CN110535098B - 一种柔性直流输电系统直流故障的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性直流输电系统直流故障的保护方法，柔性直流输电系统主要有对称单极、双极2种拓扑。对称单极的柔性直流输电系统发生直流侧双极短路故障、双极柔性直流输电系统发生直流侧单极接地、单极对金属回线、双极短路等故障时，桥臂电流会远超换流阀半导体器件的额定电流值，为保护柔性直流输电系统中换流阀的半导体器件，本发明结合柔性直流输电系统的直流故障特征，采集桥臂电流，通过换流阀上、下桥臂电流大小、方向等判据，实现保护的快速动作，以完成闭锁换流阀，触发子模块晶闸管导通等动作逻辑，保护换流阀半导体器件。

Description

一种柔性直流输电系统直流故障的保护方法
技术领域
本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统直流故障的保护方法。
背景技术
柔性直流输电采用电压源换流器，可以独立调节有功和无功的输出，提高交流系统的输电能力，在可再生能源的发电并网、孤岛城市供电以及交流系统互联等应用领域，具有明显的竞争力。随着电力电子器件和控制技术的进步，柔性直流输电系统容量和电压等级越来越高。
柔性直流输电系统多采用半桥MMC结构的子模块，当系统发生直流侧故障时，由于续流二极管的存在，且交流开关跳开较慢，导致桥臂电流依然过大，从而损害换流阀的二极管。因而，半桥MMC会在下管二极管旁并联晶闸管，发生故障时，通过导通晶闸管，保护换流阀。
在现有的柔性直流输电系统保护配置中，通过欠压过流保护、直流突变量保护等检测直流侧故障，来实现晶闸管的投入逻辑。这些保护均引入了直流电压量作为辅助判据。但由于直流电压在故障瞬间变化抖动过大，其判据不易选择。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术不足,提供一种柔性直流输电系统直流故障的保护方法，实现保护的快速动作，以完成闭锁换流阀，触发子模块晶闸管导通等动作逻辑，保护换流阀半导体器件。
为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种柔性直流输电系统直流故障的保护方法，包括：检测每个桥臂的电流，当任一桥臂电流大于第一阈值的时间超过第一延时时间，则闭锁换流阀；当检测到柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障且任一桥臂电流大于第二阈值的时间超过第二延时时间，则闭锁换流阀，同时触发导通子模块晶闸管，所述第二阈值大于第一阈值。
进一步地，通过检测桥臂电流的差动电流大小，检测柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障，判据如下：
|IBPA+IBPB+IBPC-(IBNA+IBNB+IBNC)|≤IDset，其中IBPA、IBPB、IBPC为换流阀上桥臂A、B、C三相瞬时值电流，IBNA、IBNB和IBNC为换流阀下桥臂A、B、C三相瞬时值电流，k1IDN≤IDset≤k2IDN，0<k1≤k2≤1，IDset为保护定值，IDN为直流电流额定值；
当判据满足时间超过第三延时时间，判定为柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障。
进一步地，通过检测直流正负极电流或者极、中性线的电流的差流，检测柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障，判据如下：
|IDP-IDN|≤IDset,其中k1IDN≤IDset≤k2IDN，0<k1≤k2≤1，IDP为直流正极电流，IDN为直流负极电流或中性线电流，IDset为保护定值，IDN为直流电流额定值；
当判据满足时间超过第三延时时间，判定为柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障。
进一步地，所述柔性直流输电系统，为对称单极拓扑或者是双极拓扑。
进一步地，对于对称单极拓扑，直流侧故障为双极短路故障；对于双极拓扑，直流侧故障包含：双极短路故障、单极接地故障、单极对金属中线故障。
本发明的有益效果为：本发明结合柔性直流输电系统的直流故障特征，采集桥臂电流，通过换流阀上、下桥臂电流大小、方向等判据，实现保护的快速动作，以完成闭锁换流阀，触发子模块晶闸管导通等动作逻辑，保护换流阀半导体器件。
附图说明
图1柔性直流输电系统拓扑；
图2子模块结构图。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
柔性直流输电系统主要有对称单极、双极2种拓扑。对称单极的柔性直流输电系统发生直流侧双极短路故障、双极柔性直流输电系统发生直流侧单极接地、单极对金属回线、双极短路等故障时，桥臂电流会远超换流阀半导体器件的额定电流值，为保护柔性直流输电系统中换流阀的半导体器件，本发明结合柔性直流输电系统的直流故障特征，采集桥臂电流，通过换流阀上、下桥臂电流大小、方向等判据，实现保护的快速动作，以完成闭锁换流阀，触发子模块晶闸管导通等动作逻辑，保护换流阀半导体器件。
实施例1：
柔性直流输电系统直流故障的保护方法，利用桥臂电流差流、直流电流的差流来辅助判断是交流侧故障还是直流侧故障。
检测每个桥臂的电流IBPA、IBPB、IBPC、IBNA、IBNB和IBNC，当任一桥臂电流|IB|>IBset1，超过延时时间t1，则闭锁换流阀；当检测到柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障且|IB|>IBset2，超过延时时间t2，则闭锁换流阀，同时触发导通子模块晶闸管。其中，IBPA、IBPB、IBPC为换流阀上桥臂A、B、C三相瞬时值电流，IBNA、IBNB和IBNC为换流阀下桥臂A、B、C三相瞬时值电流，IB为任一换流阀桥臂电流，IBset2≥IBset1≥IBN，IBset1，IBset2为第一阈值和第二阈值，IBN为桥臂电流瞬时值额定值。
通过检测桥臂电流的差动电流大小，检测柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障，判据如下：
|IBPA+IBPB+IBPC-(IBNA+IBNB+IBNC)|≤IDset，延时时间为td1，其中k1IDN≤IDset≤k2IDN，0<k1≤k2≤1，IDset为保护定值，IDN为直流电流额定值，当判据满足时间超过延时时间td1，判定为柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障。
实施例2：
柔性直流输电系统直流故障的保护方法，利用桥臂电流差流、直流电流的差流来辅助判断是交流侧故障还是直流侧故障。
检测每个桥臂的电流IBPA、IBPB、IBPC、IBNA、IBNB和IBNC，当任一桥臂电流|IB|>IBset1，超过延时时间t1，则闭锁换流阀；当检测到柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障且|IB|>IBset2，超过延时时间t2，则闭锁换流阀，同时触发导通子模块晶闸管。其中，IBPA、IBPB、IBPC为换流阀上桥臂A、B、C三相瞬时值电流，IBNA、IBNB和IBNC为换流阀下桥臂A、B、C三相瞬时值电流，IB为任一换流阀桥臂电流，IBset2≥IBset1≥IBN，IBset1，IBset2为第一阈值和第二阈值，IBN为桥臂电流瞬时值额定值。
通过检测直流正负极电流或者极、中性线的电流的差流，检测柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障，判据如下：
|IDP-IDN|≤IDset,延时时间为td1，其中k1IDN≤IDset≤k2IDN，0<k1≤k2≤1，IDP为直流正极电流，IDN为直流负极电流或中性线电流，IDset为保护定值，IDN为直流电流额定值；当判据满足时间超过延时时间td1，判定为柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障。
上述实施例中的柔性直流输电系统，可以是对称单极拓扑，也可以为双极拓扑。
实施例3：
对于对称单极拓扑，直流侧故障为双极短路故障；对于双极拓扑，直流侧故障至少包含：双极短路故障、单极接地故障、单极对金属中线故障等。图1是柔性直流输电系统拓扑，并显示了拓扑中的桥臂电流、直流侧电流，图2为半桥子模块的结构图；按照本发明中所述方法，对图1所示模块化多电平换流器的保护配置及动作策略进行说明：
(1)检测每个桥臂的桥臂电流IBPA、IBPB、IBPC、IBNA、IBNB、IBNC；
(2)检测直流侧的电流IDP和IDNC；
(3)当任一桥臂电流|IB|>IBset1，超过延时时间t1，则闭锁换流阀；
(3)当|IB|>IBset2且|IBPA+IBPB+IBPC-(IBNA+IBNB+IBNC)|≤IDset时，即任意一桥臂电流的绝对值大于第二阈值IBset2且6个桥臂电流的差流绝对值小于设定动作定值IDset时，认为是直流侧故障，闭锁、触发晶闸管导通、跳交流进线开关；或者：
当|IB|>IBset2且|IDP-IDN|≤IDset时，即任意一桥臂电流的绝对值大于第二阈值IBset2且正负极电流的差流绝对值小于设定动作定值IDset时，认为是直流侧故障，闭锁、触发晶闸管导通、跳交流进线开关。
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 (5)

