CN110829396A - 基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统及自动化技术，具体涉及基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统及方法，该系统在输电线路的入口和出口各装设一套电阻型超导故障限流器设备和混合式直流断路器设备，设计可控延时来协调电阻型超导故障限流器和混合式直流断路器的动作时间间隔，以实现两者之间的配合，有效处理混合直流输电系统中的直流故障。该系统的方法在处理直流故障时具有有效性和适用性，特别是对于电压源换流器型换流站，能够有力地抑制直流故障电流上升、减少暂态电压持续时间、显著降低混合型断路器耗散能量，对于电网换相型换流站该方法可以作为一个有效的后备手段，确保及时实现故障隔离。有效提高了整个混合直流输电系统的鲁棒性。

Description

基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统及自动化技术领域，尤其涉及基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统及方法。

背景技术

传统的高压直流输电(High Voltage Direct Current，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。

针对混合直流输电技术在工程应用中出现的一些问题，目前国内外学者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，而关于如何增强直流故障下系统鲁棒性的研究却很少。在混合直流输电系统中，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，短路电流可能对设备造成不可逆的破坏，甚至导致整个系统的崩溃。对于混合直流输电系统中LCC换流站的直流短路电流，可以通过调整触发角及附加限流方案，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。因此引入一种能够快速隔离混合直流输电系统直流故障的方法，是很有必要的。

在高压直流输电系统中，电阻型超导限流器(Superconducting Fault CurrentLimiter，SFCL)常被用来限制短路电流大小，SFCL主要利用超导材料的失超原理来实现限流，其限流原理可以直观描述为：在正常运行状态下，超导限流器由于超导特性，等效电阻为0，此时流过电流为系统正常工作电流，限流器的接入对系统不产生影响，但当直流故障发生时，线路短路使得故障电流迅速上升导致超导失超，超导的失超极大增加了限流器的电阻值，从而实现了故障电流限流。

在高压直流输电系统中，为了保证系统安全可靠的运行，设置直流断路器来快速切除故障，将故障部分隔离是不可缺少的。在直流断路器的发展历程中，出现了机械式直流断路器、固态式直流断路器、混合式直流断路器(Hybrid DC Circuit Breaker，HDCB)等类型的断路器。机械式直流断路器带负载能力强、运行稳定、通态损耗小、开断容量大，但其切除故障电流的时间长、切除时设备容易受到电弧灼烧；固态式直流断路器切断速度快，但需要串联大量电力电子开关，对均压和均流技术要求高，并且大量电力电子开关的使用增加了直流断路器正常导通情况下的通态损耗；HDCB将机械开关与固态开关相结合，保留了机械开关通态损耗小、带载能力强和固态开关响应速度快的优点，实现直流电流快速、安全开断。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电阻型超导限流器-混合式直流断路器的混合直流输电故障处理系统及方法，在直流故障发生时，协调电阻型SFCL和HDCB的动作时间对直流故障进行隔离，以期能够抑制直流故障电流上升、缩短暂态电压持续时间、降低直流断路器的耗散能量，确保系统中换流站在故障发生时不被故障电流损坏，提高混合直流输电系统直流故障下的鲁棒性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统，包括输电线路的入口和出口分别连接第一、第二电阻型超导限流器设备，再分别串联第一、第二混合式直流断路器设备。

在上述的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统中，输电线路入口包括第一交流电网、与第一交流电网连接的整流侧变压器、与整流侧变压器连接的LCC换流站；输电线路出口包括第二交流电网、与第二交流电网连接的逆变侧变压器、与逆变侧变压器连接的VSC换流站；LCC换流站连接第一电阻型超导限流器设备，VSC换流站连接第二电阻型超导限流器设备。

在上述的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统中，LCC换流站和VSC换流站分别采用了定直流电流和定直流电压的控制器。

在上述的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统中，第一、第二电阻型超导限流器设备均采用简化模型，其电阻变化规律描述如式(1)：

