CN112952777A - 基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统及控制方法，将故障限流器设置于混合级联型直流受端高端LCC直流出口和对应混合级联型直流受端低端MMC的直流入口之间；LCC发生换相失败故障后，故障限流器控制系统检测到MMC直流电流达到故障限流器启动判据电流，将限流电阻投入，抑制直流故障电流，避免MMC阀组闭锁；受端低端MMC发生单极接地故障时，故障限流器借助自身拓扑阻断正常MMC和故障MMC向故障点的放电回路，保护MMC阀组。本发明通过简单的控制实现受端高端LCC换相失败故障的穿越，且恢复过程良好，不需要任何控制受端即可实现受端低端MMC单极接地故障的穿越，且故障限流器未采用全控型器件，同时规避了大容量直流断路器的研制问题。

Description

基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统及控制方法

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，具体为基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统及控制方法。

背景技术

送端采用LCC，受端采用高端LCC与低端半桥MMC并联组(MMCB)直接串联的混合级联型直流输电系统结合了LCC与MMC各自优势，且天然具有穿越直流线路故障能力，此外，受端低端MMCB可为高端LCC提供一定的无功支撑，降低LCC发生换相失败风险。

晶闸管阀组具有十倍过流裕度，然而MMC采用的全控型器件IGBT较为脆弱，仅可耐受两倍额定电流的过流。受端高端LCC发生换相失败故障时，直流故障电流迅速增大，一旦超过IGBT两倍过流限制，保护系统将闭锁MMC阀组，混合级联型直流将出现功率传输中断，不利于电网的安全稳定运行；MMC直流侧单极接地故障发生时，由于半桥MMC不具备直流故障穿越能力，故障MMC和正常MMC的子模块电容均向故障点放电，对MMC阀组造成严重危害。

针对LCC换相失败故障，现有研究多集中在LCC换相失败故障的判别和预防，未见有关混合级联型直流LCC换相失败危及MMC阀组正常运行相关解决办法的报道；针对半桥MMC无法穿越直流故障的问题，现有研究(张东寅,范志华,许汉平,等.LCC与FH-MMC混合直流输电系统直流单极接地故障穿越控制策略[J].高电压技术,2020,46(06):2072-2080.)通过使用全桥型MMC在直流故障时输出负电压实现故障穿越，但全桥型MMC大大增加了系统成本；(魏晓光,杨兵建,汤广福.高压直流断路器技术发展与工程实践[J].电网技术,2017,41(10):3180-3188.)针对于直流电网，通过直流断路器切除故障MMC，实现直流故障隔离，维持系统健全部分供电持续性，但不适用于混合级联型直流。因此，混合级联型直流尚无穿越LCC换相失败故障及MMC直流单极接地故障的有效方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越方法，以克服目前混合级联型直流受端LCC换相失败故障和MMC单极接地故障穿越能力不足的问题。技术方案如下：

一种基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统，包括多个故障限流器及其控制器，各故障限流器设置于混合级联型直流受端高端LCC直流出口和对应混合级联型直流受端低端MMC的直流入口之间；

当混合级联型直流受端高端LCC发生换相失败故障时，故障限流器控制器检测MMC直流电流达到故障限流器启动判据电流I_set时，将限流电阻投入，抑制直流故障电流，以避免MMC阀组闭锁；

当某个混合级联型直流受端低端MMC发生单极接地故障时，故障限流器借助自身拓扑阻断正常MMC和该故障MMC向故障点的放电回路，以保护MMC阀组。

进一步的，所述故障限流器包括晶闸管阀V₁、V₂、V₃、V₄，二极管阀D₂、D₃、D₄，限流电阻R₁、R₂、R₃，电容C和断路器S₁；二级管阀D₃阴极连接于连接点1，阳极连接于断路器S₁的一端，断路器S₁的另一端连接于连接点3；晶闸管阀V₃阳极连接于连接点1，阴极连接于连接点3；限流电阻R₁的一端连接于连接点1，另一端连接于晶闸管阀V₁阳极，晶闸管阀V₁阴极连接于连接点6；电容C的初始电压U_c负方向连接于连接点3，正方向连接于连接点6；晶闸管阀V₄阳极与二极管阀D₄阴极共同连接于连接点3，晶闸管阀V₄阴极与二极管阀D₄阳极共同连接于连接点4；二极管阀D₂阳极连接于限流电阻R₃的一端，限流电阻R₃的另一端和晶闸管阀V₂的阴极同时连接于连接点4；二极管阀D₂阴极和晶闸管阀V₂的阳极共同连接于限流电阻R₂的一端，限流电阻R₂的另一端接于连接点6；所述连接点1连接到混合级联型直流受端高端LCC直流出口，所述连接点4连接到MMC主电路直流入口。

