CN114552588B - 分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法及系统，属于新能源控制领域。本发明采用的技术方案为：当DPFC子模块旁路开关合闸失灵时，DPFC设备整体停运旁路；当DPFC子模块内部元件故障时，故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行；当DPFC子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障时，故障消失后允许子模块重新投入运行。本发明根据子模块故障类型及严重程度，将子模块故障分为三类，分别提出对应的控制保护策略，避免了因个别子模块的故障而引起DPFC整体停运。

Description

分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法及系统

技术领域

本发明属于新能源控制领域，涉及分布式潮流控制，具体地说一种分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法及系统。

背景技术

随着高压直流输电、新能源发电在电网接入规模不断扩大，大容量电源分层接入电网后的潮流控制与新能源灵活消纳问题日益突出，电网运行过程中潮流波动大、分布不均衡现象严重，造成重要及关键供电断面限额偏低，成为电网供电能力制约的瓶颈，同时也造成电网资产运行效率低下。目前解决供电瓶颈及断面超限问题的主要方式有加强电网建设，部分区域探索了统一潮流控制器等应对措施来解决这些问题，均存在建设周期长、投资大、占地大等问题，综合评价无法兼顾电网运行与投资效益问题，因此有必要研究提升220kV系统潮流输送能力的新型技术手段，提高电网运行效率与安全稳定性。

分布式潮流控制器（Distributed Power Flow Controller，DPFC）是一类新型柔性潮流控制装置，由多个子模块以串联的形式串入输电线路中，通过控制其串入线路的阻抗实现对交流线路潮流的优化控制，可应用于输电网，可分布式地安装于变电站内，具有系统运行优化、均衡优化潮流分布、限制潮流断面过载、抑制功率振荡和次同步谐振的功能。在输配电网应用DPFC将有效的提升局部电网潮流输送能力，提高电网运行效率与安全稳定性。

分布式潮流控制器子模块由全桥模块、电容、双向晶闸管、旁路开关、控制板卡等组成。从子模块层面看，可能存在旁路开关合闸失灵、子模块桥臂故障、旁路开关分闸失灵、直流电容欠压、通信故障等故障。考虑到分布式潮流控制器的子模块分散布置，若子模块发生故障，无法在第一时间对故障子模块进行运维，为了充分发挥分布式潮流控制器优化线路潮流分布的作用，避免个别子模块的故障引起DPFC整体停运，提升设备可用率，需要充分考虑各种分布式潮流控制器的故障子模块类型，设计对应的控制保护方法。

目前国内外针对统一潮流控制器开展充分的研究，国内也相继有多个统一潮流控制器投入运行。与MMC子模块故障处理策略类似，统一潮流控制器子模块故障主要通过旁路故障模块，投入冗余模块的方式解决。针对串联变压器的故障通过旁路变压器两端实现故障隔离，由于统一潮流控制器为整体设备，因此一旦被旁路，统一潮流控制器就停止运行，无法继续发挥作用。目前针对分布式潮流控制器的研究主要针对启停控制策略、交流线路故障下的控制保护策略、线路低电流时的控制保护策略方面，尚未针对子模块故障提出合适的控保策略。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法及系统，以减小子模块故障影响面为主要原则，根据子模块故障类型及严重程度，将子模块故障分为三类，分别提出对应的控制保护策略。

为此，本发明采用的一种技术方案为：分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法，其包括：

当DPFC子模块旁路开关合闸失灵时，DPFC设备整体停运旁路；

当DPFC子模块内部元件故障时，故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行；

当DPFC子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障时，故障消失后允许子模块重新投入运行。

进一步地，当DPFC子模块旁路开关合闸失灵时，DPFC设备整体停运旁路，其具体内容如下：

DPFC配置三处旁路设备，分别是每相DPFC配置的分相旁路开关BPS、每个子模块配置的第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2均合闸失灵，DPFC在接收子模块保护动作或停运信号后200ms的窗口时间内，如检测到子模块的两个旁路开关均未合上，则闭锁换流阀、下发闭合旁路设备BPS、KM1和KM2指令，紧急退出DPFC整体设备；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2中的任一个以及分相旁路开关BPS均合闸失灵，虽然并不影响DPFC设备的整体运行，但是此时设备不再具备冗余备份的旁路设备，因此对应合闸失灵子模块的健全旁路开关将永久旁路，其余子模块保持正常运行，其中故障子模块待DPFC停运时对其开展检修；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2中的任一个出现合闸失灵，那么记录存在拒合故障的子模块，所有子模块均保持正常运行，其中故障子模块待DPFC停运时开展检修。

