CN110970880B - 含rl型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略 - Google Patents
含rl型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种含RL型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略，该技术方案一方面利用了电阻型超导限流器在故障后的高阻特性，另一方面利用了电抗器对故障电流的抑制作用，能够充分发挥现有技术条件下直流断路器的开断能力；同时，本发明能够解决正常运行状态下平波电抗器过大可能带来的稳定性问题。此外，本发明针对所提供的含有RL型超导限流器和直流断路器的换流站，提出了一套完整的直流故障处理策略。
Description
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种含RL型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略。
背景技术
随着新一轮能源革命的不断深入以及环境问题的日益加剧，我国能源结构的战略性调整已迫在眉睫。深入推进能源变革转型，实现绿色低碳发展，其根本出路在于加快清洁发展、实施“两个替代”，通过构建以电力为中心的能源网络，努力摆脱对化石能源的过度依赖。这其中，若要突破清洁能源的发展瓶颈，实现清洁能源的大规模开发、大范围配置以及高效率利用，电网的关键性作用必须得到充分发挥。
为了加快实现“西电东送、北电南供、水火互济、风光互补”的发展愿景，实现从传统能源向清洁能源的平稳过渡，基于电压源型换流器(Voltage source converter，VSC)，特别是模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电技术正成为目前学术研究的热点。基于柔性直流输电技术的直流电网是指由多个换流器直流端互联所构成的网格化输电系统，其最显著的特点在于能够实现多电源供电和多落点受电，完成对电能的高效率传输与调配。我国未来可依托柔性直流电网技术，将西南地区丰富的水能、三北地区丰富的太阳能和风能、东部沿海地区丰富的风能汇集并连接构成多个区域直流电网，减小新能源发电的间歇性及不稳定性对电网产生的影响；再进一步通过网对网的输电方式，将区域直流电网生产的大规模电力送往中东部负荷中心，从而实现全国范围内资源的优化配置。
相比起交流系统，柔性直流输电系统中各个换流站的功率由直流电压直接确定，并且直流线路的直流电阻远小于交流线路的工频阻抗，这就造成了直流电网的局部故障会影响到整个直流电网。此外，柔性直流输电系统的故障电流发展速度非常快，能够在故障后数毫秒之内上升到额定值的数十倍，对直流系统的故障保护策略提出了非常高的要求。到目前为止，学术界和工业界提出了两种技术路线用于处理柔性直流输电系统的直流故障，分别是采用改进型子模块的MMC或者采用高压直流断路器。混合型高压直流断路器凭借其较低的运行损耗和较快的开断速度，被学术界和工业界认为是用于处理柔性直流系统直流侧故障最具潜力的技术方案。
随着柔性直流输电系统电压等级的不断升高，换流站的故障电流水平不断提高，对高压直流断路器提出的要求也越来越高，非常有可能出现故障电水平超过直流断路器开断能力的情况。目前看来，采用通过超导直流限流器来限制直流故障电流，从而降低高压直流断路器开断能力的要求，是处理柔性直流系统直流故障一种较有发展前景的技术方案。在目前的技术条件下，电阻型限流器凭借其紧凑的体积、简单的结构和较高的技术成熟度，最具备应用于柔性直流系统的潜力；电阻型超导直流限流器在正常运行状态下对外呈现出低阻状态，不影响柔性直流系统的正常运行，故障后能够迅速转变为高阻状态，可以抑制故障电流上升率。
到目前为止，已公开的绝大多数文献基本只研究采用电阻型超导限流器和直流断路器处理直流故障，但是如果只采用电阻型超导限流器限制故障电流，会对超导限流器的限流电阻提出非常高的要求。为了在充分发挥电阻型超导限流器技术优势的前提下适当降低限流电阻的要求，有必要针对采用RL型超导限流器和直流断路器换流站的拓扑结构及其直流故障处理策略进行研究。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种含RL型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略，该技术方案一方面利用了电阻型超导限流器在故障后的高阻特性，另一方面利用了电抗器对故障电流的抑制作用，能够充分发挥现有技术条件下直流断路器的开断能力；同时，本发明能够解决正常运行状态下平波电抗器过大可能带来的稳定性问题。
一种含RL型超导限流器和直流断路器的换流站，采用真双极结构即正负极分别具有独立的换流器，所述换流器采用基于半桥子模块级联的模块化多电平换流器，换流站的直流侧通过多回直流线路与多端柔性直流系统中的其他换流站连接；
