图6是本发明实施例提供的电压信号在永久性故障下的反射电压极性示意图；
图7是本发明实施例提供的电压信号在瞬时性故障下的反射电压极性示意图；
图8是本发明实施例提供的瞬时性故障下线路侧直流电压检测波形示意图；
图9是本发明实施例提供的永久性故障下线路侧直流电压检测波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例采用的一种柔性直流输电系统拓扑。其子模块采用半桥型结构，且线路两侧安装有开断速度快、通态损耗小的混合式高压直流断路器。为限制故障电流的大小，在线路两侧安装限流电抗器，其大小为0.1H。该系统为对称双极系统，架空线路(overhead line，OHL)采用频率依赖模型。其中，MMC1站采用定直流电压控制，MMC2站采用定有功功率控制。
图2为本发明提供的一种混合式高压直流断路器的结构示意图。对于混合式高压直流断路器，正常运行时，直流电流流过通流支路，以降低主断路器的通态损耗。直流故障发生后，直流故障电流逐渐换流至主断路器支路。当通流支路电流降为零时，快速隔离开关在零电流情况下断开，耗时2ms左右。随后主断路器中的IGBT关断，故障电流转移至耗能支路，由避雷器消耗故障能量。合闸时，由于主断路器支路通态电阻大，先导通主断路器支路以减小合闸瞬间电流。随后，闭合快速隔离开关和辅助断路器，直流电流转移至通流支路。
图3为本发明提供的含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法的流程示意图，包括以下步骤：
(1)在发生直流故障且直流断路器动作后，经过预设延时保证故障线路去游离；
(2)在直流断路器的主动配合下，换流器通过主动控制将电压信号注入到所述故障线路，检测反射电压的极性，
若反射电压的极性与所述电压信号的极性相同，判定故障为瞬时性故障，对故障线路进行重合闸操作；
若反射电压的极性与所述电压信号的极性相反，判定故障为永久性故障，不重合直流断路器，进行故障定位。
图4是本发明实施例提供的换流器主动控制框图。该主动控制框图是在双闭环矢量控制的基础上，通过引入比例系数k来输出可控的直流电压信号，并将其作为电压信号。有功外环通过定直流电压或有功功率控制输出d轴电流参考值Idref；无功外环通过定无功功率控制输出q轴电流参考值Iqref。对于电流内环，通过PI控制，实现Id、Iq对Idref、Iqref的跟踪，进而输出交流电压调制比Md、Mq。经dq逆变换，得到ma、mb、mc，再进一步得到交流调制电压，更进一步地，从经均压算法和阶梯波调制输出桥臂投入子模块数N，从而输出直流电压从而实现桥臂子模块的投切。
比例系数k的定义如下：
其中主动控制时间段为tinject～tinject+Δtpulse，tinject时刻换流器通过切换控制，产生一电压信号，与此同时开放转移支路；经Δtpulse时间后，信号与转移支路同时关断。
正常运行时，系统采用双闭环矢量控制，换流器输出额定的直流电压；故障发生后，直流电压出现高频震荡；经断路器动作后，定直流电压侧的直流电压恢复到额定值附近；信号注入期间，主动控制起作用，换流器输出的直流电压幅值为kVdcn，其中Vdcn为柔性直流输电系统正常运行时的额定电压。
图5是本发明实施例采用的断路器的主动配合示意图。故障隔离后，断路器处于开断状态，换流器产生的电压信号无法到达故障线路中。因此有必要短时开放断路器的某一支路，使得电压信号能够注入到故障线路中。考虑到主支路中的机械开关动作速度慢，且无熄弧能力，因此选取转移支路作为电压信号的流通途径。具体地，tinject时刻换流器通过切换控制，产生一电压信号，与此同时开放转移支路；经Δtpulse时间后，信号与转移支路同时关断。
图6是本发明实施例提供的电压信号在永久性故障下的反射电压极性示意图。在永久性故障下，故障点C相当于存在一个故障边界。行波注入点A点注入的电压记为u1，则前行波u1向线路末端传播的过程中，在C点发生折反射。以金属性故障为例，C点产生的折射波为零，因此行波只在AC之间来回折反射。由于C点的等效波阻抗较小，所以C点的反射系数为负，反射电压UA1q的极性与注入电压的极性相反。行波在AC之间来回折反射之后，A点检测到很多反射电压UAiq(i＝1,2,…)，仅由第一个反射电压UA1q的极性足以判断故障类型。
图7是本发明实施例提供的电压信号在瞬时性故障下的传播特性示意图。在瞬时性故障下，故障点无边界条件，因此注入的波形U1在AB之间来回折反射，B点为线路末端。在瞬时性故障下，B点的反射系数为正，因此反射电压UA1q的极性与注入电压的极性相同。
图8是本发明实施例提供的瞬时性故障下线路直流电压检测波形示意图。对于瞬时性故障而言，极性为正的前行波u1在B点发生发射，由于B点的折射系数为正，因此反射电压的极性为正。该正的反射电压UA1q传到A点，因此A处检测到的电压极性为正。
图9为本发明实施例提供的永久性故障下线路直流电压检测波形示意图。对于永久性故障而言，极性为正的前行波u1在故障点发生折反射，该点的反射系数为负，因此产生的反射电压极性为负。该负的反射电压UA1q传播到A点，因此在A点检测到的电压极性为负。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含直流断路器的柔性直流输电系统自适应重合闸方法，其特征在于，包括：
(1)在发生直流故障且直流断路器动作后，经过预设延时保证故障线路去游离；
(2)在所述直流断路器的主动配合下，换流器通过主动控制将电压信号注入到所述故障线路，检测反射电压的极性，
若反射电压的极性与所述电压信号的极性相同，判定故障为瞬时性故障，对故障线路进行重合闸操作；
若反射电压的极性与所述电压信号的极性相反，判定故障为永久性故障，不重合直流断路器，进行故障定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流断路器包括主支路、换流支路和耗能支路，所述换流支路作为所述电压信号注入所述故障线路的通道。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述直流断路器包括ABB混合式直流断路器、耦合型机械直流断路器、负压耦合型机械直流断路器、级联全桥子模块混合型直流断路器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压信号由所述换流器在双闭环矢量控制的基础上通过引入比例系数控制信号幅度得到，用于故障性质的判断。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电压信号注入期间，直流断路器开通预设时间，使得所述电压信号能够进入到故障线路上，所述预设时间决定了所述电压信号的宽度。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述电压信号的幅值为2％Vdcn～15％Vdcn，其中，Vdcn为柔性直流输电系统正常运行时的额定电压。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电压信号的宽度为100μs。
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