CN114498576B - 一种基于mmc的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于MMC的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法，属于牵引供电技术领域，该变电所包括降压牵引变压器、供电模式切换断路器QF1和QF2、三相‑单相MMC变流器、新能源发电系统以及连接变换器。本发明将模块化多电平变换器(MMC)应用于牵引供电系统，完全控制输出电压的幅值相位，取消电分相，实现牵引供电的贯通，并能够利用新能源，节约资源、节省电费。同时该保护配置方法根据柔性牵引变电所各个设备及线路可能出现的故障及故障特点，采用多级故障定位策略，及时判断故障发生点，并针对其配置适用的保护方法，能够保证柔性牵引变电所各个设备及线路故障时的快速可靠切除，实现柔性牵引变电所的安全可靠运行。

Description

一种基于MMC的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法
技术领域
本发明属于牵引供电技术领域，尤其涉及一种基于MMC的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法。
背景技术
目前，国内外的电气化铁路中广泛采用三相-两相供电模式，变电所从三相电网取电经过牵引变压器降压后分两供电臂输出，为牵引网供电。但是由于两供电臂间、变电所之间电压相位、幅值和频率难以一致，两供电臂间、各变电所间必须设置电分相，以防止不同相位的电压连接形成环流甚至短路。电分相的存在严重影响了新一代列车的提速以及载荷能力的提升。一方面，列车在经过电分相时，需要进行减速；另一方面，一些既有牵引供电系统在电分相处设置自动过分相，其结构较为复杂，可靠性较低，是牵引供电系统的薄弱环节与事故多发点。
电气化铁路的牵引负荷为单相交流负荷，会通过牵引变电所向三相电网注入负序电流，使牵引供电系统三相严重不平衡，同时，还存在无功、谐波等问题。负序电流会给供用电设备带来一系列危害，如变压器产生能量损失，在铁心磁路中造成附加发热，降低变压器寿命；在输电线中造成能量损失，降低线路输送能力。无功功率的产生会增大设备容量，还会使得电网电压剧烈波动，增加设备及线路损耗。谐波电流可能引发牵引供电系统谐波谐振威胁电气设备安全，还会对仪表测量精度和正常通信造成影响。
因此如何解决牵引供电系统的电能质量问题，减少甚至取消电分相装置是当前牵引供电系统研究的热点问题。以模块化多电平变换器(MMC)为核心设备的贯通柔性牵引变电所可以取消电分相，实现贯通供电，负序、无功、谐波等问题也可以得到解决，并且变电所容量配置可根据模块化多电平变换器每一桥臂的子模块数量灵活调节配置，系统接入电压可变。
此外，牵引变电所所在的位置大多为较偏僻的地方，这些地方方便设置风力发电系统和光伏发电系统，对于既有的MMC而言，整个直流侧电压等级相当高，且没有支撑电容，而新能源发电系统输出的电电压等级一般较低，新能源难以被有效利用。
贯通柔性牵引变电所以降压牵引变压器和三相-单相MMC变流器作为核心设备。在贯通柔性牵引变电所中由于三相-单相MMC变流器流器的加入，牵引变电所既有的保护配置不再适用，为保证贯通柔性牵引变电所的安全运行，需研究适用于贯通柔性牵引变电所的保护配置方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于MMC的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法，解决了牵引网电压相位不可控，新能源不易被利用，以及既有牵引变电所的保护方法不适配的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种基于MMC的贯通柔性牵引变电所，包括降压牵引变压器、供电模式切换断路器QF1和QF2、三相-单相MMC变流器、新能源发电系统以及连接变换器；
所述降压牵引变压器的原边与三相电网连接；所述供电模式切换断路器QF1和QF2连接于所述降压牵引变压器副边的输出侧与所述三相-单相MMC变流器之间；所述三相-单相MMC变流器与所述新能源发电系统之间通过连接变换器连接。
本发明的有益效果是：本发明的目的在于提供一种贯通柔性牵引变电所结构，将模块化多电平变换器(MMC)应用于牵引供电系统，完全控制输出电压的幅值相位，取消电分相，实现牵引供电的贯通，并能够利用新能源，节约资源、节省电费。
进一步地，所述降压牵引变压器的变比为110kV/27.5kV或220kV/27.5kV。
上述进一步方案的有益效果是：本发明提供的贯通柔性牵引变电所适用于不同地方电网和不同电压等级的电网，并且能够尽可能利用既有牵引变电所的牵引变压器，利于既有牵引变电所的改造，方便发明的推广与实行。
再进一步地，所述三相-单相MMC变换器为基于模块化多电平变换器的变流器；所述三相-单相MMC变换器包括输入侧整流侧电感、三相MMC整流器、单相MMC逆变器和输出侧滤波电感；其中，所述模块化多电平变换器包括若干个串联的子模块，各所述子模块的结构为半桥子模块结构、全桥子模块结构或钳位型双子模块结构。
上述进一步方案的有益效果是：本发明将模块化多电平变换器应用在牵引供电系统，子模块设计的自由有益于变电所容量的调整，提高了贯通式牵引变电所的适用性。
再进一步地，所述新能源发电系统包括光伏发电子系统和风力发电子系统；所述连接变换器包括隔离型DC/DC变换器和AC/DC变换器；
所述新能源发电系统对称地接入在三相-单相MMC变流器的上下桥臂的子模块上，且接入的子模块从三相MMC整流器侧选择，或从单相MMC逆变器侧选择；
所述光伏发电子系统与各子模块的电容通过隔离型DC/DC变换器连接，所述风力发电子系统与各子模块的电容通过AC/DC变换器和隔离器DC/DC变换器连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明将新能源发电子系统应用在牵引供电系统，且能够利用MMC变流器将能量向牵引网传输，节省电费与资源。
