CN112421585A - 一种并联式故障能量再利用装置及直流线路双极短路故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种并联式故障能量再利用装置及直流线路双极短路故障检测方法。涉及直流输电技术领域，具体涉及一种并联式故障能量再利用装置及直流线路双极短路故障检测方法。并联于半全混合MMC换流站的正极线路和负极线路之间，所述正极线路上依次连接有隔离开关QS1和限流电抗器Lx1，所述负极线路上依次连接有隔离开关QS2和限流电抗器Lx2，所述连接点D和连接点F之间还并联有所述开关管T7，所述连接点E和连接点C之间还并联有所述开关管T5。本发明可在正常运行时作为储能给直流负荷供电，故障时给吸收电容充电以便对故障进行二次检测，实现故障性质的判别及定位功能。
Description
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及一种并联式故障能量再利用装置及直流线路双极短路故障检测方法。
背景技术
在交流配网主导的现代电力系统中，随着外围技术研究的发展，直流配电网的优势逐渐凸显：线路造价低、损耗小、电能输送容量大，同时还可以减少光伏、风电等分布式电源及直流负荷接入电网的中间环节，进一步减少接入成本、提高功率转换效率和改善电能质量。但工程实践表明，直流配电网特有的“低阻尼”、“低惯性”的特点，导致直流系统故障发展速度极快，需要快速的故障阻断、保护与控制技术进行配合，实现直流配电网的故障渡越。
目前，直流故障阻断方法主要分为直流断路器和阻断型换流器两种方案。直流配电网中直流断路器存在经济成本高、运行维护工作量大等问题。因此，无直流断路器的直流配电网在直流配电网中具有广阔的应用前景。但是，无直流断路器的直流配电网技术总体上处于起步阶段，存在一些亟需解决的关键问题。基于半桥模块化多电平换流器(HB-MMC)的换流站拓扑没有故障自清除能力，在发生故障时，即使闭锁子模块也无法阻断交流系统的馈入，且直流短路电流无过零点，因此半桥模块不适用于无直流断路器的直流配电网。而基于全桥和半桥混合的模块化多电平换流站拓扑具有故障自清除能力，在发生直流短路故障时，混合MMC可以通过直接电流控制使故障电流在10ms以内就降至0，此时只需要刀闸切断电路就可以实现故障清除，而不必使用直流断路器。
对于直流配电网的故障检测，由于直流配电系统具有低阻尼特性，导致直流故障发展过程极快，通常在几个毫秒内就能危及整个直流配电网的安全，因此要求直流配电网的故障检测与定位策略能够在几毫秒内快速定位故障线路；同时，直流故障暂态特性将随着阻断型换流器的闭锁与隔离刀闸的开断而快速消失，难以实现故障定位。目前直流线路故障的测距、性质判别的研究还主要集中在柔性直流输电领域，并以两端柔性直流输电系统为研究对象，虽然柔性直流配电网较直流输电系统的情况更为复杂，但在故障检测及定位的问题上仍有借鉴意义。国内外关于柔性直流系统故障检测和定位的研究可分为三类：解析法、行波发和主动注入法。解析法通过揭示出某些故障特征量与故障性质和距离之间的内在关系，从而判断故障性质和计算出故障距离，实现故障检测与定位。但现有的解析法研究尚难以完全适用于柔性直流配电网的故障检测。行波法和主动注入法都是通过故障行波来实现故障判别，不同的是行波法利用故障行波在故障点和测量处之间传播的时间来计算故障距离。而主动注入法需要通过投入额外的设备向故障点注入信号，基于对注入信号的检测实现故障的检测与定位。行波法用于直流电网需要较高的采样频率，对设备的硬件要求高；主动注入法需要额外的注入设备，经济性差。
基于以上研究，如何在直流输电电路在故障隔离后实现故障点的检测定位，进一步地，如何保障在故障隔离失电后还能为检测定位提供检测能量，成为本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种能够吸收故障电路的剩余电能，实现故障检测定位的能量供给，以及进行故障检测定位的并联式故障能量再利用装置及直流线路双极短路故障检测方法。
本发明的技术方案为：
一种并联式故障能量再利用装置，并联于半全混合MMC换流站的正极线路和负极线路之间，所述正极线路上依次连接有隔离开关QS1和限流电抗器Lx1，所述负极线路上依次连接有隔离开关QS2和限流电抗器Lx2，所述隔离开关QS1和限流电抗器Lx1之间设有连接点A，所述隔离开关QS2和限流电抗器Lx2之间设有连接点B，所述并联式故障能量再利用装置包括故障检测定位模块；