其中，t为时间，t_quench为失超起始时间；R_SC为超导电阻；T_SC为反映电阻型超导限流器从超导态过渡到正常态的时间常数。

在上述的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统中，第一、第二混合式直流断路器设备均包括载流转移支路、主断路器和隔离开关；载流转移支路包括快速机械开关和负载转换开关串联，供正常运行时电流流通；主断路器包括固态开关支路和吸能支路；固态开关支路包括级联的固态开关组，吸能支路包括并联的非线性泄放电阻；主断路器在故障发生时完成故障电流的换相、断流、能量释放，从而实现混合式直流断路器的关断；隔离开关在故障电流关断后对线路进行隔离。

一种基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理方法，包括以下步骤：

步骤1、输电线路无故障发生情况下，直流电流流过正常工作状态下的电阻型超导限流器设备，并通过混合式直流断路器设备的载流转移支路形成电流通路；

步骤2、在输电线路发生直流故障情况下，协调电阻型超导限流器设备和混合式直流断路器设备完成混合直流输电系统故障隔离，其隔离方法如下：

步骤2.1、直流故障发生后，故障电流开始急剧上升，当超过临界电流限制时，电阻型超导限流器设备动作，减小故障电流上升速度；

步骤2.2、故障电流继续上升，电阻型超导限流器设备动作之后经过一段可控延时，混合式直流断路器设备开始动作，此时负载转换开关打开，载流转移支路断开，主断路器级联的固态开关组闭合构成电流通路，电流从载流转移支路换相到主断路器的固态开关支路；

步骤2.3、电流换相完成后，混合式直流断路器设备的快速机械开关打开以隔离负载转换开关，保护负载转换开关中的电力电子器件不受损坏，同时主断路器级联的固态开关组再次断开；

步骤2.4、故障电流转移到吸能支路的非线性泄放电阻上，非线性泄放电阻吸收剩余能量，故障电流下降至零，此时隔离开关打开完成故障线路隔离。

本发明的有益效果：在处理混合直流输电直流故障时，对于VSC换流站，能够有效抑制直流短路电流上升，缩短暂态电压的持续时间，显著降低混合式直流断路器的耗散能量。对于LCC换流站，能够作为一个有效的后备手段，确保及时实现故障隔离。整体看来，能提高混合直流输电系统直流故障下的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明实例应用中配置有电阻型超导限流器-混合式直流断路器的±320kV混合高压直流输电系统；

图2为本发明实例应用中LCC换流站和VSC换流站的控制策略图；

图3为本发明实例应用中电阻型超导限流器的等效模型；

图4为本发明实例应用中电阻型超导限流器的失超特性；

图5为本发明实例应用中混合式直流断路器的拓扑电路；

图6为本发明实例应用中混合式直流断路器的开断电流特性；

图7为本发明实例应用中混合式直流断路器的典型架构；

图8为本发明实例应用中遭遇直流故障下电阻型超导限流器和混合式直流断路器的故障隔离流程图；

图9(a)为本发明实例应用中在R_SC-VSC改变时LCC换流站的故障电流特性；

图9(b)为本发明实例应用中在R_SC-VSC改变时VSC换流站的故障电流特性；

图10(a)为本发明实例应用中在R_SC-VSC改变时LCC换流站侧混合式直流断路器的暂态电压特性响应；

图10(b)为本发明实例应用中在R_SC-VSC改变时VSC换流站侧混合式直流断路器的暂态电压特性响应；

图11(a)为本发明实例应用中在T_d改变时LCC换流站的故障电流特性；

图11(b)为本发明实例应用中在T_d改变时VSC换流站的故障电流特性；

图12(a)为本发明实例应用中在T_d改变时LCC换流站侧混合式直流断路器的暂态电压特性；

图12(b)为本发明实例应用中在T_d改变时VSC换流站侧混合式直流断路器的暂态电压特性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例针对混合高压直流输电系统的技术特点，提出一种基于电阻型超导限流器-混合式直流断路器的高压直流输电故障处理方法，通过电阻型超导限流器和混合式直流断路器配合，有效处理高压直流输电系统中的直流故障问题。本实施例是通过以下技术方案来实现的：

基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统，包括输电线路的入口和出口分别装设一套电阻型超导限流器设备，再分别串联装设一套混合式直流断路器设备。

