CN111740386A - 一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法和装置，以换流阀六个桥臂电流测量值为输入量，利用换流器正常运行工况下六桥臂电流平衡、阀区内接地故障工况下六桥臂电流不平衡的运行机理，并结合换流阀控制系统保护装置快速响应的特点，可有效识别换流阀区域接地故障，并切除能量馈入源，降低换流阀设备电压应力，从而保护换流阀设备安全运行。本发明适应于采用架空线路及海缆线路半桥式、全桥等子模块拓扑的MMC的柔性直流输电工程中，提高了柔性直流输电系统运行的灵活性与可靠性，具有很大工程应用前景。

Description

一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法和装置
技术领域
本发明属于电力系统及电力电子柔性直流换流阀技术领域，具体涉及一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法和装置。
背景技术
基于MMC(Modular Multilevel Converter,模块化多电平换流器)的柔性直流输电系统控制灵活，能够实现有功、无功的独立解耦控制，在大规模分布式新能源并网、城市供电、孤岛供电、电网黑启动、多端直流联网、弱系统联网等领域具有很大市场应用前景。目前国内已有多个MMC拓扑结构应用工程。
在目前直流电网中，通过采用高压直流断路器的快速开断能力，能够保证不闭锁换流站的情况下实现线路故障的快速隔离，降低了换流阀设备的电流应力，减小故障范围，提高柔性直流输电电网的供电可靠性。
但是构成MMC的子模块单元过压能力较弱，极端故障下容易造成MMC阀过压损坏或整体旁路的问题，如何可靠提高MMC换流阀设备在暂态故障下的电压、电流耐受能力依然是限制MMC柔性直流输电工程的重要因素。
根据柔性直流输电系统故障发展规律，一般来说受端MMC换流阀站内故障工况下换流阀过电压应力相对较为严苛。目前已提出的解决方案是，在送端MMC换流阀交流侧加装交流Chopper设备、直流线路侧加装直流Chopper设备或者直流线路加装高压直流断路器设备，以尽快切断能量馈入回路，降低受端换流阀设备的过电压应力。但是受限于直流电网的复杂性、目前控制保护装置的故障保护响应速度以及一次设备的研制能力，调节作用十分有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法及装置，以降低故障站MMC换流阀过电压应力，在很大程度上提高MMC柔性直流输电的供电可靠性，促进柔性直流输电技术的发展与应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面提供了一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法，包括如下步骤：
步骤S100,采集换流阀六桥臂的电流值ipa、ipb、ipc、ina、inb和inc；其中，ipa、ipb、ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina、inb、inc表示下桥臂三相电流；
步骤S200，根据预定条件判断六桥臂电流是否平衡；
步骤S300，如果六桥臂电流不平衡，则换流阀立即闭锁，申请系统跳闸，如果电流平衡，则系统正常运行。
进一步的，所述换流阀六桥臂的电流值满足如下公式：
Figure BDA0002548374040000021
Figure BDA0002548374040000022
其中，iva，ivb，ivc表示换流阀侧三相交流电流，ipa，ipb，ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina，inb，inc表示下桥臂三相电流，Idc表示直流母线电流；
所述步骤S100中六桥臂的电流值由换流阀侧三相交流电流和直流母线电流确定。
进一步的，所述根据预定条件判断六桥臂电流是否平衡的步骤包括：
计算[(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)]的值；
如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＞Δi，则该六桥臂电流不平衡，接地故障位置为阀区故障区域；如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＝0，则该六桥臂电流平衡，接地故障位置为其他故障区域，其中，Δi表示不平衡电流值。
本发明的第二方面提供了一种柔性直流输电换流阀过电压抑制装置，包括换流阀桥臂电流值采集模块、桥臂电流平衡判断模块和换流阀桥臂电流不平衡保护模块；
换流阀桥臂电流值采集模块用来采集换流阀六桥臂的电流值ipa、ipb、ipc、ina、inb和inc；其中，ipa、ipb、ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina、inb、inc表示下桥臂三相电流；
