CN112701714B - 一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法 - Google Patents

一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112701714B
CN112701714B CN202011470510.7A CN202011470510A CN112701714B CN 112701714 B CN112701714 B CN 112701714B CN 202011470510 A CN202011470510 A CN 202011470510A CN 112701714 B CN112701714 B CN 112701714B
Authority
CN
China
Prior art keywords
current
fault
full
bridge
modular multilevel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011470510.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112701714A (zh
Inventor
郑涛
吕文轩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN202011470510.7A priority Critical patent/CN112701714B/zh
Publication of CN112701714A publication Critical patent/CN112701714A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112701714B publication Critical patent/CN112701714B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
    • G01R19/16538—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16566—Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533
    • G01R19/16571—Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533 comparing AC or DC current with one threshold, e.g. load current, over-current, surge current or fault current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法，故障线路上的两个负荷开关分别接收分闸指令进行分闸，控制故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流分别下降至各自连接的非故障线路的电流，当故障线路上的任何一个负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时，断开负荷开关，故障线路被隔离，全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至正常工作时的电流。本发明在直流线路发生故障后控制故障线路两端的换流器的出口电流下降至各自连接的非故障线路的电流，非故障线路的电流仍存在，而故障线路上的电流接近于0，因此对负荷开关的开断容量要求不高，仅依靠较小遮断容量的负荷开关就能实现不停电切除故障。

Description

一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法
技术领域
本发明涉及直流配电网技术领域，特别是涉及一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法。
背景技术
各种光伏、风电等可再生能源电源和电动汽车等直流负荷的迅速发展，以及电力电子技术的进步，使得直流配电网成为当下的研究热点。相较于交流配电网，柔性直流配电网以其易于接入分布式新能源、能量传输损耗低、控制灵活的优点，成为我国未来电网发展的新方向。然而，不同于周期性的交流电流，直流电流不存在自然过零点，无法通过传统交流断路器的熄弧室断开故障电流，且由于直流配电网“弱阻尼、低惯性”的特点，直流故障电流上升迅速且幅值很大，因此直流故障的隔离面临着严峻的挑战。
当前直流配电网可用的故障隔离策略有两种：其一是直接利用混合式直流断路器隔离故障线路。如J.Zhang等学者(J.Zhang,G.Zou,Z.Xie,H.Sui and C.Sun,"A fast non-unit line protection strategy for the MMC-based MTDC grid,"2017 IEEEConference on Energy Internet and Energy System Integration(EI2),Beijing)针对多端直流配电网中故障电气量增长迅速的问题，提出了一种快速非单元线路保护策略，通过电流变化率检测到故障之后，迅速使用直流断路器在半桥换流站闭锁前断开故障线路。同时，该种策略已在浙江舟山±200kV五端直流配电网示范工程(W.Zhou et al.,“Development and test of a 200kV full-bridge based hybrid HVDC breaker,”inProc.2015 17th Eur.Conf.Power Electron.Appl.,2015,pp.1–7.)