CN110416980A - 一种组合式直流断路器自适应重合闸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式直流断路器自适应重合闸方法，当直流输电线路发生单极短路故障，跳开故障线路两侧直流断路器，然后执行以下步骤：等待一段设定延时，合闸故障线路对应的组合式直流断路器中残余电流开关K；实时测量组合式直流断路器电流转换支路CCP两端电压；测量装设组合式直流断路器的直流母线电压，将所述的直流母线电压乘以可靠系数，求得实时整定电压；将CCP两端电压和实时整定电压进行比较，若CCP两端电压不断衰减低于实时整定电压，则判定为瞬时性故障，断路器所有组件复位至正常运行状态，保证功率正常传送：若CCP两端电压保持在实时整定电压左右，则判为永久性故障，再次分闸残余电流开关K。

Description

一种组合式直流断路器自适应重合闸方法

技术领域

本发明属于电气技术(技术领域)电力系统及其自动化(技术领域二级)直流输电(技术领域三级)，涉及一种适用于混合级联多端直流输电的组合式直流断路器自适应重合闸方法。

背景技术

传统电网换相换流器高压直流输电(Line Commutated Converter based HighVoltage Direct Current,LCC-HVDC)具有造价低、损耗小、可靠性高等优点，目前已在海底电缆送电、大容量远距离输电、异步电网互联等场合得到了广泛应用，但是其在客观上存在无功补偿容量需求大、交流系统依赖性强、存在换相失败问题等不足。与LCC-HVDC相比，采用全控型器件的电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converter based HighVoltage Direct Current,VSC-HVDC)可以实现四象限独立控制有功和无功功率、不需要交流系统提供换相支撑、不存在换相失败问题，然而其在额定电压和输送功率上与LCC-HVDC还有一定差距，并且投资建设成本高，损耗较大。送端采用LCC，受端采用LCC与VSC混联的输电系统是一种典型的混合级联多端直流输电系统，它提供了更为灵活、快捷的输电方式，不仅改善了逆变侧交流系统电压的稳定性，而且降低了换相失败发生的概率，同时能够兼顾经济和技术效益，是未来特高压直流输电技术的重要发展方向之一。

半桥型MMC+直流断路器(Direct Current Circuit Breaker,DCCB)是多端直流输电系统故障隔离的有效途径。目前常用的混合式直流断路器主要由快速隔离开关(Disconnecting Switch,DS)、残余电流开关(Residual Current Breaker,RCB)、辅助换流开关(Load Current Switch,LCS)、主开断支路(Current Commutation Path,CCP)组成。其中主开断支路和辅助换流开关包含模块化全控器件IGBT和氧化锌避雷器(Metal OxideVaristor,MOV)。正常工作期间，负荷电流仅流经辅助换流开关，通态损耗极低。故障发生后，关断辅助换流开关，分闸快速隔离开关，同时开通主开断支路，换流完成后关断主开断支路，最后很小的残余电流由残余电流开关进行切除。该断路器只能开断一条直流线路上的故障电流，为实现对混合级联多端直流输电系统中多条VSC支路进行故障隔离，则需在接入的每条VSC支路上配置多台直流断路器，这无疑会显著增加混合多端直流输电工程的成本。随着多端混合直流输电技术的发展，对于混合级联多端直流输电系统，降低直流断路器的建造成本和运行损耗，提高其技术经济性是必须解决也是迫切需要解决的关键问题。由于线路左侧的各直流断路器共用同一条直流母线，因此各断路器可以采取共用换流支路的方法来降低整体成本。

附图1为适用于混合级联多端直流输电的组合式直流断路器拓扑结构，该方案包含了m条通流支路和1条主开断支路。其中m条通流支路分别联结m个换流站，每条通流支路分为上桥臂和下桥臂，上桥臂由快速隔离开关DS(DS_1,DS_2,DS_m)、辅助换流开关(LCS_1,LCS_2,LCS_m)串联构成，辅助换流开关由单个IGBT子模块构成，下桥臂由残余电流开关(K_1,K_2,K_m)与二极管(D_1,D_2,D_m)串联；主开断支路由n个IGBT子模块串联而成。

组合式直流断路器正常运行时CB_1,CB_2,CB_m处于闭合状态；K_1,K_2,K_m处于闭合状态；LCS_1,LCS_2,LCS_m处于导通状态；CCP中各子模块处于关断状态。由于电流无法在各通流支路下桥臂之间通流，负荷电流由LCC通过各辅助换流开关流入各VSC支路。