再进一步地，所述贯通柔性牵引变电所包括电子式供电模式和传统式供电模式；
所述电子式供电模式为：当所述贯通柔性牵引变电所处于正常工作状态时，所述供电模式切换断路器QF1闭合，所述供电模式切换断路器QF2断开，所述贯通柔性牵引变电所内的电分相旁路断路器QF6闭合，所述贯通柔性牵引变电所由三相-单相MMC变流器输出电能至母线与牵引网；
所述传统式供电模式为：当所述三相-单相MMC发生故障时，所述供电模式切换断路器QF2闭合，所述供电模式切换断路器QF1断开，所述贯通柔性牵引变电所内的电分相旁路断路器QF6断开，启用电分相，所述贯通柔性牵引变电所由降压牵引变压器输出电能至母线与牵引网。
上述进一步方案的有益效果是：本发明提供了一种供电模式的选择方法，可根据需要选择合适的供电方式，保证在MMC变流器出现故障时也能够稳定向牵引网供电，提高了贯通柔性牵引变电所的稳定性。
本发明提供了一种基于MMC的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，包括以下步骤：
S1、在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则进入步骤S2，若在母线侧，则进入步骤S3；
S2、在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护、电流增量保护作为后备保护以及设置速断保护作为辅助保护；
S3、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
S4、在三相-单相MMC变流器设置过电流保护作为主保护，设置温度保护及负序过电流保护作为后备保护；
S5、在降压牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护作为主保护，分别设置低压启动的过电流保护、零序过电流保护、负序过电流保护和过负荷保护作为后备保护以及在降压牵引变压器内部分别设置瓦斯保护、温度保护和压力释放保护，完成贯通柔性牵引变电所的保护配置。
本发明的有益效果是：本发明采用多级故障定位策略，其分为模块级、变电所级两级。其中模块级采用MMC变流器故障诊断策略，利用故障瞬间的子模块电容电压变化的特征可准确判断出三相-单相MMC变流器中故障子模块的位置，发出相应信号；变电所级故障主要针对变电所设备及线路故障，通过设备及线路处电压电流互感器测量各处电压电流信息，当其超出保护整定值，保护动作并发出相应信号，根据保护动作信号并结合故障瞬间各处电气测量可准确判断故障发生位置，并发出相应信号本发明根据柔性牵引变电所各个设备及线路可能出现的故障及故障特点。本发明采用多级故障定位策略，及时判断故障发生点，并针对其配置适用的保护方法，能够保证柔性牵引变电所各个设备及线路故障时的快速可靠切除，实现柔性牵引变电所的安全可靠运行。
进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在贯通柔性牵引变电所的馈线保护安装位置设置电压电流互感器、并利用电压电流互感器测量馈线处的电压电流；
S202、根据馈线处的电压电流，计算得到测量阻抗值，并判断阻抗值是否小于第一整定值，若是，则进入步骤S203，否则，进入步骤S204；
S203、执行距离保护动作，若距离保护拒动，且满足低压与大电流判定时，执行低压启动的过电流保护动作，并进入步骤S205；
S204、根据判断结果确定接地短路故障，且距离保护与低压启动过电流保护拒动，执行电流增量保护动作，且当断路器QF5接触网侧出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护第二整定值，执行电流速断保护动作，并进入步骤S205；
S205、分别在断路器QF6和断路器QF7处设置方向检测元件，并根据方向检测元件确定判定故障发生方向；
S206、根据所述故障发生方向，利用光缆通信通道进行信息交流，确定故障发生区段，完成贯通柔性牵引变电所馈线处的保护配置，并进入步骤S3。
上述进一步方案的有益效果是：本发明为贯通柔性牵引变电所馈线配置了相应保护方法，提高了变电所运行安全性，且通过光缆进行信息交流可及时将接触网故障隔离在故障段，从而减小故障影响范围，提高变电所运行可靠性。
再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、将贯通柔性牵引变电所馈线的电流互感器与三相-单相变流器的电流互感器同名端均设置在母线侧；
S302、将贯通柔性牵引变电所馈线和三相-单相变流器两处的电流互感器并眹接入差动保护装置，并确定贯通柔性牵引变电所馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和；
S303、根据所述侧电流量之和判断母线是否发生故障，若是，则差动电流大于第三整定值，利用断路器QF3和断路器QF5执行母线差动保护，完成贯通柔性牵引变电所27.5kV母线的保护配置，并进入步骤S4，否则，进入步骤S4。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过在母线处设置母线差动保护，可及时切除母线处故障，提高贯通柔性牵引变电所运行的可靠性。
再进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、在三相-单相MMC变流器输入侧设置电流传感器，在其直流侧和子模块电容处设置电压传感器，在三相-单相MMC变流器设备内设置温度传感器，在连接变换器设备内设置温度传感器以及在单相MMC逆变器输出侧设置电流传感器；
