CN110350567B - 一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统及自动化技术，具体涉及一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法，针对±500kV混合高压直流输电系统的技术特点，输电线路的入口和出口各装设一套电阻型故障限流器，以电阻型故障限流器作为混合高压直流输电系统的直流故障辅助处理方法；以换流站控制作为混合高压直流输电系统的直流故障主要处理方法。该方法能够限制有效直流短路电流，减缓整流侧直流电压下降速度，改善逆变侧直流电压下跌，提高直流故障下的鲁棒性。

Description

一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法

技术领域

本发明属于电力系统及自动化领域，尤其是涉及一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法，提高±500kV混合高压直流输电系统直流故障下的鲁棒性。

背景技术

传统的高压直流输电(High Voltage Direct Voltage，HVDC)技术有电网换相型(Line Commutated Converter，LCC)高压直流输电技术和电压源换流器型(VoltageSource Converter，VSC)高压直流输电技术。近年来，混合高压直流输电技术是实现远距离大容量输电目标的一种新型实现方案，受到国内外学者越来越多的关注。混合高压直流输电技术融合了LCC-HVDC和VSC-HVDC两种技术优点，将LCC换流站作为整流站，可有效地降低成本；将VSC换流站作为逆变站，可增强运行灵活性。此外，混合高压直流输电技术具备以下优点：(1)消除了换相失败的风险；(2)增强了对弱电网甚至无源电网的支撑能力；(3)实现了有功功率和无功功率的灵活控制。

根据可查文献，目前国内外学者对混合高压直流输电技术进行了一些基础性的研究，主要集中在如何增强交流故障下系统的鲁棒性、如何建立系统小信号模型等方面，而在如何增强直流故障下系统的鲁棒性方面的研究却很少。混合高压直流输电系统的输电线路发生直流短路故障，特别是双极接地故障，是非常严重的故障，如果不能及时限制住短路电流，对设备将造成不可逆的破坏，甚至导致整个系统的崩溃。对于LCC换流站的直流短路电流，可以调整触发角，附加限流方案，取得较好的直流短路电流抑制效果；对于VSC换流站的直流短路电流，即使故障发生后立即闭锁电力电子开关，由于直流电容的放电，直流故障电流上升速度非常快。因此在混合高压直流输电系统中引入限流器是一种提高直流故障下的鲁棒性的必要的措施。

本发明所采用限流器为电阻型超导故障限流器(Superconducting FaultCurrent Limiter，SFCL)，其结构是由是由超导限流线圈和分流线圈两部分组成，线圈绕法采用“无感线圈绕法”，可以将线圈的电感忽略掉。故其等值电路图简单明了，如附图1所示。

电网正常运行时，装置处于超导态，此时R_sc为零。当电网发生短路故障时，短路电流激增使得超导失超，此时R_sc激增，限制短路电流。需要指出的是，超导体上流过的电流被自动转向到超导体的分流电阻R_p上，从而实现限流功效和对超导体的保护。电流换流的过程，也就是超导体从零电阻的超导态向常温电阻的正常态转变的过程。此过程中，短路电流被限制，超导体上的电流逐渐减小，使得超导体自身可以及时恢复，以便对下一次过流形成保护。

本发明涉及一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法，针对±500kV混合高压直流输电系统的技术特点，以换流站控制为主，以电阻型限流器为辅，以期限制直流短路电流，减缓整流侧直流电压下降速度，改善逆变侧直流电压下跌，提高直流故障下的鲁棒性。

发明内容

本发明针对±500kV混合高压直流输电系统的技术特点，提出一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法，以换流站控制为主，以电阻型故障限流器为辅，以期限制直流短路电流，减缓整流侧直流电压下降速度，改善逆变侧直流电压下跌，提高直流故障下的鲁棒性。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法，其特征是，输电线路的入口和出口各装设一套电阻型故障限流器，以电阻型故障限流器作为混合高压直流输电系统的直流故障辅助处理方法，采取简化电阻型故障限流器模型，其电阻变化规律描述如式(1)：

其中，τ为时间常数；R_SC是常态下的电阻值；t₀、t₁、t₂分别定义为失超起始时间、首次恢复起始时间和二次恢复起始时间；a₁、b₁、a₂均为相关系数；并给予定义：

对于LCC换流站即整流侧换流站，正常运行状态下采取定直流电流控制，直流电流为2kA；遭遇直流故障下采取最大触发角控制，即定触发角控制，触发角为155°；控制系统引入标志位Flag0，当Flag0＝0时，控制系统向LCC换流站发出指令，使其转入或保持定直流电压控制；当Flag0＝0时，控制系统向LCC换流站发出指令，使其转入或保持最大触发角控制；

