CN106026048B - 一种基于就地检测就地保护的直流电网故障处理策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于就地检测就地保护的直流电网故障处理策略，其应用场合为基于半桥子模块MMC换流器的通过架空线路相连的配备混合式高压直流断路器的柔性直流电网。当直流电网中某线路发生直流故障时，线路两侧的断路器根据流经负载转移开关的电流大小自行独立完成故障检测和跳闸动作，两者之间不需要协调，也无需继电保护***完成故障定位。此种故障处理策略具有极高的快速性和选择性，一般在几个毫秒内即可完成，非常适合于直流电网，可以大大降低要求直流断路器切断的故障电流水平，从而降低直流断路器的造价，提升柔性直流电网的适用前景。
Description
技术领域
本发明属于电力***技术领域，具体涉及一种基于就地检测就地保护的直流电网故障处理策略。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭和改善环境压力的日益增加，大规模开发和利用新能源势在必行。为了解决新能源并网与消纳问题，基于电压源型换流器，特别是模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流电网技术正逐渐成为学术研究的热点。柔性直流电网可以充分利用各种能源资源的互补特性及现有的交直流输配电设备，实现广域大范围内能源资源的优化配置、大规模新能源电力的可靠接入以及现有电力***运行稳定性的提升，具有广阔的应用前景。
直流故障是制约柔性直流输电技术发展的重要因素。相比于交流***，直流***的阻尼相对较低，因此其故障发展更快、控制保护的难度更大。目前工程界的主流思路是换流站采用经济性高的半桥子模块，同时在直流侧加装直流断路器以处理直流故障。
相较于其他类型断路器，基于常规机械开关和电力电子器件的混合式断路器最具有大规模商业化应用的前景。2012年11月，ABB公司宣布其开发出世界首台混合式高压直流断路器，开断时间为5ms，电流开断能力约为9kA。其基本结构如图1所示。其中，日常通流支路由超快速机械开关和电流转移开关串联构成；故障断流支路由主断路器构成。各部分的基本结构如下：
(1)主断路器：由多个开关单元串联而成，其中每个开关单元均包括若干正、反向串联的IGBT及反并联二极管，并配备独立的避雷器；为提升断路器的开断能力，可采用IGBT并联结构。主断路器需具备双向断流能力，并承受极对地电压。
(2)电流转移开关：具体结构与主断路器类似，由多个开关单元串联而成，其中每个开关单元均包括若干正、反向串联的IGBT及反并联二极管。由于其不需要承受较高的电压，因此其所需的电力电子器件较少。电流转移开关需具备双向断流能力。
(3)超快速机械开关：需具有零电流状态下快速断开电路的能力，在当前研发能力下，其开断时间为2ms左右。
然而该断路器的经济性受***故障检测时间影响较大，而这也是制约此方案可行性的重要因素。基于此断路器的常规策略是沿用交流电网的做法，先由继电保护***判断出故障地点，然后由断路器隔离故障线路。但这种做法对继电保护***的快速性和选择性提出了极高的要求，一般条件下要求故障定位速度比普通交流线路保护快一个数量级。如果直流电网的故障定位速度停留在点对点传统直流输电的故障定位速度上，即故障定位时间在10ms左右，那么要求直流断路器切断的故障电流水平就会上升到非常高的水平，使直流断路器的造价大幅度上升。其后果是严重限制了半桥子模块MMC加直流断路器这种构网方式的应用。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于就地检测就地保护的直流电网故障处理策略，可有效提升网内直流断路器的响应速度。
一种基于就地检测就地保护的直流电网故障处理策略，应用于基于MMC的柔性直流输电***，且***中的换流站采用真双极布置方式，各换流站与直流输电线路之间安装有混合式高压直流断路器，所述的混合式高压直流断路器包括主断路器、电流转移开关和超快速机械开关；
所述的直流电网故障处理策略包括换流器层面和混合式高压直流断路器层面的两方面保护，其中：
换流器层面的保护：即在MMC各桥臂上加装电流检测器，当任一桥臂电流超过阈值Iblock，则将该MMC所在换流站即刻闭锁；
混合式高压直流断路器层面的保护：即在电流转移开关和主断路器上加装电流检测器，当流进电流转移开关的电流大于阈值Iopen，则立刻对电流转移开关施加开断动作；当电流转移开关完成开断，则流经电流转移开关的电流下降为0，此时对超快速机械开关施加开断动作；当超快速机械开关完成开断，若此时流经主断路器的电流大于阈值Iopen，则立刻对主断路器施加开断动作；若此时流经主断路器的电流小于等于阈值Iopen，则保持主断路器先前的开关状态，暂不动作。
所述***中各换流站之间连接方式可分为放射型或网状型等。
所述的阈值Iblock设定为MMC子模块所采用IGBT额定电流的2倍。
所述的阈值Iopen设定为正常情况下流经混合式高压直流断路器最大电流的2倍。
对于在故障处理过程中闭锁的换流站，应在故障清除后尽快解锁，恢复正常运行状态，并按故障发生前的控制策略运行。
对于非故障线路两侧的混合式高压直流断路器，若在故障处理过程中由于流经的电流大于阈值Iopen而完成开断动作的，应在确认故障定位后及时重新闭合。
现有直流电网故障处理策略中，断路器的动作信号需要继电保护装置在完成故障定位后发出。目前故障定位时间一般在10ms左右，这使得直流断路器需要切断的故障电流上升到非常高的水平，使直流断路器的造价大幅度上升。而在本发明所提出的策略下，线路两侧的断路器独立完成故障检测和跳闸动作，两者之间不需要协调；故本发明故障处理策略具有极高的快速性和选择性，一般在几个ms即可完成，非常适合于直流电网，可以大大降低要求直流断路器切断的故障电流水平，从而降低直流断路器的造价。
附图说明
图1为混合式高压直流断路器的结构示意图。
图2为本发明混合式高压直流断路器动作策略的流程示意图。
图3为本发明仿真例中直流输电***的结构示意图。
图4为本发明仿真例中流过8个直流断路器的电流波形示意图。
图5(a)为本发明仿真例中直流断路器B24的高速隔离开关、主断路器功率器件以及主断路器避雷器中的电流波形示意图。
图5(b)为本发明仿真例中直流断路器B24的高速隔离开关、主断路器功率器件以及主断路器避雷器中的电压波形示意图。
图6(a)为本发明仿真例中直流断路器B42的高速隔离开关、主断路器功率器件以及主断路器避雷器中的电流波形示意图。
图6(b)为本发明仿真例中直流断路器B42的高速隔离开关、主断路器功率器件以及主断路器避雷器中的电压波形示意图。
图7(a)为本发明仿真例中流过换流站平波电抗器的电流波形示意图。
图7(b)为本发明仿真例中换流站端口的直流电压波形示意图。
图7(c)为本发明仿真例中换流站内部桥臂电流波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
本发明基于就地检测就地保护的直流电网故障处理策略中，直流电网的组成如下：模块化多电平换流器采用半桥子模块，直流线路采用架空线路相连，直流侧配备ABB公司提出的混合式高压直流断路器。直流电网中，各柔性直流换流站采用真双极布置方式，各换流站之间连接方式可分为放射型、网状型等。
本发明直流电网故障处理策略，包括两个方面：
第一个方面为换流器层面的保护。在MMC换流器的6个桥臂均加装桥臂电流检测器，检测流经该桥臂的桥臂电流的大小。如果任意桥臂的桥臂电流大于人为设定的闭锁动作阈值Iblock，则该换流站即刻闭锁。人为设定的闭锁动作阈值Iblock可设定为子模块所采用的IGBT的额定电流的2倍。
第二个方面为混合式高压直流断路器层面的保护。混合式高压直流断路器的结构如图1所示。在混合式高压直流断路器的电流转移开关上加装直流电流检测器，当流经直流断路器电流转移开关的电流ILCS大于人为设定的开断动作阈值Iopen时，该电流转移开关立刻进行开断动作，该时刻记为t1时刻。人为设定的开断动作阈值Iopen可设定为正常情况下流经线路的最大电流的2倍。t2时刻，流经电流转移开关的电流下降为0，对超快速机械开关发出开断信号。t3时刻，超快速机械开关发完成开断动作，检测此时流经主断路器的电流IMB，若仍大于Iopen，则对主断路器发出开断信号；若小于Iopen，则主断路器处于待命状态，暂不动作，直到电流大于Iopen或继电保护***发来动作指令；具体流程如图2所示。
其中，对于在故障处理过程中闭锁的换流站，应在故障清除后尽快解锁，恢复正常运行状态，按照故障发生前的控制策略运行。对于非故障线路两侧的混合式高压直流断路器，若在故障处理过程中由于流经电流转移开关的电流大于人为设定的开断动作阈值而完成了开断动作，应在确认故障定位后及时重新闭合。
以下采用如图3所示的直流电网进行仿真验证。直流电网初始运行状态如表1所示。其中换流站4采用定电压运行，其余换流站均采用定功率运行，换流站1、2、3的交流功率分别为-200MW、-400MW以及200MW。
表1
传统策略——由继电保护***主导故障处理过程。考察的故障是换流站2与换流站4之间的直流线路发生单极接地短路。设仿真开始时(t＝0s)测试***已进入稳态运行。t＝10ms时在正极直流开关B24线路侧发生单极接地短路。t＝20ms时继电保护***完成故障定位，直流断路器B24和B42的电流转移开关动作，t＝20.25ms时对高速隔离开关施加断开信号；t＝22.25ms时高速隔离开关完成开断，主断路器动作。
本发明策略——基于就地检测就地保护的故障处理过程。对于本测试***，换流站1和3的子模块额定电流为1.5kA，换流站2和4的子模块额定电流为3.0kA。因此，对于换流站1和3，当子模块电流达到3.0kA时换流站闭锁；对于换流站2和4，当子模块电流达到6.0kA时换流站闭锁。测试***中所有直流线路正常运行条件下的最大电流都小于3.0kA，因此当流经直流断路器电流转移开关的电流大于6kA时，该电流转移开关就动作，并起动该直流断路器动作的整个过程。
首先考察换流站2与换流站4之间的直流线路发生单极接地短路故障。设仿真开始时(t＝0s)测试***已进入稳态运行。t＝10ms时在正极直流开关B24线路侧发生单极接地短路。图4给出了流过8个直流断路器的电流波形，可以看到，故障线路两侧的断路器B24和B42分别在故障后1.6ms和8.8ms达到其动作值并动作，在断路器B24和B42动作后，流过其他断路器的电流开始下降，因而其他断路器不会动作。
图5给出了混合型直流断路器B24的响应特性；图6给出了混合型直流断路器B42的响应特性；图7给出了换流站的响应特性。从图5可以看出，对于短路点近处的断路器B24，电流转移开关动作时的电流值为6.0kA，主断路器动作时的电流为12.6kA，主断路器断开后瞬间承受的电压为890.6kV，是直流电网额定电压的1.78倍。从图6可以看出，对于短路点远处的断路器B42，电流转移开关动作时的电流值为6.0kA，主断路器动作时的电流为7.1kA，主断路器断开后瞬间承受的电压为831.9kV，是直流电网额定电压的1.66倍。
从图7可以看出，对于离短路点较近的换流站2和1，流过平波电抗器的电流分别达到6.6kA和4.6kA，桥臂电流未超过其额定电流的2倍，换流站2和1无需闭锁；B24和B42的主断路器开断瞬间全网过电压达到峰值，其中换流站3出口电压达到1054.0kV，超过其额定电压的2倍。
针对正极直流开关B24线路侧发生单极接地短路故障，表2给出了2种故障处理策略的性能比较。
表2
| 类别 | 策略1 | 策略2 |
