CN112134253B - 一种直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法，将耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值，以及耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值与预设值进行比较，根据比较结果进行判断，通过主动切换子模块切除方式监测耗能阀是否存在接地故障，并快速做出反应，避免耗能装置带故障使用，有效保护设备，提高输电系统的供电可靠性。

Description

一种直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电相关领域，尤其涉及直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法。

背景技术

近年来随着电力电子技术的发展，风电场、光伏电站等新能源发电系统的建成投入使用，基于电压源技术的柔性直流输电方式为远离海岸的电能送出提供了一种新的可能。柔性直流输电可以直接控制交流电压，还具有不存在换相失败、电压谐波含量少、波形质量高，能快速调节有功功率与无功功率等特点，因此在海上风电送出系统中更具技术优势。因此，海上风电柔性直流送出系统已经在德国、丹麦、挪威等大规模使用。中国东南沿海地区包括广东省沿海拥有丰富的海上风电资源，其中远海风能资源占一半以上。我国海上风电起步虽晚，但发展迅速，装机规模目前已达到全球第三。

对于海上风电场直流输电系统，海上换流站一般运行在孤岛方式下，柔直换流站负责控制交流电压，不直接控制功率，流入换流站的功率由风电场的输出功率决定。当陆上换流站或者交流侧发生故障时，风电场持续输出功率，使得直流系统输入的有功功率会大于输出的有功功率，这些盈余功率将造成直流电压升高，在几十毫秒之内迅速上升至保护水平，危害系统安全。所以需要采取应对措施解决盈余功率，可通过耗能装置，将盈余功率泻放掉，保障海上风电柔直送出系统安全稳定运行。根据工程设计要求，耗能电阻布置在户外，电阻经穿墙套管与阀厅的阀塔相连接，因此穿墙位置存在发生接地故障的可能性，在发生故障后，如果不能及时发现，在耗能装置投入时，会造成事故扩大，影响供电的可靠性。

目前，针对该故障的保护方案，大多只根据被动地通过检测上下桥臂子模块电压的不平衡度，判断是否故障，故障检测较滞后。

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种能够通过均压控制策略，主动检测出耗能装置是否出现接地故障的方法，也即提供一种能够快速检测出耗能设备出现穿墙套管或耗能电阻接地故障的保护方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法，包括步骤：

获取耗能阀的上桥臂电流、下桥臂电流、上桥臂电流变化率、下桥臂电流变化率、上桥臂子模块电压值、下桥臂子模块电压值，以及闭锁均压子模块切除数；

当所述耗能阀的上桥臂电流变化率或下桥臂电流变化率大于第一比较限值时，进入下一步；

脉冲展宽，并启动主动故障检测功能；

当所述耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值大于第二比较限值、且延时超过第一时间限值时，或者耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值大于第三比较限值、延时超过第二时间限值时，则判断为存在接地故障，闭锁耗能阀，发出检修请求指令。

进一步的，所述启动主动故障检测功能为依次执行将闭锁均压子模块全部分布在耗能阀上桥臂和耗能阀下桥臂。

进一步的，当所述闭锁均压子模块全部分布在耗能阀上桥臂时，如果所述耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值大于第二比较限值、且时间超过第一时间限值时，或者耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值大于第三比较限值、时间超过第二时间限值时，则判断为存在接地故障，闭锁耗能阀，发出检修请求指令。

进一步的，当所述闭锁均压子模块全部分布在耗能阀下桥臂时，如果所述耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值大于第二比较限值、且时间超过第一时间限值时，或者耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值大于第三比较限值、时间超过第二时间限值时，则判断为存在接地故障，闭锁耗能阀，发出检修请求指令。

