CN107994597A - 高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法，属于柔性直流***故障保护领域。通过分析LCC‑MMC串联混合型直流输电***的拓扑结构、有功功率和无功功率灵活控制特性及闭锁状态下MMC的输出电压特性，基于LCC和MMC的协同控制，给出了高压大容量架空线柔性直流输电***交直流故障穿越的控制方法，进而实现***的安全稳定运行。本发明中的LCC‑MMC串联混合型直流输电拓扑在相同条件下工程造价最低，同时利用LCC清除直流故障，无需配置直流断路器和直流阻尼电路等额外设备，进一步提升了***的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及架空线柔性直流输电***故障保护领域，特别涉及一种高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法。
背景技术
近年来，我国能源开发加速向西部和北部转移，能源基地与负荷中心的距离越来越远，远距离大容量输电成为我国电网发展的根本动力。柔性直流输电可有效提高清洁能源发电的并网效率，缓解电压波动对电网造成的冲击，是大规模清洁能源基地接入电网的有效技术手段。当应用于远距离大容量输电场合，出于线路建设的经济性考虑，换流站间的连接将采用架空线路。相对于目前主要使用的直流电缆，架空线路的直流故障发生率较高，因此换流站自身(或依托其他保护设备)应当具备直流故障清除能力。同样出于经济性考虑，换流站往往采用不具备直流故障闭锁能力的半桥子模块(H-MMC)，因其在相同条件下采用的功率半导体器件数目最少，因而具有最小的造价和稳态损耗。在这种情况下，针对H-MMC的直流故障清除通常基于如下三种方案：
1)利用直流断路器直接断开故障线路以清除故障电流；
2)跳开换流站交流出口处的机械开关，以切断交流***向故障点的能量馈入途径，同时利用直流阻尼电路加速故障电流的衰减；
3)采用混合直流输电结构，使换流站本身具备故障清除能力。
方法1)最为直接有效，但其目前仍缺乏工程中的实际运行经验。方式2)最为经济，目前国内已投运的柔性直流输电工程均采用该方法。然而，由于机械开关动作速度慢，***在直流故障下过电流严重，换流站需要采用具备较高通流能力的功率器件；此外，机械开关动作慢将导致***恢复时间长，这也不利于交直流***的暂态稳定。方式3)实质上是利用具有故障穿越能力的混合拓扑结构的换流器替代直流断路器，例如整流侧采用LCC、逆变侧采用F-MMC的LCC-F-MMC、整流侧采用LCC、逆变侧采用C-MMC的LCC-C-MMC和整流侧采用LCC、逆变侧采用H-MMC并在逆变侧出口装设二极管的LCC-Diode-MMC。此类拓扑结构的主要缺点在于，由于逆变侧MMC的直流电压响应速度慢，整流侧交流故障下很可能导致直流电流断流。
综上所述，随着高压大容量柔性直流输电***架空线的推广应用，其***故障穿越是亟待解决的技术难题。上述三种方案都无法有效实现高压大容量架空线柔性直流输电***的故障保护。因此，有必要开展相关的研究，寻求一种有效的故障穿越方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法，解决了现有技术存在的上述问题，在保证架空线柔性直流输电***安全稳定运行的同时极大的降低了***费用。本发明基于LCC和模块化多电平换流器(Modular multilevelconverter，MMC)的混合直流输电拓扑在相同条件下工程造价最小，同时利用LCC清除直流故障，无需配置直流断路器和直流阻尼电路等额外设备，可进一步提升拓扑的经济性。直流故障清除及恢复过程主要包括故障检测、MMC闭锁和LCC强制移相、去游离及重启动等步骤。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法，柔性直流输电***拓扑每一极均由12脉动LCC和模块化多电平换流阀组(Bank of MMCs,MMCB)串联构成，其中MMCB为低端换流器组(直流侧电压较低)，LCC为高端换流器组(直流侧电压较高)，MMCB由若干MMC并联构成，子模块采用HBSM，以克服现阶段IGBT最大通流能力的限制，为了限制故障下的浪涌电流，换流站每一极出口处均配置了平波电抗器；根据***的拓扑结构及主接线方式，故障穿越方法包括以下步骤：