对于VSC换流站即逆变侧换流站，正常运行状态下换流站各个电力电子开关均不闭锁；遭遇直流故障下各个电力电子开关同时闭锁；控制系统引入标志位Flag1，当Flag0＝0时，控制系统向VSC换流站发出指令，使其转入或保持定不闭锁状态；当Flag0＝0时，控制系统向LCC换流站发出指令，使其转入或保持闭锁状态；

包括以下步骤；

步骤1：控制系统首先将Flag0和Flag1都置为0，保证混合高压直流输电系统进入正常工作状态；

步骤2：故障检测单元实时检测直流故障，一旦检测到直流故障，执行步骤3，否则经延时单元，返回执行步骤4；

步骤3：控制系统首先将Flag0和Flag1都置为1，确保混合高压直流输电系统执行预定指令；

步骤4：故障检测单元持续检测直流故障，一旦检测到直流故障已经消除，返回执行步骤1，否则经延时单元，返回执行步骤3。

本发明能够限制有效直流短路电流，减缓整流侧直流电压下降速度，改善逆变侧直流电压下跌，提高直流故障下的鲁棒性。

附图说明

附图1为本发明实例应用中电阻型故障限流器的等值电路图。

附图2为本发明实例应用中配置有电阻型故障限流器的±500kV混合高压直流输电系统。

附图3为本发明实例应用中不同时间尺度下电阻型故障限流器的等效模型。

附图4为本发明实例应用中遭遇直流故障下换流站控制流程图。

附图5a为本发明实例应用中在R_SFCLr变化下，LCC换流站的暂态行为(直流电流)。

附图5b为本发明实例应用中在R_SFCLr变化下，LCC换流站的暂态行为(直流电压)。

附图6a为本发明实例应用中在R_SFCLr变化下，VSC换流站的暂态行为(直流电流)。

附图6b为本发明实例应用中在R_SFCLr变化下，VSC换流站的暂态行为(直流电压)。

附图7a为本发明实例应用中在R_SFCLi变化下，LCC换流站的暂态行为(直流电流)。

附图7b为本发明实例应用中在R_SFCLi变化下，LCC换流站的暂态行为(直流电压)。

附图8a为本发明实例应用中在R_SFCLi变化下，VSC换流站的暂态行为(直流电流)。

附图8b为本发明实例应用中在R_SFCLi变化下，VSC换流站的暂态行为(直流电压)。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体的说明。

一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法，其特征在于，输电线路的入口和出口各装设一套电阻型故障限流器，以电阻型故障限流器作为混合高压直流输电系统的直流故障辅助处理方法。

本发明采取简化电阻型故障限流器模型，其电阻变化规律描述如式(1)：

其中，τ为时间常数；R_SC是常态下的电阻值；t₀、t₁、t₂分别定义为失超起始时间、首次恢复起始时间和二次恢复起始时间；a₁、b₁、a₂均为相关系数。

本发明的实施对象为附图2所示的配置有电阻型故障限流器的±500kV混合高压直流输电系统。为了阐述简单起见，在附图2中仅做出正极。混合高压直流输电系统包括了交流电网1、整流侧变压器、LCC换流站、输电线路、VSC换流站、逆变侧变压器以及交流电网2。输电线路的入口和出口各装设一套电阻型故障限流器。

在关于基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法的具体实施上，于此以附图1所示的配置有电阻型故障限流器的混合高压直流输电系统为具体实施对象，详细阐述本发明中所涉及的控制方法。

本发明涉及电阻型故障限流器采用第二代钇钡铜氧化物(YBCO)材料。附图3描述了不同时间尺度下电阻型故障限流器的等效模型，电阻型故障限流器电阻阻值的变化规律描述如式(1)。

与基于幂律方程的精确电阻型故障限流器模型不同，这种简化等效电阻型超导故障限流器模型具有4个运行段，但仍然能够有效地反映电阻型超导故障限流器的暂态特性。

本发明以换流站控制为主，以电阻型故障限流器为辅，构成如附图4所示的直流故障处理方法。

换流站控制分为LCC换流站控制及VSC换流站控制两部分。

对于LCC换流站(即整流侧换流站)，正常运行状态下采取定直流电流控制，直流电流为2kA；遭遇直流故障下采取最大触发角控制，即定触发角控制，触发角为155°。控制系统引入标志位Flag0，当Flag0＝0时，控制系统向LCC换流站发出指令，使其转入或保持定直流电压控制；当Flag0＝0时，控制系统向LCC换流站发出指令，使其转入或保持最大触发角控制。