和张北±500kV四端柔性直流配电网示范工程(M.Kong et al.,“A lifting wavelet-based protectionstrategy against DC line faults for Zhangbei HVDC Grid in China,”in Proc.201719th Eur.Conf.Power Electron.Appl.(EPE’17 ECCE Europe),Warsaw,Poland,2017,pp.P.1–P.11.)中应用，然而直流断路器成本较高、工艺复杂，对于线路较短、出线较多的直流配电网，若每条线路首末两端均配备直流断路器，则其经济性将大大降低。其二是利用具备故障自清除能力的换流器搭配隔离开关实现故障隔离。具备故障自清除能力的换流器(如全桥子模块型换流器)主要通过桥臂子模块的闭锁向故障回路增加反向电压源，进而抑制故障电流。当直流侧电流下降到零后，再通过故障线路两侧的隔离开关隔离故障线路。Shuoting Zhang等(Shuoting Zhang,Yalong Li,Fred Wang."Impact of DC Fault inMulti-terminal DC Grid on Connected AC System Stability",2017 IEEE EnergyConversion Congress and Exposition,January,pp:2651-2658)在文章中对比分析了基于直流断路器的保护策略和基于全桥换流站闭锁清除故障的保护策略。然而在该种故障隔离策略下，任意直流线路的故障均要闭锁配电网中所有的换流器，这将造成故障隔离阶段整个系统功率的缺失。对于出线较多的直流配电网而言，大大增加了全网失电的风险，严重降低供电可靠性。
上述国内外研究现状表明，目前直流配电网的故障隔离策略均存在一定的弊端，其经济性及供电可靠性难以满足实际需求。因此，发明一种使得直流配电网仍有一定功率传输的同时，以较低的成本断开故障线路，实现故障隔离的柔性直流配电网故障隔离方法是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法，使得直流配电网仍有一定功率传输的同时，以较低的成本断开故障线路，实现故障隔离。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种柔性直流配电网故障隔离装置，所述装置包括：故障定位装置、多个全桥型模块化多电平换流器和多个负荷开关组；
多个所述全桥型模块化多电平换流器分别一一对应地设置在柔性直流配电网的多个输入端，多个所述全桥型模块化多电平换流器用于将交流电转换为直流电；
多个所述负荷开关组分别一一对应地设置在所述柔性直流配电网中的多条直流线路上，每条直流线路连接两个全桥型模块化多电平换流器；每个负荷开关组包括两个负荷开关，每个所述负荷开关串联在靠近全桥型模块化多电平换流器的直流线路的一端；
所述负荷开关的控制端与所述故障定位装置连接，所述故障定位装置用于定位故障点，并在定位故障点之后向所述负荷开关发送分闸信号；所述负荷开关用于在直流线路发生故障后根据所述分闸信号进行分闸，并当流过所述负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时进行断开，隔离发生故障的直流线路。
可选的，所述全桥型模块化多电平换流器为三相变流器；
所述全桥型模块化多电平换流器包括六个桥臂；每个桥臂包括多个依次串联的全桥子模块。
可选的，所述全桥子模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电容；
所述第一开关管的集电极与所述第二开关管的发射极连接，所述第一开关管的发射极与所述电容的一端连接，所述第二开关管的集电极与所述电容的另一端连接；
所述第三开关管的集电极与所述第四开关管的发射极连接，所述第三开关管的发射极与所述电容的一端连接，所述第四开关管的集电极与所述电容的另一端连接。
可选的，所述装置还包括：多个电流互感器组；
多个所述电流互感器组的一次侧绕组分别一一对应地串联在所述柔性直流配电网中的多条直流线路上；每个电流互感器组包括两个电流互感器，两个所述电流互感器的一次侧绕组分别一一对应地串联在直流线路两端的负荷开关的电流输出端；
多个所述电流互感器组的二次侧绕组与所述故障定位装置连接，所述电流互感器用于检测所述电流互感器所在的直流电路一端处负荷开关的输出电流，并将负荷开关的输出电流传输至所述故障定位装置，实现对负荷开关的输出电流的实时监测。
一种柔性直流配电网故障隔离方法，所述方法包括：
确定发生故障的直流线路，作为故障线路，并将与所述故障线路连接同一个全桥型模块化多电平换流器的另一条直流线路确定为非故障线路；
所述故障线路上的两个负荷开关分别接收分闸指令，并根据分闸指令进行分闸；
控制所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流分别下降至各自连接的非故障线路的电流，实现故障线路的电流的降低；全桥型模块化多电平换流器的出口电流为故障线路的电流与非故障线路的电流之和；
分别获取所述故障线路上的流过两个负荷开关的故障电流，当所述故障线路上的任何一个负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时，断开所述负荷开关；
控制所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至全桥型模块化多电平换流器正常工作时的电流。
可选的，所述确定发生故障的直流线路，作为故障线路，并将与所述故障线路连接同一个全桥型模块化多电平换流器的另一条直流线路确定为非故障线路，之前还包括：
柔性直流配电网发生故障后，反向投入柔性直流配电网中所有全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流等于各自的额定电流值。
可选的，所述控制所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流分别下降至各自连接的非故障线路的电流，具体包括：
