CN110518618B - 直流输电电网换相换流器单向电流保护方法及保护装置 - Google Patents

直流输电电网换相换流器单向电流保护方法及保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种直流输电电网换相换流器单向电流保护方法及保护装置，具体为：当直流输电系统中其他区域或其他换流站的电网换相换流器所在区域或所在换流站只能单向流通电流时，本区域或本换流站的换流器根据检测到的电流大小和方向，判定所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器中流过反向电流且其值大于一定阈值并持续一定时间，所述本区域或本换流站的换流器降低直流电压或闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值以下，隔离所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器，重启所述本区域或本换流站的换流器。此种技术方案能够在跨区域通信或远距离通信故障时保护所述电网换相换流器，提高了直流输电系统的可靠性。

Description

直流输电电网换相换流器单向电流保护方法及保护装置
技术领域
本发明属于高压直流输电领域，涉及一种直流输电电网换相换流器单向电流保护方法及保护装置，适用于多端直流输电、混合直流输电系统中的电网换相换流器故障后的后备保护。
背景技术
多端直流(multi-terminal direct current，MTDC)输电系统是指含有3个及3个以上换流站的直流输电系统。与两端直流输电系统相比，多端直流输电系统提供了一种更为经济、灵活的输电方式，能够实现多电源供电、多落点受电。不同于两端直流输电系统，多端直流输电系统在一个换流站发生故障后，站间通讯故障情况下，其他换流站仍可能高压运行并向故障点注入电流。
对于包含多个整流换流站的并联多端直流输电系统，当站间通信故障导致整流换流站之间失去通信后，如果远离逆变换流站的某个整流换流站因故障导致电网换相换流器击穿或避雷器动作，将会引起其他正常运行的整流换流站反向流通电流到故障的整流换流站并维持较高电压。在此工况下，现有的纵差保护因站间通信失去退出，低电压保护因较高电压也不会动作，导致正常运行的整流换流站持续向故障的整流换流站注入电流，损坏整流换流站的电网换相换流器或避雷器。
混合直流输电系统是指同时含有电网换相换流器和电压源换流器的直流输电系统。与常规直流输电系统相比，混合直流输电系统具有交流故障穿越能力，不存在换相失败问题，能够有效解决多馈入直流问题。不同于常规直流输电系统，混合直流输电系统在一个换流站发生故障后，站间通讯故障下，其他换流站仍可能高压运行并向故障点注入电流。
对于整流换流站采用电网换相换流器，逆变站采用电压源换流器的混合直流输电系统，当站间通信故障导致整流换流站和逆变换流站之间失去通信后，如果整流换流站因故障导致电网换相换流器击穿或避雷器动作，将会引起其他正常运行的整流换流站反向流通电流到故障的整流换流站并维持较高电压。在此工况下，现有的纵差保护因站间通信失去退出，低电压保护因较高电压也不会动作，导致正常运行的逆变换流站持续向故障的整流换流站注入电流，损坏整流换流站的电网换相换流器或避雷器。
因此，当多端直流输电系统或混合直流输电系统出现站间通信故障，本站换流器需要根据本站电流大小和方向来判断对站电网换相换流器是否因击穿或避雷器动作流过反向电流，控制本站换流器来隔离对站电网换相换流器，避免对站电网换相换流器持续流过故障电流。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种直流输电电网换相换流器单向电流保护方法，其可防止电网换相换流器或其避雷器流过持续的反向电流，从而避免电网换相换流器或其避雷器损坏。
本发明的另一目的，在于提供一种直流输电电网换相换流器单向电流保护装置，其可用于控制多端直流换流器。
为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种直流输电电网换相换流器单向电流保护方法，当直流输电系统中其他区域或其他换流站的电网换相换流器所在区域或所在换流站只能单向流通电流时，本区域或本换流站的换流器根据检测到的电流大小和方向，判定所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器中流过反向电流且其值大于一定阈值并持续一定时间，所述本区域或本换流站的换流器降低直流电压或闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值以下，隔离所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器，重启所述本区域或本换流站的换流器。
上述本区域或本换流站的换流器为本区域或本换流站的电网换相换流器或电压源换流器。
