CN107863758B - Mmc直流电压保护的改进方法 - Google Patents
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Abstract
一种MMC直流电压保护的改进方法，属于高压直流输电技术领域。本发明的目的是通过增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，以实现解决直流保护误动事故的MMC直流电压保护的改进方法。本发明步骤是通过对MMC‑HVDC***数学模型进行定性分析确定直流电压保护的闭锁判据，确定直流电压保护中交流电压整定值Uac_set，改进直流电压保护。本发明在深化MMC‑HVDC数学建模的基础上，进一步对MMC‑HVDC交流***故障时的直流保护配置进行深入地研究具有明显的工程应用价值和现实意义。
Description
技术领域
本发明属于高压直流输电技术领域。
背景技术
基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术（MMC-HVDC）作为一种新型的柔性直流输电技术，研究时间较短，实际工程应用较匮乏，需要对该技术进行深入研究。当前可供参考的文献资料主要侧重于MMC-HVDC***的建模仿真、调制策略等稳态控制机理，对于保护方面的研究也多关注在直流侧的故障分析。在模块化多电平高压柔性直流输电***中，交流***与直流***分别配置保护。当直流***发生故障时，直流保护迅速切除故障，以保证直流设备免于损坏；同理，交流保护在交流***发生故障后迅速工作，同时直流保护应该不动作。但是，由于交流故障引起的直流暂态和直流故障具有相似性，并且直流保护原理与整定方法具有不完善性，交流故障发生时可能引起直流保护误动。根据柔性直流输电工程现场反馈的情况来看，交流故障发生时，直流保护误动的事故时有发生，对***的安全运行造成了威胁。因此，在深化MMC-HVDC数学建模的基础上，进一步对MMC-HVDC交流***故障时的直流保护配置进行深入地研究具有明显的工程应用价值和现实意义。
发明内容
本发明的目的是通过增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，以实现解决直流保护误动事故的MMC直流电压保护的改进方法。
本发明步骤是：
步骤1：通过对MMC-HVDC***数学模型进行定性分析确定直流电压保护的闭锁判据：
步骤1-1：根据基尔霍夫定律可得MMC交流回路等效方程：
式（1）中：其中uj为交流电压，ij为交流电流，upj、unj分别为j相上、下桥臂电压，udc为直流电压，L0为桥臂电感，R0为桥臂电阻，j=a,b,c，是对交流电流ij的微分；
步骤1-2：根据式（1）推导出直流电压udc的等效方程式：
步骤1-3：根据电路原理分析，得到上下桥臂投入的总电容电压公式：
其中uj为交流电压，udiffj为第j相内部不平衡电压降；
步骤1-4：根据上述公式（2），推导出MMC-HVDC发生交流侧故障时引起直流电压udc下降的同时三相交流电压有效值也减小，但是直流故障不会引起交流电压有效值减小，因此提出将交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，当交流电压低于整定值直流电压保护闭锁；
步骤2：确定直流电压保护中交流电压整定值Uac_set，改进直流电压保护：
步骤2-1：计算并比较MMC-HVDC发生包括单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障在内的交流故障时交流电压有效值，选取其中最大值Uacmax1；
步骤2-2：MMC-HVDC发生直流侧发生故障时交流电压不受影响，为交流***输出电压Uac2；
步骤2-3：选取交流电压整定值Uac_set，其中
步骤2-4：在MMC-HVDC直流电压保护中引入交流电压整定值Uac_set，测量交流电压Uac,当Uac＜Uac_set时直流电压保护闭锁，解决了交流故障容易造成直流电压保护误动的问题。
本发明在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建MMC-HVDC仿真模型，其验证方法:
步骤3-1：搭建数学模型，在此基础上在PSCAD/EMTDC中搭建11电平的MMC-HVDC双端***仿真模型，并为***配置直流电压保护、交流电压保护等柔直工程常用保护；
步骤3-2：对MMC-HVDC双端***仿真模型进行包括单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障在内的交流故障仿真，故障点设置在变压器一次侧，故障发生后直流电压保护发生了误动，故仿真结果验证了交流故障可以引起直流电压保护误动；