反向投入所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使所述故障线路两端的每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流等于各自连接的非故障线路的电流。
可选的，所述分别获取所述故障线路上的流过两个负荷开关的故障电流，当所述故障线路上的任何一个负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时，断开所述负荷开关，之后还包括：
获取柔性直流配电网在断开所述负荷开关之后的电压；
当断开所述负荷开关之后的电压等于断开所述负荷开关之前的电压时，输出分闸失败信号。
可选的，所述控制所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至全桥型模块化多电平换流器正常工作时的电流，具体包括：
正向投入所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使所述故障线路两端的每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至各自正常工作时的电流。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种柔性直流配电网故障隔离方法，故障定位后确定故障线路，故障线路上的两个负荷开关分别接收分闸指令，并根据分闸指令进行分闸，控制故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流分别下降至各自连接的非故障线路的电流，由于全桥型模块化多电平换流器的出口电流为故障线路上的电流与非故障线路上的电流之和，当全桥型模块化多电平换流器的出口电流下降至非故障线路上的电流时，故障线路上的电流接近于0，当故障线路上的任何一个负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时，断开负荷开关，故障线路被隔离，全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至全桥型模块化多电平换流器正常工作时的电流。本发明在直流线路发生故障后控制故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流分别下降至各自连接的非故障线路的电流，非故障线路的电流仍存在，不受影响，而故障线路上的电流接近于0，因此对负荷开关的开断容量及动作速度要求不高，仅依靠较小遮断容量的负荷开关就能实现不停电切除故障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的四端环形柔性直流配电系统拓扑结构图；
图2为本发明提供的全桥型模块化多电平换流器的拓扑结构图；
图3为本发明提供的一种柔性直流配电网故障隔离方法的流程图；
图4为本发明提供的一种柔性直流配电网故障隔离方法的原理图；
图5为本发明提供的故障线路电流控制策略示意图；
图6为本发明实施例提供的换流器出口电流的示意图；
图7为本发明实施例提供的全桥型模块化多电平换流器采取故障线路电流控制策略时各线路的电流示意图：图7(a)为直流线路L1的电流示意图，图7(b)直流线路L2的电流示意图，图7(c)直流线路L3的电流示意图，图7(d)直流线路L4的电流示意图；
图8为本发明实施例提供的负荷开关在不同场景下需要开断的故障电流水平；
图9为本发明实施例提供的四端手拉手型柔性直流配电系统拓扑结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法，使得直流配电网仍有一定功率传输的同时，以较低的成本断开故障线路，实现故障隔离。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种柔性直流配电网故障隔离装置，如图1所示，装置包括：故障定位装置、多个全桥型模块化多电平换流器(full bridge modular multilevel converter，FBMMC)和多个负荷开关组。
多个全桥型模块化多电平换流器(图1中的MMC1-MMC4)分别一一对应地设置在柔性直流配电网的多个输入端，多个全桥型模块化多电平换流器用于将交流电转换为直流电。
多个负荷开关组分别一一对应地设置在柔性直流配电网中的多条直流线路上，每条直流线路连接两个全桥型模块化多电平换流器。每个负荷开关组包括两个负荷开关，每个负荷开关(图1中的S12、S21、S14、S41、S43、S34、S23、S32)串联在靠近全桥型模块化多电平换流器的直流线路的一端。
负荷开关的控制端与故障定位装置连接，故障定位装置用于定位故障点，并在定位故障点之后向负荷开关发送分闸信号。负荷开关用于在直流线路发生故障后根据分闸信号进行分闸，并当流过负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时进行断开，隔离发生故障的直流线路。
如图2所示，全桥型模块化多电平换流器为三相变流器，全桥型模块化多电平换流器包括六个桥臂。每个桥臂包括多个依次串联的全桥子模块。全桥子模块如图2中的FBSM。
全桥子模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电容C。第一开关管的集电极与第二开关管的发射极连接，第一开关管的发射极与电容C的一端连接，第二开关管的集电极与电容C的另一端连接。第三开关管的集电极与第四开关管的发射极连接，第三开关管的发射极与电容C的一端连接，第四开关管的集电极与电容C的另一端连接。
装置还包括：多个电流互感器组。多个电流互感器组的一次侧绕组分别一一对应地串联在柔性直流配电网中的多条直流线路上。每个电流互感器组包括两个电流互感器，两个电流互感器的一次侧绕组分别一一对应地串联在直流线路两端的负荷开关的电流输出端。多个电流互感器组的二次侧绕组与故障定位装置连接，电流互感器用于检测电流互感器所在的直流电路一端处负荷开关的输出电流，并将负荷开关的输出电流传输至故障定位装置，实现对负荷开关的输出电流的实时监测。