S402、针对三相-单相MMC变流器输入侧电流大于第四整定值时，判断为短路故障，执行过电流保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，断开断路器QF1和断路器QF3，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S403、针对三相-单相MMC变流器输入侧三相电压判断为缺相时，执行缺相保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S404、针对三相-单相MMC变流器直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值时，执行过过压和欠压保护动作于报警，若报警时间超过第五整定值，则执行过过压和欠压保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S405、针对单相MMC逆变器输出侧电流大于第六整定值时，判断为短路故障，执行过电流保护动作于三相-单相MMC变流器脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S406、在三相MMC整流器输入侧设置电流互感器，并利用电流互感器测量输入电流并计算得到负序电流含量；
S407、针对电流测量值大于第七整定值时，执行过电流保护动作，若过电流保护拒动，在发生两相相间短路时执行负序过电流保护动作，断开断路器QF1和断路器QF3；
S408、针对三相-单相MMC变流器的散热器温度大于第八整定值时，执行温度保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S409、针对连接变换器的散热器温度大于第九整定值时，执行温度保护动作于连接变换器驱动脉冲封锁；
S4010、针对各子模块电容的电压大于第十整定值时或小于第十一整定值时，执行保护动作于该子模块的旁路开关闭合，并执行该故障子模块的驱动脉冲封锁，若故障子模块为连接新能源的子模块，执行相应的连接变换器的驱动脉冲封锁，完成三相-单相MMC变流器的保护配置，并进入步骤S5。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过配置三相-单相MMC变流器的保护方法，通过故障时相应的保护动作来保护变电所设备，同时，监测设备的温度，防止温度过高引起设备损坏，提高贯通柔性变电所运行的安全性。
再进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：
S501、在降压牵引变压器的高低压侧分别设置电压电流互感器，并测量电压电流测量值；
S502、利用电压电流测量值计算得到负序电压电流量和零序电流量；
S503、在降压牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护，并针对差动电流测量值大于比率差动整定值时，执行比率差动保护动作，若比率差动保护拒动，执行差动速断保护动作；
S504、针对比率差动保护与差动速断保护拒动，则在电压电流测量值满足低压启动过电流保护动作值时，执行低压启动过电流保护；
S505、针对接地故障时，若零序电流量大于第十二整定值时，执行零序过电流保护动作；
S506、针对在两相相间短路时，若负序电流量大于第十三整定值时，执行负序过电流保护动作；
S507、在过负荷保护设置I段过负荷保护，针对降压牵引变压器负荷达到第十四整定值时，执行过负荷保护动作于报警；
S508、在降压牵引变压器内部分别设置瓦斯检测装置、温度传感器以及压力释放器，并分别测量降压牵引变压器内部的瓦斯含量、温度测量值以及压力测量值；
S509、针对瓦斯含量大于第十五整定值时，执行瓦斯保护动作于断路器QF1跳闸；
S5010、针对温度测量值达到报警值时，执行温度保护动作于报警；
S5011、针对温度测量值超出预设阈值时，执行温度保护动作于断路器QF1跳闸；
S5012、针对降压牵引变压器内部压力达到压力释放器动作值时，执行压力释放保护动作于断路器QF1跳闸，完成降压牵引变压器的保护配置。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过配置相应的保护方法，提高变电所运行的安全性，同时加入了负序保护，使其对不对称故障更加灵敏，增加了不对称故障切除的可靠性。
附图说明
图1为本发明贯通柔性牵引变电所结构图；
图2为本发明的MMC变换器结构图；
图3为本发明向MMC变换器子模块注入新能源的示意图；
图4为本发明设置旁路开关的MMC子模块电流方向的示意图；
图5为本发明利用DC/DC变换器向MMC子模块注入光伏电能的示意图；
图6为本发明利用AC/DC变换器和DC/DC变换器向MMC子模块注入风力电能的示意图；
图7为本发明的DC/DC变换器结构图；
图8为本发明MMC工作模式的流程图。
图9为本发明的保护配置方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于MMC的贯通柔性牵引变电所，包括降压牵引变压器、供电模式切换断路器QF1和QF2、三相-单相MMC变流器、新能源发电系统以及连接变换器；所述降压牵引变压器的原边与三相电网连接；所述供电模式切换断路器QF1和QF2连接于所述降压牵引变压器副边的输出侧与所述三相-单相MMC变流器之间；所述三相-单相MMC变流器与所述新能源发电系统之间通过连接变换器连接。
本实施例中，如图1所示，三相电网(A，B，C)接入降压牵引变压器原边，副边输出27.5kV电压，连接到供电模式切换断路器。需要特别说明的是，若使用V/v变压器，V/v变压器副边的绕组连接点不接地。
本实施例中，所述降压牵引变压器的变比为110kV/27.5kV或220kV/27.5kV，具体视当地电网供电电压等级而定，所述的降压牵引变压器可采用国内既有铁路牵引系统广泛使用的V/v变压器或YNd11变压器，其中，采用V/v变压器时，所述V/v变压器副边的绕组连接点不接地。