所述故障检测定位模块包括二极管T1、T2、T3、T4，开关管T5、T7，和电容Cs；
在连接点B和连接点A之间依次串联连接二极管T2、二极管T4、电容Cs、二极管T3和二极管T1，所述二极管T2、二极管T4之间设有连接点D，所述二极管T4和电容Cs之间设有连接点E，所述电容Cs和二极管T3之间设有连接点F，所述二极管T3和二极管T1之间设有连接点C；
所述连接点D和连接点F之间还并联有所述开关管T7，所述连接点E和连接点C之间还并联有所述开关管T5。
进一步地，还包括储能模块，所述储能模块并联于所述连接点E和连接点F之间；
所述储能模块包括DC/DC转换器和蓄电池，所述DC/DC转换器连接所述蓄电池的两端。
进一步地，所述储能模块为DAB储能模块。
进一步地，所述开关管T5两端反并联有二极管T6，所述开关管T7两端反并联有二极管T8。
进一步地，所述二极管T1和二极管T2均为由若干二极管串联形成的二极管组。
进一步地，所述开关管T5和开关管T7均为绝缘栅双极型晶体管。
一种直流线路双极短路故障检测方法，包括权利要求1所述的并联式故障能量再利用装置，以及后级换流站，在后级换流站的正、负极线路上设有隔离开关QS3、隔离开关QS4，
按以下步骤进行，
S1：直流线路正常输电时，隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4均闭合，开关管T5和T7均断开；
S2：双极短路故障发生后，半全混合MMC换流站抑制故障电流、使之降低至隔离开关的切断容量范围内，切断隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4，故障隔离；
S3:故障检测定位模块与正极线路、负极线路和双极故障线路构成充电回路，限流电抗器Lx1、Lx2和直流线路中剩余的电能通过该回路为电容Cs充电；
S4:通过控制开关管T5、T7的通断，发送一个上升沿时间为t0的检测行波，在检测点检测反射回的反向行波，记录接收时间为t1，则可通过公式
计算得到故障点与检测点的距离L，其中v为检测行波的波速；
S5：若L等于两换流站的间距，判断故障为暂时性故障，重新闭合隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4，恢复输电；
若否，则故障判断为永久性故障，对故障点进行检修，而后再进入步骤S4。
进一步地，所述步骤S3中，在剩余电能释放完毕后，用权利要求2所述的储能模块为电容Cs充电。
进一步地，重复所述步骤S4若干次，再进入步骤S5。
本发明的并联式故障能量再利用装置及直流线路双极短路故障检测方法，通过与直流输电线路并联设置的特定电路拓扑，使得双极短路故障时的故障能量得以回收，并将其再利用于直流配电网的双极短路故障检测及定位。
具体地，正常输电时，故障检测定位模块与输电线路相互独立，电容两端电压为零，对直流线路不产生影响，亦无能量损耗；
发生双极短路故障时，故障检测定位模块的电容吸收故障能量提供检测电压，通过开关管的通断发出检测电压行波对故障位置进行检测，根据反射回的电压行波接收时间进行故障性质的判别及故障地点定位。
本发明可在正常运行时作为储能给直流负荷供电，故障时给吸收电容充电以便对故障进行二次检测，实现故障性质的判别及定位功能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
图2是本发明在正常输电时的示意图，
图3是本发明在双极短路故障时的示意图，
图4是本发明中储能模块为电容充电的示意图，
图5是本发明中发射检测电压行波的电路示意图，
图6是本发明中故障电流波形，
图7是本发明中电容的电压波形，
图8是本发明中永久性故障时电压正向行波波形，
图9是本发明中永久性故障时电压反向行波波形，
图10是本发明中暂时性故障时电压正向行波波形，
图11是本发明中暂时性故障时电压反向行波波形。
图中：1-半全混合MMC换流站，2-HB MMC换流站，3-正极线路，4-负极线路，5-故障检测定位模块，6-储能模块；P-检测点。
具体实施方式
以下结合附图1-11，进一步说明本发明。