进一步的，所述第一比较限值通过下式得出：

dI_dcset＝krel1×dI_dcmax

式中，dI_dcset为第一比较限值，dI_dcmax为桥臂支路电流变化率绝对值的最大值，krel1为第一设定可靠系数。

进一步的，所述第一比较限值通过下式进行灵敏度校验：

K_{sens_1}＝dI_{dc_min_f}/dI_dcset

式中，K_{sens_1}为第一比较限值灵敏度系数，dI_{dc_min_f}为耗能阀接地故障电流变化率最小值。

进一步的，所述第二比较限值通过下式得出：

ΔI_dcset＝krel2×ΔdI_dcmax

式中，ΔI_dcset为第二比较限值，ΔdI_dcmax为正常运行时上桥臂支路与下桥臂支路电流差值绝对值的最大值，krel2为第二设定可靠系数。

进一步的，所述第二比较限值通过下式进行灵敏度校验：

K_{sens_2}＝ΔdI_{dc_min_f}/ΔdI_dcset

式中，K_{sens_2}为第二比较限值灵敏度系数，ΔdI_{dc_min_f}为耗能阀接地故障上桥臂电流与下桥臂电流差值绝对值的最小值。

进一步的，所述第三比较限值通过下式得出：

ΔU_dcset＝krel3×ΔU_dcmax

式中，ΔU_dcset为第三比较限值，ΔU_dcmax为上桥臂与下桥臂子模块电压差值绝对值最大值，krel3为第三设定可靠系数。

进一步的，所述第二比较限值通过下式进行灵敏度校验：

K_{sens_3}＝ΔdI_{dc_min_f}/U_dcset

式中，K_{sens_3}为第三比较限值灵敏度系数，ΔU_{dc_min_f}为耗能阀接地故障时上桥臂与下桥臂子模块电压差最小值。

综上所述，本发明提供了一种直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法，将耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值，以及耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值与预设值进行比较，根据比较结果进行判断，通过主动切换子模块切除方式监测耗能阀是否存在接地故障，并快速做出反应，避免耗能装置带故障使用，有效保护设备，提高输电系统的供电可靠性。

附图说明

图1是本发明直流能耗装置的不平衡鉴别与保护原理示意图；

图2是本发明直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法的流程图。

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。

本发明提供了一种直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法，下面结合现有技术的情况以及附图对本发明的技术方案进行详细说明。图1是本发明直流能耗装置的不平衡鉴别与保护原理示意图，如图1中所示，直流耗能装置由耗能阀上桥臂、耗能阀下桥臂、集中式耗能电阻组成，耗能阀上桥臂和耗能阀下桥臂分布在室内，集中式耗能电阻分布在户外，该集中式耗能电阻通过两个穿墙套管与耗能阀上桥臂和下桥臂相互连接。接地故障可能会发生在耗能阀上桥臂穿墙套管连接处，或者耗能阀上桥臂穿墙套管连接处。

根据本发明提供的直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法，图2示出了该保护方法的实施流程图，结合图2对该保护方法进行进一步说明。该方法的实施步骤如下：

获取耗能阀的上桥臂电流、下桥臂电流、上桥臂电流变化率、下桥臂电流变化率、上桥臂子模块电压值、下桥臂子模块电压值，以及闭锁均压子模块切除数。以在耗能阀上桥臂穿墙套管连接处发生接地故障为例，采集耗能阀上桥臂电流I_DCP、耗能阀下桥臂电流I_DCN，上桥臂子模块电压值U_DCP、和桥臂子模块电压值U_DCN，采样频率为10kHz。控制保护系统根据采集的上桥臂电流I_DCP和耗能阀下桥臂电流I_DCN计算电流变化率，耗能阀上桥臂电流变化率为

耗能阀下桥臂电流变化率为

当任一耗能阀桥臂电流变化率大于第一比较限值时，表明耗能阀可能存在故障，脉冲展宽，并启动主动故障检测功能，脉冲展宽可设置为t1毫秒。耗能阀上、下桥臂电流变化率的判断公式为：