本实施例中，如图2所示，所述三相-单相MMC变换器为基于模块化多电平变换器的变流器，其包括输入侧整流侧电感、三相MMC整流器、三相MMC逆变器和输出侧滤波电感；其中，所述模块化多电平变换器包括若干个串联的子模块，各所述子模块的结构为半桥子模块结构、全桥子模块结构或钳位型双子模块结构。
本实施例中，三相-单相MMC变流器是基于模块化多电平变换器的变流器，具体为三相MMC整流器和单相MMC逆变器。模块化多电平变换器由数个子模块串联而成，子模块的数量可以根据容量灵活配置，子模块具有闭锁、投入、旁路三种工作状态。其中，子模块的结构可以选择半桥子模块结构，全桥子模块结构，或者钳位型双子模块结构。
本实施例中，供电模式切换断路器QF1后连接到三相-单相MMC变流器。三相-单相MMC变流器包括输入侧整流侧电感，三相MMC整流器，单相MMC逆变器，输出侧滤波电感。其中，如图3所示，对称地在三相-单相MMC变流器的上下桥臂的一部分子模块上接入新能源。需要特别说明的是，接入新能源的子模块可以从三相MMC整流器侧选择，也可从单相MMC逆变侧选择。
本实施例中，所述新能源发电系统包括光伏发电子系统和风力发电子系统；所述连接变换器包括隔离型DC/DC变换器和AC/DC变换器；所述新能源发电系统对称地接入在三相-单相MMC变流器的上下桥臂的子模块上，且接入的子模块从三相MMC整流器侧选择，或从单相MMC逆变器侧选择；所述光伏发电子系统与各子模块的电容通过隔离型DC/DC变换器连接，所述风力发电子系统与各子模块的电容通过AC/DC变换器和隔离器DC/DC变换器连接。
本实施例中，新能源发电系统按容量进行平均划分，通过所述的连接变换器固定的连接在所述的三相-单相MMC变流器每一个桥臂的特定子模块上，在新能源系统进行发电的时候，通过改进的调制方法控制这些连接新能源的子模块电容向MMC放电，从而实现新能源的能量注入。新能源对称地接在上下桥臂的对应子模块，判断电流方向：当电流方向为流出这些子模块时，将这些子模块投入，利用子模块电容向MMC变流器放电；当电流方向为流入子模块时，将这些子模块切除，利用新能源发电系统和连接变换器向子模块电容充电。与之区别的是，未接入新能源的子模块电容按照传统的方式从整流器输入侧取电为子模块电容充电。
本实施例中，所述贯通柔性牵引变电所包括电子式供电模式和传统式供电模式；所述电子式供电模式为：当所述贯通柔性牵引变电所处于正常工作状态时，所述供电模式切换断路器QF1闭合，所述供电模式切换断路器QF2断开，所述贯通柔性牵引变电所内的电分相旁路断路器QF6闭合，所述贯通柔性牵引变电所由三相-单相MMC变流器输出电能至母线与牵引网；所述传统式供电模式为：当所述三相-单相MMC发生故障时，所述供电模式切换断路器QF2闭合，所述供电模式切换断路器QF1断开，所述贯通柔性牵引变电所内的电分相旁路断路器QF6断开，启用电分相，所述贯通柔性牵引变电所由降压牵引变压器输出电能至母线与牵引网。
本实施例中，所供电模式切换断路器(QF1和QF2)，被连接在降压牵引变压器副边输出侧与三相-单相MMC变流器之间。利用供电模式切换断路器切换所述贯通柔性牵引变电所的供电模式：
(1)所述贯通柔性牵引变电所处于正常工作状态时，选择电子式供电模式：供电模式切换断路器QF1闭合，供电模式切换断路器QF2断开，电分相旁路断路器QF6闭合，此时变电所由三相-单相MMC变流器输出电能至牵引网，变电所输出的电压幅值、相位和频率完全可控。
(2)所述贯通柔性牵引变电所中的三相-单相MMC发生故障时，选择传统式供电模式：供电模式切换断路器QF2闭合，供电模式切换断路器QF1断开，电分相旁路断路器QF3断开，此时变电所由降压牵引变压器输出电能至牵引网供电臂，变电所输出的电压幅值可控，频率和相位由三相电网和降压牵引变压器共同决定，需要特别说明的是，切换到此模式时，需要重新启用取消的电分相。
本实施例中，MMC变流器中使用的调制策略为最近电平逼近调制策略，最近电平逼近的基本原理为根据调制波的变化改变上下桥臂投入子模块的数目，使输出端口电压逼近调制波。MMC子模块，在变换工作状态时，子模块电容会进行充放电，当采用最近电平逼近调制策略时，任何时刻需要计算上下桥臂投入的子模块个数non。确定子模块投入数量之后，在n个子模块中选择non个子模块存在一定的自由度。子模块电容电压均衡控制就是利用这些自由度，调节子模块电容的充放电时间，达到子模块的电容电压动态平衡。
本实施例中，接入的新能源包括光伏发电系统和风力发电系统。如图5所示，光伏发电系统和MMC子模块电容通过隔离型DC/DC变换器连接。如图6所示，风力发电系统和MMC子模块电容通过AC/DC变换器和隔离型DC/DC连接。所述的隔离型DC/DC变换器如图7所示，图中T1,T2,T3,T4为IGBT或者MOSFET，D1,D2,D3,D4为二极管。隔离型DC/DC变换器输入侧的功率器件采用IGBT或者MOSFET实现控制，输出侧采用二极管实现能量的单向流动，确保能量从新能源发电系统注入三相-单相MMC变流器。
本实施例中，三相-单相MMC变流器采用的电容电压均衡控制策略，基本原理为由电流方向判断子模块电容是充电还是放电，然后根据最近电平逼近调制策略得到的上下桥臂各需要投入的子模块数目non，以及未接入新能源的子模块的电容电压大小来确定投入哪些子模块。令每个桥臂共有n个子模块，每个桥臂上接入新能源的子模块数量为nx，那么每个桥臂上未接入新能源的子模块数量为n-nx。分别对每个桥臂判断电流方向：
(1)如图4(a)所示，当电流方向为流出子模块时，将nx个接入新能源的子模块投入，利用子模块电容向MMC变流器放电，为了保证所有子模块的电容电压能相对保持在一个稳定值不至于相差过大，需要把n-nx个普通子模块中电压最高的non-nx个投入；
(2)如图4(b)所示，当电流方向为流入子模块时，将nx个接入新能源的子模块切除，利用新能源发电系统和连接变换器向子模块电容充电，把n-nx个普通子模块中电压最低的non个投入。其总体流程如图8所示。
本实施例中，本发明将MMC应用在牵引供电系统中，其中可以通过调节MMC的子模块数量来灵活配置三相-单相变流器的容量；本发明在模块化多电平变换器出现故障时，可以退出柔性牵引供电方式，转为传统的两供电臂式牵引供电方式，同时本发明可以将风力和光伏发出的电能通过连接变换器注入模块化多电平变换器，从而节省电费与资源。