在图2中，每个桥臂还包括桥臂电感Larm。交流电的每一相通过电感LT与全桥型模块化多电平换流器连接，且连接处的电流为iaca、iacb和iacc。电流ina、inb和inc为全桥型模块化多电平换流器的输入电流，电流iua、iub和iuc为全桥型模块化多电平换流器的输入电流。图2中位于连接处上方的桥臂的电压为Udc2，位于连接处下方的桥臂的电压为-Udc2。Idc为全桥型模块化多电平换流器的出口电流。
全桥子模块具有反向投入的能力，当全桥子模块反向投入时，子模块电压为负。通过反向投入全桥子模块，可以主动调整桥臂电压(图2中uuj、ulj(j＝a,b,c))的大小，进而改变换流器出口与故障点之间的电压差，最终实现换流器出口直流电流的控制。在这种方式下，换流器出口电流的大小和方向由控制的目标值决定。
本发明还提供了一种柔性直流配电网故障隔离方法，如图3-4所示，方法包括：
S101，确定发生故障的直流线路，作为故障线路，并将与故障线路连接同一个全桥型模块化多电平换流器的另一条直流线路确定为非故障线路。
S102，故障线路上的两个负荷开关分别接收分闸指令，并根据分闸指令进行分闸。
S103，控制故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流分别下降至各自连接的非故障线路的电流，实现故障线路的电流的降低。全桥型模块化多电平换流器的出口电流为故障线路的电流与非故障线路的电流之和。
S104，分别获取故障线路上的流过两个负荷开关的故障电流，当故障线路上的任何一个负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时，断开负荷开关。
S105，控制故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至全桥型模块化多电平换流器正常工作时的电流。
具体过程如下：
步骤S101，之前还包括：
柔性直流配电网发生故障后，反向投入柔性直流配电网中所有全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流等于各自的额定电流值。
步骤S102，故障成功定位后，故障线路两端负荷开关接收到跳闸信号。
步骤S103，故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器切换为故障线路电流控制策略。故障线路电流控制策略为反向投入故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使故障线路两端的每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流等于各自连接的非故障线路的电流。
图5为本发明提供的故障线路电流控制策略示意图，当故障点位于F1处时，故障线路L1的电流I12、全桥型模块化多电平换流器MMC1的出口电流I及非故障线路L4的电流I14满足关系：
I12＝I-I14
在故障线路隔离时，为了实现负荷开关S12的断开，可将全桥型模块化多电平换流器MMC1的出口电流I的控制目标值取为I14，此时S12上流过的电流I12降为0。同理，负荷开关S21上流过的电流在MMC2换流器的控制下也降为0。在此情况下，仅需较小遮断容量的负荷开关即可实现故障线路的隔离。这一过程中，非故障线路电流I14不受控制影响。
本发明提供的故障线路电流控制策略，不需要额外增加设备，仅需对现有换流器内部的算法加以改进，实现简单便捷，实用性较强。算法改进后，换流器反向投入子模块的个数不再以额定电流为参考，而改为以非故障线路电流大小为控制目标，通过将非故障线路电流引入换流站内部，实现故障线路电流的清除。
步骤S104，当故障线路上的任何一个负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时，断开负荷开关。负荷开关电流开断范围为接近于0的一个范围，即，当故障电流降低到接近于0时，负荷开关动作。由于故障线路短路电流能够被换流器限制到接近于0，对负荷开关的开断容量及动作速度要求不高，实际工程中能够开断负荷电流的开关即能满足要求。
如图4所示，步骤S104之后还包括：
获取柔性直流配电网在断开负荷开关之后的电压。
当断开负荷开关之后的电压等于断开负荷开关之前的电压时，输出分闸失败信号。
步骤S105，故障隔离后，换流站切换为正常运行控制策略，电网恢复正常运行。正常运行控制策略为正向投入故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使故障线路两端的每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至各自正常工作时的电流。
由于在步骤S101之前，柔性直流配电网发生故障后，反向投入柔性直流配电网中所有全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，因此，在故障线路被隔离后，还需要正向投入柔性直流配电网中所有全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使所有换流站切换为正常运行控制策略。
本发明基于换流器故障电流控制与负荷开关相互配合的柔直配网故障隔离方法，提出了一种换流器的故障线路电流控制策略，能够在不影响非故障线路电流的情况下抑制故障线路电流，进而利用具有较小遮断容量的直流负荷开关断开故障线路，不需要安装直流断路器，大大提高了直流配电网的经济性。本发明利用了全桥子模块多电平换流器控制灵活的优势，在保护定位故障线路后，通过调整故障线路两端换流器的控制策略，故障线路上的电流能够被直接控制，最终在非故障线路不停电的情况下利用较小遮断容量的直流负荷开关隔离故障线路。该方法能够通过换流器直接控制故障线路上流过的电流，不会影响非故障线路的电流水平；故障隔离过程中，非故障线路的电流仍可保持，供电可靠性较高；故障线路电流控制策略简单，仅需要做算法上的修改，无需安装额外设备；利用全桥换流器故障控制策略，系统中仅需要配置较小遮断容量的负荷开关，无需安装直流断路器，经济性好；该方案能够适用于环形、辐射形以及手拉手形等多种拓扑结构的柔性直流配电网。