更进一步的，所述故障限流器启动判据电流I_set取值小于MMC阀组的两倍过流裕度，即

I_set＜2I_mmcN；

其中，I_mmcN为单个MMC额定直流电流。

更进一步的，所述电容C的电容值和初始电压满足：

其中，U_c为电容C初始电压，Δt为晶闸管关断时间；I_mmcN为单个MMC额定直流电流；R₂为限流电阻R₂的阻值；C为电容C的电容值；

限流电阻R₁满足：

其中，ΔU为LCC直通后定直流电压站MMC与整流侧直流电压差。

一种基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统的控制方法，包括：

S1：混合级联型直流系统启动时，首先闭合断路器S₁，持续为晶闸管阀V₃、V₄施加触发信号；

S2：系统进入稳态运行后，MMC直流电流全部流经晶闸管阀V₃、V₄所在支路，待流过断路器S₁的电流降到0时，打开断路器S₁；

S3：受端高端LCC换相失败故障发生后，当故障限流器控制器检测到MMC直流线路电流达到故障限流器启动判据电流I_set时，立即给晶闸管阀V₁、V₂施加触发信号；

S4：待故障切除后，故障限流器控制器给晶闸管阀V₃、V₄施加触发信号

本发明的有益效果是：

1)本发明可实现混合级联型直流受端高端LCC换相失败故障穿越，防止直流故障过电流导致的低端MMC阀组闭锁，且控制简单，恢复过程良好；

2)本发明可实现混合级联型直流受端低端MMC单极接地故障穿越，无需任何控制手段，仅通过故障限流器自身拓扑阻断子模块电容放电回路，维持子模块电容储能，有助于故障后系统快速恢复；

3)本发明所提故障限流器主要采用晶闸管阀和限流电阻，经济性强，且规避了高速、大容量直流断路器研制问题和限流电感易造成的直流小扰动问题。

附图说明

图1为本发明所提故障限流器(FCL)拓扑图。

图2为本发明故障限流器在混合级联型直流受端安装位置示意图。

图3为本发明控制流程图。

图4为本发明不含故障限流器受端高端LCC换相失败故障下MMC直流电流波形图。

图5为本发明含故障限流器受端高端LCC换相失败故障下MMC直流电流波形图。

图6为本发明不含故障限流器受端低端MMC单极接地故障下MMC直流电流波形图。

图7为本发明含故障限流器受端低端MMC单极接地故障下MMC直流电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统，包括多个故障限流器及其控制器，各故障限流器设置于混合级联型直流受端高端LCC直流出口和对应混合级联型直流受端低端MMC的直流入口之间。

当混合级联型直流受端高端LCC发生换相失败故障时，故障限流器控制器检测MMC直流电流达到故障限流器启动判据电流I_set时，将限流电阻投入，抑制直流故障电流，以避免MMC阀组闭锁。