实施例2
本发明利用多级故障定位策略，其分为模块级、变电所级两级。其中模块级采用MMC变流器故障诊断策略，利用故障瞬间的子模块电容电压变化的特征可准确判断出三相-单相MMC变流器中故障子模块的位置，发出相应信号；变电所级故障主要针对变电所设备及线路故障，通过设备及线路处电压电流互感器测量各处电压电流信息，当其超出保护整定值，保护动作并发出相应信号，根据保护动作信号并结合故障瞬间各处电气测量可准确判断故障发生位置，并发出相应信号。如图9所示，本发明提供了一种基于MMC的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其实现方法如下：
在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则进入步骤S2，若在母线侧，则进入步骤S3；
S2、在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护、电流增量保护作为后备保护以及设置速断保护作为辅助保护，其实现方法如下：
S201、在贯通柔性牵引变电所的馈线保护安装位置设置电压电流互感器、并利用电压电流互感器测量馈线处的电压电流；
S202、根据馈线处的电压电流，计算得到测量阻抗值，并判断阻抗值是否小于第一整定值，若是，则进入步骤S203，否则，进入步骤S204；
S203、执行距离保护动作，若距离保护拒动，且满足低压与大电流判定时，执行低压启动的过电流保护动作，并进入步骤S205；
S204、根据判断结果确定接地短路故障，且距离保护与低压启动过电流保护拒动，执行电流增量保护动作，且当断路器QF5接触网侧出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护第二整定值，执行电流速断保护动作，并进入步骤S205；
S205、分别在断路器QF6和断路器QF7处设置方向检测元件，并根据方向检测元件确定判定故障发生方向；
S206、根据所述故障发生方向，利用光缆通信通道进行信息交流，确定故障发生区段，完成贯通柔性牵引变电所馈线处的保护配置，并进入步骤S3。
本实施例中，贯通柔性牵引变电所馈线处设置距离保护作为主保护，低压启动的过电流保护、电流增量保护作为后备保护，电流速断保护作为辅助保护。在馈线保护安装位置设置电压电流互感器，测量馈线处电压电流，计算此时测量阻抗大小，小于整定值则距离保护动作，在距离保护拒动，且满足低压与大电流判据时，低压启动的过电流保护动作，若遇大电阻接地短路故障，距离保护与低压启动过电流保护拒动，此时电流增量保护动作，当保护正向(即断路器QF5接触网侧)出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护整定值，电流速断保护动作，避免了距离保护死区造成的距离保护拒动。上述保护均动作于断路器QF5。由于柔性牵引供电系统为双边供电，在断路器QF5、断路器QF6和断路器QF7处需配置方向检测元件，根据方向检测元件判定故障发生方向，通过光缆通信通道进行信息交流，从而判断故障发生区段，并及时断开相应断路器将故障进行隔离，减小故障对柔性牵引供电系统运行的影响。
S3、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护，其实现方法如下：
S301、将贯通柔性牵引变电所馈线的电流互感器与三相-单相变流器的电流互感器同名端均设置在母线侧；
S302、将贯通柔性牵引变电所馈线和三相-单相变流器两处的电流互感器并眹接入差动保护装置，并确定贯通柔性牵引变电所馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和；
S303、根据所述侧电流量之和判断母线是否发生故障，若是，则差动电流大于第三整定值，利用断路器QF3和断路器QF5执行母线差动保护，完成贯通柔性牵引变电所27.5kV母线的保护配置，并进入步骤S4，否则，进入步骤S4。
本实施例中，贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护以快速切除母线短路故障，在母线差动保护拒动时可靠动作。将馈线电流互感器与三相-单相变流器电流互感器同名端均设置在母线侧，再将两处电流互感器并联接入差动保护装置，通过馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和判断母线是否发生故障，在差动电流大于整定值时，母线差动保护动作，保护动作于QF3和断路器QF5。
S4、在三相-单相MMC变流器设置过电流保护作为主保护，设置温度保护及负序过电流保护作为后备保护，其实现方法如下：
S401、在三相-单相MMC变流器输入侧设置电流传感器，在其直流侧和子模块电容处设置电压传感器，在三相-单相MMC变流器设备内设置温度传感器，在连接变换器设备内设置温度传感器以及在单相MMC逆变器输出侧设置电流传感器；
S402、针对三相-单相MMC变流器输入侧电流大于第四整定值时，判断为短路故障，执行过电流保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，断开断路器QF1和断路器QF3，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S403、针对三相-单相MMC变流器输入侧三相电压判断为缺相时，执行缺相保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S404、针对三相-单相MMC变流器直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值时，执行过过压和欠压保护动作于报警，若报警时间超过第五整定值，则执行过过压和欠压保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S405、针对单相MMC逆变器输出侧电流大于第六整定值时，判断为短路故障，执行过电流保护动作于三相-单相MMC变流器脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S406、在三相MMC整流器输入侧设置电流互感器，并利用电流互感器测量输入电流并计算得到负序电流含量；