参见图1，本发明的一种并联式故障能量再利用装置，并联于半全混合MMC换流站1和后级的HB MMC换流站2的正极线路3和负极线路4之间，靠近半全混合MMC换流站1的正极线路3上设有隔离开关QS1和限流电抗器Lx1、负极线路4上设有隔离开关QS2和限流电抗器Lx2，靠近HB MMC换流站2的正负极线路上分别设有隔离开关QS3、QS4，隔离开关QS1和限流电抗器Lx1之间设有连接点A，隔离开关QS2和限流电抗器Lx2之间设有连接点B，并联式故障能量再利用装置并联于连接点A、B之间，并联式故障能量再利用装置包括故障检测定位模块5；
故障检测定位模块5包括续流二极管T1、T2、T3、T4，开关管T5、T7，和电容Cs；
在连接点B和连接点A之间依次串联连接有二极管T2、二极管T4、电容Cs、二极管T3和二极管T1，二极管T2、二极管T4之间设有连接点D，二极管T4和电容Cs之间设有连接点E，电容Cs和二极管T3之间设有连接点F，二极管T3和二极管T1之间设有连接点C；
连接点D和连接点F之间还并联有开关管T7，连接点E和连接点C之间还并联有开关管T5。参加图2，半全混合MMC换流站1正常向HB MMC换流站2输出功率时，直流输电线路上的隔离开关QS1、QS2、QS3和QS4均设置为闭合状态，开关管T5、T7都设置为断开状态，电容Cs的电压为0。并联的故障检测定位模块5中的二极管T1和二极管T2承受直流线路反向额定电压，相当于把整个故障检测定位模块5与传输线路隔离开来，因此正常运行时故障检测定位模块5对于直流系统正常运行不产生任何影响，不增加电能损耗。
进一步地，还包括储能模块6，储能模块6并联于连接点E和连接点F之间，储能模块6的一端与电容Cs的正极连接于E点、另一端与电容Cs的负极连接于F点；
储能模块6包括DC/DC转换器和蓄电池，DC/DC转换器连接蓄电池的两端，储能模块6在输电线路正常运行时可充当直流电源给直流负荷供电，在故障时可给电容Cs充电以维持故障检测时所需电压。
储能模块6为DAB储能模块；DAB储能模块含有DAB(双有源桥)式直流变换器，能够实现功率的双向流动，在故障检测时使得储能模块6向直流线路输出功率。
开关管T5两端反并联有二极管T6，即二极管T6的阴极连接开关管T5的集电极，二极管T6的阳极连接开关管T5的发射极；开关管T7两端反并联有二极管T8即二极管T8的阴极连接开关管T7的集电极，二极管T8的阳极连接开关管T7的发射极；反并联的二极管用于抑制逆向电流。
二极管T1和二极管T2均为由若干二极管串联形成的二极管组，用以可靠承受高压，降低击穿风险。
开关管T5和开关管T7均为绝缘栅双极型晶体管。
一种直流线路双极短路故障检测方法，包括并联式故障能量再利用装置，以及后级的HB MMC换流站2，在后级的HB MMC换流站2的正、负极线路上设有隔离开关QS3、隔离开关QS4，
按以下步骤进行，
S1：直流线路正常输电时，隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4均闭合，开关管T5和T7均断开；
S2：双极短路故障发生后，半全混合MMC换流站1抑制故障电流、使之降低至隔离开关的切断容量范围内，切断隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4，故障隔离；
S3:故障检测定位模块5与正极线路3、负极线路4和双极故障线路构成充电回路，限流电抗器Lx1、Lx2和直流线路中剩余的电能通过该回路为电容Cs充电；参见图3，电流先后经过限流电抗器Lx1、正极线路3、故障点、负极线路4、限流电抗器Lx2、二极管T2的阳极、二极管T2的阴极、二极管T4的阳极、二极管T4的阴极、电容Cs的正极、电容Cs的负极、二极管T3的阳极、二极管T3的阴极、二极管T1的阳极、二极管T1的阴极，形成闭合回路；
S4:通过控制开关管T5、T7的通断，发送一个上升沿时间为t0的检测行波，在检测点检测反射回的反向行波，记录接收时间为t1，则可通过公式
计算得到故障点与检测点的距离L，其中v为检测行波的波速；参见图5，控制开关管T5和T7导通向线路发射检测电压行波，行波在故障点和线路末端将发生折反射，其中W1f为入射波，W1r为故障点的反射波，W1z为故障点透射波，W2f为电压行波在线路末端的反射波；