上述本区域或本换流站的换流器降低直流电压的实现方法是：对于电网换相换流器，通过控制触发角降低直流电压或移相来实现；对于电压源换流器，通过控制触发脉冲减小占空比或控制桥臂子模块数量降低直流电压来实现。
上述重启本区域或本换流站的换流器，对于电网换相换流器，通过控制触发角升高直流电压或解除移相来实现；对于电压源换流器，通过控制触发脉冲增大占空比或控制桥臂子模块数量升高直流电压来实现。
上述隔离其他区域或其他换流站的电网换相换流器，其实现方法是：分开所述电网换相换流器与本区域或本换流站之间的直流母线或中性母线的隔离开关或刀闸。
隔离电流定值是零或接近于零的极小值，需小于或等于直流母线或中性母线的隔离开关或刀闸分开的最大允许电流。
一种直流输电电网换相换流器单向电流保护装置，包括：
检测单元，检测本区域或本换流站的直流电流大小和方向、直流电压大小；以及，
保护单元，根据本区域或本换流站的电流方向，判定直流输电系统中其他区域或其他换流站的电网换相换流器中流过反向电流且其值大于一定阈值并持续一定时间，本区域或本换流站的换流器降低直流电压或闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值以下，隔离所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器，重启所述本区域或本换流站的换流器。
上述本区域或本换流站的换流器为本区域或本换流站的电网换相换流器或电压源换流器。
上述本区域或本换流站的换流器降低直流电压的实现方法是：对于电网换相换流器，保护单元通过控制增大触发角来降低直流电压或移相；对于电压源换流器，保护单元通过控制触发脉冲减小占空比或控制桥臂子模块数量来降低直流电压；所述重启本区域或本换流站的换流器的实现方法是：对于电网换相换流器，所述保护单元通过控制减小触发角升高直流电压或解除移相；对于电压源换流器，所述保护单元通过控制触发脉冲增大占空比或控制桥臂子模块数量来升高直流电压。
上述隔离其他区域或其他换流站的电网换相换流器的实现方法是：所述保护单元控制分开所述电网换相换流器与本区域或本换流站之间的直流母线或中性母线的隔离开关或刀闸。
采用上述方案后，本发明与现有技术相比，在多端直流输电系统或混合直流输电系统站间通信故障时，本区域或本换流站的换流器通过检测本站的电流方向，判断对站的电网换相换流器是否流过反向电流来判断是否有故障，防止电网换相换流器或其避雷器流过持续的反向电流，从而避免电网换相换流器或其避雷器损坏。
附图说明
图1是十二脉动电网换相换流器的主回路示意图；
图2是整流侧和逆变侧均采用电网换相换流器的并联型三端直流输电系统主回路示意图；
图3是整流侧采用电网换相换流器、逆变侧采用电压源换流器的混合直流输电系统主回路示意图；
图4是整流侧采用电网换相换流器、逆变侧采用电网换相换流器和电压源换流器串联的混合直流输电系统主回路示意图；
图5是本发明保护方法的流程图；
图6是本发明保护装置的结构示意图。
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。
图1示出了十二脉动电网换相换流器的主回路结构图。交流母线1的交流电流经星型连接换流变压器2或三角形连接变压器3流入电网换相换流器8，由电网换相换流器8的桥式电路整流成为直流电流。电网换相换流器8由星型连接换流变压器2连接的六脉动桥式电路9和三角形连接变压器3连接的六脉动桥式电路10串联组成十二脉动换流器，每个六脉动桥式电路由六个晶闸管串联的桥臂阀组4组成，为了防止过压损坏桥臂阀组4，在桥臂阀组4两端并联桥臂避雷器5。当星型连接换流变压器2与六脉动桥式电路9或三角形连接变压器3与六脉动桥式电路10之间的阀组连接线发生接地故障F1时，电网换相换流器8检测到故障时闭锁。对于两端直流输电系统，逆变侧由电网换相换流器构成，整流侧闭锁后，阴极母线6电压很小且不流过反向电流，不会对桥臂阀组4和桥臂避雷器5产生影响。但是，对于有两个及以上整流站的多端直流输电系统或逆变侧采用电压源换流器的混合直流输电系统，阴极母线6和阳极母线7之间将仍会存在电压，很可能击穿桥臂阀组4或引起桥臂避雷器5动作。如果桥臂避雷器5动作，在无站间通讯的情况下，阴极母线6将继续维持较高电压并有持续电流流过桥臂避雷器5，现有直流输电系统配置的保护将不会动作。
实施例1：
图2是由整流站15、整流站16和逆变站17组成的并联型三端直流输电系统，整流侧和逆变侧均采用电网换相换流器。三站正常运行时，整流站15和整流站16向逆变站17输送功率，电流方向为从整流站15到整流站16到逆变站17。整流站15和整流站16之间并且靠近整流站16的直流电流测点T1检测到的电流IDL1为正。整流站15和逆变站16之间的快速隔离开关13为闭合状态，整流站16和逆变站17之间的快速隔离开关14为闭合状态。
当星型连接换流变压器2与六脉动桥式电路9之间的阀组连接线发生接地故障时，电网换相换流器8检测到故障时闭锁。在无站间通讯的情况下，整流站16和逆变站17将维持直流电压继续运行，整流站15中电网换相换流器8的桥臂避雷器会动作，导致整流站16将有一部分电流通过整流站15中电网换相换流器8的桥臂避雷器流入到故障点中，直流电流测点T1检测到的电流IDL1为负。整流站16和逆变站17的纵差保护退出，同时整流站16的低电压保护也不会动作，直至桥臂避雷器损坏。