进一步地，当DPFC子模块内部元件故障时，故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行，其具体内容如下：

假设每相共串入N个DPFC子模块，每个子模块的最大注入电压为V1，DPFC的注入电压控制指令为V2；当A相a个子模块出现内部元件故障时，触发子模块保护，相应故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行，待检修完成和解除永久闭锁后，方可重投子模块；

1）若DPFC注入电压控制指令V2小于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1，则DPFC的控制指令V2保持不变，故障相A相每个子模块的注入电压为V2/（N-a），非故障相每个子模块的注入电压为V2/N；

2）若DPFC注入电压控制指令V2大于等于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1，则DPFC的控制指令V2调整为（N-a）V1，故障相A相每个子模块的注入电压为V1，非故障相每个子模块的注入电压为（N-a）V1/N。

更进一步地，所述的触发子模块保护是指：闭锁IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2。

进一步地，当DPFC子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障时，故障消失后允许子模块重新投入运行，其具体内容如下：

故障发生后，闭锁故障子模块的IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2，子模块暂时闭锁，待故障消失后闭锁子模块重新投入运行。

本发明采用的另一种技术方案为：分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护系统，其包括：

第一故障保护单元：当DPFC子模块旁路开关合闸失灵时，DPFC设备整体停运旁路；

第二故障保护单元：当DPFC子模块内部元件故障时，故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行；

第三故障保护单元：当DPFC子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障时，故障消失后允许子模块重新投入运行。

本发明具有的有益效果如下：本发明以减小子模块故障影响面为主要原则，根据子模块故障类型及严重程度，将子模块故障分为三类，分别提出对应的控制保护策略，避免了因个别子模块的故障而引起DPFC整体停运。

附图说明

图1为本发明分布式潮流控制器的一次接线图；

图2为本发明旁路开关合闸失灵时的控制保护方法流程图；

图3为本发明子模块内部元件故障发生时的控制保护方法流程图；

图4为本发明子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障发生时的控制保护方法流程图；

图5为本发明分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案进行更加清楚、完整的描述。

实施例1

图1为DPFC的一次接线图，包含多级子模块及公共开关刀闸区域。公共开关刀闸区域包含DS1、DS2、DS3、BPS，其中DS1为线路旁路刀闸，DS2、DS3为DPFC隔离刀闸，BPS为DPFC的分相旁路开关。其中BPS用于实现整相DPFC设备的旁路，保护子模块设备。单个子模块包含取能电流互感器CT、第一旁路开关KM1、第二旁路开关KM2、双向导通晶闸管TBS和全桥模块。所述的取能电流互感器CT与全桥模块串联，第一旁路开关KM1、第二旁路开关KM2和双向导通晶闸管TBS并联；其中取能电流互感器CT用于向子模块的控制设备供能，旁路开关、双向导通晶闸管相互配合旁路子模块。旁路开关、双向导通晶闸管主要用于子模块的投入和退出，同时在故障发生时起到保护全桥模块的作用。

DS21、DS31分别为DPFC的公共区域开关、刀闸。

MOV为避雷器，C1#-C9#表示9个子模块对应的电容编号。

DPFC由多个子模块串联而成，为了避免个别子模块的故障引起DPFC整体停运，本发明综合考虑各种子模块内部的故障类型，提出了对应的控制保护方法，根据保护结果的不同，将子模块故障分为三类，下面分类介绍每一类子模块故障类型及对应的控制保护方法。