S5：若L等于两换流站的间距，判断故障为暂时性故障，重新闭合隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4，恢复输电；
若否，则故障判断为永久性故障，对故障点进行检修，而后再进入步骤S4。
进一步地，步骤S3中，在剩余电能释放完毕后，用储能模块6为电容Cs充电，用以维持检测电压，充电电流从电容Cs的正极进入，负极流出，参见图4。
进一步地，重复步骤S4若干次，再进入步骤S5，以排除暂时性故障。
在软件PSCAD/EMTDC中搭建基于半全混合MMC换流站1的并联式故障能量再利用装置的电路拓扑模型，故障电流仿真结果参见图6。1.00s发生双极短路故障，1.003s后半全混合MMC的控制模式切换为故障穿越模式，1.009s时，故障电流衰减至10.17A，10.17A的故障电流已达到隔离开关的开断允许范围，此时控制系统向隔离开关发出关断信号，隔离开关立即断开，故障隔离。
故障隔离后电容Cs的电压波形参见图7，储能模块6在故障电流减小为0后立刻接入电容Cs两侧为其充电，在仿真模型中，电容Cs的充电完成电压设计为2.5kV。
下面对该拓扑模型的故障检测定位功能进行验证，仿真结果如图8-11所示。当电容Cs充电完成后，经过一定的去游离时间，控制开关管T5和开关管T7的通断来发射电压行波，设置开关管导通的持续时间为0.001s。
假设线路在30km处发生了永久性双极短路故障，在1.15s时，通过控制开关管的通断向故障点发出故障检测行波，检测点P处检测到发射的电压正向行波和反射回的电压反向行波的波形分别如图8和图9所示。图8中1.15s时发出电压正向行波，图9中1.1502s时检测到第一个电压反向行波的波头，由于行波传播的波速接近于光速，按公式(1)，t0＝1.15s，t1＝1.1502s，v为光速，可计算得到故障点与检测点的距离L为30km。根据反向电压行波与正向电压行波极性相反，判断其为故障点的反射。通过多次发射检测行波，故障仍然存在，因此可以判断故障为永久性双极短路故障。
假设线路在30km处发生了暂时性双极短路故障，1.000s时故障发生、持续时间为0.2s，即1.2s时暂时性双极短路故障消失。分别在1.15s、1.18s和1.21s向故障点发出故障检测行波，直流线路全长为50km。检测点P处检测到的电压正向行波和电压反向行波的波形分别如图10和图11所示，细节处为在1.15s、1.18s和1.21s附近的波形放大图。图10的1.15s处检测出电压正向行波，图11的1.1502s时检测到第一个电压反向行波的波头，极性和1.15s处发出的电压正向行波相反，可判断为故障点的反射，由于行波传播的波速接近光速，可计算得到故障点位置为30km，此时故障仍然存在。延迟30ms即1.18s时继续发出检测行波，图10的1.18s处检测出电压正向行波，图11的1.1802s时检测到下一个电压反向行波波头，极性和1.18s处发出的电压正向行波相反，可判断为故障点的反射，计算得到故障点位置为30km，故障仍然存在。继续延迟30ms，在1.21s处发出检测行波，由上述设置(故障持续时间0.2s)已知，1.2s时双极短路故障已经消失，图10的1.21s处检测出电压正向行波，图11的1.210333s时检测到下一个电压反向行波的波头，计算得到反射点距离检测点P的距离为50km(即等于两换流站的间距)，极性和1.21s处发出的电压正向行波相同，因此判断其为线路末端边界的反射，故障消失，判断其为暂时性故障。
对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：
(1)、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；
(2)、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；
以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本领域技术人员根据本案所公开的内容，对其中某些技术特征作出的变换均应在本案保护范围内。
Claims (9)
1.一种并联式故障能量再利用装置，并联于半全混合MMC换流站的正极线路和负极线路之间，所述正极线路上依次连接有隔离开关QS1和限流电抗器Lx1，所述负极线路上依次连接有隔离开关QS2和限流电抗器Lx2，所述隔离开关QS1和限流电抗器Lx1之间设有连接点A，所述隔离开关QS2和限流电抗器Lx2之间设有连接点B，其特征在于，所述并联式故障能量再利用装置包括故障检测定位模块；