根据图1，本发明提供了柔性直流配电网故障隔离方法的具体实施例。
(1)定义全桥子模块柔性直流配电系统
四端直流配电网如图1所示，交流系统和直流系统之间由全桥MMC连接。S12,S21,S23,S32,S34,S43,S41,S14为网络中配置的负荷开关。定义F1为网络中的故障位置。
(2)换流器切换到故障线路电流控制策略：故障发生后，换流器首先限制其出口电流为额定值。当保护定位故障位于线路L1上F1处时，向负荷开关S12及S21发送跳闸命令。S12及S21接收到跳闸命令后，故障线路两端换流器MMC1及MMC2切换为故障线路电流控制策略。其具体原理如下：
通过将图2中全桥型子模块反向投入，可以实现换流器出口直流电流的控制，且其大小和方向由换流器控制的目标值决定。当需要隔离故障线路时，以图1中MMC1为例，其母线Bus1处电流关系如图5所示。当故障点位于F1处时，故障线路电流I12、换流器出口电流I及非故障线路电流I14满足关系：
I12＝I-I14
在故障线路隔离时，为了实现负荷开关S12的断开，可将换流器出口电流I的控制目标值取为I14，此时S12上流过的电流I12降为0。同理，负荷开关S21上流过的电流在MMC2换流器的控制下也降为0。在此情况下，仅需较小遮断容量的负荷开关即可实现故障线路的隔离。这一过程中，非故障线路电流I14不受控制影响。
(3)当负荷开关S12及S21上流过的电流降低至接近于0时，负荷开关S12及S21断开，换流站切换到正常运行控制策略。
取故障时刻t＝0，换流器控制策略切换时间为0.5ms，负荷开关在5ms时接收到跳闸信号，设负荷开关动作时间为3ms。图6为换流器出口的电流情况，从中可以看出，故障发生0.5ms后换流器输出的短路电流在其控制下逐渐下降，并稳定在额定值附近；t＝5ms负荷开关接收到跳闸信号时，故障线路L1两端换流器切换为故障线路电流控制；t＝5.5ms时，负荷开关S12上流过的电流iS12及S21上流过的电流iS21开始降低，如图7(a)所示，非故障线路L2的电流iS23和iS32、L3的电流iS34和iS43、L4的电流iS14和iS41仍保持在额定值附近，如图7(b)、7(c)、7(d)所示；图7(a)-7(d)的横坐标t表示时间。S12及S21在t＝8.5ms动作，此时故障线路电流已接近于0；开关动作后经0.5ms换流器切换为正常运行控制策略，直流配电网恢复正常运行。
图8展示了负荷开关在断开过程故障电流水平，可以看出尽管换流器能够限制其出口电流，但若直接隔离故障，负荷开关仍需要开断2倍额定值的故障电流，而本发明中负荷开关仅需开断几乎为0的故障电流。通过本发明与负荷开关直接断开两种情况下的对比，证明了本发明能够可靠降低对负荷开关容量的要求。
本发明能够应用在其他具有限流控制能力的换流器(如，全桥子模块和半桥子模块组成的混合型换流器)组成的直流配电网中。对于图9所示的四端手拉手形拓扑，具体技术原理、实施方案以及仿真结果与上述分析相同，本发明所陈述的保护原理依然适用。
仿真结果可以看出，本发明所提出的基于换流器故障电流控制与负荷开关相互配合的柔直配网故障隔离方法，通过换流器的故障线路电流控制策略，能够在不影响非故障线路电流的情况下减小故障线路电流，有效降低了直流负荷开关的开断容量，大大提高了直流配电网的经济性。
本发明使得直流配电网仍有一定功率传输的同时，以较低的成本断开故障线路，实现故障隔离。同时，能够充分利用换流器的控制优势，保证换流站不闭锁穿越故障，并在故障切除后迅速恢复到正常运行状态。并且在各种不同拓扑、不同负荷类型的柔性直流配电网中都有一定的应用价值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种柔性直流配电网故障隔离装置，其特征在于，所述装置包括：故障定位装置、多个全桥型模块化多电平换流器和多个负荷开关组；
多个所述全桥型模块化多电平换流器分别一一对应地设置在柔性直流配电网的多个输入端，多个所述全桥型模块化多电平换流器用于将交流电转换为直流电；
多个所述负荷开关组分别一一对应地设置在所述柔性直流配电网中的多条直流线路上，每条直流线路连接两个全桥型模块化多电平换流器；每个负荷开关组包括两个负荷开关，每个所述负荷开关串联在靠近全桥型模块化多电平换流器的直流线路的一端；
所述负荷开关的控制端与所述故障定位装置连接，所述故障定位装置用于定位故障点，并在定位故障点之后向所述负荷开关发送分闸信号；所述负荷开关用于在直流线路发生故障后根据所述分闸信号进行分闸，并当流过所述负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时进行断开，隔离发生故障的直流线路；
柔性直流配电网发生故障后，反向投入柔性直流配电网中所有全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块；所述故障定位装置故障成功定位后，故障线路两端负荷开关接收到跳闸信号；故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器切换为故障线路电流控制策略，故障线路电流控制策略为反向投入故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使故障线路两端的每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流等于各自连接的非故障线路的电流；当故障线路上的任何一个负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时，断开负荷开关；故障隔离后，换流站切换为正常运行控制策略，电网恢复正常运行，正常运行控制策略为正向投入故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使故障线路两端的每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至各自正常工作时的电流。