步骤3-3：增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，即在仿真模型中增加一个比较逻辑，当实际交流电压小于交流电压整定值时，将直流电压保护闭锁，仿真结果显示这一改进措施有效的避免了直流故障造成交流电压保护误动的情况，验证了该改进方法具有可行性。
本发明步骤2-1中单相接地故障时：计算交流电压有效值，以A相为故障相，即UA=0,非故障相电压公式计算如下：
式中EA是故障相对地电压，Z0、Z1、Z2是从故障点看进去的零序、正序、负序阻抗，是复数因子。即发生单相接地故障时，Uacmax1=UB=UC。
本发明在深化MMC-HVDC数学建模的基础上，进一步对MMC-HVDC交流***故障时的直流保护配置进行深入地研究具有明显的工程应用价值和现实意义。
本发明以MMC-HVDC交流***故障下直流保护的暂态响应为切入点，***分析了交流***故障对直流保护造成的影响，梳理出实际柔性直流输电工程中的经常配置的几种直流保护方式，并提出了三相短路故障造成直流电压保护误动的机理以及相应的改进措施，为进一步提升直流***保护的可靠性提供指导。
本发明提供的直流电压保护的改进方法一定程度上解决了交流***故障造成直流电压保护误动的问题，具有推广价值。
附图说明
图1是MMC-HVDC单站***拓扑图；
图2是MMC交流侧单相接地故障等值电路图；
图3是MMC交流侧两相接地故障等值电路图；
图4是MMC交流侧三相接地故障等值电路图；
图5是三相短路故障时交流电压波形图；
图6是直流断线故障时交流电压波形图；
图7是MMC-HVDC保护配置图；
图8是改进后的保护模型图；
图9是三相短路故障时直流电压波形图（整流侧定直流电压控制）；
图10是三相短路故障时直流电压波形图（逆变侧定直流电压控制）。
具体实施方式
本发明由于交流故障引起的直流暂态和直流故障具有相似性，并且直流保护原理与整定方法具有不完善性，交流故障发生时可能引起直流保护误动。根据柔性直流输电工程现场反馈的情况来看，交流故障发生时，直流保护误动的事故时有发生，对***的安全运行造成了威胁。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种改进的MMC直流电压保护判据，主要内容是增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据。
所述方法包括下述步骤：
1、一种通过增加闭锁判据改进MMC直流电压保护的方法，主要内容是增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，其特点是在交流***故障时能够避免因故障特征相似性引起的保护误动。所述方法包括下述步骤：
步骤1：通过对MMC-HVDC***数学模型进行定性分析确定直流电压保护的闭锁判据。
步骤1-1：根据基尔霍夫定律可得MMC交流回路等效方程：
式（1）中：其中uj为交流电压，ij为交流电流，upj、unj分别为j相上、下桥臂电压，udc为直流电压，L0为桥臂电感，R0为桥臂电阻，是对交流电流ij的微分。
步骤1-2：根据式（1）推导出直流电压udc的等效方程式：
步骤1-3：根据电路原理分析，得到上下桥臂投入的总电容电压公式：
其中uj为交流电压，udiffj为第j相内部不平衡电压降。
步骤1-4：根据上述公式（2），推导出MMC-HVDC发生交流侧故障时引起直流电压udc下降的同时三相交流电压有效值也减小，但是直流故障不会引起交流电压有效值减小，因此提出将交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，当交流电压低于整定值直流电压保护闭锁。
步骤2：确定直流电压保护中交流电压整定值Uac_set，改进直流电压保护。
步骤2-1：计算并比较MMC-HVDC发生包括单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障在内的交流故障时交流电压有效值，选取其中最大值Uacmax1。
以单相接地故障为例，计算交流电压有效值，以A相为故障相，即UA=0,非故障相电压公式计算如下：
式中EA是故障相对地电压，Z0、Z1、Z2是从故障点看进去的零序、正序、负序阻抗，是复数因子。即发生单相接地故障时，Uacmax1=UB=UC。发生其他类型故障时交流电压的计算方法不再一一赘述。
步骤2-2：MMC-HVDC发生直流侧发生故障时交流电压不受影响，为交流***输出电压Uac2。
步骤2-3：选取交流电压整定值Uac_set，其中
步骤2-4：在MMC-HVDC直流电压保护中引入交流电压整定值Uac_set，测量交流电压Uac,当Uac＜Uac_set时直流电压保护闭锁，解决了交流故障容易造成直流电压保护误动的问题。