桥臂电流平衡判断模块用来判断根据预定条件判断六桥臂电流是否平衡；
换流阀桥臂电流不平衡保护模块根据判断结果进行相应的保护动作，如果六桥臂电流不平衡，则换流阀立即闭锁，申请系统跳闸，如果电流平衡，则系统正常运行。
进一步的，所述换流阀六桥臂的电流值满足如下公式：
Figure BDA0002548374040000031
Figure BDA0002548374040000032
其中，iva，ivb，ivc表示换流阀侧三相交流电流，ipa，ipb，ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina，inb，inc表示下桥臂三相电流，Idc表示直流母线电流；
六桥臂的电流值由换流阀侧三相交流电流和直流母线电流确定。
进一步的，所述桥臂电流平衡判断模块执行如下步骤：
计算[(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)]的值；
如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＞Δi，则该六桥臂电流不平衡，接地故障位置为阀区故障区域；如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＝0，则该六桥臂电流平衡，接地故障位置为其他故障区域，其中，Δi表示不平衡电流值。
综上所述，本发明提供了一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法和装置，以换流阀六个桥臂电流测量值为输入量，利用换流器正常运行工况下六桥臂电流平衡、阀区内接地故障工况下六桥臂电流不平衡的运行机理，并结合换流阀控制系统保护装置快速响应的特点，可有效识别换流阀区域接地故障，并切除能量馈入源，降低换流阀设备电压应力，从而保护换流阀设备安全运行。本发明适应于采用架空线路及海缆线路半桥式、全桥等子模块拓扑的MMC的柔性直流输电工程中，提高了柔性直流输电系统运行的灵活性与可靠性，具有很大工程应用前景。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
1)以往工程通常是采用提高换流阀直流电容容值或者增加子模块个数等技术方案，工程成本大大提高，不利于工程建设；
2)提高站内故障保护响应速度，降低换流阀设备应力；
3)有利于直流电网系统快速隔离故障源，提高直流电网的可用性。
附图说明
图1是本发明的柔性直流输电MMC换流阀拓扑结构图；
图2是本发明的柔性直流输电故障位置说明示意图；
图3是本发明的柔性直流输电换流阀过电压抑制方法的流程示意图；
图4是本发明具体实施例1中500kV柔性直流输电系统的电路原理图；
图5是图4中直流输电系统未加入桥臂电流不平衡保护前的换流阀电压应力波形；
图6是图4中直流输电系统加入桥臂电流不平衡保护后的换流阀电压应力波形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
柔性直流输电MMC换流阀拓扑结构如附图1所示，换流阀由三相6个桥臂组成，每个桥臂又由n个功率单元SM和一个相电抗器Larm串联成。其中，每个桥臂上的功率单元SM的个数由工程的电压等级及功率器件等条件决定，不同的工程n的值不同。
换流阀侧交流电流、换流阀桥臂电流与直流母线电流关系如下：
Figure BDA0002548374040000051
Figure BDA0002548374040000052
其中，iva，ivb，ivc表示换流阀侧三相交流电流，ipa，ipb，ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina，inb，inc表示下桥臂三相电流，Idc表示直流母线电流。
正常运行工况下，阀侧交流系统三相对称，直流正负极线电流相等，即iva+ivb+ivc＝0，因此上桥臂三相电流和与下桥臂三相电流相等，即(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＝0。换流阀上桥臂三相电流和等于下桥臂三相电流和称为换流阀六桥臂电流平衡；否则称为换流阀六桥臂电流不平衡。
如图2所示，为柔性直流输电线路的接地故障位置示意图。接地故障区域分为阀区故障区域和其他故障区域。如图所示，阀区故障区域包括F2、F3、F4-1、F4-2、F5-1和F5-2。其他故障区域包括F1、F6-1、F6-2、F7-1和F7-2。
阀区接地故障工况下，若是F2与F3位置故障，阀侧交流系统三相电流不对称，则上桥臂三相电流和与下桥臂三相电流不相等，即(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)>Δi，Δi表示不平衡电流值。
