CN111769520B - 一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法，包括：检测到逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障；逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关，同时通过站间通信向整流换流站发出移相命令；整流换流站收到命令后立即执行移相；逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。本发明能够有效解决混合级联多端直流输电系统中模块化多电平换流器同时闭锁带来的子模块过压问题，能够有效的降低直流耗能装置的能量需求，更好的保护各设备的安全。

Description

一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法及系统
技术领域
本发明属于直流输电领域，特别涉及一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法及系统。
背景技术
近年来，综合LCC-HVDC成本低、损耗小、运行技术成熟和VSC-HVDC能够实现有功功率及无功功率解耦控制、可以向无源网络供电、结构紧凑占地面积小、不存在逆变侧换相失败问题的混合直流输电技术获得了快速发展，具有良好的工程应用前景，通过在整流侧采用LCC-HVDC，逆变侧采用VSC-HVDC,可以减轻或避免逆变侧的换相失败问题，同时一定程度保证工程造价上的优势。
为了满足远距离大容量输电的要求，目前国内正在实施的混合特高压直流输电工程采用整流侧为两个LCC换流器串联，逆变侧为多个VSC换流器并联后再与 LCC换流器串联的混合级联拓扑结构。这是一种全新的拓扑结构，在这种多VSC 并联结构中，当一个VSC换流器发生接地故障，相关保护动作可以快速闭锁故障VSC换流器，但此时非故障VSC换流器如何处理存在问题，若同时闭锁所有在运的VSC换流器，则由于此时整流换流站还未闭锁，直流功率仍在继续传输，无法传出的直流功率将引起VSC换流器子模块严重过压，并导致其直流端口并联的直流耗能设备过载，即保护闭锁时序设计不当很容易引起并联组内VSC换流器子模块的过压以及并联耗能设备承受过大能量而损毁，严重危害换VSC换流器，耗能装置等一次设备的运行安全，因此很有必要针对这种全新的拓扑结构提出新的保护方法。
发明内容
本发明的目的是：提供一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法及系统，能够有效解决混合级联多端直流输电系统中模块化多电平换流器同时闭锁带来的子模块过压问题，能够有效的降低直流耗能装置的能量需求，更好的保护各设备的安全。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提出了一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法，所述混合级联多端直流输电系统包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组电压源型换流器，所述电压源型换流器包括至少两个并联的模块化多电平换流器；所述故障保护方法包括：
检测到逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障；
逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关，同时通过站间通信向整流换流站发出移相命令；
整流换流站收到命令后立即执行移相；
逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。
优选的技术方案中，所述逆变换流站还包括至少一组电流源型换流器，所述电流源型换流器和电压源型换流器串联连接；所述电流源型换流器包括晶闸管换流器。
优选的技术方案中，所述逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后立即执行移相闭锁并跳开所连交流开关；所述整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁。
优选的技术方案中，所述逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后等待第二预设时间后执行移相闭锁并跳开所连交流开关；所述整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁。
优选的技术方案中，所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在等待的第二预设时间内维持定直流电压控制方式不变。
另一方面，本发明同时提供了一种混合级联多端直流输电系统故障保护系统，所述混合级联多端直流输电系统包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组电压源型换流器，所述电压源型换流器包括至少两个并联的模块化多电平换流器；所述故障保护系统包括顺次连接的检测模块和执行模块：
所述检测模块，用于检测逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障；
所述执行模块，用于控制混合级联多端直流输电系统执行以下操作：逆变换流站闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关，同时通过站间通信向整流换流站发出移相命令；整流换流站收到命令后立即执行移相；逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。
优选的技术方案中，所述逆变换流站还包括至少一组电流源型换流器，所述电流源型换流器和电压源型换流器串联连接；所述电流源型换流器包括晶闸管换流器。
优选的技术方案中，所述执行模块，执行当所述逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后立即移相闭锁并跳开所连交流开关；所述整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁。
优选的技术方案中，所述执行模块，执行所述逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后等待第二预设时间后执行移相闭锁并跳开所连交流开关；所述整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁。
优选的技术方案中，所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在等待的第二预设时间内维持定直流电压控制方式不变。
本发明的有益效果：能够有效解决混合级联多端直流输电系统中模块化多电平换流器同时闭锁带来的子模块过压问题，能够有效的降低直流耗能装置的能量需求，更好的保护各设备的安全。
附图说明
图1为本发明的混合级联多端直流输电系统故障保护方法实施例1示意图；
图2是整流站为LCC换流器，逆变站为多VSC换流器并联的混合直流系统拓扑结构；
图3是整流站为LCC换流器，逆变站高端为LCC换流器、低端为多VSC 换流器并联的直流输电系统拓扑结构；
图4是整流站和逆变站高端均为LCC换流器，低端均为多VSC换流器并联的直流输电系统拓扑结构；
