CN112688288A - 对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法。它包括如下步骤，步骤一：将阀顶和中性线避雷器替换为可控避雷器；步骤二：对子模块过电压旁路进行改进；在换流器解锁状态下，子模块过电压旁路采用设定值uset1；在换流器闭锁状态下，子模块过电压旁路设定值为uset2；步骤三：可控避雷器和子模块过电压旁路配合进行过电压控制。本发明克服了现有技术在发生阀侧单相接地故障闭锁后桥臂子模块产生的过电压问题，不能有效抑制和降低MMC子模块过电压的缺点；具有在闭锁后能有效抑制和降低MMC子模块过电压，子模块旁路开关无需闭合，既能减小子模块的检修工作量，也能加速故障后直流电压的恢复的优点。
Description
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，更具体地说它是一种对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法。更具体地说它是一种对称双极柔性直流输电系统换流站闭锁后MMC子模块过电压的控制保护方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的发展，模块化多电平转换器(MMC)凭借其低功耗和输出谐波少而成为高压大功率输电的首选拓扑。作为一种新型的电压源换流器(VoltageSource Converter,VSC)，MMC-HVDC(模块化多电平换流器型高压直流输电)系统没有换相失败问题，这是与传统的基于晶闸管的电网换相换流器(Line Commutated Converter,LCC)相比最重要的优势之一。然而随着经济技术的发展，人们对柔性直流输电系统传输容量以及输电可靠性要求越来越高，因此一些学者提出了双极柔性直流输电系统。双极柔性直流输电系统传输容量为单极传输容量的一倍，并且运行方式更为灵活。当双极柔性直流输电系统发生单极故障时，非故障极仍能正常运行，传输一半的额定功率，从而极大的提高了输电可靠性。
阀侧单相接地故障作为站内故障，虽然出现的可能性较小，但是会引起整个系统出现较大的过电压。在对于采用金属回线作为回流线路的双极柔性直流输电系统中，阀侧发生单相接地后，故障相电压为0，非故障相电压上升为线电压。而在稳态运行时，交流侧电压存在直流偏置，因此故障后，因为交流侧电压可以为负，导致桥臂会承受最大为直流电压与交流电压之差的电压，桥臂子模块电容迅速充电升压。而在桥臂闭锁后，由于二极管的单向导电性，子模块电容只能被充电升压，因此，阀侧单相接地故障会引起桥臂子模块电容产生最大约1.866倍的过电压，对子模块电容而言是一个巨大的威胁。
汤广福等人在发明专利中的《一种适用于MMC柔性直流子模块过压控制保护方法》中提出了一种子模块过压保护控制方法，通过阀基控制器、子模块控制器及击穿二极管保护实现对子模块过电压故障的三级保护，该方法通过控制旁路开关使子模块从电路中切除以保护子模块，但是缺乏限制过电压的措施，且故障电流流经旁路开关，对旁路开关的开端能力有较高的要求，因而限制了其应用。
周杨等人在《电机工程学报》中的“双极柔性直流输电系统站内接地故障保护策略”中研究了交流电流偏置导致交流断路器无法断开以及故障站子模块持续充电导致子模块过电压的现象，通过闭锁换流器并触发子模块旁路晶闸管，并将非故障相下桥臂子模块触发为切除状态，以隔离交流侧故障，降低子模块过电压，但是该方法没有从根本上清除直流侧故障能量，采用该方法后子模块仍然有高约1.5倍过电压。
Mian Wang等人在《IEEE transactions on powerdelivery》中的“PoleRebalancing Methods for Pole-to-Ground Faultsin Symmetrical Monopolar HVDCGrids”中研究了双极系统正负极电压恢复及平衡策略，通过配置合理的DBS装置在故障清除后泄放故障能量，达到直流电压恢复的目的。但该方法对故障期间的暂态特性无任何影响，仅对故障后系统的恢复阶段有促进作用，因此该方法也不适用于闭锁后子模块过电压的保护和控制。