1、DPFC 子模块旁路开关（KM1&KM2）合闸失灵，DPFC设备整体停运旁路。

DPFC配置有三处旁路设备，分别是：每相DPFC装置配置分相旁路开关BPS，每个子模块配置第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2。三者中任一旁路设备合闸失灵均不会影响DPFC设备安全和系统运行。但在DPFC保护动作后需要仔细观察后台事件及波形，确认是否有旁路装置合闸失灵的情况，避免发生更多的旁路装置失灵的情况。

如图2所示，若子模块2个旁路开关KM1和KM2均合闸失灵，则会影响DPFC设备的整体运行。考虑子模块的两个旁路开关均合闸失灵的情况，DPFC在接收子模块保护动作或停运信号后200ms的窗口时间内，如检测到子模块的两个旁路开关均未合上，则闭锁换流阀、下发闭合旁路设备BPS、KM1和KM2指令，紧急退出DPFC整体设备。

若子模块2个旁路开关KM1和KM2中的一个以及分相旁路开关BPS均合闸失灵，虽然并不影响DPFC设备的整体运行，但是此时设备不再具备冗余备份的旁路设备，因此对应合闸失灵子模块的健全旁路开关将永久旁路，其余子模块保持正常运行，其中故障子模块待DPFC停运时对其开展检修。

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2中的任一个出现合闸失灵，那么记录存在拒合故障的子模块，所有子模块均保持正常运行，其中故障子模块待DPFC停运时开展检修。

2、DPFC 子模块内部元件故障，故障子模块永久闭锁旁路（经检修排除故障后方可再次投入），其余子模块正常运行，如子模块桥臂故障、旁路开关分闸失灵、直流电容欠压等。

DPFC主要有注入电压控制、电抗控制、有功功率控制三种基本控制模式，从本质上看电抗控制、有功功率控制最终均可以等效为注入电压控制模式，因此以注入电压控制模式为例，解释DPFC子模块出现故障时的控制策略。假设每相共串入N个DPFC子模块，每个子模块的最大注入电压为V1，DPFC的注入电压控制指令为V2。当A相a个子模块出现此类故障时，触发子模块保护（闭锁 IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块旁路开关KM1和KM2），相应故障子模块永久闭锁，待检修完成、解除永久闭锁后，方可手动重投子模块。如图3所示：

（1）若DPFC注入电压控制指令V2 小于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1

DPFC的控制指令保持V2不变，故障相A相每个子模块的注入电压为V2/（N-a），非故障相每个子模块的注入电压为V2/N。子模块的实际注入电压与控制指令值以及分相运行子模块数量相关。此情况下，不会影响DPFC对于潮流的调节作用。

（2）若DPFC注入电压控制指令V2 大于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1

DPFC的控制指令调整为（N-a）V1，故障相A相每个子模块的注入电压为V1，非故障相每个子模块的注入电压为（N-a）V1/N。此情况下，故障子模块会降低DPFC对于潮流的调节能力，但本方法已经将影响调整至最低。

通过以上方法保证多回线路以及三相DPFC注入线路的电压平衡，避免出现由于DPFC引起相间以及线间环流的出现。

3、DPFC子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障，故障消失后允许子模块重新投入运行，所述的故障如子模块过流、交流侧过压、直流侧过压、旁路开关通信故障等。

此类故障发生后，闭锁故障子模块的IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块旁路开关KM1和KM2，子模块暂时闭锁，待故障消失后子模块重投，如图4所示。

实施例2

本实施例提供一种分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护系统，其由第一故障保护单元、第二故障保护单元和第三故障保护单元组成，如图5所示。