所述换流站中正极换流器的直流高压端通过机械开关连接至换流站的正极直流母线，正极换流器的直流低压端与负极换流器的直流高压端连接并接地，负极换流器的直流低压端通过机械开关连接至换流站的负极直流母线；
所述直流线路依次通过平波电抗器、RL型超导限流器、直流断路器与换流站的正极直流母线或负极直流母线连接。
进一步地，所述RL型超导限流器包括电阻型超导限流器、限流电抗器、避雷器和切换开关；其中，电阻型超导限流器与切换开关采用串联方式连接之后，再与限流电抗器以及避雷器采用并联方式连接。
进一步地，所述切换开关由超快速机械开关和电流转移开关串联组成。
进一步地，所述电流转移开关由多个带反并联二极管的IGBT管串联组成，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
进一步地，所述切换开关正常状态下处于闭合状态，仅当换流站在处理直流线路故障时才会处于开断状态。
上述换流站的直流线路故障处理策略，包括如下步骤：
(1)基于直流电流判断系统是否发生直流线路故障；
(2)如果检测到发生直流线路故障，则借助换流器控制以及RL型超导限流器和直流断路器配合动作，来断开故障线路。
进一步地，所述步骤(1)的具体实现方式为：首先根据流过直流断路器直流电流的大小和方向来判断故障发生位置：对于任一直流断路器，其所连的换流站直流母线为正极直流母线情况下，若直流电流从该直流断路器流向对应的直流线路且直流电流大小超过额定值的1.5倍，则判定故障发生位置在该直流断路器对应的直流线路上；对于任一直流断路器，其所连的换流站直流母线为负极直流母线情况下，若直流电流从直流线路流向该直流断路器且直流电流大小超过额定值的1.5倍，则判定故障发生位置在该直流断路器对应的直流线路上。
进一步地，所述步骤(2)的具体实现方式为：当检测到系统发生直流线路故障后，首先立刻向切换开关中电流转移开关发出开断信号；与此同时，对换流器采用三次谐波注入，并把换流器的直流电压指令值调整为额定值的0.8倍，待电流转移开关完全断开之后，向切换开关中的超快速机械开关施加开断信号；当检测到故障线路上直流电流大小超过额定值的2倍时，立刻向对应直流断路器发出开断信号，经过一定延时后，该故障线路被完全隔离。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明利用了电阻型超导限流器和限流电抗器的限流作用，能够降低对柔性直流系统中直流断路器开断电流的要求。
2.本发明利用了电阻型超导限流器在正常运行状态下的低阻抗特性，解决了限流电抗器过大对直流系统的不利影响，提高直流系统的安全稳定运行能力。
附图说明
图1为本发明换流站的结构示意图。
图2为RL型超导限流装置的结构示意图。
图3为切换开关的结构示意图。
图4为本发明换流站直流故障处理策略的流程示意图。
图5为两端柔性直流系统的单线示意图。
图6为直流线路故障下换流站的故障电流仿真示意图。
图7为实际工程中直流断路器的结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明含RL型超导限流器和直流断路器的换流站，换流站的正极直流出线和负极直流出线首先需要经过机械开关分别连接到正极直流母线和负极直流母线；正极直流母线和负极直流母线都需要经过平波电抗器、直流断路器、电阻型超导限流装置然后分别与正负极直流线路相连。
如图1所示，换流站采用真双极结构时，正负极均具有独立的换流器，换流器采用由半桥子模块构成的模块化多电平换流器；正极换流器的直流高压端作为正极直流出线，正极换流器的直流低压端与负极换流器的直流高压端同时连接到接地点，负极换流器的直流低压端作为负极直流出线；直流出线直接连接到直流母线上，直流母线经过直流断路器、RL型超导限流装置和平波电抗器连接于直流线路相连接。
如图2所示，RL型超导限流装置由三部分构成，分别为电阻型超导限流器、切换开关和限流电抗器，前两者采用并联方式连接之后，与限流电抗器和避雷器支路采用并联方式连接。
如图3所示，切换开关由超快速机械开关和电流转移开关串联构成，电流转移开关由多个带反并二极管的IGBT管串联组成，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接；正常状态下切换开关处于闭合状态，当其所连的换流站在直流故障处理过程中电流转移开关才会断开。
如图7所示，目前实际工程中所采用的直流断路器一般可以划分为三个并联支路，分别为电流转移支路、主断路器支路和能量耗散支路；其中，电流转移支路由超快速机械开关和具备双向通流能力的IGBT和反向并联二极管构成，故障后可以通过关断IGBT实现故障电流转移到主断路器支路的功能；主断路器支路由双向通流能力的IGBT和反向并联二极管构成(串联个数多于电流转移支路)，用来彻底开断故障电流；能量耗散支路由避雷器构成，用于耗散直流故障回路中电抗器存储的能量。
如图4所示，本发明换流站的直流故障处理策略步骤大体上分为2个步骤：第1个步骤是判断直流线路故障是否发生；第2个步骤是分别对换流器、RL型超导限流器和直流短路装置施加控制信号，对故障点进行隔离。