图5是整流站由两个晶闸管换流器串联，逆变站为3个模块化多电平换流器并联后通过直流输电线路与一个晶闸管换流器串联组成的混合级联多端直流输电系统；
图6为本发明的混合级联多端直流输电系统故障保护方法实施例2示意图；
图7为本发明的混合级联多端直流输电系统故障保护方法实施例3示意图；
图8为本发明的混合级联多端直流输电系统故障保护系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。其中，相同的组件使用相同的附图标记。
如图1所示为本发明的混合级联多端直流输电系统故障保护方法的一个具体实施例1，其中，混合级联多端直流输电系统包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组电压源型换流器，所述电压源型换流器包括至少两个并联的模块化多电平换流器，如图2，图3，图4和图5所示；能够有效解决混合级联多端直流输电系统中模块化多电平换流器同时闭锁带来的子模块过压问题，能够有效的降低直流耗能装置的能量需求，更好的保护各设备的安全。所述故障保护方法包括如下步骤：
S101:检测到逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障；
S102:逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关，同时通过站间通信向整流换流站发出移相命令；
S103:整流换流站收到命令后立即执行移相；
S104:逆变换流站等待第一预设时间T1后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。T1取值范围：0ms～1000ms。
如图6所示为本发明的混合级联多端直流输电系统故障保护方法的一个具体实施例2，应用于混合级联多端直流输电系统逆变换流站还包括至少一组电流源型换流器的情况，电流源型换流器和电压源型换流器串联连接，电流源型换流器包括晶闸管换流器。混合级联多端直流输电系统如图3，图4和图5所示。实施例2的方法包括如下步骤：
S201：检测到逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障；
S202：逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；
S203：整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁；
S204：与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后立即执行移相闭锁并跳开所连交流开关；
S205：逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。
如图7所示为本发明的混合级联多端直流输电系统故障保护方法的一个具体实施例3，同样应用于混合级联多端直流输电系统逆变换流站还包括至少一组电流源型换流器的情况，电流源型换流器和电压源型换流器串联连接，电流源型换流器包括晶闸管换流器。实施例3的方法包括如下步骤：
S301：检测到逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障；
S302：逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；
S303：整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁；
S304：与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后等待第二预设时间T2后执行移相闭锁并跳开所连交流开关；T2取值范围：0ms～1000ms。
S305：逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。
优选的实施例中，上述步骤S304中，与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在等待的第二预设时间内维持定直流电压控制方式不变。
下面以附图5为例对本发明所述混合级联直流输电系统故障穿越方法进行具体阐述。
如图5所示，混合级联直流输电系统包括：整流换流站和逆变换流站，两者通过两条直流输电线路相连，其中：整流换流站用于将送端交流电网的三相交流电转换为直流电后通过直流输电线路传送给逆变换流站，送端交流电网进站的母线上可连接有无源滤波器，也可能没有,需根据系统工程条件来确定,当送端由晶闸管换流器组成时，一般需要装设无源滤波器，有时还需要装设无功补偿电容器。图5中整流换流站由两组晶闸管换流器单元串联组成，其串联节点连接接地极，串联后的正负两端均通过平波电抗器与直流输电线路相连接；同时在直流线路与大地之间装设有直流滤波器。
晶闸管换流器单元采用十二脉动桥式电路；其中，每个桥臂均由若干个晶闸管串联构成，晶闸管换流器采用定直流功率控制策略控制。晶闸管换流器通过一台接线方式分别为Y0/Y/Δ的三绕组变压器与送端交流电网连接。变压器能够对送端交流系统的三相交流电进行电压等级变换，以适应所需的直流电压等级，变压器副边接线方式的不同为十二脉动桥式晶闸管换流器的上下两个六脉动换流桥提供相角差为30°的三相交流电，以减少流入电网的谐波电流。
逆变换流站用于将直流电转换为三相交流电后输送给受端交流电网，其由四个换流站构成，包括站2，站3，站4和站5，站3，站4与站5三者并联连接后再与站2串联连接。站2由两组晶闸管换流器组成，晶闸管换流器通过一台接线方式分别为Y0/Y/Δ的三绕组变压器与受端交流电网连接，晶闸管换流器采用定直流电压控制。站3，站4，站5每站均由两组电压源型换流器串联组成，其串联节点连接接地极，电压源型换流器通过一台接线方式为Y0/Δ的双绕组变压器与受端交流电网连接，其中站3的电压源型换流器采用定直流电压和定无功功率控制策略控制，站4的电压源型换流器采用定交流侧有功功率和定无功功率控制策略控制，站5的电压源型换流器采用定交流侧有功功率和定无功功率控制策略控制。其中，电压源型换流器采用模块化多电平换流器，定交流侧有功功率控制模式的换流器采用电流矢量控制，其有功电流参考值和无功电流参考值由给定的有功功率参考值和无功功率参考值经过比例积分控制器调制后得到。
当逆变换流站4的模块化多电平换流器阀侧发生单相金属性接地故障时，则站4的阀侧交流母线差动保护很快就会识别到故障并动作闭锁站4的模块化多电平换流器同时跳开交流断路器，若此时站3和站5的模块化多电平换流器也一起闭锁，则由于此时整流站1还未闭锁，直流功率仍在输送中，这样这部分功率就会转移至发生故障的站4的模块化多电平换流器的子模块电容上导致电压升高，站4的模块化多电平换流器将承受严重过压，可能损坏子模块，因此需采取如下保护方法：
当保护检测到逆变换流站4的模块化多电平换流器发生故障时，则立即闭锁发生故障的站4的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关，同时将故障信号通过站间通信送至整流换流站1和与其串联的逆变换流站2，逆变换流站2的晶闸管换流器收到该信号后立即执行移相闭锁并跳开所连交流开关，整流换流站收到故障信号后立即执行移相闭锁，将直流侧功率迅速降至0，与逆变换流站4相并联的站3和站5的模块化多电平换流器等待大约150ms，待直流功率降至零后分别执行闭锁逻辑并跳开其所连交流开关，至此整个直流输电系统实现了安全停运。