当某个混合级联型直流受端低端MMC发生单极接地故障时，故障限流器借助自身拓扑阻断正常MMC和该故障MMC向故障点的放电回路，以保护MMC阀组。

图1为故障限流器(FCL)拓扑图，具体包括晶闸管阀V₁、V₂、V₃、V₄，二极管阀D₂、D₃、D₄，限流电阻R₁、R₂、R₃，电容C和断路器S₁；二级管阀D₃阴极连接于连接点1，二级管阀D₃阳极与断路器S₁一端连接于连接点2，断路器S₁另一端连接于连接点3；晶闸管阀V₃阳极连接于连接点1，阴极连接于连接点3；限流电阻R₁一端与晶闸管阀V₁阳极相连于连接点5，限流电阻R₁另一端连接于连接点1，晶闸管阀V₁阴极连接于连接点6；电容C连接于连接点3和6之间，其初始电压U_c正方向为连接点6为正，连接点3为负；晶闸管阀V₄与二极管阀D₄反并联连接，晶闸管阀V₄阳极与二极管阀D₄阴极共同接于连接点3，晶闸管阀V₄阴极与二极管阀D₄阳极共同接于连接点4；二极管阀D₂阳极与限流电阻R₃一端接于连接点8，二极管阀D₂阴极接于连接点7，限流电阻R₃另一端接于连接点4；限流电阻R₂两端分别接于连接点6和7；晶闸管阀V₂阳极接于连接点7，阴极接于连接点4。IN和OUT是故障限流器与MMC主电路相连接的两个外端子。

所述电容C的电容值和初始电压满足：

其中，U_c为电容C初始电压，Δt为晶闸管关断时间；I_mmcN为单个MMC额定直流电流；R₂为限流电阻R₂的阻值；C为电容C的电容值；

限流电阻R₁满足：

其中，ΔU为LCC直通后定直流电压站MMC与整流侧直流电压差。

混合级联型直流(以正极为例，同样适用于负极)送端采用双十二脉动LCC换流器，受端采用高端十二脉动LCC换流器与低端三个并联MMC直接串联的结构，其中高端十二脉动LCC和低端MMC组各承担400kV直流电压；低端MMC组采用单点主从控制模式，即由一个MMC控制直流电压，另外两个MMC控制有功功率。混合级联型直流单极传输容量为4000MW/±800kV，由P_dc＝U_dc*I_dc可得，混合级联型直流单极额定直流电流为5kA。由于受端LCC与MMC的串联结构，可认为单个MMC额定直流电流为1.67kA。

故障限流器IN端与与受端高端LCC直流出口相连接，OUT端与各MMC直流入口相连接，如图2所示。

故障限流器控制流程图如图3所示，在混合级联型直流系统启动时，首先闭合S₁，持续为V₃、V₄施加触发信号，D₃和S₁所在支路的作用是与D₄配合，为系统启动阶段出现的由OUT端流向IN端的电流提供通路；系统进入稳态运行后，MMC直流电流全部流经V₃、V₄所在支路，待流过断路器S₁电流降到0时，打开S₁。

受端高端LCC换相失败故障发生后，LCC相当于短路直通，在送端800kV电压和受端MMC组400kV电压作用下感应出直流过电流，各MMC直流过流情况如图4所示，黑色直流所示为两倍MMC直流额定电流限值。

当检测到MMC直流线路电流达到启动判据电流I_set，故障限流器控制器立即给V₁、V₂施加触发信号。故障限流器启动判据电流I_set取值应小于MMC阀组的两倍过流裕度，即I_set＜2I_mmcN；考虑到通信、控制器响应等造成的延迟，实际可取I_set为1.5倍单个MMC额定直流电流。

V₁、V₂接受到触发信号后，V₂由于一直承受来自电容C的反向电压而立即导通，电容C经过R₂、V₂、D₄构成放电回路而迅速放电，限流电阻R₂限制电容放电电流大小，防止放电电流过大对器件造成破坏，放电电流使流过V₄的电流降低到0；MMC直流线路电流通过V₃、C、R₂、V₂构成通路为电容C反向充电，电容C电压变为负值后，V₁开始承受正向电压而导通，限流电阻R₁接入并限制直流故障电流；MMC直流线路电流全部转移至R₁、V₁、R₂、V₂所在支路。

故障限流器不应长时间运行于限流电阻R₁接入的限流状态，否则会产生大量损耗并造成严重的发热问题。待LCC换相失败故障切除后，故障限流器控制器给V₃、V₄施加触发信号，V₄由于承受电容C反向充电后电压而立即导通，电容C经过V₄、R₃、D₂、R₂构成放电回路而迅速放电，限流电阻R₃与R₂共同限制电容放电电流大小，放电电流使流经V₂电流降低到0；MMC直流线路电流通过R₁、V₁、C、V₄构成通路为电容C正向充电，电容C电压变为正值后，V₃开始承受正向电压而导通；MMC直流线路电流重新转移回V₃、V₄所在支路；混合级联型直流恢复到正常运行状态，完成对受端高端LCC换相失败故障的穿越。含故障限流器情况下LCC换相失败故障引起的MMC直流电流波形如图5所示。可见，MMC直流电流在故障器件均被抑制到两倍额定电流限值以下，避免MMC阀组闭锁造成的功率缺失，实现故障穿越。

MMC直流单极接地故障发生后，由于直流故障回路阻尼极小，故障电流上升率可达几十kA/s，如图6所示，远超MMC阀组两倍过流限值，严重威胁器件安全。含故障限流器情况下，无需任何控制手段，MMC子模块电容向故障点的放电回路被故障限流器整体表现出的由IN端到OUT端的单向导通特性阻断，如图7所示，故障电流在故障瞬间跌落至0，实现对MMC阀组的保护。混合级联型直流可通过合闸MMC旁路开关，整流侧单个十二脉动LCC在线退出，进入单极1/2运行状态，维持一定的功率传输。

Claims (5)

1.一种基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统，其特征在于，包括多个故障限流器及其控制器，各故障限流器设置于混合级联型直流受端高端LCC直流出口和对应混合级联型直流受端低端MMC的直流入口之间；

当混合级联型直流受端高端LCC发生换相失败故障时，故障限流器控制器检测MMC直流电流达到故障限流器启动判据电流I_set时，将限流电阻投入，抑制直流故障电流，以避免MMC阀组闭锁；

当某个混合级联型直流受端低端MMC发生单极接地故障时，故障限流器借助自身拓扑阻断正常MMC和该故障MMC向故障点的放电回路，以保护MMC阀组。

2.根据权利要求1所述的基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统，其特征在于，所述故障限流器包括晶闸管阀V₁、V₂、V₃、V₄，二极管阀D₂、D₃、D₄，限流电阻R₁、R₂、R₃，电容C和断路器S₁；二级管阀D₃阴极连接于连接点1，阳极连接于断路器S₁的一端，断路器S₁的另一端连接于连接点3；晶闸管阀V₃阳极连接于连接点1，阴极连接于连接点3；限流电阻R₁的一端连接于连接点1，另一端连接于晶闸管阀V₁阳极，晶闸管阀V₁阴极连接于连接点6；电容C的初始电压U_c负方向连接于连接点3，正方向连接于连接点6；晶闸管阀V₄阳极与二极管阀D₄阴极共同连接于连接点3，晶闸管阀V₄阴极与二极管阀D₄阳极共同连接于连接点4；二极管阀D₂阳极连接于限流电阻R₃的一端，限流电阻R₃的另一端和晶闸管阀V₂的阴极同时连接于连接点4；二极管阀D₂阴极和晶闸管阀V₂的阳极共同连接于限流电阻R₂的一端，限流电阻R₂的另一端接于连接点6；所述连接点1连接到混合级联型直流受端高端LCC直流出口，所述连接点4连接到MMC主电路直流入口。

3.根据权利要求1所述的基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统，其特征在于，所述故障限流器启动判据电流I_set取值小于MMC阀组的两倍过流裕度，即

I_set＜2I_mmcN；

其中，I_mmcN为单个MMC额定直流电流。

4.根据权利要求2所述的基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统，其特征在于，所述电容C的电容值和初始电压满足：

其中，U_c为电容C初始电压，Δt为晶闸管关断时间；I_mmcN为单个MMC额定直流电流；R₂为限流电阻R₂的阻值；C为电容C的电容值；

限流电阻R₁满足：

其中，ΔU为LCC直通后定直流电压站MMC与整流侧直流电压差。

5.一种基于权利要求2所述基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统的控制方法，其特征在于，包括：

S1：混合级联型直流系统启动时，首先闭合断路器S₁，持续为晶闸管阀V₃、V₄施加触发信号；

S2：系统进入稳态运行后，MMC直流电流全部流经晶闸管阀V₃、V₄所在支路，待流过断路器S₁的电流降到0时，打开断路器S₁；

S3：受端高端LCC换相失败故障发生后，当故障限流器控制器检测到MMC直流线路电流达到故障限流器启动判据电流I_set时，立即给晶闸管阀V₁、V₂施加触发信号；

S4：待故障切除后，故障限流器控制器给晶闸管阀V₃、V₄施加触发信号。

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