而且，电阻型超导限流器设备采取简化模型，其电阻变化规律描述如式(1)：

其中，t为时间，t_quench为失超起始时间；R_SC为超导电阻；T_SC为反映电阻型超导限流器从超导态过渡到正常态的时间常数。

而且，混合式直流断路器设备基于绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)阀组串联技术与快速机械开关相结合原理制作而成，包括快速机械开关(Ultrafast Disconnector，UFD)和负载转换开关(Load Commutation Switch，LCS)构成载流转移支路供正常运行时电流流通，主断路器(Main DC Breaker，MDB)由多个固态开关组与非线性泄放电阻并联结构级联构成，主断路器作为固态开关支路和吸能支路，在故障发生时完成故障电流的换相、断流、能量释放，从而实现混合式直流断路器的关断。还采用了一个隔离开关在故障电流关断后对线路进行隔离。

利用基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统进行故障处理的方法，包括直流故障发生时，设计可控延时来协调超导限流器设备和混合式直流断路器设备的动作时间间隔，以实现两者之间的配合，有效处理混合直流输电系统中的线路故障。分为两种工作情况来阐述：

1)在无故障发生情况下，直流电流流过正常工作状态下的电阻型超导限流器设备，经混合式直流断路器设备时，由闭合的隔离开关，闭合的快速机械开关和负载转换开关构成的载流转移支路形成电流通路。

2)在输电线路发生直流故障情况下，该方法协调电阻型超导限流器设备和混合式直流断路器设备完成混合直流输电系统故障隔离，其隔离过程可以解释如下：

i)直流故障发生后，故障电流开始急剧上升，当超过临界电流限制时，电阻型超导限流器设备动作，减小故障电流上升速度；

ii)故障电流继续上升，电阻型超导限流器设备动作之后经一段可控延时，混合式直流断路器设备开始动作，此时负载转换开关打开，载流转移支路断开，主断路器级联的固态开关组闭合构成电流通路，电流从载流转移支路换相到主断路器的固态开关支路；

iii)电流换相完成后，此时混合式直流断路器设备的快速机械开关打开以隔离负载转换开关，保护负载转换开关中的电力电子器件不受损坏，同时主断路器的固态开关组再次断开；

iv)故障电流转移到吸能支路的非线性泄放电阻上，非线性泄放电阻吸收剩余能量，故障电流下降至零，此时隔离开关打开完成故障线路隔离。

具体实施时，如图1所示，为配置有电阻型超导限流器设备和混合式直流断路器设备的混合高压直流输电系统。该混合高压直流输电系统包括了第一交流电网1、整流侧变压器、LCC换流站、输电线路、VSC换流站、逆变侧变压器以及第二交流电网2。输电线路的入口和出口分别装设有第一电阻型超导限流器设备和第一混合式直流断路器设备，第二电阻型超导限流器设备和第二混合式直流断路器设备；

并且，在该混合高压直流输电系统中，LCC换流站和VSC换流站分别采用了定直流电流和定直流电压的控制器，图2所示为LCC换流站和VSC换流站的控制曲线。

电阻型超导限流器采用第二代钇钡铜氧化物(YBCO)材料。图3为电阻型超导限流器的等效模型，图4为电阻型超导限流器的失超特性曲线，电阻型超导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超导限流器模型不同，这种简化等效电阻型超导故障限流器模型通过合理设置过渡参数，可以通过两个运行段有效地反映电阻型超导故障限流器的暂态特性。

如图5所示的混合式直流断路器设备的拓扑电路，开断电流特性如图6所示。典型的混合式直流断路器设备由三部分组成，如图7所示，一部分是载流转移支路(由机械开关与固态开关串联构成)，一部分是固态开关支路(由固态开关组串联构成)，一部分是吸能支路(由非线性泄放电阻构成)。正常运行时，混合式直流断路器设备电流流经载流转移支路。故障后，故障电流由载流转移支路转移到固态开关支路；经一段延迟固态开关支路关断，故障电流转移到吸能支路，最终，剩余能量由吸能支路吸收，混合式直流断路器设备完成关断过程。