本发明提出当直流电流测点T1检测到的电流IDL1为负且其值大于一定阈值，如0.05p.u.，并持续一定时间，如1s时，判定整流站15的电网换相换流器8出现故障，整流站16的电网换相换流器11降低直流电压来减小反向电流到允许隔离电流定值，如0.02p.u.以下，分开整流站16和整流站15之间的快速隔离开关13，隔离整流站15的电网换相换流器8，重启整流站16的电网换相换流器11，整流站16的电网换相换流器11和逆变站17的电网换相换流器12继续运行。
实施例2：
图3是由整流站15、逆变站20组成的混合直流输电系统，整流侧采用电网换相换流器，逆变侧采用电压源换流器。正常运行时，整流站15向逆变站17输送功率，电流方向为从整流站15到逆变站20。逆变站20的直流电流测点T2检测到的电流IDL2为正。
当星型连接换流变压器2与六脉动桥式电路9之间的阀组连接线发生接地故障时，电网换相换流器8检测到故障时闭锁。在无站间通讯的情况下，逆变站20将维持直流电压继续运行，整流站15中电网换相换流器8的桥臂避雷器会动作，导致逆变站20将有电流通过整流站15中电网换相换流器8的桥臂避雷器流入到故障点中，直流电流测点T2检测到的电流IDL2为负。逆变站20的纵差保护退出，同时逆变站17的低电压保护也不会动作，直至桥臂避雷器损坏。
本发明提出当直流电流测点T2检测到的电流IDL2为负且其值大于一定阈值，如0.05p.u.，并持续一定时间，如1s时，逆变站20的电压源换流器18判定整流站15的电网换相换流器8出现故障，逆变站20的电压源换流器18闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值，如0.02p.u.以下，分开逆变站20和整流站15之间的快速隔离开关19，隔离整流站15的电网换相换流器8。
实施例3：
图4是由整流站23、逆变站24组成的混合直流输电系统，整流侧采用两个十二脉动的电网换相换流器串联结构，逆变侧采用一个十二脉动的电网换相换流器和一个电压源换流器串联结构。为了增加系统的冗余特性，每个电网换相换流器两端并联旁通开关，电压源换流器两端并联旁通开关21或旁通晶闸管，当单个换流器故障时，通过合上旁通开关来隔离故障，另一个换流器继续运行。正常运行时，整流站23向逆变站24输送功率，电流方向为从整流站23到逆变站24。逆变站24的直流电流测点T3检测到的电流IDCP为正。
当换流变压器与电网换相换流器12之间的阀组连接线发生接地故障时，电网换相换流器12检测到故障时闭锁。在无阀组间通讯的情况下，电压源换流器18将维持直流电压继续运行，逆变站24中电网换相换流器12的桥臂避雷器会动作，导致逆变站24中电压源换流器18将有电流通过逆变站24中电网换相换流器12的桥臂避雷器流入到故障点中，直流电流测点T3检测到的电流IDCP为负。逆变站20的阀组差动保护退出，同时电压源换流器18的低电压保护也不会动作，直至桥臂避雷器损坏。
本发明提出当直流电流测点T3检测到的电流IDCP为负且其值大于一定阈值，如0.05p.u.，并持续一定时间，如1s时，逆变站24的电压源换流器18判定逆变站24的电网换相换流器12出现故障，逆变站24的电压源换流器18闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值，如0.02p.u.以下，分开逆变站24的电网换相换流器12和电压源换流器18之间的快速隔离开关22，隔离电网换相换流器12和电压源换流器18。
图5为本发明提出的一种直流输电电网换相换流器单向电流保护方法，当直流输电系统中其他区域或其他换流站的电网换相换流器所在区域或所在换流站只能单向流通电流时，本区域或本换流站的换流器根据检测到的电流大小和方向，判定所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器中流过反向电流且其值大于一定阈值并持续一定时间，本区域或本换流站的换流器降低直流电压或闭锁。如果是两个或两个以上的多端直流输电系统，本区域或本换流站的换流器降低直流电压来减小反向电流到允许隔离电流定值以下，隔离故障的电网换相换流器，重启本区域或本换流站的换流器；如果是混合直流输电系统，本区域或本换流站的换流器闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值以下，隔离故障的电网换相换流器。
图6为本发明提出的一种直流输电电网换相换流器单向电流保护装置27，具体包括：
(1)检测单元25，检测本区域或本换流站的直流电流大小和方向、直流电压大小；