2.根据权利要求1所述的柔性直流配电网故障隔离装置，其特征在于，所述全桥型模块化多电平换流器为三相变流器；
所述全桥型模块化多电平换流器包括六个桥臂；每个桥臂包括多个依次串联的全桥子模块。
3.根据权利要求2所述的柔性直流配电网故障隔离装置，其特征在于，所述全桥子模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电容；
所述第一开关管的集电极与所述第二开关管的发射极连接，所述第一开关管的发射极与所述电容的一端连接，所述第二开关管的集电极与所述电容的另一端连接；
所述第三开关管的集电极与所述第四开关管的发射极连接，所述第三开关管的发射极与所述电容的一端连接，所述第四开关管的集电极与所述电容的另一端连接。
4.根据权利要求1所述的柔性直流配电网故障隔离装置，其特征在于，所述装置还包括：多个电流互感器组；
多个所述电流互感器组的一次侧绕组分别一一对应地串联在所述柔性直流配电网中的多条直流线路上；每个电流互感器组包括两个电流互感器，两个所述电流互感器的一次侧绕组分别一一对应地串联在直流线路两端的负荷开关的电流输出端；
多个所述电流互感器组的二次侧绕组与所述故障定位装置连接，所述电流互感器用于检测所述电流互感器所在的直流电路一端处负荷开关的输出电流，并将负荷开关的输出电流传输至所述故障定位装置，实现对负荷开关的输出电流的实时监测。
5.一种柔性直流配电网故障隔离方法，其特征在于，所述方法包括：
确定发生故障的直流线路，作为故障线路，并将与所述故障线路连接同一个全桥型模块化多电平换流器的另一条直流线路确定为非故障线路；
所述故障线路上的两个负荷开关分别接收分闸指令，并根据分闸指令进行分闸；
控制所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流分别下降至各自连接的非故障线路的电流，实现故障线路的电流的降低；全桥型模块化多电平换流器的出口电流为故障线路的电流与非故障线路的电流之和；
分别获取所述故障线路上的流过两个负荷开关的故障电流，当所述故障线路上的任何一个负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时，断开所述负荷开关；
控制所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至全桥型模块化多电平换流器正常工作时的电流。
6.根据权利要求5所述的柔性直流配电网故障隔离方法，其特征在于，所述确定发生故障的直流线路，作为故障线路，并将与所述故障线路连接同一个全桥型模块化多电平换流器的另一条直流线路确定为非故障线路，之前还包括：
柔性直流配电网发生故障后，反向投入柔性直流配电网中所有全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流等于各自的额定电流值。
7.根据权利要求5所述的柔性直流配电网故障隔离方法，其特征在于，所述控制所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流分别下降至各自连接的非故障线路的电流，具体包括：
反向投入所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使所述故障线路两端的每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流等于各自连接的非故障线路的电流。
8.根据权利要求5所述的柔性直流配电网故障隔离方法，其特征在于，所述分别获取所述故障线路上的流过两个负荷开关的故障电流，当所述故障线路上的任何一个负荷开关的故障电流降低到负荷开关电流开断范围内时，断开所述负荷开关，之后还包括：
获取柔性直流配电网在断开所述负荷开关之后的电压；
当断开所述负荷开关之后的电压等于断开所述负荷开关之前的电压时，输出分闸失败信号。
9.根据权利要求5所述的柔性直流配电网故障隔离方法，其特征在于，所述控制所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至全桥型模块化多电平换流器正常工作时的电流，具体包括：
正向投入所述故障线路两端的全桥型模块化多电平换流器的桥臂中的全桥子模块，使所述故障线路两端的每个全桥型模块化多电平换流器的出口电流恢复至各自正常工作时的电流。
CN202011470510.7A 2020-12-14 2020-12-14 一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法 Active CN112701714B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011470510.7A CN112701714B (zh) 2020-12-14 2020-12-14 一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011470510.7A CN112701714B (zh) 2020-12-14 2020-12-14 一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112701714A CN112701714A (zh) 2021-04-23
CN112701714B true CN112701714B (zh) 2022-11-08

Family

ID=75507955