若是F4-1、F4-2、F5-1及F5-2位置故障，直流正负极线电流不相等，则上桥臂三相电流和与下桥臂三相电流不相等，即(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＞Δi，Δi表示不平衡电流值。
其他区域接地故障工况下，如F1、F6与F7位置故障，阀侧交流系统三相对称，直流正负极线电流相等，即iva+ivb+ivc＝0，因此上桥臂三相电流和与下桥臂三相电流相等，即(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＝0。
基于上述原理，本发明的第一方面提供了一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法，基于六桥臂换流阀六个桥臂电流测量值为输入量，利用换流器正常运行工况下六桥臂电流平衡、阀区接地故障工况下六桥臂电流不平衡的运行机理，在换流阀控制保护系统中采用桥臂电流不平衡保护判据识别换流阀阀区接地故障，用来快速闭锁换流阀设备以降低换流阀的过电压应力。
如图3所示，本发明的第一方面提供了一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法，包括如下步骤：
步骤S100,采集换流阀六桥臂的电流值ipa、ipb、ipc、ina、inb和inc。其中，ipa、ipb、ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina、inb、inc表示下桥臂三相电流。
步骤S200，判断六桥臂电流是否平衡。
具体的，如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＞Δi，则Δi表示不平衡电流值，该六桥臂电流不平衡，则接地故障位置为阀区故障区域。如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＝0，则该六桥臂电流平衡，接地故障位置为其他故障区域。
步骤S300，如果六桥臂电流不平衡，则换流阀立即闭锁，申请系统跳闸，如果六桥臂电流平衡，则系统正常运行。
本发明的第二方面提供了一种柔性直流输电换流阀过电压抑制装置，包括换流阀桥臂电流值采集模块、桥臂电流平衡判断模块和换流阀桥臂电流不平衡保护模块。其中换流阀桥臂电流值采集模块用来采集换流阀六桥臂的电流值，桥臂电流平衡判断模块用来判断上桥臂和下桥臂的电流和是否平衡，换流阀桥臂电流不平衡保护模块根据判断结果进行相应的保护动作，如果六桥臂电流不平衡，则换流阀立即闭锁，申请系统跳闸，如果电流平衡，则系统正常运行。
本发明基于阀区接地故障工况下换流阀桥臂电流不平衡的运行机理，由换流阀设备级控制保护系统实现阀区接地故障的识别辨识以快速闭锁换流阀、上传极控制保护系统跳闸信号，快速断开交流断路器、直流断路器，确保故障发生后换流阀设备与能量源的快速隔离。
阀控桥臂电流不平衡保护整定值(Δi)设计原则：1)满足柔性直流输电系统交直流故障穿越性能；2)最大降低换流阀过电压应力，提高保护动作的迅速性；3)保证保护动作的可靠性，根据设备能力尽可能增强保护的抗干扰性。
实施例1
现以一具体的实施例对本发明进行进一步的说明。具体以500kV柔性直流输电系统为例来说明换流阀桥臂不平衡电流保护策略降低换流阀过电压水平的设计思路。如图4所示，该500kV柔性直流输电系统包括联接变压器、换流阀设备、桥臂电抗器、直流电抗器、直流断路器以及直流架空线路等。
设置换流阀桥臂电流不平衡保护整定值为500A(100us)。该500kV柔性直流输电系统的设计参数如表1所示。
表1 500kV直流系统参数表
参数 MMC1 MMC2 MMC3 MMC4
额定直流母线电压(kV) 500 500 500 500
额定容量(MW) 750 1500 750 1500
变压器容量(MVA) 850 1700 850 1700
变压器连接形式 YD11 YD11 YD11 YD11
变压器变比(kV/kV) 230/290.88 525/290.88 230/290.88 525/290.88
变压器漏抗(pu) 0.15 0.15 0.15 0.15
桥臂电抗器(mH) 100 75 100 75
子模块电容(mF) 8 15 8 15
平波电抗器(mH) 300 300 300 300
单桥臂子模块个数 246 246 246 246
控制模式 定功率控制 定功率控制 定直流电压控制 定功率控制
以联结变阀侧单相接地(F2)为例，利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建500kV柔性直流输电系统仿真模型，未加入换流阀桥臂不平衡保护前，换流阀子模快过电压水平达到4344V，如图5所示；加入换流阀桥臂电流不平衡保护后，换流阀子模块过电压水平为3883V，如图6所示第一个窗口表示子模块电压、第二个窗口表示桥臂电流信号、Iups表示(Iau+Ibu+Icu)、Idss表示(Iad+Ibd+Icd)、△I表示上桥臂电流和与下桥臂电流和之差。相比未加入换流阀桥臂电流不平衡保护，换流阀子模块过电压水平降低了461V，降低了10.6％。