步骤3：:在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建MMC-HVDC仿真模型，验证所提出方法的可行性。
步骤3-1：搭建数学模型，在此基础上在PSCAD/EMTDC中搭建11电平的MMC-HVDC双端***仿真模型，并为***配置直流电压保护、交流电压保护等柔直工程常用保护。
步骤3-2：对MMC-HVDC双端***仿真模型进行包括单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障在内的交流故障仿真，故障点设置在变压器一次侧，故障发生后直流电压保护发生了误动，故仿真结果验证了交流故障可以引起直流电压保护误动。
步骤3-3：增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，即在仿真模型中增加一个比较逻辑，当实际交流电压小于交流电压整定值时，将直流电压保护闭锁，仿真结果显示这一改进措施有效的避免了直流故障造成交流电压保护误动的情况，验证了该改进方法具有可行性。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
1、一种MMC直流电压保护的改进方法，主要内容是增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，其特点是在交流***故障时能够避免因故障特征相似性引起的保护误动。
所述方法包括下述步骤：
1、一种通过增加闭锁判据改进MMC直流电压保护的方法，主要内容是增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，其特点是在交流***故障时能够避免因故障特征相似性引起的保护误动。所述方法包括下述步骤：
步骤1：通过对MMC-HVDC***数学模型进行定性分析确定直流电压保护的闭锁判据。
步骤1-1：如图1所示为MMC-HVDC单站***拓扑图，根据基尔霍夫定律可得MMC交流回路等效方程：
式（1）中：其中uj为交流电压，ij为交流电流，upj、unj分别为j相上、下桥臂电压，udc为直流电压，L0为桥臂电感，R0为桥臂电阻，j=a,b,c，是对交流电流ij的微分。
步骤1-2：根据式（1）推导出直流电压udc的等效方程式：
步骤1-3：根据电路原理分析，得到上下桥臂投入的总电容电压公式：
其中uj为交流电压，udiffj为第j相内部不平衡电压降。
步骤1-4：根据上述公式（2），推导出MMC-HVDC发生交流侧故障时引起直流电压udc下降的同时三相交流电压有效值也减小，但是直流故障不会引起交流电压有效值减小，因此提出将交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，当交流电压低于整定值直流电压保护闭锁。
步骤2：确定直流电压保护中交流电压整定值Uac_set，改进直流电压保护。
步骤2-1：计算并比较MMC-HVDC发生包括单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障在内的交流故障时交流电压有效值，故障等值电路图如图2、图3、图4所示，选取其中最大值Uacmax1。如图5所示。
以单相接地故障为例，计算交流电压有效值，以A相为故障相，即UA=0,非故障相电压公式计算如下：
式中EA是故障相对地电压，Z0、Z1、Z2是从故障点看进去的零序、正序、负序阻抗，是复数因子。即发生单相接地故障时，Uacmax1=UB=UC。发生其他类型故障时交流电压的计算方法不再一一赘述。
步骤2-2：MMC-HVDC发生直流侧发生故障时交流电压不受影响，为交流***输出电压Uac2。如图6所示。
步骤2-3：选取交流电压整定值Uac_set，其中
步骤2-4：在MMC-HVDC直流电压保护中引入交流电压整定值Uac_set，测量交流电压Uac,当Uac＜Uac_set时直流电压保护闭锁，解决了交流故障容易造成直流电压保护误动的问题。柔性直流输电工程直流场区主要配置的保护如图7所示。
步骤3：:在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建MMC-HVDC仿真模型，验证所提出方法的可行性。
步骤3-1：搭建数学模型，在此基础上在PSCAD/EMTDC中搭建11电平的MMC-HVDC双端***仿真模型，并为***配置直流电压保护、交流电压保护等柔直工程常用保护。仿真***主要参数如表1所示。
表1
步骤3-2：对MMC-HVDC双端***仿真模型进行包括单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障在内的交流故障仿真，故障点设置在变压器一次侧，故障发生后直流电压保护发生了误动，故仿真结果验证了交流故障可以引起直流电压保护误动。