以下我们对本发明换流站进行仿真验证，图5为两端柔性直流输电系统的结构，该两端柔性直流输电系统参数如表1所示：
表1
仿真模型中，直流断路器采用理想开关与并联避雷器来等效，电阻型超导限流器由超导带材无感绕制的线圈构成；电阻型超导限流器的等效可变电阻随直流电流按照分段线性函数变化：当直流电流绝对值小于临界电流时，等效电阻为零；当直流电流绝对值小于大于临界电流，等效电阻取为最大失超电阻。此外，超快速机械开关均采用理想开关来等效。
仿真中假设1s时刻正极直流线路中点发生暂时性直流故障，图6给出了系统中流过换流站1直流断路器和换流站2直流断路器的直流电流(从直流母线往直流线路的方向为正方向)。
根据仿真结果可以发现，换流站1直流断路器和换流站2直流断路器的直流电流分别在1.002s和1.009s达到1.5kA，因此可以判定发生了直流故障；此外，由于故障发生前后直流母线注入电流均保持为零，可以判定没有发生直流母线故障；由于换流站1直流断路器和换流站2直流断路器的直流电流都从换流站流向直流线路，因此可以判定发生的是直流线路故障。
当检测到直流线路发生故障之后，立刻对故障线路对应的RL型超导限流器中切换开关施加关断信号；与此同时，对换流器采用三次谐波注入，参见《Alarcon-Gallo E.Thirdharmonic injection on sliding mode control for a three-phase,three-wireinverter[C].39th Annual Conference of the IEEE Industrial ElectronicsSociety,IEEE,2013：1910–1915.》，并且把换流器的直流电压指令值调整为额定值的0.8倍。在1.009s和1.0015s时刻，直流断路器的直流电流分别达到2.0kA，需要分别对直流断路器施加开断信号；考虑直流断路器开断延时3ms，因此换流站1直流断路器和换流站2直流断路器分别在1.0039s和1.0045s时刻开断直流电流。仿真结果表明，对于故障极的直流断路器而言，其最大开断电流分别只需达到6.0kA和6.5kA，完全满足目前主流高压直流断路器的电流开断能力。
仿真结果表明，本发明提出的含有RL型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略是有效的。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种含RL型超导限流器和直流断路器的换流站的直流线路故障处理策略，所述换流站采用真双极结构即正负极分别具有独立的换流器，所述换流器采用基于半桥子模块级联的模块化多电平换流器，换流站的直流侧通过多回直流线路与多端柔性直流系统中的其他换流站连接；换流站中正极换流器的直流高压端通过机械开关连接至换流站的正极直流母线，正极换流器的直流低压端与负极换流器的直流高压端连接并接地，负极换流器的直流低压端通过机械开关连接至换流站的负极直流母线；所述直流线路依次通过平波电抗器、RL型超导限流器、直流断路器与换流站的正极直流母线或负极直流母线连接；所述RL型超导限流器包括电阻型超导限流器、限流电抗器、避雷器和切换开关；其中，电阻型超导限流器与切换开关采用串联方式连接之后，再与限流电抗器以及避雷器采用并联方式连接；所述切换开关由超快速机械开关和电流转移开关串联组成；所述直流线路故障处理策略包括如下步骤：
(1)基于直流电流判断系统是否发生直流线路故障；
(2)如果检测到发生直流线路故障，则借助换流器控制以及RL型超导限流器和直流断路器配合动作，来断开故障线路；具体地：当检测到系统发生直流线路故障后，首先立刻向切换开关中电流转移开关发出开断信号；与此同时，对换流器采用三次谐波注入，并把换流器的直流电压指令值调整为额定值的0.8倍，待电流转移开关完全断开之后，向切换开关中的超快速机械开关施加开断信号；当检测到故障线路上直流电流大小超过额定值的2倍时，立刻向对应直流断路器发出开断信号，经过一定延时后，该故障线路被完全隔离。
2.根据权利要求1所述的直流线路故障处理策略，其特征在于：所述步骤(1)的具体实现方式为：首先根据流过直流断路器直流电流的大小和方向来判断故障发生位置：对于任一直流断路器，其所连的换流站直流母线为正极直流母线情况下，若直流电流从该直流断路器流向对应的直流线路且直流电流大小超过额定值的1.5倍，则判定故障发生位置在该直流断路器对应的直流线路上；对于任一直流断路器，其所连的换流站直流母线为负极直流母线情况下，若直流电流从直流线路流向该直流断路器且直流电流大小超过额定值的1.5倍，则判定故障发生位置在该直流断路器对应的直流线路上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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