以VSC_1相连直流线路上发生短路故障为例来说明组合式直流断路器切除故障时内部各组件的动作时序。t₁时刻故障发生，检测到故障后，直流保护给断路器发出跳开VSC_1故障线路的命令。t₂时刻直流断路器控制器先给故障线路对应的CB_2及非故障线路对应的K_1、K_m发分闸命令，同时给电流转换支路CCP发开通命令，给负载转移支路LCS_2发关断命令；在辅助换流开关LCS_2两端的关断过电压的作用下，故障电流将从故障线路上桥臂转移至主开断支路，t₃时刻电流完成转移，故障线路对应通流支路上桥臂的CB_2及非故障线路对应通流支路下桥臂的K_1、K_m实现无弧分断。在t₄时刻给主开断支路上的全控器件IGBT发关断命令，电流由CCP支路转移至MOV支路，系统中的能量不断被MOV吸收，能量吸收完毕后，电流又转移至CCP支路，主开断支路上形成振荡的残余电流。t₅时刻，K_2分闸以开断该残余电流，t₅～t₆为线路去游离时间。t₆时刻主断路器进行重合K_2，若为暂时性故障，主断路器重合成功，MOV被旁路，流过主开断支路的电流逐渐增大，待其增大到系统额定电流后，于t₇时刻开通LCS_2，关断CCP，电流从CCP支路转移到LCS_2支路；若为永久性故障，流过CCP的电流迅速增大到保护阈值，于t₇时刻关断CCP。

当直流线路L2发生故障时，直流线路保护动作后立刻跳开线路两侧直流断路器，由于无需跳开交流断路器，换流站也无需闭锁，对于与直流系统断开连接的VSC换流站，可以迅速转换为statcom运行方式，为交流系统提供动态无功支撑，剩余直流网络中所带的直流负荷不停电运行，提高了直流系统的供电可靠性。直流断路器跳开后经过设定的熄弧时间重合直流断路器，如果重合不成功或者保护判别为永久故障，则再次跳开直流断路器并且不再重合。运行经验表明，电力系统架空线路故障具有单相(极)、瞬时性的特点，故障后线路断路器跳闸，在故障点消弧后断路器重合成功的概率为60％～90％，电压等级越高重合成功率越高，由于混合级联多端直流输电系统采用架空输电线路，重合闸技术对于提高混合级联多端直流输电系统运行的可靠性至关重要。但如果重合于永久性故障，不但会使电力系统在短时间内连续遭受两次故障冲击，破坏系统稳定性，而且会降低电气设备绝缘水平、减少其使用寿命。由于电力电子器件的脆弱性，与交流系统相比，混合级联多端直流输电系统承受故障冲击的能力较差，如何做到故障性质和重合时间的自适应判别以减少故障冲击，是混合级联多端直流输电系统重合闸技术的关键所在。

发明内容

本发明提供一种适用于混合级联多端直流输电的组合式直流断路器自适应重合闸方法，该方法通过判断机械开关合闸之后主断路器两端电压即可可靠的识别出故障性质，并可以根据主断路器两端的电压值自适应的调整重合闸时间，同时在重合闸过程中不会造成子模块IGBT的过流，该方案具有较高的工程应用价值。技术方案如下：

一种组合式直流断路器自适应重合闸方法，适用于混合级联多端直流输电系统，当直流输电线路发生单极短路故障，跳开故障线路两侧直流断路器，然后执行以下步骤：

(1)等待一段设定延时，合闸故障线路对应的组合式直流断路器中残余电流开关K；

(2)实时测量组合式直流断路器电流转换支路CCP两端电压；

(3)测量装设组合式直流断路器的直流母线电压，将所述的直流母线电压乘以可靠系数，求得实时整定电压；

(4)将CCP两端电压和实时整定电压进行比较，若CCP两端电压不断衰减低于实时整定电压，则判定为瞬时性故障，断路器所有组件复位至正常运行状态，保证功率正常传送：若CCP两端电压保持在实时整定电压左右，则判为永久性故障，再次分闸残余电流开关K。