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011470510.7A Active CN112701714B (zh) 2020-12-14 2020-12-14 一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112701714B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113991623B (zh) * 2021-11-18 2024-01-16 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 柔性多端直流输电系统及其直流故障穿越方法、控制装置
CN114552625B (zh) * 2022-04-26 2022-07-19 华北电力大学（保定） 一种mmc-mtdc系统直流短路故障的混合穿越方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106451516B (zh) * 2016-08-27 2020-04-10 许继集团有限公司 一种混合多端高压直流输电系统的直流故障穿越方法
CN109245582A (zh) * 2018-10-24 2019-01-18 南方电网科学研究院有限责任公司 混合模块化多电平换流器的直流短路故障电流清除方法
CN110672972B (zh) * 2019-09-09 2021-05-04 华北电力大学 一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法
CN110912089B (zh) * 2019-11-26 2020-11-06 华北电力大学 基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法
CN111884196A (zh) * 2020-08-04 2020-11-03 国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司 一种柔性直流配电线路故障后供电恢复的方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN112701714A (zh) 2021-04-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2786479B1 (en) Power converter
Tang et al. Locating and isolating DC faults in multi-terminal DC systems
CN106655237B (zh) 多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法
CN103633623B (zh) 高压直流变压器及其控制方法
KR20190107173A (ko) 플렉시블 dc 컨버터 스테이션 내 고장에 대한 스위치 배치 및 고장 제거 방법
CN111327216B (zh) 一种电阻型子模块混合mmc及其直流故障处理策略
CN111224569B (zh) 一种低全桥比例子模块混合型mmc及其直流故障处理策略
CN112701714B (zh) 一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法
CN105048488A (zh) 一种柔性直流网络直流短路故障穿越方法
CN110739668B (zh) 一种柔性直流电网短路故障性质判别方法及重合闸方法
CN112383229A (zh) 多端口电力电子变压器拓扑结构及其交直流微电网系统
Xu et al. Modular multilevel converter with embedded energy storage for bidirectional fault isolation
Hu et al. Intelligent DC-DC converter based substations enable breakerless MVDC grids
Yan et al. Optimized protection strategies for HVDC grid with fault-blocking modular multilevel converters for overhead line applications
CN213585598U (zh) 多端口电力电子变压器拓扑结构及其交直流微电网系统
CN110649565B (zh) 一种高铁再生制动能量回馈系统的保护方法
US20230155473A1 (en) Converter and method of operating a converter
CN116599350A (zh) 一种高压直流变压器
CN110165641B (zh) 柔性直流输电系统中直流断路器的重合方法
CN115051335A (zh) 一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置方法和系统
Marquardt et al. Fault management in meshed MVDC grids enabling uninterrupted operation
CN103545787A (zh) 统一电能质量控制器的保护系统及其保护控制方法
CN113595040A (zh) 一种基于控保协同的环形直流微网单端电流式测距方法
Enomoto et al. Continuous operation of wind power plants under pole-to-ground fault in an hvdc system consisting of half-bridge mmcs and disconnecting switches
CN203674688U (zh) 统一电能质量控制器的保护系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant