CN102403886A - 模块化多电平换流器的直流线路瞬时短路故障的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模块化多电平换流器的直流线路瞬时性短路故障的保护方法，属于直流输电技术领域。在模块化多电平换流器的每个功率单元的交流端口各并联一组双向晶闸管开关，直流线路发生瞬时性短路故障时，闭锁所有功率单元的控制脉冲，同时触发所有的双向晶闸管开关导通，使直流线路短路点自然灭弧后短路点消失。当检测到直流线路短路电流为零后，控制所有的双向晶闸开关关断，然后打开所有功率单元的控制脉冲，使换流器重新投入运行。通过本发明的方法，可以在故障期间快速保护换流器的开关器件不受损坏，又可以在故障后使直流短路点自然灭弧，使装置可以自动快速重新投入运行，避免装置的彻底停运，大大提高装置的可靠性和可用率。

Description

模块化多电平换流器的直流线路瞬时短路故障的保护方法
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平换流器的直流线路瞬时短路故障的保护方法，尤其涉及基于模块化多电平换流器的柔性直流输电***中的短路故障的保护方法，属于直流输电技术领域。
背景技术
柔性直流输电基于电压源换流器和脉冲宽度调制技术将直流电压逆变为幅值和相位都可控的交流电压，并可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，极大地增强了输电的灵活性。模块化多电平换流器不需要开关器件直接串联，并且通过多电平技术可以获得优异的谐波性能和损耗性能，在柔性直流输电领域是一种最有应用潜质的电压源换流器拓扑结构。
在直流输电***中，存在各种因素可能导致直流线路发生瞬时性短路故障。尤其是当直流输电线路采用架空线时，雷击等原因可能导致线路杆塔等的过电压击穿，发生直流线路瞬时性短路故障，并引起电压源换流器中出现比较大的过电流，对换流器的功率器件安全产生威胁。常规过电流保护方法是通过闭锁控制脉冲的方式使电压源换流器的所有开关器件全部关断。但是当直流线路发生瞬时性短路故障时，由于电压源换流器的续流二极管的作用，电压源换流器将直接变成一个不控整流桥，即使通过闭锁换流器控制脉冲关断所有开关器件，整流桥的存在仍将导致短路电流流过电压源换流器中的续流二极管和瞬时短路点。短路电流的大小取决于交流母线电压、交流侧***内阻抗和直流短路电阻等因素。如果不能迅速切断短路电流，续流二极管将由于承受过电流而导致损坏。
更为关键的是，导致直流线路瞬时性短路故障的原因通常为雷击等导致的过电压击穿。但是由于短路故障后换流器已经处于不控整流状态，整流后仍有直流电压施加在短路点，导致短路点无法灭弧。即使导致瞬时短路的外部因素消失后短路电流也不会消失，致使故障保护非常困难。目前在直流线路发生瞬时性短路故障的情况下，只能通过断开交流断路器，使换流器脱离交流电网才能切断短路电流。但是交流断路器的断开也意味着柔性直流输电***的彻底停运，需要经过比较繁复人工操作过程才能够重新投运，造成直流输电***的长时间停运，带来的功率传输损失，并使柔性直流输电***的可靠性和可用率大为降低。
发明内容
本发明的目的是提出一种模块化多电平换流器的直流线路瞬时短路故障的保护方法，以使在直流线路发生瞬时性短路故障的情况下，可以快速保护换流器开关器件不会因承受过大短路电流而损坏；在直流***保护动作不需要断开交流断路器脱离电网，在导致直流线路发生短时性短路故障的外部因素消失后，可以使换流器快速自动重新投入运行。
本发明提出的模块化多电平换流器的直流线路瞬时短路故障的保护方法，包括以下步骤：
(1)在模块化多电平换流器的每个功率单元的交流端口各并联一组双向晶闸管开关，双向晶闸管开关的一端与模块化多电平换流器的功率单元的正端子连接，双向晶闸管开关的另一端与模块化多电平换流器的功率单元负端子连接；
(2)采集模块化多电平换流器的直流线路电流信号；
(3)在正常运行状态下，设定模块化多电平换流器的直流线路电流保护动作阈值，将上述采集的直流线路电流信号与设定的电流保护动作阈值比较判断，若直流线路电流信号小于设定的电流保护动作阈值，则使模块化多电平换流器维持在正常运行状态；若直流线路电流信号大于或等于设定的电流保护动作阈值，则使模块化多电平换流器进入保护状态；
(4)在保护状态下，设定模块化多电平换流器的直流线路电流保护返回阈值，将上述采集的直流线路电流信号与设定的电流保护返回阈值比较判断，若直流线路电流信号大于设定的电流保护返回阈值，使模块化多电平换流器维持在保护状态，若直流线路电流信号小于或等于设定的电流保护返回阈值，使模块化多电平换流器返回到正常运行状态；
(5)在上述的正常运行状态时，在模块化多电平换流器功率单元的双向晶闸管门极上施加零电平信号，在模块化多电平换流器功率单元的绝缘栅双极晶体管的门极施加控制脉冲信号；在上述的保护运行状态时，在模块化多电平换流器功率单元的双向晶闸管门极上施加触发导通信号，在模块化多电平换流器功率单元的绝缘栅双极晶体管的门极施加零电平信号。
本发明提出的模块化多电平换流器的直流线路瞬时短路故障的保护方法，在直流线路短路发生瞬时性短路故障时，通过触发双向晶闸管开关导通，可以将短路电流快速的转移到双向晶闸管开关中，保护换流器功率单元中的开关器件的安全。由于双向晶闸管开关导通后，使电路的状态变为三相交流电源直接短路，避免了续流二极管带来的整流状态，瞬时性短路点由于承受交流电压自然灭弧，瞬时性短路点被自然切断，短路电流消失。当短路点断开后，直流线路短路电流变为零，可以立即解除保护状态，使双向晶闸管开关断开，打开换流器功率单元的控制脉冲，使换流器自动重新投入运行，自然回到短路故障前的状态。在整个保护动作过程中无需断开交流断路器，使装置不需要彻底停运。通过本发明的方法，即可以在故障期间快速保护换流器的开关器件不受损坏，又可以在故障后使直流短路点自然灭弧，使装置可以自动快速重新投入运行，避免装置的彻底停运，大大提高装置的可靠性和可用率。
附图说明
图1是本发明提出的模块化多电平换流器的直流线路瞬时短路故障的保护方法涉及的电路图。
图2是已有技术中模块化多电平换流器的直流线路发生瞬时性短路故障后的等效电路示意图。
图3是采用本发明方法后模块化多电平换流器的直流线路发生瞬时性短路故障后的等效电路示意图。
图4是采用本发明方法后模块化多电平换流器的直流线路发生瞬时性短路故障时所有晶闸管开关都被触发导通后的等效电路示意图。
具体实施方式
本发明提出的模块化多电平换流器的直流线路瞬时性短路故障保护方法，包括以下步骤：
(1)在模块化多电平换流器的每个功率单元的交流端口各并联一组双向晶闸管开关，双向晶闸管开关的一端与模块化多电平换流器的功率单元的正端子连接，双向晶闸管开关的另一端与模块化多电平换流器的功率单元负端子连接；
(2)采集模块化多电平换流器的直流线路电流信号；
(3)在正常运行状态下，设定模块化多电平换流器的直流线路电流保护动作阈值，将上述采集的直流线路电流信号与设定的电流保护动作阈值比较判断，若直流线路电流信号小于设定的电流保护动作阈值，则使模块化多电平换流器维持在正常运行状态；若直流线路电流信号大于或等于设定的电流保护动作阈值，则使模块化多电平换流器进入保护状态；
(4)在保护状态下，设定模块化多电平换流器的直流线路电流保护返回阈值，将上述采集的直流线路电流信号与设定的电流保护返回阈值比较判断，若直流线路电流信号大于设定的电流保护返回阈值，使模块化多电平换流器维持在保护状态，若直流线路电流信号小于或等于设定的电流保护返回阈值，使模块化多电平换流器进入到正常运行状态；
(5)在上述的正常运行状态时，在模块化多电平换流器功率单元的双向晶闸管门极上施加零电平信号，在模块化多电平换流器功率单元的绝缘栅双极晶体管的门极施加控制脉冲信号；在上述的保护运行状态时，模块化多电平换流器功率单元的双向晶闸管门极上施加触发导通信号，在模块化多电平换流器功率单元的绝缘栅双极晶体管的门极施加零电平信号。
以下结合附图详细说明本发明内容。
图1所示是本发明提出的模块化多电平换流器的直流线路瞬时短路故障的保护方法涉及的电路图，每个桥臂由N个功率单元顺序级联构成，6个桥臂按图1所示的方式组成模块化多电平换流器，换流器的交流端口通过交流断路器接入交流电网。每个功率单元由两个绝缘栅双极晶体管S1、S2，两个续流二极管D1、D2以及直流电容C构成。
当柔性直流输电***运行时，由于雷击等因素会在直流线路杆塔上产生过电压，当过电压引起该点正负直流极线路击穿后，将造成该点直流线路发生瞬时性短路故障，产生短路电流。短路电流将引发换流器的过电流保护动作，产生脉冲闭锁保护，使所有功率单元中的绝缘栅双极晶体管S1和S2处于关断状态。当未采用本发明的方法时，直流线路发生短路时的换流器等效电路如图2所示，其中二极管D等效于该桥臂所有功率单元中续流二极管D2的串联。可以看出图2的等效电路为一个三相二极管整流器，虽然所有功率单元的正向开关已经关断，但是三相交流电源仍通过二极管整流器在直流线路短路点上施加直流电压，并产生直流短路电流。各功率单元的二级管将承受非常大的短路电流，可能会造成二极管的损坏。另一个重要问题是：即使雷击过电压等因素消失后，由于整流后的直流电压的存在，该短路点仍无法灭弧和切断，直流线路的短路电流仍无法消失。这种情况下只有断开与交流电源连接的交流断路器，使换流器与交流电源断开，才能够使短路电流灭弧后变为零，使短路点恢复正常。但是这将造成装置的彻底停运。一旦交流断路器断开，使装置重新投运需要按照预定规程通过人工操作，这将带来装置的长时间停运，造成功率传输的长时间中断，使柔性直流输电***的可靠性和可用率大为降低。
在本发明的一个实施例中，当直流线路发生瞬时性短路故障时，将按照如下方法进行保护：
(1)在模块化多电平换流器的每个功率单元的交流端口各并联一组双向晶闸管开关SCR1，双向晶闸管开关的一端与模块化多电平换流器的功率单元的正端子连接，双向晶闸管开关的另一端与模块化多电平换流器的功率单元负端子连接；
(2)采集模块化多电平换流器的直流线路电流信号Id；
(3)在正常运行状态下，在模块化多电平换流器功率单元的绝缘栅双极晶体管的门极施加控制脉冲信号，使模块化多电平换流器正常工作运行。在模块化多电平换流器功率单元的双向晶闸管门极上施加零电平信号，使双向晶闸管处于关断状态，对于模块化多电平换流器正常工作运行没有影响。
(4)在正常运行状态下，设定模块化多电平换流器的直流线路电流保护动作阈值Iact。电流保护动作阈值Iact一般可以取额定直流线路电流的2～3倍。将上述采集的直流线路电流信号Id与设定的电流保护动作阈值Iact比较判断，若Id＜Iact，则使模块化多电平换流器维持在正常运行状态；若Id≥Iact，说明直流线路发生了短路引起直流电流增大，则使保护动作，使模块化多电平换流器进入保护状态。
(5)一旦进入保护状态下，立即在模块化多电平换流器功率单元的绝缘栅双极晶体管的门极施加零电平信号，使所有的功率单元处于闭锁状态。同时立即模块化多电平换流器功率单元的双向晶闸管门极上施加触发导通信号，使双向晶闸管导通。图3是采用本发明方法后模块化多电平换流器的直流线路发生瞬时性短路故障后的等效电路示意图。
通过触发双向晶闸管开关导通，可以将短路电流快速的转移到双向晶闸管中，起到保护换流器功率单元中的开关器件的安全。如图4所示，由于双向晶闸管开关导通后，使电路的状态变为三相交流电源通过换流器的连接电抗短路，避免了续流二极管带来的整流状态。由于电路的状态变为三相交流电源短路，模块化多电平换流器功率单元的直流侧也等效为承受一个比较小的交流电压。由于导致瞬时性短路故障的因素已经消失，瞬时性短路点点由于承受交流电压自然灭弧，瞬时性短路点被自然切断，短路电流消失。当瞬时性短路点被自然切断，短路电流消失后，模块化多电平换流器已经具备了退出保护状态，回到正常运行状态的条件。
(6)设定模块化多电平换流器的直流线路电流保护返回阈值Iret，电流保护返回阈值Iret一般应设为略大于零的值。将上述采集的直流线路电流信号Id与设定的电流保护返回阈值比较判断，若Id＞Iret，则说明瞬时性短路点还未断开，仍使模块化多电平换流器维持在保护状态。若Id≤Iret，则说明短路电流已经消失，瞬时性短路点已经断开，则使模块化多电平换流器进入到正常运行状态；
通过本发明提出的模块化多电平换流器的直流线路瞬时性短路故障保护方法，在直流线路短路发生瞬时性短路故障时，即可以在故障期间快速保护换流器的开关器件不受损坏，又可以在故障后使直流短路点自然灭弧，使装置可以自动快速重新投入运行，避免装置的彻底停运，大大提高装置的可靠性和可用率。

Claims (1)

1.一种模块化多电平换流器的直流线路瞬时短路故障的保护方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)在模块化多电平换流器的每个功率单元的交流端口各并联一组双向晶闸管开关，双向晶闸管开关的一端与模块化多电平换流器的功率单元的正端子连接，双向晶闸管开关的另一端与模块化多电平换流器的功率单元负端子连接；
(2)采集模块化多电平换流器的直流线路电流信号；
(3)在正常运行状态下，设定一个模块化多电平换流器的直流线路电流保护动作阈值，将上述采集的直流线路电流信号与设定的电流保护动作阈值进行比较，若直流线路电流信号小于设定的电流保护动作阈值，则使模块化多电平换流器维持正常运行；若直流线路电流信号大于或等于设定的电流保护动作阈值，则使模块化多电平换流器进入保护状态；
(4)在保护状态下，设定一个模块化多电平换流器的直流线路电流保护返回阈值，将上述采集的直流线路电流信号与设定的电流保护返回阈值进行比较，若直流线路电流信号大于设定的电流保护返回阈值，则使模块化多电平换流器维持保护状态运行，若直流线路电流信号小于或等于设定的电流保护返回阈值，则使模块化多电平换流器进入正常运行状态运行；
(5)当正常运行状态时，在模块化多电平换流器功率单元的双向晶闸管门极上施加零电平信号，在模块化多电平换流器功率单元的绝缘栅双极晶体管的门极施加控制脉冲信号；当保护运行状态时，模块化多电平换流器功率单元的双向晶闸管门极上施加触发导通信号，在模块化多电平换流器功率单元的绝缘栅双极晶体管的门极施加零电平信号。
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