混合式直流断路器设备中，快速机械开关和组成器件为固态开关的负载转换开关构成了断路器的载流转移支路，混合式直流断路器设备的主断路器包括级联的固态开关组和并联的非线性泄放电阻，主断路器在故障发生时作为固态开关支路和吸能支路参与故障时断路器的断流过程，此外，还采纳了一个隔离开关在故障电流被关断后隔离故障线路。该混合式直流断路器设备的工作原理可以描述为：正常运行情况下，电流在流经混合式直流断路器设备时，经闭合的隔离开关，闭合的快速机械开关和负载转换开关构成的载流转移支路流通，故障后，负载转换开关打开，故障电流由载流转移支路转移到固态开关支路，一段时间后固态开关支路断开，故障电流转移到由非线性泄放电阻构成的吸能支路，剩余能量由吸能支路吸收，隔离开关打开以隔离故障线路，混合式直流断路器完成关断过程。

在该实施对象中，LCC换流站采用定直流电流控制，其故障分析电气方程如式(2)：

其中R_eq、L_eq是等效直流电阻和电感，下标LCC表示LCC换流站，I_f是直流故障电流，U_LCCm是第一交流电网1的均方根电压，α是触发角，T和X_T是LCC换流站侧变压器的匝比和电抗，U_g是故障位置处残余电压，其与故障电阻的关系如式(3)：

U_g＝R_g(I_f-LCC+I_f-VSC) (3)

其中I_f-VSC是VSC换流站的直流故障电流，由式(4)推出：

其中C_eq是等效电容，U_dc是直流电压，下标VSC表示VSC换流站。由此推导可知对于LCC换流站，触发角控制器可以影响电源供给I_f-LCC,并且控制触发角能够起到比调节LCC换流站侧电阻型超导限流器电阻大小更好的限流效果；而对于VSC换流站，电阻型超导限流器在故障发生时相比改变换流站控制角能起到更好的限流效果。

本实施例以电阻型超导限流器和混合式直流断路器的配合作为故障电流处理的主要方式，构成如图8所示的直流故障处理方法。该电阻型超导限流器-混合式直流断路器系统在正常工作情况下，直流电流流过正常态电阻型超导限流器，在流经混合式直流断路器时经闭合的隔离开关，闭合的快速机械开关和负载转换开关构成的载流转移支路流通。

在输电线路发生故障后，故障电流开始急剧上升，当超过临界电流限制时，电阻型超导限流器设备动作，同时，LCC换流站触发角控制器被激活，采取最大触发角控制，触发角控制在155°，LCC换流站短路电流被有效抑制，保证LCC换流站在故障发生期间不被故障电流损坏。随后，经一段可控的时间延时后，混合式直流断路器设备开始动作，载流转移支路的负载转换开关打开，同时主断路器级联的固态开关组闭合构成电流通路，电流从载流转移支路换相到主断路器的固态开关支路。当电流完全转移到主断路器的固态开关支路时，电流换相完成，此时快速机械开关断开以隔离负载转换开关，保护其电力电子器件不受损坏，同时主断路器级联的固态开关组再次打开，使得电流转移到吸能支路的非线性泄放电阻上，非线性泄放电阻吸收剩余能量，故障电流下降至零，隔离开关打开完成故障线路隔离。主断路器作为整个故障隔离手段中的重要一环，定义电阻型超导限流器动作到主断路器的级联的固态开关组再次打开之间的时间间隔为延时T_d。

本实施例中所涉及的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理方法，具备以下预期效果：1)限制直流短路电流上升；2)缩短暂态电压的持续时间；3)降低混合式直流断路器的耗散能量。对提高直流故障下的鲁棒性有显著效果。

为验证本实施例涉及隔离方法的具体性能，参照图1建立了详细电磁暂态仿真模型。混合直流输电系统主要参数如附表1。

附表1发明具体实施中混合直流输电系统主要参数

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。逆变侧电阻型超导限流器的电阻R_SC-VSC设置为0Ω(无SFCL)、20Ω、30Ω、40Ω、50Ω，同时整流侧电阻型超导限流器的电阻R_SC-LCC保持为50Ω不变。得到在LCC换流站和VSC换流站的故障电流响应如图9(a)、图9(b)所示，在LCC换流站和VSC换流站侧混合式直流断路器的的暂态电压响应如图10(a)、图10(b)所示。VSC换流站侧响应数据如附表2。