所述故障检测定位模块包括二极管T1、T2、T3、T4，开关管T5、T7，和电容Cs；
在连接点B和连接点A之间依次串联连接二极管T2、二极管T4、电容Cs、二极管T3和二极管T1，所述二极管T2、二极管T4之间设有连接点D，所述二极管T4和电容Cs之间设有连接点E，所述电容Cs和二极管T3之间设有连接点F，所述二极管T3和二极管T1之间设有连接点C；
所述连接点D和连接点F之间还并联有所述开关管T7，所述连接点E和连接点C之间还并联有所述开关管T5。
2.根据权利要求1所述的并联式故障能量再利用装置，其特征在于，还包括储能模块，所述储能模块并联于所述连接点E和连接点F之间；
所述储能模块包括DC/DC转换器和蓄电池，所述DC/DC转换器连接所述蓄电池的两端。
3.根据权利要求2所述的并联式故障能量再利用装置，其特征在于，所述储能模块为DAB储能模块。
4.根据权利要求1所述的并联式故障能量再利用装置，其特征在于，所述开关管T5两端反并联有二极管T6，所述开关管T7两端反并联有二极管T8。
5.根据权利要求1所述的并联式故障能量再利用装置，其特征在于，所述二极管T1和二极管T2均为由若干二极管串联形成的二极管组。
6.根据权利要求1所述的并联式故障能量再利用装置，其特征在于，所述开关管T5和开关管T7均为绝缘栅双极型晶体管。
7.一种直流线路双极短路故障检测方法，其特征在于，包括权利要求1所述的并联式故障能量再利用装置，以及后级换流站，在后级换流站的正、负极线路上设有隔离开关QS3、隔离开关QS4，
按以下步骤进行，
S1：直流线路正常输电时，隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4均闭合，开关管T5和T7均断开；
S2：双极短路故障发生后，半全混合MMC换流站抑制故障电流、使之降低至隔离开关的切断容量范围内，切断隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4，故障隔离；
S3:故障检测定位模块与正极线路、负极线路和双极故障线路构成充电回路，限流电抗器Lx1、Lx2和直流线路中剩余的电能通过该回路为电容Cs充电；
S4:通过控制开关管T5、T7的通断，发送一个上升沿时间为t0的检测行波，在检测点检测反射回的反向行波，记录接收时间为t1，则可通过公式
计算得到故障点与检测点的距离L，其中v为检测行波的波速；
S5：若L等于两换流站的间距，判断故障为暂时性故障，重新闭合隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4，恢复输电；
若否，则故障判断为永久性故障，对故障点进行检修，而后再进入步骤S4。
8.根据权利要求7所述的直流线路双极短路故障检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，在剩余电能释放完毕后，用权利要求2所述的储能模块为电容Cs充电。
9.根据权利要求8所述的直流线路双极短路故障检测方法，其特征在于，重复所述步骤S4若干次，再进入步骤S5。
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|---|---|---|---|---|
| CN111142044A (zh) * | 2020-02-05 | 2020-05-12 | 东南大学 | 一种具备短路故障能量吸收能力的直流线路故障二次检测装置 |
| CN114123748A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-01 | 华中科技大学 | 用于真双极连接直流变压器的故障穿越装置及控制方法 |
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2020
- 2020-10-27 CN CN202011161566.4A patent/CN112421585A/zh active Pending
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