1.一种柔性直流输电系统直流故障的保护方法，其特征在于：检测每个桥臂的电流，当任一桥臂电流大于第一阈值的时间超过第一延时时间，则闭锁换流阀；当检测到柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障且任一桥臂电流大于第二阈值的时间超过第二延时时间，则闭锁换流阀，同时触发导通子模块晶闸管，所述第二阈值大于第一阈值。
2.如权利要求1所述的柔性直流输电系统直流故障的保护方法，其特征在于，通过检测桥臂电流的差动电流大小，检测柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障，判据如下：
|IBPA+IBPB+IBPC-(IBNA+IBNB+IBNC)|≤IDset，其中IBPA、IBPB、IBPC为换流阀上桥臂A、B、C三相瞬时值电流，IBNA、IBNB和IBNC为换流阀下桥臂A、B、C三相瞬时值电流，k1IDN≤IDset≤k2IDN，0＜k1≤k2≤1，IDset为保护定值，IDN为直流电流额定值；
当判据满足时间超过第三延时时间，判定为柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障。
3.如权利要求1或2所述的柔性直流输电系统直流故障的保护方法，其特征在于，通过检测直流正负极电流或者极、中性线的电流的差流，检测柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障，判据如下：
|IDP-IDN|≤IDset,其中k1IDN≤IDset≤k2IDN，0＜k1≤k2≤1，IDP为直流正极电流，IDN为直流负极电流或中性线电流，IDset为保护定值，IDN为直流电流额定值；
当判据满足时间超过第三延时时间，判定为柔性直流输电系统非交流侧、阀侧故障。
4.如权利要求1所述的柔性直流输电系统直流故障的保护方法，其特征在于，柔性直流输电系统，为对称单极拓扑或者是双极拓扑。
5.如权利要求1所述的柔性直流输电系统直流故障的保护方法，其特征在于，对于对称单极拓扑，直流故障为双极短路故障；对于双极拓扑，直流故障包含：双极短路故障、单极接地故障、单极对金属中线故障。
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