总体而言，当前的针对柔性直流输电系统中，在发生阀侧单相接地故障闭锁后桥臂子模块产生的过电压问题，缺乏能有效抑制和降低MMC子模块过电压的方法。因此，急需开发一种在整个故障期间保护子模块的方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法，用于抑制换流站阀侧单相接地故障时MMC闭锁后子模块的过电压，在换流站闭锁后使子模块躲过出现过电压的风险；本发明方法原理简单，应用场景广，在工程中有较大的使用价值。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法，其特征在于：双极MMC-HVDC输电系统的接地点设置在直流侧；双极MMC-HVDC输电系统包括送电端和受电端；其中，送电端和受电端均包括正极和负极；正负极之间通过金属回线和接地电阻连接，变压的网侧绕组连接断路器；
闭锁后子模块过电压控制保护方法，具体包括如下步骤，
步骤一：将阀顶和中性线避雷器替换为可控避雷器；
可控避雷器包括可控部分和固定部分；其中可控部分与开关并联；
步骤二：对子模块过电压旁路进行改进；
在换流器解锁状态下，子模块过电压旁路采用设定值uset1；
在换流器闭锁状态下，子模块过电压旁路设定值为uset2；
其中，uset1≤uset2；
步骤三：可控避雷器和子模块过电压旁路配合进行过电压控制；
1)阀基控制器实时监测MMC系统，当检测到MMC系统故障时，关闭阀基过压保护控制器；当MMC系统未发生故障、且阀基控制器检测到单个子模块发生过压故障时，则子模块过电压旁路对应故障子模块；
2)当阀侧发生单相接地故障时，MMC控制器迅速闭锁换流站，并将可控断路器开关闭合；
3)当检测到子模块电压高于子模块控制器过压控制保护定值时，则子模块过电压旁路过压子模块。
在上述技术方案中，在步骤一中，其中可控避雷器的可控部分和固定部分采用相同的阀片，其标幺化的伏安特性曲线相同。
在上述技术方案中，在步骤一中，固定部分的额定电压按照如下方式确定：
krefUN≤us (1)
其中：kref为避雷器起始动作电压与额定电压的比值，UN为避雷器的额定电压，us为交流系统线电压峰值，tblc为系统闭锁时刻，tAC为交流断路器断开时刻，uarr(t)为t时刻避雷器两端电压，iarr(t)为t时刻流过避雷器的电流，Elim为避雷器吸收能量的限值。
在上述技术方案中，在步骤一中，当双极MMC-HVDC输电系统在正常运行时，可控避雷器保持整体投入状态不变；
当发生阀侧单相接地故障时，换流站检测到故障后发送闭锁指令，同时闭合可控避雷器可控部分的开关，将固定部分接入电路中；
当交流侧断路器断开后，断开可控避雷器的开关，加速故障电流的衰减。
在上述技术方案中，在步骤二中，uset1取原定子模块旁路开关过电压控制器控制保护整定值；
uset2的确定方法为：在选定可控避雷器固定部分额定电压后，根据实际MMC闭锁后子模块可能出现的最大过电压进行整定，该过电压可通过仿真确定，在此基础上给予一定的裕度。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明在输电系统现有的避雷器配置下将阀的保护避雷器替换为可控避雷器，提供直流侧故障能量的泄放通路，避免了在MMC闭锁后直流侧通过交流侧对子模块电容充电升压的问题；
(2)本发明提出的抬高子模块在闭锁状态下执行过电压旁路保护门槛的改进措施能够最大程度上避免子模块误旁路，防止直流侧较大的故障电流流经旁路开关增加开关器件的压力，同时可以减小换流站闭锁停运后的检修工作量；
(3)本发明所提出的改进的带可控避雷器的配置方案为金属回线和直流极线提供了放电通道，有助于在故障清除后直流电压的快速恢复。
本发明将阀顶和中性线避雷器改造为可控避雷器，通过协调子模块旁路控制策略和可控避雷器的控制策略，避免子模块在MMC闭锁后产生过电压，同时可控避雷器在故障清除后提供故障能量释放通路，有助于直流电压的恢复。
附图说明
图1本发明控制保护方法流程图。
图2为本发明双极柔性直流输电系统结构示意图。
图3为本发明可控避雷器结构示意图。
图4为本发明可控避雷器伏安特性曲线。
图5为本发明可控避雷器投切策略示意图。
图6为本发明子模块过电压旁路策略和可控避雷器投切策略的配合示意图。
图7为本发明直流电缆结构示意图。
图8为本发明采用可控避雷器前后A相上下桥臂子模块电容电压之和波形示意图。
图9为本发明采用可控避雷器前后B相上下桥臂子模块电容电压之和波形示意图。