综上所述，本发明提供了一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法和装置，以换流阀六个桥臂电流测量值为输入量，利用换流器正常运行工况下六桥臂电流平衡、阀区内接地故障工况下六桥臂电流不平衡的运行机理，并结合换流阀控制系统保护装置快速响应的特点，可有效识别换流阀区域接地故障，并切除能量馈入源，降低换流阀设备电压应力，从而保护换流阀设备安全运行。本发明适应于采用架空线路及海缆线路半桥式、全桥等子模块拓扑的MMC的柔性直流输电工程中，提高了柔性直流输电系统运行的灵活性与可靠性，具有很大工程应用前景。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种柔性直流输电换流阀过电压抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100,采集换流阀六桥臂的电流值ipa、ipb、ipc、ina、inb和inc；其中，ipa、ipb、ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina、inb、inc表示下桥臂三相电流；
步骤S200，根据预定条件判断六桥臂电流是否平衡；
步骤S300，如果六桥臂电流不平衡，则换流阀立即闭锁，申请系统跳闸，如果电流平衡，则系统正常运行。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电换流阀过电压抑制方法，其特征在于，所述换流阀六桥臂的电流值满足如下公式：
Figure FDA0002548374030000011
Figure FDA0002548374030000012
其中，iva，ivb，ivc表示换流阀侧三相交流电流，ipa，ipb，ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina，inb，inc表示下桥臂三相电流，Idc表示直流母线电流；
所述步骤S100中六桥臂的电流值由换流阀侧三相交流电流和直流母线电流确定。
3.根据权利要求1或2所述的柔性直流输电换流阀过电压抑制方法，其特征在于，所述根据预定条件判断六桥臂电流是否平衡的步骤包括：
计算[(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)]的值；
如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＞Δi，则该六桥臂电流不平衡，接地故障位置为阀区故障区域；如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＝0，则该六桥臂电流平衡，接地故障位置为其他故障区域，其中，Δi表示不平衡电流值。
4.一种柔性直流输电换流阀过电压抑制装置，其特征在于，包括换流阀桥臂电流值采集模块、桥臂电流平衡判断模块和换流阀桥臂电流不平衡保护模块；
换流阀桥臂电流值采集模块用来采集换流阀六桥臂的电流值ipa、ipb、ipc、ina、inb和inc；其中，ipa、ipb、ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina、inb、inc表示下桥臂三相电流；
桥臂电流平衡判断模块用来判断根据预定条件判断六桥臂电流是否平衡；
换流阀桥臂电流不平衡保护模块根据判断结果进行相应的保护动作，如果六桥臂电流不平衡，则换流阀立即闭锁，申请系统跳闸，如果电流平衡，则系统正常运行。
5.根据权利要求4所述的柔性直流输电换流阀过电压抑制装置，其特征在于，所述换流阀六桥臂的电流值满足如下公式：
Figure FDA0002548374030000021
Figure FDA0002548374030000022
其中，iva，ivb，ivc表示换流阀侧三相交流电流，ipa，ipb，ipc表示换流阀上桥臂三相电流，ina，inb，inc表示下桥臂三相电流，Idc表示直流母线电流；
六桥臂的电流值由换流阀侧三相交流电流和直流母线电流确定。
6.根据权利要求4或5所述的柔性直流输电换流阀过电压抑制装置，其特征在于，所述桥臂电流平衡判断模块执行如下步骤：
计算[(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)]的值；
如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＞Δi，则该六桥臂电流不平衡，接地故障位置为阀区故障区域；如果(ipa+ipb+ipc)-(ina+inb+inc)＝0，则该六桥臂电流平衡，接地故障位置为其他故障区域，其中，Δi表示不平衡电流值。
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