步骤3-3：增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，即在仿真模型中增加一个比较逻辑，当实际交流电压小于交流电压整定值时，将直流电压保护闭锁，改进后的保护模型如图8所示，仿真结果显示这一改进措施有效的避免了直流故障造成交流电压保护误动的情况，验证了该改进方法具有可行性。
结合故障发生后直流***的暂态响应特征和柔性直流输电工程直流场区主要配置的保护可得出结论，发生三相短路故障时：
（1）如图9所示，整流站为定直流电压控制时，当整流站发生三相短路故障，整流站输入的功率下降，造成输入功率与输出功率的失衡，导致子模块电容电压和直流电压下跌，容易造成直流低压保护误动；
（2）如图10所示逆变站为定直流电压控制时，当逆变站发生三相短路故障，逆变站输出的功率下降，造成输入功率与输出功率的失衡，导致子模块电容电压和直流电压上升，容易造成直流过压保护误动。
分析直流故障与交流故障暂态响应特征的差异性，提出直流保护的改进措施。
步骤4-1：步骤4-1：基于等效电路公式推导得到相关判据对直流故障特性进行分析，
确定发生直流断线故障时交流电压uac1，发现uac1变化不明显。
步骤4-2：确定发生三相交流故障时交流电压uac2，发现uac2明显下降。
步骤4-3：增加交流电压为新的闭锁判据，当直流电压异常时，首先检测三相线电压有效值Uac是否下降至整定值Uac_set，如果下降至整定值，闭锁直流电压保护。改进后的保护模型如图8所示。
Claims (3)
1.一种MMC直流电压保护的改进方法，其特征在于：其步骤是：
步骤1：通过对MMC-HVDC***数学模型进行定性分析确定直流电压保护的闭锁判据：
步骤1-1：根据基尔霍夫定律可得MMC交流回路等效方程：
式(1)中：其中uj为交流电压，ij为交流电流，upj、unj分别为j相上、下桥臂电压，udc为直流电压，L0为桥臂电感，R0为桥臂电阻，j＝a,b,c，是对交流电流ij的微分；
步骤1-2：根据式(1)推导出直流电压udc的等效方程式：
步骤1-3：根据电路原理分析，得到上下桥臂投入的总电容电压公式：
其中uj为交流电压，udiffj为第j相内部不平衡电压降；
步骤1-4：根据上述公式(2)，推导出MMC-HVDC发生交流侧故障时引起直流电压udc下降的同时三相交流电压有效值也减小，但是直流故障不会引起交流电压有效值减小，因此提出将交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，当交流电压低于整定值直流电压保护闭锁；
步骤2：确定直流电压保护中交流电压整定值Uac_set，改进直流电压保护：
步骤2-1：计算并比较MMC-HVDC发生包括单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障在内的交流故障时交流电压有效值，选取其中最大值Uacmax1；
步骤2-2：MMC-HVDC发生直流侧发生故障时交流电压不受影响，为交流***输出电压Uac2；
步骤2-3：选取交流电压整定值Uac_set，其中
步骤2-4：在MMC-HVDC直流电压保护中引入交流电压整定值Uac_set，测量交流电压Uac,当Uac＜Uac_set时直流电压保护闭锁，解决了交流故障容易造成直流电压保护误动的问题。
2.根据权利要求书1所述的MMC直流电压保护的改进方法，其特征在于：在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建MMC-HVDC仿真模型，验证方法:
步骤3-1：搭建数学模型，在此基础上在PSCAD/EMTDC中搭建11电平的MMC-HVDC双端***仿真模型，并为***配置直流电压保护、交流电压保护柔直工程常用保护；
步骤3-2：对MMC-HVDC双端***仿真模型进行包括单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障在内的交流故障仿真，故障点设置在变压器一次侧，故障发生后直流电压保护发生了误动，故仿真结果验证了交流故障可以引起直流电压保护误动；
步骤3-3：增加交流电压作为直流电压保护的闭锁判据，即在仿真模型中增加一个比较逻辑，当实际交流电压小于交流电压整定值时，将直流电压保护闭锁，仿真结果显示这一改进措施有效的避免了交流故障造成直流电压保护误动的情况，验证了该改进方法具有可行性。
3.根据权利要求书1所述的MMC直流电压保护的改进方法，其特征在于：步骤2-1中单相接地故障时：计算交流电压有效值，以A相为故障相，即UA＝0,非故障相电压公式计算如下：
式中EA是故障相对地电压，Z0、Z1、Z2是从故障点看进去的零序、正序、负序阻抗，是复数因子，即发生单相接地故障时，Uacmax1＝UB＝UC。
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