S407、针对电流测量值大于第七整定值时，执行过电流保护动作，若过电流保护拒动，在发生两相相间短路时执行负序过电流保护动作，断开断路器QF1和断路器QF3；
S408、针对三相-单相MMC变流器的散热器温度大于第八整定值时，执行温度保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S409、针对连接变换器的散热器温度大于第九整定值时，执行温度保护动作于连接变换器驱动脉冲封锁；
S4010、针对各子模块电容的电压大于第十整定值时或小于第十一整定值时，执行保护动作于该子模块的旁路开关闭合，并执行该故障子模块的驱动脉冲封锁，若故障子模块为连接新能源的子模块，执行相应的连接变换器的驱动脉冲封锁，完成三相-单相MMC变流器的保护配置，并进入步骤S5。
本实施例中，需在三相MMC整流器输入侧设置电流传感器，直流侧和子模块电容设置电压传感器，三相-单相MMC变流器设备内设置温度传感器，新能源的连接变换器设备内设置温度传感器，单相MMC逆变器输出侧设置电流传感器。
本实施例中，当输入侧电流大于整定值时，判断为短路故障，保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，断路器QF1和断路器QF3断开，新能源的连接变换器驱动脉冲封锁；当检测整流器输入侧三相电压判断缺相时，首先保护动作于报警，若短时间内控制恢复则停止报警，报警时间超过整定值，则保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，新能源的连接变换器驱动脉冲封锁；当直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值，首先保护动作于报警，若短时间内MMC变流器通过控制恢复则停止报警，报警时间超过整定值，则保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，新能源的连接变换器驱动脉冲封锁；当逆变输出侧电流大于整定值时，判定为短路故障，保护动作于三相-单相MMC变流器脉冲封锁，新能源的连接变换器驱动脉冲封锁，断路器QF1和断路器QF3断开。
本实施例中，在MMC整流器输入侧设置电流互感器，利用电流互感器测量输入电流并计算其负序电流含量。当电流测量值大于整定值时，过电流保护动作，若过电流保护拒动，在发生两相相间短路时负序过电流保护动作，动作于断路器QF1和断路器QF3断开。当MMC变流器散热器温度大于整定温度，保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，新能源的连接变换器驱动脉冲封锁；当新能源的连接变换器散热器温度大于整定温度，保护只动作于新能源的连接变换器驱动脉冲封锁。
本实施例中，贯通柔性牵引变电所的三相-单相MMC变流器的三相整流输入侧仅输入一组三相交流电，仅设置一处过电流保护和缺相保护，直流侧设置过压保护和欠压保护，三相-单相MMC变流器系统单相交流输出侧设置一处过电流保护，三相-单相变流器和新能源的连接变换器设置温度保护。三相-单相变流器每个子模块设置旁路开关，在子模块发生短时间内发生故障时，可闭合旁路开关并闭锁相应模块的IGBT以切除故障子模块，实现三相-单相MMC的变流器的自愈重构，保证变流器正常稳定运行。
S5、在降压牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护作为主保护，分别设置低压启动的过电流保护、零序过电流保护、负序过电流保护和过负荷保护作为后备保护以及在降压牵引变压器内部分别设置瓦斯保护、温度保护和压力释放保护，完成贯通柔性牵引变电所的保护配置，其实现方法如下：
S501、在降压牵引变压器的高低压侧分别设置电压电流互感器，并测量电压电流测量值；
S502、利用电压电流测量值计算得到负序电压电流量和零序电流量；
S503、在降压牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护，并针对差动电流测量值大于比率差动整定值时，执行比率差动保护动作，若比率差动保护拒动，执行差动速断保护动作；
S504、针对比率差动保护与差动速断保护拒动，则在电压电流测量值满足低压启动过电流保护动作值时，执行低压启动过电流保护；
S505、针对接地故障时，若零序电流量大于第十二整定值时，执行零序过电流保护动作；
S506、针对在两相相间短路时，若负序电流量大于第十三整定值时，执行负序过电流保护动作；
S507、在过负荷保护设置I段过负荷保护，针对降压牵引变压器负荷达到第十四整定值时，执行过负荷保护动作于报警；
S508、在降压牵引变压器内部分别设置瓦斯检测装置、温度传感器以及压力释放器，并分别测量降压牵引变压器内部的瓦斯含量、温度测量值以及压力测量值；
S509、针对瓦斯含量大于第十五整定值时，执行瓦斯保护动作于断路器QF1跳闸；
S5010、针对温度测量值达到报警值时，执行温度保护动作于报警；
S5011、针对温度测量值超出预设阈值时，执行温度保护动作于断路器QF1跳闸；
S5012、针对降压牵引变压器内部压力达到压力释放器动作值时，执行压力释放保护动作于断路器QF1跳闸，完成降压牵引变压器的保护配置。
本实施例中，在降压牵引变压器高低压侧设置电压电流互感器，利用电压电流测量值计算其负序电压电流量及零序电流量。当差动电流测量值大于比率差动整定值时，比率差动保护动作，若差动电流太大，比率差动保护拒动，差动速断保护动作；当比率差动保护与差动速断保护拒动，在电压电流测量值满足低压启动过电流保护动作值时，低压启动过电流保护动作；在接地故障时，零序电流分量大于整定值，零序过电流保护动作，在两相相间短路时，负序电流分量大于整定值，负序过电流保护动作；过负荷保护设置Ⅰ段过负荷保护，当变压器负荷达到整定值时，过负荷保护动作于报警。
本实施例中，在降压牵引变压器内部设置瓦斯检测装置、温度传感器、压力释放器，测量变压器内部瓦斯含量、温度大小及压力大小。当瓦斯含量大于整定值时，瓦斯保护动作于断路器QF1跳闸；当温度测量值达到报警值时，温度保护报警，当温度测量值超出最高允许范围时，温度保护动作于断路器QF1跳闸；当变压器内部压力达到压力释放器动作值时，压力释放保护动作，动作于断路器QF1跳闸。
本发明根据柔性牵引变电所各个设备及线路可能出现的故障及故障特点，采用多级故障定位策略，及时判断故障发生点，并针对其配置适用的保护方法，能够保证柔性牵引变电所各个设备及线路故障时的快速可靠切除，实现柔性牵引变电所的安全可靠运行。

Claims (10)

1.一种基于MMC的贯通柔性牵引变电所，其特征在于，包括降压牵引变压器、供电模式切换断路器QF1和QF2、三相-单相MMC变流器、新能源发电系统以及连接变换器；
所述降压牵引变压器的原边与三相电网连接；所述供电模式切换断路器QF1和QF2连接于所述降压牵引变压器副边的输出侧与所述三相-单相MMC变流器之间；所述三相-单相MMC变流器与所述新能源发电系统之间通过连接变换器连接，其中，所述贯通柔性牵引变电所的保护配置方法如下：
在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护、电流增量保护作为后备保护以及设置速断保护作为辅助保护，若在母线侧，则在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
在三相-单相MMC变流器设置过电流保护作为主保护，设置温度保护及负序过电流保护作为后备保护；
在降压牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护作为主保护，分别设置低压启动的过电流保护、零序过电流保护、负序过电流保护和过负荷保护作为后备保护以及在降压牵引变压器内部分别设置瓦斯保护、温度保护和压力释放保护，完成贯通柔性牵引变电所的保护配置。
2.根据权利要求1所述的基于MMC的贯通柔性牵引变电所，其特征在于，所述降压牵引变压器的变比为110kV/27.5kV或220kV/27.5kV。
3.根据权利要求2所述的基于MMC的贯通柔性牵引变电所，其特征在于，所述三相-单相MMC变流器为基于模块化多电平变换器的变流器；所述三相-单相MMC变流器包括输入侧整流侧电感、三相MMC整流器、单相MMC逆变器和输出侧滤波电感；其中，所述模块化多电平变换器包括若干个串联的子模块，各所述子模块的结构为半桥子模块结构、全桥子模块结构或钳位型双子模块结构。
4.根据权利要求3所述的基于MMC的贯通柔性牵引变电所，其特征在于，所述新能源发电系统包括光伏发电子系统和风力发电子系统；所述连接变换器包括隔离型DC/DC变换器和AC/DC变换器；
所述新能源发电系统对称地接入在三相-单相MMC变流器的上下桥臂的子模块上，且接入的子模块从三相MMC整流器侧选择，或从单相MMC逆变器侧选择；
所述光伏发电子系统与各子模块的电容通过隔离型DC/DC变换器连接，所述风力发电子系统与各子模块的电容通过AC/DC变换器和隔离器DC/DC变换器连接。
5.根据权利要求4所述的基于MMC的贯通柔性牵引变电所，其特征在于，所述贯通柔性牵引变电所包括电子式供电模式和传统式供电模式；
所述电子式供电模式为：当所述贯通柔性牵引变电所处于正常工作状态时，所述供电模式切换断路器QF1闭合，所述供电模式切换断路器QF2断开，所述贯通柔性牵引变电所内的电分相旁路断路器QF6闭合，所述贯通柔性牵引变电所由三相-单相MMC变流器输出电能至母线与牵引网；
所述传统式供电模式为：当所述三相-单相MMC发生故障时，所述供电模式切换断路器QF2闭合，所述供电模式切换断路器QF1断开，所述贯通柔性牵引变电所内的电分相旁路断路器QF6断开，启用电分相，所述贯通柔性牵引变电所由降压牵引变压器输出电能至母线与牵引网。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于MMC的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则进入步骤S2，若在母线侧，则进入步骤S3；
S2、在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护、电流增量保护作为后备保护以及设置速断保护作为辅助保护；
S3、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
S4、在三相-单相MMC变流器设置过电流保护作为主保护，设置温度保护及负序过电流保护作为后备保护；
S5、在降压牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护作为主保护，分别设置低压启动的过电流保护、零序过电流保护、负序过电流保护和过负荷保护作为后备保护以及在降压牵引变压器内部分别设置瓦斯保护、温度保护和压力释放保护，完成贯通柔性牵引变电所的保护配置。
7.根据权利要求6所述的基于MMC的贯通柔性牵引变电所保护配置方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在贯通柔性牵引变电所的馈线保护安装位置设置电压电流互感器、并利用电压电流互感器测量馈线处的电压电流；
S202、根据馈线处的电压电流，计算得到测量阻抗值，并判断阻抗值是否小于第一整定值，若是，则进入步骤S203，否则，进入步骤S204；
S203、执行距离保护动作，若距离保护拒动，且满足低压与大电流判定时，执行低压启动的过电流保护动作，并进入步骤S205；
S204、根据判断结果确定接地短路故障，且距离保护与低压启动过电流保护拒动，执行电流增量保护动作，且当断路器QF5接触网侧出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护第二整定值，执行电流速断保护动作，并进入步骤S205；
S205、分别在断路器QF6和断路器QF7处设置方向检测元件，并根据方向检测元件确定判定故障发生方向；
S206、根据所述故障发生方向，利用光缆通信通道进行信息交流，确定故障发生区段，完成贯通柔性牵引变电所馈线处的保护配置，并进入步骤S3。
8.根据权利要求6所述的基于MMC的贯通柔性牵引变电所保护配置方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、将贯通柔性牵引变电所馈线的电流互感器与三相-单相变流器的电流互感器同名端均设置在母线侧；
S302、将贯通柔性牵引变电所馈线和三相-单相变流器两处的电流互感器接入差动保护装置，并确定贯通柔性牵引变电所馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和；
S303、根据所述侧电流量之和判断母线是否发生故障，若是，则差动电流大于第三整定值，利用断路器QF3和断路器QF5执行母线差动保护，完成贯通柔性牵引变电所27.5kV母线的保护配置，并进入步骤S4，否则，进入步骤S4。
9.根据权利要求6所述的基于MMC的贯通柔性牵引变电所保护配置方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、在三相-单相MMC变流器输入侧设置电流传感器，在其直流侧和子模块电容处设置电压传感器，在三相-单相MMC变流器设备内设置温度传感器，在连接变换器设备内设置温度传感器以及在单相MMC逆变器输出侧设置电流传感器；
S402、针对三相-单相MMC变流器输入侧电流大于第四整定值时，判断为短路故障，执行过电流保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，断开断路器QF1和断路器QF3，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S403、针对三相-单相MMC变流器输入侧三相电压判断为缺相时，执行缺相保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S404、针对三相-单相MMC变流器直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值时，执行过压和欠压保护动作于报警，若报警时间超过第五整定值，则执行过压和欠压保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S405、针对单相MMC逆变器输出侧电流大于第六整定值时，判断为短路故障，执行过电流保护动作于三相-单相MMC变流器脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S406、在三相MMC整流器输入侧设置电流互感器，并利用电流互感器测量输入电流并计算得到负序电流含量；
S407、针对电流测量值大于第七整定值时，执行过电流保护动作，若过电流保护拒动，在发生两相相间短路时执行负序过电流保护动作，断开断路器QF1和断路器QF3；
S408、针对三相-单相MMC变流器的散热器温度大于第八整定值时，执行温度保护动作于三相-单相MMC变流器驱动脉冲封锁，并执行连接变换器驱动脉冲封锁；
S409、针对连接变换器的散热器温度大于第九整定值时，执行温度保护动作于连接变换器驱动脉冲封锁；
S4010、针对各子模块电容的电压大于第十整定值时或小于第十一整定值时，执行保护动作于该子模块的旁路开关闭合，并执行该子模块的驱动脉冲封锁，若子模块为连接新能源的子模块，执行相应的连接变换器的驱动脉冲封锁，完成三相-单相MMC变流器的保护配置，并进入步骤S5。
10.根据权利要求6所述的基于MMC的贯通柔性牵引变电所保护配置方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
S501、在降压牵引变压器的高低压侧分别设置电压电流互感器，并测量电压电流测量值；
S502、利用电压电流测量值计算得到负序电压电流量和零序电流量；
S503、在降压牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护，并针对差动电流测量值大于比率差动整定值时，执行比率差动保护动作，若比率差动保护拒动，执行差动速断保护动作；
S504、针对比率差动保护与差动速断保护拒动，则在电压电流测量值满足低压启动过电流保护动作值时，执行低压启动过电流保护；
S505、针对接地故障时，若零序电流量大于第十二整定值时，执行零序过电流保护动作；
S506、针对在两相相间短路时，若负序电流量大于第十三整定值时，执行负序过电流保护动作；
S507、在过负荷保护设置I段过负荷保护，针对降压牵引变压器负荷达到第十四整定值时，执行过负荷保护动作于报警；
S508、在降压牵引变压器内部分别设置瓦斯检测装置、温度传感器以及压力释放器，并分别测量降压牵引变压器内部的瓦斯含量、温度测量值以及压力测量值；
S509、针对瓦斯含量大于第十五整定值时，执行瓦斯保护动作于断路器QF1 跳闸；
S5010、针对温度测量值达到报警值时，执行温度保护动作于报警；
S5011、针对温度测量值超出预设阈值时，执行温度保护动作于断路器QF1跳闸；
S5012、针对降压牵引变压器内部压力达到压力释放器动作值时，执行压力释放保护动作于断路器QF1跳闸，完成降压牵引变压器的保护配置。
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