如图8所示为本发明的一种混合级联多端直流输电系统故障保护系统实施例，所述混合级联多端直流输电系统包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组电压源型换流器，所述电压源型换流器包括至少两个并联的模块化多电平换流器；所述故障保护系统包括顺次连接的检测模块和执行模块。其中：
检测模块，用于检测逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障。
执行模块，用于控制混合级联多端直流输电系统执行以下操作：逆变换流站闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关，同时通过站间通信向整流换流站发出移相命令；整流换流站收到命令后立即执行移相；逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。
一些实施例中，所述逆变换流站还包括至少一组电流源型换流器，所述电流源型换流器和电压源型换流器串联连接；所述电流源型换流器包括晶闸管换流器。所述执行模块，执行当所述逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后立即移相闭锁并跳开所连交流开关；所述整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁。
一些实施例中，所述执行模块，执行所述逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后等待第二预设时间后执行移相闭锁并跳开所连交流开关；所述整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁。
一些实施例中，所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在等待的第二预设时间内维持定直流电压控制方式不变。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法，所述混合级联多端直流输电系统包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组电压源型换流器，所述电压源型换流器包括至少两个并联的模块化多电平换流器；其特征在于，所述故障保护方法包括：
检测到逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障；
逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关，同时通过站间通信向整流换流站发出移相命令；
整流换流站收到命令后立即执行移相；
逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。
2.一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法，所述混合级联多端直流输电系统包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组电压源型换流器，所述电压源型换流器包括至少两个并联的模块化多电平换流器；其特征在于，所述逆变换流站还包括至少一组电流源型换流器，所述电流源型换流器和电压源型换流器串联连接；所述电流源型换流器包括晶闸管换流器；
所述故障保护方法包括：
检测到逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障；
所述逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；
所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后立即执行移相闭锁并跳开所连交流开关；
所述整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁；
逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。
3.如权利要求2所述的一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法，其特征在于，所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后，等待第二预设时间后执行移相闭锁并跳开所连交流开关。
4.如权利要求3所述的一种混合级联多端直流输电系统故障保护方法，其特征在于，所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在等待的第二预设时间内维持定直流电压控制方式不变。
5.一种混合级联多端直流输电系统故障保护系统，所述混合级联多端直流输电系统包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组电压源型换流器，所述电压源型换流器包括至少两个并联的模块化多电平换流器；其特征在于，所述故障保护系统包括顺次连接的检测模块和执行模块：
所述检测模块，在检测到逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障时，所述执行模块，控制混合级联多端直流输电系统执行以下操作：逆变换流站闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关，同时通过站间通信向整流换流站发出移相命令；整流换流站收到命令后立即执行移相；逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。
6.一种混合级联多端直流输电系统故障保护系统，所述混合级联多端直流输电系统包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组电压源型换流器，所述电压源型换流器包括至少两个并联的模块化多电平换流器；其特征在于，所述逆变换流站还包括至少一组电流源型换流器，所述电流源型换流器和电压源型换流器串联连接；所述电流源型换流器包括晶闸管换流器；
所述故障保护系统包括顺次连接的检测模块和执行模块：
所述检测模块，在检测到逆变换流站中并联的至少两个模块化多电平换流器中的一个发生故障时，所述执行模块，控制混合级联多端直流输电系统执行以下操作：所述逆变换流站立即闭锁故障的模块化多电平换流器并跳开其所连交流开关的同时通过站间通信向整流换流站发出移相闭锁命令，同时还向与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器发出移相闭锁命令；
所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后立即移相闭锁并跳开所连交流开关；
所述整流换流站收到命令后立即执行移相闭锁；
逆变换流站等待第一预设时间后闭锁并联的其他非故障的模块化多电平换流器。
7.如权利要求6所述的一种混合级联多端直流输电系统故障保护系统，其特征在于，所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在收到命令后，等待第二预设时间后执行移相闭锁并跳开所连交流开关。
8.如权利要求7所述的一种混合级联多端直流输电系统故障保护系统，其特征在于，所述与模块化多电平换流器相串联的晶闸管换流器在等待的第二预设时间内维持定直流电压控制方式不变。
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