附表2改变逆变侧SFCL电阻大小时VSC换流站侧故障响应数据

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。逆变侧电阻型超导限流器的电阻R_SC-VSC设置为30Ω，整流侧电阻型超导限流器的电阻R_SC-LCC设置为50Ω，主断路器的延时时间T_d设置为3ms、4ms、5ms、6ms、7ms。得到在LCC换流站和VSC换流站的故障电流响应如图11(a)、图11(b)所示，在LCC换流站和VSC换流站侧混合式直流断路器的的暂态电压响应如图12(a)、图12(b)所示。VSC换流站侧的响应数据如附表3。

附表3改变主断路器延时时间时VSC换流站侧故障响应数据

综合上述实例一、实例二的仿真结果，验证了基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理方法在处理直流故障时的有效性和适用性，特别是对于混合直流输电系统中的VSC换流站，它能够有力地抑制直流故障电流上升、减少暂态电压持续时间、显著降低混合式直流断路器耗散能量，对于混合直流输电系统中的LCC换流站，引入限流器，能带来一定的限流效果，且随着限流器电阻增大，限流率有所提升，对于缓解直流断路器开断压力也有重要意义。若定触发角控制失效，整流侧限流器的限流效果将更为突出，故可作为定触发角控制失效后的竞争性后备保护方法，确保及时实现故障隔离。有效提高了整个直流输电系统的鲁棒性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统，其特征是，包括输电线路的入口和出口分别连接第一、第二电阻型超导限流器设备，再分别串联第一、第二混合式直流断路器设备。

2.如权利要求1所述的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统，其特征是，输电线路入口包括第一交流电网、与第一交流电网连接的整流侧变压器、与整流侧变压器连接的LCC换流站；输电线路出口包括第二交流电网、与第二交流电网连接的逆变侧变压器、与逆变侧变压器连接的VSC换流站；LCC换流站连接第一电阻型超导限流器设备，VSC换流站连接第二电阻型超导限流器设备。

3.如权利要求1所述的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统，其特征是，LCC换流站和VSC换流站分别采用了定直流电流和定直流电压的控制器。

4.如权利要求1所述的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统，其特征是，第一、第二电阻型超导限流器设备均采用简化模型，其电阻变化规律描述如式(1)：

其中，t为时间，t_quench为失超起始时间；R_SC为超导电阻；T_SC为反映电阻型超导限流器从超导态过渡到正常态的时间常数。

5.如权利要求1所述的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统，其特征是，第一、第二混合式直流断路器设备均包括载流转移支路、主断路器和隔离开关；载流转移支路包括快速机械开关和负载转换开关串联，供正常运行时电流流通；主断路器包括固态开关支路和吸能支路；固态开关支路包括级联的固态开关组，吸能支路包括并联的非线性泄放电阻；主断路器在故障发生时完成故障电流的换相、断流、能量释放，从而实现混合式直流断路器的关断；隔离开关在故障电流关断后对线路进行隔离。

6.如权利要求5所述的基于限流器和断路器的混合直流输电故障处理系统的处理方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、输电线路无故障发生情况下，直流电流流过正常工作状态下的电阻型超导限流器设备，并通过混合式直流断路器设备的载流转移支路形成电流通路；

步骤2、在输电线路发生直流故障情况下，协调电阻型超导限流器设备和混合式直流断路器设备完成混合直流输电系统故障隔离，其隔离方法如下：

步骤2.1、直流故障发生后，故障电流开始急剧上升，当超过临界电流限制时，电阻型超导限流器设备动作，减小故障电流上升速度；

步骤2.2、故障电流继续上升，电阻型超导限流器设备动作之后经过一段可控延时，混合式直流断路器设备开始动作，此时负载转换开关打开，载流转移支路断开，主断路器级联的固态开关组闭合构成电流通路，电流从载流转移支路换相到主断路器的固态开关支路；

步骤2.3、电流换相完成后，混合式直流断路器设备的快速机械开关打开以隔离负载转换开关，保护负载转换开关中的电力电子器件不受损坏，同时主断路器级联的固态开关组再次断开；

步骤2.4、故障电流转移到吸能支路的非线性泄放电阻上，非线性泄放电阻吸收剩余能量，故障电流下降至零，此时隔离开关打开完成故障线路隔离。

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