优选地，步骤(1)中，所述的设定延时为直流输电线路故障点去游离时间，可设定为200ms。

附图说明

图1：适用于混合级联多端直流输电的组合式直流断路器拓扑结构

图2：直流线路L2发生故障时组合式直流断路器控制时序

图3：直流线路L2发生故障时系统等值回路

图4：直流线路故障后断路器重合闸策略

图5：组合式直流断路器在混合级联多端直流输电系统中的配置方案

具体实施方式

当发生瞬时性故障时，直流断路器快速关断，分闸K_2切断残余电流，这时直流电压均加在K_2两端，故障点开始去游离，如果在去游离期间合上K_2，直流电压就立即加到故障点，可能会导致故障点重新燃弧，因此在保证去游离结束后合上K_2，等值电路如附图3a)所示，组合式直流断路器等效为uF级的电容C₁，故障点等效为nF级的电容C₂，根据电路原理，电容串联电路两端的总电压等于各电容器两端的分压之和，即U＝U₁+U₂+U₃+…+U_n。电容器串联时各电容器上所分配的电压与其电容量成反比。即U_n＝Q/C_n(因为在电容器串联电路中，每个电容器上所带的电荷量都相等，所以电容量越大的电容器分配的电压越低，电容量越小的电容器分配的电压越高)。因此合上K_2后，LCC和VSC系统均对这个两个等效电容充电，充完电后，线路电压与VSC出口电压近乎相同，左右主断路器均不再承担电压，大部分电压由故障点承担。

同理，当发生永久性故障时，经过去游离时间合上K_2，等值电路如附图3b)所示，由于故障点两端电压为0，LCC和VSC系统电压全部由组合式直流断路器承担，由于主断路器并没有导通，此时故障点不会燃弧。

根据上述分析，在经过去游离时间后合上K_2，测量直流断路器两端的电压，如果直流断路器两端电压不断衰减低于系统直流电压，则判为瞬时性故障，可以开通CCP。如果直流断路器两端电压保持在额定电压400kV左右，则判为永久性故障，不再进行重合闸。该方法可以根据机械开关合闸后主断路器两端的电压自适应的调整重合闸的时间，大大提高了重合的准确性和可靠性，直流线路故障后断路器重合闸策略如附图4所示。

短路故障发生后，组合式直流断路器快速动作切断故障线路的短路电流，之后通过判断残余电流开关合闸之后主断路器两端电压即可可靠的识别出故障性质，并可以根据主断路器两端的电压值自适应的调整重合闸时间，大大提高了重合的准确性和可靠性；同时在重合闸过程中不会造成子模块IGBT的过流。该方案具有较高的工程应用价值。

本实施例的含有组合式直流断路器的混合级联多端直流输电典型模型拓扑结构如附图5所示。送端采用±800kV LCC换流阀，输电能力为8GW，受端高端采用LCC换流阀极间电圧为±400kV，受端低端采用三个并联的VSC换流阀，极间电圧为±400kV，高端换流阀和低端换流阀分别接受4GW功率。负载转移支路用单个子模块表示，子模块的并联电阻R＝1Ω，C＝10uF，MOV动作电压设为2kV，目前商用IGBT过压能力为4.5kV，MOV动作后残压为3.5kV小于IGBT的耐受电压，从而起到保护IGBT的作用。主断路器CCP需要多个模块串联，串联数量为400kV/2kV＝200，MOV动作电压设为400kV，MOV动作后残压为700kV，小于主断路器的耐受能力，从而起到保护主断路器的作用。

Claims (2)

1.一种组合式直流断路器自适应重合闸方法，适用于混合级联多端直流输电系统，当直流输电线路发生单极短路故障，跳开故障线路两侧直流断路器，然后执行以下步骤：

(1)等待一段设定延时，合闸故障线路对应的组合式直流断路器中残余电流开关K；

(2)实时测量组合式直流断路器电流转换支路CCP两端电压；

(3)测量装设组合式直流断路器的直流母线电压，将所述的直流母线电压乘以可靠系数，求得实时整定电压；

(4)将CCP两端电压和实时整定电压进行比较，若CCP两端电压不断衰减低于实时整定电压，则判定为瞬时性故障，断路器所有组件复位至正常运行状态，保证功率正常传送：若CCP两端电压保持在实时整定电压左右，则判为永久性故障，再次分闸残余电流开关K。

2.根据权利要求1所述的自适应重合闸方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的设定延时为直流输电线路故障点去游离时间，可设定为200ms。