对于VSC换流站(即逆变侧换流站)，正常运行状态下换流站各个电力电子开关均不闭锁；遭遇直流故障下各个电力电子开关同时闭锁。控制系统引入标志位Flag1，当Flag0＝0时，控制系统向VSC换流站发出指令，使其转入或保持定不闭锁状态；当Flag0＝0时，控制系统向LCC换流站发出指令，使其转入或保持闭锁状态。

根据以上对Flag0和Flag1的定义，可将附图4所示流程图解释如下：

步骤一：控制系统首先将Flag0和Flag1都置为0，保证混合高压直流输电系统进入正常工作状态。

步骤二：故障检测单元实时检测直流故障，一旦检测到直流故障，执行步骤三，否则经延时单元，返回执行步骤二。

步骤三：控制系统首先将Flag0和Flag1都置为1，确保混合高压直流输电系统执行预定指令。

步骤四：故障检测单元持续检测直流故障，一旦检测到直流故障已经消除，返回执行步骤一，否则经延时单元，返回执行步骤三。

本发明中所涉及的一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法，具备以下预期效果：1)限制直流短路电流；2)减缓整流侧直流电压下降速度；3)改善逆变侧直流电压下跌。整体看来，可本发明对提高直流故障下的鲁棒性有显著效果。

为验证本发明涉及控制方法的具体性能，参照附图2建立了详细电磁暂态仿真模型。附表1-4所示分别为发明具体实施中的电阻型超导故障限流器、LCC换流站、VSC换流站以及直流系统主要参数。

附表1发明具体实施中的电阻型超导故障限流器主要参数

附表2发明具体实施中的LCC换流站主要参数

附表3发明具体实施中的VSC换流站主要参数

附表4发明具体实施中的直流系统主要参数

实例一：故障起始时刻为t₀＝3s，故障位置设在直流输电线路中点，故障电阻(也称为过渡电阻)设为1Ω，故障持续时间为250ms。整流侧超导限流器的电阻R_SFCLr设置为20Ω、40Ω、60Ω、80Ω、100Ω，同时逆变侧超导限流器的电阻R_SFCLi保持为30Ω不变。得到附图5-6所示LCC换流站和VSC换流站的暂态行为。

实例二：故障起始时刻为t₀＝3s，故障位置设在直流输电线路中点，故障电阻(也称为过渡电阻)设为1Ω，故障持续时间为250ms。整流侧超导限流器的电阻R_SFCLr保持为20Ω不变，同时逆变侧超导限流器的电阻R_SFCLi设置为10Ω、20Ω、30Ω、40Ω、50Ω不变。得到附图7-8所示LCC换流站和VSC换流站的暂态行为。

综合上述两个实例的仿真结果，验证了一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法在限制直流短路电流、减缓整流侧直流电压下降速度、改善逆变侧直流电压下跌方面的有效性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种基于电阻型故障限流器的混合直流输电故障处理方法，其特征是，输电线路的入口和出口各装设一套电阻型故障限流器，以电阻型故障限流器作为混合高压直流输电系统的直流故障辅助处理方法，采取简化电阻型故障限流器模型，其电阻变化规律描述如式(1)：

其中，τ为时间常数；R_SC是常态下的电阻值；t₀、t₁、t₂分别定义为失超起始时间、首次恢复起始时间和二次恢复起始时间；a₁、b₁、a₂均为相关系数；并给予定义：

对于LCC换流站即整流侧换流站，正常运行状态下采取定直流电流控制，直流电流为2kA；遭遇直流故障下采取最大触发角控制，即定触发角控制，触发角为155°；控制系统引入标志位Flag0，当Flag0＝0时，控制系统向LCC换流站发出指令，使其转入或保持定直流电压控制；当Flag0＝0时，控制系统向LCC换流站发出指令，使其转入或保持最大触发角控制；

对于VSC换流站即逆变侧换流站，正常运行状态下换流站各个电力电子开关均不闭锁；遭遇直流故障下各个电力电子开关同时闭锁；控制系统引入标志位Flag1，当Flag0＝0时，控制系统向VSC换流站发出指令，使其转入或保持定不闭锁状态；当Flag0＝0时，控制系统向LCC换流站发出指令，使其转入或保持闭锁状态；

包括以下步骤；

步骤1：控制系统首先将Flag0和Flag1都置为0，保证混合高压直流输电系统进入正常工作状态；

步骤2：故障检测单元实时检测直流故障，一旦检测到直流故障，执行步骤3，否则经延时单元，返回执行步骤4；

步骤3：控制系统首先将Flag0和Flag1都置为1，确保混合高压直流输电系统执行预定指令；

步骤4：故障检测单元持续检测直流故障，一旦检测到直流故障已经消除，返回执行步骤1，否则经延时单元，返回执行步骤3。

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