| B24电流转移开关动作时间/ms | 10ms | 11.6ms |
| B24电流转移开关动作电流/kA | 23.4kA | 6.0kA |
| B24主断路器动作电流/kA | 19.2kA | 12.6kA |
| B24主断路器断开后瞬间承受的过电压倍数 | 1.87倍 | 1.78倍 |
| B42电流转移开关动作时间/ms | 10ms | 8.8ms |
| B42电流转移开关动作电流/kA | 5.5kA | 6.0kA |
| B42主断路器动作电流/kA | 6.5kA | 7.1kA |
| B42主断路器断开后瞬间承受的过电压倍数 | 1.65倍 | 1.66倍 |
| 流过换流站1平波电抗器的电流最大值/kA | 7.3kA | 4.6kA |
| 流过换流站2平波电抗器的电流最大值/kA | 14.3kA | 6.6kA |
| 流过换流站3平波电抗器的电流最大值/kA | 6.0kA | 2.1kA |
| 流过换流站4平波电抗器的电流最大值/kA | 7.0kA | 4.4kA |
| 流过换流站1桥臂的电流最大值/kA | 4.1kA | 1.9kA |
| 流过换流站2桥臂的电流最大值/kA | 7.4kA | 3.0kA |
| 流过换流站3桥臂的电流最大值/kA | 2.4kA | 1.0kA |
| 流过换流站4桥臂的电流最大值/kA | 4.6kA | 2.9kA |
可以看出，现有直流电网故障处理策略中，断路器的动作信号需要继电保护装置在完成故障定位后发出。目前故障定位时间一般在10ms左右，这使得直流断路器需要切断的故障电流上升到非常高的水平，使直流断路器的造价大幅度上升。而在本发明所提出的策略下，线路两侧的断路器独立完成故障检测和跳闸动作，两者之间不需要协调。此种故障处理策略具有极高的快速性和选择性，一般在几个ms即可完成，非常适合于直流电网，可以大大降低要求直流断路器切断的故障电流水平，从而降低直流断路器的造价。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于就地检测就地保护的直流电网故障处理策略，应用于基于MMC的柔性直流输电***，且***中的换流站采用真双极布置方式，各换流站与直流输电线路之间安装有混合式高压直流断路器，所述的混合式高压直流断路器包括主断路器、电流转移开关和超快速机械开关；其特征在于：
所述的直流电网故障处理策略包括换流器层面和混合式高压直流断路器层面的两方面保护，其中：
换流器层面的保护：即在MMC各桥臂上加装电流检测器，当任一桥臂电流超过阈值Iblock，则将该MMC所在换流站即刻闭锁；
混合式高压直流断路器层面的保护：即在电流转移开关和主断路器上加装电流检测器，当流进电流转移开关的电流大于阈值Iopen，则立刻对电流转移开关施加开断动作；当电流转移开关完成开断，则流经电流转移开关的电流下降为0，此时对超快速机械开关施加开断动作；当超快速机械开关完成开断，若此时流经主断路器的电流大于阈值Iopen，则立刻对主断路器施加开断动作；若此时流经主断路器的电流小于等于阈值Iopen，则保持主断路器先前的开关状态，暂不动作；
所述的阈值Iblock设定为MMC子模块所采用IGBT额定电流的2倍，所述的阈值Iopen设定为正常情况下流经混合式高压直流断路器最大电流的2倍；
对于在故障处理过程中闭锁的换流站，应在故障清除后尽快解锁，恢复正常运行状态，并按故障发生前的控制策略运行；
对于非故障线路两侧的混合式高压直流断路器，若在故障处理过程中由于流经的电流大于阈值Iopen而完成开断动作的，应在确认故障定位后及时重新闭合。
2.根据权利要求1所述的直流电网故障处理策略，其特征在于：所述***中各换流站之间连接方式可为放射型或网状型。
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