图10为本发明采用可控避雷器前后C相上下桥臂子模块电容电压之和波形示意图。
图11为本发明采用可控避雷器前后直流侧健全极电压波形示意图。
图2中，A表示交流断路器；B表示变压器；C表示阀侧；D表示正极；E表示负极；F表示金属回线；F表示金属回线接地电阻。
图3中，MOA1表示可控避雷器的固定部分；MOA2表示可控避雷器的可控部分；K表示电力电子开关。
图7中，A表示导体；B表示绝缘Ⅰ；C表示护套；D表示绝缘Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本发明应用于采用金属回线作为回流线路的对称双极柔性直流输电系统；本发明将保护阀侧的阀顶避雷器和中性线避雷器改造为可控避雷器，并适当调高闭锁后子模块过电压控制保护整定值，当发生阀侧单相接地故障闭锁后，子模块不会出现过电压，且子模块旁路开关无需闭合，既能减小子模块的检修工作量，也能加速故障后直流电压的恢复。
参阅附图可知：一种对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法，双极MMC-HVDC输电系统的接地点设置在直流侧，直流侧接地点仅提供电位钳制的作用，不提供直流电流通路；双极MMC-HVDC输电系统包括送电端和受电端；送电端通过MMC完成交直流转换，向受端输送电能，受电端通过MMC完成直交流的转换后输出；其中，送电端和受电端均包括正极和负极；正负极之间通过金属回线和接地电阻连接，变压的网侧绕组连接断路器(如图2所示)；正负极不平衡电流通过金属回线返回；
由于子模块闭锁后充电升压的机理与闭锁前的功率方向无关，也就是功率在送端还是受端，均存在此现象，且闭锁后送电端和受电端结构对称，因此本发明仅针对送电端进行说明，受电端的闭锁后子模块过电压控制保护方法同送电端；
闭锁后子模块过电压控制保护方法(如图1所示)，具体包括如下步骤，
步骤一：将阀顶和中性线避雷器替换为可控避雷器；
其中，阀顶避雷器装设于桥臂电抗器和换流阀之间，用于保护换流站免受来自直流侧侵入波的危害；而中性线避雷器装设于金属回线和换流阀之间，用于限制从中性线侵入换流站的过电压；
可控避雷器包括可控部分和固定部分；其中可控部分与开关并联，开关由电力电子器件组成；可控避雷器的结构如图3所示，可控避雷器的伏安特性曲线如图4所示，通过控制开关器件的动作，在正常运行时避雷器整体处于投入状态，在发生故障换流站闭锁后仅保留固定部分接入电路；
其中两种避雷器的可控部分和固定部分额定电压之和及各自的伏安特性曲线与原有的避雷器相同；
可控避雷器的固定部分额定电压的选取需考虑到交流侧电压和避雷器吸收能量两部分的限制，从而达到既避免子模块产生过电压的风险又能避免避雷器吸收过多的能量而发热；
可控避雷器的可控部分与固定部分的区别在于额定电压设置的不同，而基本伏安特性曲线保持一致；可控避雷器的可控部分与固定部分额定电压的设置满足两个限制，其一是额定电压之和的设置满足系统绝缘配合的要求；其二是固定部分的额定电压的设置能保证换流站闭锁后，线路的能量能通过固定部分的避雷器释放掉，且不超过固定部分避雷器吸收能量的上限；
首先选定合适的可控避雷器固定部分和可变部分的额定电压，保证故障闭锁后直流侧线路所储存的能量能通过避雷器固定部分安全泄放，然后根据此种情况下子模块过电压的最大值，在此基础上通过保留一定的裕度设置过电压控制保护定值；
步骤二：对子模块过电压旁路进行改进(即为改进子模块旁路过电压保护策略)；
在换流器解锁状态下，子模块过电压旁路采用设定值uset1；
在换流器闭锁状态下，子模块过电压旁路设定值为uset2；
其中，uset1≤uset2；本发明通过改进传统的子模块过电压旁路策略，增强可控避雷器的兼容性；改进传统的子模块过电压旁路策略为：适当提高子模块控制器过电压控制保护定值，使得在阀侧单相接地故障换流站闭锁时，通过控制可控避雷器的投切来避免子模块电容产生过电压的风险，而无需触发子模块过电压保护控制，减少事后的检修工作量；
步骤三：可控避雷器和子模块过电压旁路配合进行过电压控制(即为协调可控避雷器的开断与子模块过电压旁路保护策略)；