图1为DPFC的一次接线图，包含多级子模块及公共开关刀闸区域。公共开关刀闸区域包含DS1、DS2、DS3、BPS，其中DS1为线路旁路刀闸，DS2、DS3为DPFC隔离刀闸，BPS为DPFC的分相旁路开关。其中BPS用于实现整相DPFC设备的旁路，保护子模块设备。单个子模块包含取能电流互感器CT、第一旁路开关KM1、第二旁路开关KM2、双向导通晶闸管TBS和全桥模块。所述的取能电流互感器CT与全桥模块串联，第一旁路开关KM1、第二旁路开关KM2和双向导通晶闸管TBS并联；其中取能电流互感器CT用于向子模块的控制设备供能，旁路开关、双向导通晶闸管相互配合旁路子模块。旁路开关、双向导通晶闸管主要用于子模块的投入和退出，同时在故障发生时起到保护全桥模块的作用。

DS21、DS31分别为DPFC的公共区域开关、刀闸。

MOV为避雷器，C1#-C9#表示9个子模块对应的电容编号。

DPFC由多个子模块串联而成，为了避免个别子模块的故障引起DPFC整体停运，本发明综合考虑各种子模块内部的故障类型，提供一种分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护系统。所述的分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护系统由第一故障保护单元、第二故障保护单元和第三故障保护单元组成。

第一故障保护单元：当DPFC子模块旁路开关合闸失灵时，DPFC设备整体停运旁路。

第二故障保护单元：当DPFC子模块内部元件故障时，故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行。

第三故障保护单元：当DPFC子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障时，故障消失后允许子模块重新投入运行。

所述第一故障保护单元的具体内容如下，如图2所示：

DPFC配置三处旁路设备，分别是每相DPFC配置的分相旁路开关BPS、每个子模块配置的第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2均合闸失灵，DPFC在接收子模块保护动作或停运信号后200ms的窗口时间内，如检测到子模块的两个旁路开关均未合上，则闭锁换流阀、下发闭合旁路设备BPS、KM1、KM2指令，紧急退出DPFC整体设备。

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2中的任一个以及分相旁路开关BPS均合闸失灵，虽然并不影响DPFC设备的整体运行，但是此时设备不再具备冗余备份的旁路设备，因此对应合闸失灵子模块的健全旁路开关将永久旁路，其余子模块保持正常运行，其中故障子模块待DPFC停运时对其开展检修。

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2中的任一个出现合闸失灵，那么记录存在拒合故障的子模块，所有子模块均保持正常运行，其中故障子模块待DPFC停运时开展检修。

所述第二故障保护单元的保护方法如下，如图3所示：

假设每相共串入N个DPFC子模块，每个子模块的最大注入电压为V1，DPFC的注入电压控制指令为V2；当A相a个子模块出现内部元件故障时，触发子模块保护（闭锁IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2），相应故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行，待检修完成和解除永久闭锁后，方可重投子模块；

1）若DPFC注入电压控制指令V2小于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1，则DPFC的控制指令V2保持不变，故障相A相每个子模块的注入电压为V2/（N-a），非故障相每个子模块的注入电压为V2/N；

2）若DPFC注入电压控制指令V2大于等于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1，则DPFC的控制指令V2调整为（N-a）V1，故障相A相每个子模块的注入电压为V1，非故障相每个子模块的注入电压为（N-a）V1/N。

所述第三故障保护单元的具体内容如下，如图4所示：

故障发生后，闭锁故障子模块的IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2，子模块暂时闭锁，待故障消失后闭锁子模块重新投入运行。

以上实施例仅是本发明的较佳实施例而已。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法，其特征在于，包括：

当DPFC子模块旁路开关合闸失灵时，DPFC设备整体停运旁路；

当DPFC子模块内部元件故障时，故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行；

当DPFC子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障时，故障消失后允许子模块重新投入运行；

当DPFC子模块旁路开关合闸失灵时，DPFC设备整体停运旁路，其保护方法如下：

DPFC配置三处旁路设备，分别是每相DPFC配置的分相旁路开关BPS、每个子模块配置的第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2，第一旁路开关KM1与第二旁路开关KM2并联；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2均合闸失灵，DPFC在接收子模块保护动作或停运信号后200ms的窗口时间内，如检测到子模块的两个旁路开关均未合上，则闭锁换流阀、下发闭合旁路设备BPS、KM1和KM2指令，紧急退出DPFC整体设备；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2中的任一个以及分相旁路开关BPS均合闸失灵，对应合闸失灵子模块的健全旁路开关将永久旁路，其余子模块保持正常运行；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2中的任一个出现合闸失灵，那么记录存在拒合故障的子模块，所有子模块均保持正常运行。