其中，dt为采样步长，dI_dcset为所述第一比较限值，在对所述第一比较限值进行整定时，应该躲开子模块损耗电流的最大变化率响应，按照下述公式进行整定：

dI_dcset＝krel1×dI_dcmax

式中，dI_dcset为第一比较限值，dI_dcmax为桥臂支路电流变化率绝对值的最大值，krel1第一设定可靠系数，并且krel1>1。

对整定后的第一比较限值，通过下式进行灵敏度校验：

K_{sens_1}＝dI_{dc_min_f}/dI_dcset

式中，K_{sens_1}为第一比较限值灵敏度系数，dI_{dc_min_f}为耗能阀接地故障电流变化率最小值，并且K_{sens_1}>1.2。

启动主动故障检测功能后，进入下一步骤：计算耗能阀上桥臂与耗能阀下桥臂电流差值的绝对值，当所述耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值大于第二比较限值、且延时超过第一时间限值时，或者耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值大于第三比较限值、延时超过第二时间限值时，则判断为存在接地故障，闭锁耗能阀，发出检修请求指令。其中，所述第一时间限值可设置为t2毫秒，第二时间限值可设置为t3毫秒。

耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值的判断公式为：

|I_DCP-I_DCN|>ΔI_dcset

式中，ΔI_dcset为第二比较限值，在对所述第二比较限值进行整定时，应躲过正常运行上桥臂与下桥臂支路电流差值绝对值的最大值，按照下述公式进行整定：

ΔI_dcset＝krel2×ΔdI_dcmax

式中，ΔdI_dcmax为正常运行时上桥臂支路与下桥臂支路电流差值绝对值的最大值，krel2为第二设定可靠系数，并且krel2>1。

对整定后的第二比较限值，通过下式进行灵敏度校验：

K_{sens_2}＝ΔdI_{dc_min_f}/ΔdI_dcset

式中，ΔdI_{dc_min_f}为耗能阀接地故障上桥臂电流与下桥臂电流差值绝对值的最小值，K_{sens_2}为第二比较限值灵敏度系数，并且K_{sens_2}>1.2。

耗能阀上桥臂与耗能阀下桥臂子模块电压差值的绝对值的判断公式为：

|U_DCP-U_DCN|>ΔU_dcset

式中，U_DCP为上桥臂子模块电压值，U_DCN为下桥臂子模块电压值，ΔU_dcset为第三比较限值。

在对所述第三比较限值进行整定时，应躲过正常运行时子模块冗余引起的上桥臂与下桥臂子模块电压差值绝对值的最大值，按下式进行整定：

ΔU_dcset＝krel3×ΔU_dcmax

式中，ΔU_dcset为第三比较限值，ΔU_dcmax为上桥臂与下桥臂子模块电压差值绝对值最大值，krel3为第三设定可靠系数，并且krel3>1。

对整定后的第三比较限值，通过下式进行灵敏度校验：

K_{sens_3}＝ΔdI_{dc_min_f}/U_dcset

式中，ΔU_{dc_min_f}为耗能阀接地故障时上桥臂与下桥臂子模块电压差最小值，K_{sens_3}为第三比较限值灵敏度系数，并且K_{sens_3}>1.2。

其中，所述启动主动故障检测功能是指依次执行将闭锁均压子模块全部分布在耗能阀上桥臂和耗能阀下桥臂。即首先，将闭锁均压子模块全部分布在耗能阀上桥臂，当所述闭锁均压子模块全部分布在耗能阀上桥臂时，如果所述耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值大于第二比较限值、且时间超过第一时间限值时，或者耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值大于第三比较限值、时间超过第二时间限值时，则判断为存在接地故障，闭锁耗能阀，发出检修请求指令。如果上述两种判断条件均不成立，则将闭锁均压子模块全部偏置到耗能阀下桥臂，当所述闭锁均压子模块全部分布在耗能阀下桥臂时，如果所述耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值大于第二比较限值、且时间超过第一时间限值时，或者耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值大于第三比较限值、时间超过第二时间限值时，则判断为存在接地故障，闭锁耗能阀，发出检修请求指令。其中，具体的判断方式与上文中所述的方式相同，此处不再赘述。