在MMC检测到换流站故障发出闭锁指令时，控制可控避雷器的开关闭合，仅将固定部分避雷器接入电路；子模块过电压旁路策略需要根据所述步骤二确定的额定电压下，子模块所能产生的过电压的最大值进行选取；通常子模块过电压旁路的设定值是按照解锁状态进行的，闭锁状态下子模块过电压旁路采用的定值大于解锁状态下的整定值，用于防止故障后子模块被误旁路，增加检修工作量；
1)阀基控制器实时监测MMC系统，当检测到MMC系统故障时，关闭阀基过压保护控制器；当MMC系统未发生故障、且阀基控制器检测到单个子模块发生过压故障时，则子模块过电压旁路对应故障子模块；
2)当阀侧发生单相接地故障时，MMC控制器迅速闭锁换流站，并将可控断路器开关闭合；
3)当检测到子模块电压高于子模块控制器过压控制保护定值时，则子模块过电压旁路过压子模块。
进一步地，在步骤一中，在步骤一中，其中可控避雷器的可控部分和固定部分采用相同的阀片，其标幺化的伏安特性曲线相同，仅额定电压不同。
进一步地，在步骤一中，可控避雷器的固定部分的额定电压按照如下方式确定：
krefUN≤us (1)
上述公式(1)和公式(2)中：kref为避雷器起始动作电压与额定电压的比值，UN为避雷器的额定电压，us为交流系统线电压峰值，tblc为系统闭锁时刻，tAC为交流断路器断开时刻，uarr(t)为t时刻避雷器两端电压，iarr(t)为t时刻流过避雷器的电流，Elim为避雷器吸收能量的限值。
公式(1)是避雷器额定电压的限制；公式(1)保证了在MMC闭锁后，避雷器的动作电压比交流侧电压小，以保证在MMC闭锁后，直流电压通过避雷器泄放能量，而不通过交流侧从而对子模块电容充电。公式(2)是避雷器吸收能量的限制；公式(2)保证了避雷器在整个保护动作期间所吸收的能量不超过额定值而损坏；额定电压越小，直流侧通过避雷器泄放的能量就越多，子模块被充电升压的可能性越小，但避雷器吸收的能量就越多，因此这二者是一个兼容和协调的过程；在具体实施过程中，额定电压的选取根据式(1)选取，然后通过仿真校核避雷器吸收的能量即可。
进一步地，在步骤一中，当双极MMC-HVDC输电系统在正常运行时，可控避雷器保持整体投入状态不变；
当发生阀侧单相接地故障时，换流站检测到故障后发送闭锁指令，同时闭合可控避雷器可控部分的开关，将固定部分接入电路中；
当交流侧断路器断开后，断开可控避雷器的开关，加速故障电流的衰减；正常情况下，交流断路器动作时间比MMC闭锁时间长，因此一般MMC先闭锁，然后交流断路器断开；且在检测到故障后，交流断路器均会断开。
可控避雷器的控制策略如图5所示，其中，图5中表示为：换流站闭锁时，可控避雷器的可控部分断开、但固定部分同时投入使用，当处于正常情况下，可控避雷器的固定部分和可控部分同时投入使用；无论换流站是否闭锁，可控避雷器的固定部分是否始终处于使用状态；经过故障检测、保护延时、交流断路器就会被发送断开的指令，不过交流断路器断开时间通常为几十ms；在交流断路器断开的同时可控断路器断开，所述断开即可用部分断开。
更进一步地，在步骤二中，uset1取原定子模块旁路开关过电压控制器控制保护整定值；uset1为现有的子模块过电压旁路开关动作值的整定方法；
uset2的确定方法为：在选定可控避雷器固定部分额定电压后通过闭锁后实际系统的仿真结果进行整定，在仿真结果的基础上给予一定的裕度，确定子模块过电压旁路整定值，以防止子模块被误旁路。
uset2的确定方法为：在选定可控避雷器固定部分额定电压后，根据实际MMC闭锁后子模块可能出现的最大过电压进行整定，在此基础上给予一定的裕度，uset2的确定方法按照能躲过闭锁后子模块所出现的最大过电压来整定，最大过电压的出现与系统参数和结构等有关，子模块最大过电压无精确的解析解，因此需要根据仿真来确定(如图6所示)，其中，图6为子模块过电压旁路保护控制方法，同时也解释了闭锁后子模块过电压保护控制整定值的选取方法；图6中，纵坐标为电压值。
uset2的计算公式为：uset2≥1.2umax (3)
式(3)中，umax为三相桥臂子模块在发生闭锁后可能产生的最大过电压。
实施例
本实施例以一个±320kV对称双极结构的双端直流电网为例进行仿真验证，搭建如图2所示的仿真模型，MMC1和MMC2为定功率控制站，MMC3和MMC4为定电压控制站，MMC(MMC包括MMC1、MMC2、MMC3和MMC4)主参数如表1所示，正负极线及金属回线均采用直流电缆，电缆的主要参数如表2所示，电缆的结构如图7所示。
表1 MMC主参数
表2电缆的主要参数