2.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法，其特征在于，当DPFC子模块内部元件故障时，故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行，其保护方法如下：

假设每相共串入N个DPFC子模块，每个子模块的最大注入电压为V1，DPFC的注入电压控制指令为V2；当A相a个子模块出现内部元件故障时，触发子模块保护，相应故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行，待检修完成和解除永久闭锁后，方可重投子模块；

1）若DPFC注入电压控制指令V2小于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1，则DPFC的控制指令V2保持不变，故障相A相每个子模块的注入电压为V2/（N-a），非故障相每个子模块的注入电压为V2/N；

2）若DPFC注入电压控制指令V2大于等于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1，则DPFC的控制指令V2调整为（N-a）V1，故障相A相每个子模块的注入电压为V1，非故障相每个子模块的注入电压为（N-a）V1/N。

3.根据权利要求2所述的分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法，其特征在于，

所述的触发子模块保护是指：闭锁IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2。

4.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护方法，其特征在于，当DPFC子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障时，故障消失后允许子模块重新投入运行，其保护方法如下：

故障发生后，闭锁故障子模块的IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2，子模块暂时闭锁，待故障消失后闭锁子模块重新投入运行。

5.分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护系统，其特征在于，包括：

第一故障保护单元：当DPFC子模块旁路开关合闸失灵时，DPFC设备整体停运旁路；

第二故障保护单元：当DPFC子模块内部元件故障时，故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行；

第三故障保护单元：当DPFC子模块电气量保护、通信类故障及暂态类故障时，故障消失后允许子模块重新投入运行；

所述第一故障保护单元的具体内容如下：

DPFC配置三处旁路设备，分别是每相DPFC配置的分相旁路开关BPS、每个子模块配置的第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2，第一旁路开关KM1与第二旁路开关KM2并联；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2均合闸失灵，DPFC在接收子模块保护动作或停运信号后200ms的窗口时间内，如检测到子模块的两个旁路开关均未合上，则闭锁换流阀、下发闭合旁路设备BPS、KM1和KM2指令，紧急退出DPFC整体设备；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2中的任一个以及分相旁路开关BPS均合闸失灵，对应合闸失灵子模块的健全旁路开关将永久旁路，其余子模块保持正常运行；

若第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2中的任一个出现合闸失灵，那么记录存在拒合故障的子模块，所有子模块均保持正常运行。

6.根据权利要求5所述的分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护系统，其特征在于，所述第二故障保护单元的具体内容如下：

假设每相共串入N个DPFC子模块，每个子模块的最大注入电压为V1，DPFC的注入电压控制指令为V2；当A相a个子模块出现内部元件故障时，触发子模块保护，相应故障子模块永久闭锁并旁路，其余子模块正常运行，待检修完成和解除永久闭锁后，方可重投子模块；

1）若DPFC注入电压控制指令V2小于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1，则DPFC的控制指令V2保持不变，故障相A相每个子模块的注入电压为V2/（N-a），非故障相每个子模块的注入电压为V2/N；

2）若DPFC注入电压控制指令V2大于等于DPFC剩余在运子模块的最大注入电压（N-a）V1，则DPFC的控制指令V2调整为（N-a）V1，故障相A相每个子模块的注入电压为V1，非故障相每个子模块的注入电压为（N-a）V1/N。

7.根据权利要求6所述的分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护系统，其特征在于，

所述的触发子模块保护是指：闭锁IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2。

8.根据权利要求5所述的分布式潮流控制器子模块故障下的控制保护系统，其特征在于，所述第三故障保护单元的具体内容如下：

故障发生后，闭锁故障子模块的IGBT，触发旁路晶闸管TBS，闭合子模块第一旁路开关KM1和第二旁路开关KM2，子模块暂时闭锁，待故障消失后闭锁子模块重新投入运行。

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