综上所述，本发明涉及一种直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法，将耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值，以及耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值与预设值进行比较，根据比较结果进行判断。并且通过主动切换子模块切除方式监测耗能阀是否存在接地故障，首先将闭锁均压子模块全部分布在耗能阀上桥臂，进行故障判断，当判断条件均不成立时，将闭锁均压子模块偏置到耗能阀下桥臂，进行故障判断。采用本发明的鉴别与保护方法，能够对故障快速做出反应，避免耗能装置带故障使用，有效保护设备，提高输电系统的供电可靠性。

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)

1.一种直流能耗装置的不平衡鉴别与保护方法，其特征在于，包括步骤：

获取耗能阀的上桥臂电流、下桥臂电流、上桥臂电流变化率、下桥臂电流变化率、上桥臂子模块电压值、下桥臂子模块电压值，以及闭锁均压子模块切除数；

当所述耗能阀的上桥臂电流变化率或下桥臂电流变化率大于第一比较限值时，进入下一步；

脉冲展宽，并根据所述子模块切除数依次执行将闭锁均压子模块全部分布在耗能阀上桥臂和耗能阀下桥臂启动主动故障检测功能；

当所述耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值大于第二比较限值、且延时超过第一时间限值时，或者耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值大于第三比较限值、延时超过第二时间限值时，则判断为存在接地故障，闭锁耗能阀，发出检修请求指令；其中，

所述第一比较限值通过下式得出：

dI_dcset＝krel1×dI_dcmax

式中，dI_dcset为第一比较限值，dI_dcmax为桥臂支路电流变化率绝对值的最大值，krel1为第一设定可靠系数且krel1>1；

所述第二比较限值通过下式得出：

ΔI_dcset＝krel2×ΔdI_dcmax

式中，ΔI_dcset为第二比较限值，ΔdI_dcmax为正常运行时上桥臂支路与下桥臂支路电流差值绝对值的最大值，krel2为第二设定可靠系数且krel2>1；

所述第三比较限值通过下式得出：

ΔU_dcset＝krel3×ΔU_dcmax

式中，ΔU_dcset为第三比较限值，ΔU_dcmax为上桥臂与下桥臂子模块电压差值绝对值最大值，krel3为第三设定可靠系数且krel3>1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述闭锁均压子模块全部分布在耗能阀上桥臂时，如果所述耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值大于第二比较限值、且时间超过第一时间限值时，或者耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值大于第三比较限值、时间超过第二时间限值时，则判断为存在接地故障，闭锁耗能阀，发出检修请求指令。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述闭锁均压子模块全部分布在耗能阀下桥臂时，如果所述耗能阀上桥臂电流与耗能阀下桥臂电流的差值绝对值大于第二比较限值、且时间超过第一时间限值时，或者耗能阀上桥臂子模块电压值与耗能阀下桥臂子模块电压值的差值绝对值大于第三比较限值、时间超过第二时间限值时，则判断为存在接地故障，闭锁耗能阀，发出检修请求指令。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一比较限值通过下式进行灵敏度校验：

K_{sens_1}＝dI_{dc_min_f}/dI_dcset

式中，K_{sens_1}为第一比较限值灵敏度系数且K_{sens_1}>1.2，dI_{dc_min_f}为耗能阀接地故障电流变化率最小值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二比较限值通过下式进行灵敏度校验：

K_{sens_2}＝ΔdI_{dc_min_f}/ΔdI_dcset

式中，K_{sens_2}为第二比较限值灵敏度系数且K_{sens_2}>1.2，ΔdI_{dc_min_f}为耗能阀接地故障上桥臂电流与下桥臂电流差值绝对值的最小值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二比较限值通过下式进行灵敏度校验：

K_{sens_3}＝ΔdI_{dc_min_f}/U_dcset

式中，K_{sens_3}为第三比较限值灵敏度系数且K_{sens_3}>1.2，ΔU_{dc_min_f}为耗能阀接地故障时上桥臂与下桥臂子模块电压差最小值。

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