| 材料 | 厚度/m | 电阻率/(Ω·m) | 相对介电常数 |
| 导体 | 0.0239m | 1.75×10<sup>-8</sup> | / |
| 绝缘I | 0.0179m | / | 2.30 |
| 护套 | 0.009m | 2.2×10<sup>-7</sup> | / |
| 绝缘II | 0.005m | / | 2.25 |
系统稳态运行时，送端向受端传输1000MW的直流功率，在1s前系统已处于稳态，在时间t＝1s时送端发生阀侧A相接地故障，在时间t＝1.003s时，MMC换流站闭锁，在时间1.01s交流断路器断开，交流侧整个仿真测试持续了1s，对应的仿真波形如图8～图11所示。
从如图8～图11可以看出：当采用可控避雷器后，当阀侧发生单相接地故障闭锁后，子模块不会出现过电压，且交流断路器断开后，直流电压迅速恢复稳态，且不会触发子模块的旁路控制保护。
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。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (5)
1.一种对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法，其特征在于：双极MMC-HVDC输电系统的接地点设置在直流侧；双极MMC-HVDC输电系统包括送电端和受电端；其中，送电端和受电端均包括正极和负极；正负极之间通过金属回线和接地电阻连接，变压的网侧绕组连接断路器；
闭锁后子模块过电压控制保护方法，具体包括如下步骤，
步骤一：将阀顶和中性线避雷器替换为可控避雷器；
可控避雷器包括可控部分和固定部分；其中可控部分与开关并联；
步骤二：对子模块过电压旁路进行改进；
在换流器解锁状态下，子模块过电压旁路采用设定值uset1；
在换流器闭锁状态下，子模块过电压旁路设定值为uset2；
其中，uset1≤uset2；
步骤三：可控避雷器和子模块过电压旁路配合进行过电压控制；
1)阀基控制器实时监测MMC系统，当检测到MMC系统故障时，关闭阀基过压保护控制器；当MMC系统未发生故障、且阀基控制器检测到单个子模块发生过压故障时，则子模块过电压旁路对应故障子模块；
2)当阀侧发生单相接地故障时，MMC控制器迅速闭锁换流站，并将可控断路器开关闭合；
3)当检测到子模块电压高于子模块控制器过压控制保护定值时，则子模块过电压旁路过压子模块。
2.根据权利要求1所述的对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法，其特征在于：在步骤一中，其中可控避雷器的可控部分和固定部分采用相同的阀片，其标幺化的伏安特性曲线相同。
3.根据权利要求2所述的对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法，其特征在于：在步骤一中，固定部分的额定电压按照如下方式确定：
krefUN≤us (1)
其中：kref为避雷器起始动作电压与额定电压的比值，UN为避雷器的额定电压，us为交流系统线电压峰值，tblc为系统闭锁时刻，tAC为交流断路器断开时刻，uarr(t)为t时刻避雷器两端电压，iarr(t)为t时刻流过避雷器的电流，Elim为避雷器吸收能量的限值。
4.根据权利要求3所述的对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法，其特征在于：在步骤一中，当双极MMC-HVDC输电系统在正常运行时，可控避雷器保持整体投入状态不变；
当发生阀侧单相接地故障时，换流站检测到故障后发送闭锁指令，同时闭合可控避雷器可控部分的开关，将固定部分接入电路中；
当交流侧断路器断开后，断开可控避雷器的开关，加速故障电流的衰减。
5.根据权利要求4所述的对称双极柔性直流输电系统子模块过电压控制保护方法，其特征在于：在步骤二中，uset1取原定子模块旁路开关过电压控制器控制保护整定值；
uset2的确定方法为：在选定可控避雷器固定部分额定电压后，根据实际MMC闭锁后子模块可能出现的最大过电压进行整定，该过电压可通过仿真确定，在此基础上给予一定的裕度。
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