(2)保护单元26，根据本区域或本换流站的电流方向，判定直流输电系统中其他区域或其他换流站的电网换相换流器中流过反向电流且其值大于一定阈值并持续一定时间，本区域或本换流站的换流器降低直流电压或闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值以下，隔离所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器，重启所述本区域或本换流站的换流器。
综上，本发明公开一种直流输电电网换相换流器单向电流保护方法及保护装置，用于实现跨区域或远距离对电网换相换流器进行保护。当直流输电系统中其他区域或其他换流站的电网换相换流器所在区域或所在换流站只能单向流通电流时，本区域或本换流站的换流器根据检测到的电流大小和方向，判定所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器中流过反向电流且其值大于一定阈值并持续一定时间，所述本区域或本换流站的换流器降低直流电压或闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值以下，隔离所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器，重启所述本区域或本换流站的换流器。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直流输电电网换相换流器单向电流保护方法，其特征在于：当直流输电系统中其他区域或其他换流站的电网换相换流器所在区域或所在换流站只能单向流通电流时，本区域或本换流站的换流器根据检测到的电流大小和方向，判定所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器中流过反向电流且其值大于一定阈值并持续一定时间，所述本区域或本换流站的换流器降低直流电压或闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值以下，隔离所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器，重启所述本区域或本换流站的换流器；
所述本区域或本换流站的换流器降低直流电压的实现方法是：对于电网换相换流器，通过控制触发角降低直流电压或移相来实现；对于电压源换流器，通过控制触发脉冲减小占空比或控制桥臂子模块数量降低直流电压来实现。
2.如权利要求1所述的直流输电电网换相换流器单向电流保护方法，其特征在于：所述本区域或本换流站的换流器为本区域或本换流站的电网换相换流器或电压源换流器。
3.如权利要求1所述的直流输电电网换相换流器单向电流保护方法，其特征在于：重启所述本区域或本换流站的换流器，对于电网换相换流器，通过控制触发角升高直流电压或解除移相来实现；对于电压源换流器，通过控制触发脉冲增大占空比或控制桥臂子模块数量升高直流电压来实现。
4.如权利要求1所述的直流输电电网换相换流器单向电流保护方法，其特征在于：隔离所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器，其实现方法是：分开所述电网换相换流器与本区域或本换流站之间的直流母线或中性母线的隔离开关或刀闸。
5.如权利要求4所述的直流输电电网换相换流器单向电流保护方法，其特征在于：所述隔离电流定值是零或接近于零的极小值，且该隔离电流定值小于或等于直流母线或中性母线的隔离开关或刀闸分开的最大允许电流。
6.一种直流输电电网换相换流器单向电流保护装置，其特征在于包括：
检测单元，检测本区域或本换流站的直流电流大小和方向、直流电压大小；以及，
保护单元，根据本区域或本换流站的电流方向，判定直流输电系统中其他区域或其他换流站的电网换相换流器中流过反向电流且其值大于一定阈值并持续一定时间，本区域或本换流站的换流器降低直流电压或闭锁来减小反向电流到允许隔离电流定值以下，隔离所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器，重启所述本区域或本换流站的换流器；
所述本区域或本换流站的换流器降低直流电压的实现方法是：对于电网换相换流器，保护单元通过控制增大触发角来降低直流电压或移相；对于电压源换流器，保护单元通过控制触发脉冲减小占空比或控制桥臂子模块数量来降低直流电压；重启所述本区域或本换流站的换流器的实现方法是：对于电网换相换流器，所述保护单元通过控制减小触发角升高直流电压或解除移相；对于电压源换流器，所述保护单元通过控制触发脉冲增大占空比或控制桥臂子模块数量来升高直流电压。
7.如权利要求6所述的直流输电电网换相换流器单向电流保护装置，其特征在于：所述本区域或本换流站的换流器为本区域或本换流站的电网换相换流器或电压源换流器。
8.如权利要求6所述的直流输电电网换相换流器单向电流保护装置，其特征在于：隔离所述其他区域或其他换流站的电网换相换流器的实现方法是：所述保护单元控制分开所述电网换相换流器与本区域或本换流站之间的直流母线或中性母线的隔离开关或刀闸。
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