(1)对***进行故障分区，并分析其动态特征；
(2)各换流站检测判断***是否发生故障，是则顺序执行步骤(3)，否则继续进行检测；
(3)确定***故障类型，并进行故障定位；
(4)根据步骤(3)中的故障类型及故障定位，选择执行步骤(4A)、步骤(4B)和步骤(4C)；
(4A)整流侧交流***发生故障时，采取两阶段后备定电流控制；第一阶段是通过提升整流侧MMCB的输出直流电压来维持整流侧整体的直流电压；第二阶段是通过减小逆变侧LCC输出的直流电压来维持直流电流；
(4B)逆变侧交流***发生故障时，整流侧和逆变侧的LCC需要联合动作，整流侧LCC将增大触发角以限制直流电流的增大；逆变侧LCC需要从定直流电压控制切换到定熄弧角控制，以降低暂态过程中换相失败的风险；
(4C)直流线路发生故障时，利用整流侧LCC和MMC的协同控制，即整流侧LCC采用强制移相，同时整流侧和逆变侧的MMC都闭锁，通过强制移相使得整流侧LCC输出的直流电压绝对值大于MMC阀侧空载线电势的幅值，实现短路电流的有效抑制；
(5)选择执行步骤(5A)和步骤(5B)；
(5A)在步骤(4A)和步骤(4B)故障清除后等待一小段时间，将两侧换流站切换到正常控制模式完成交流故障穿越；
(5B)在步骤(4C)故障清除后，继续保持控制动作0.2s，实现故障点的去游离过程，待绝缘恢复后，同时解锁整流侧和逆变侧的MMC，待LCC的触发角线性移至稳态值后，切换到稳态下的控制模式完成直流故障穿越。
LCC和MMC串联混合型柔性直流输电***的主接线方式为双极接线方式，以降低故障期间送受端交流***承受的功率冲击，提高供电可靠性。
步骤(1)所述的故障分区是：把高压大容量架空线柔性直流输电***故障划分为整流侧交流故障、直流侧故障和逆变侧交流故障三个区域。
步骤(4C)所述的整流侧LCC输出的直流电压绝对值大于MMC阀侧空载线电势的幅值，满足以下关系：
其中，αFR为LCC强制移相后的触发角，URL为稳态下LCC输出直流电压，E为MMC阀侧空载线电势。
本发明通过分析LCC-MMC串联混合型直流输电***的拓扑结构、有功功率和无功功率灵活控制特性及闭锁状态下MMC的输出电压特性，基于LCC和MMC的协同控制，给出了高压大容量架空线柔性直流输电***交直流故障穿越的控制方法，进而实现***的安全稳定运行。本发明中的LCC-MMC串联混合型直流输电拓扑在相同条件下工程造价最低，同时利用LCC清除直流故障，无需配置直流断路器和直流阻尼电路等额外设备，进一步提升了***的经济性。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的LCC-MMC串联混合型柔性直流输电***综合了LCC和MMC的优势，可独立控制有功功率和无功功率，具有运行灵活性，同时降低了制造成本和运行损耗，其中MMC的容量问题可通过换流器并联加以解决，这与现有的制造能力相适应。
(2)本发明的故障穿越方法在整流侧交流故障下***不会发生断流，逆变侧交流故障下，即使发生换相失败，***仍能保持一定的功率输送能力，而对于直流线路故障的短路电流，可以通过控制换流器本身的动作来清除，不需要附加其他设备，在提高***故障穿越能力的同时降低了投资费用。实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的双极式LCC-MMC串联混合型高压大容量架空线柔性直流输电***结构示意图；
图2、图3、图4为本发明的MMCB拓扑结构图；
图5为本发明的基于LCC和MMC协同控制的故障穿越方法的流程图；
图6为本发明的整流侧交流故障时针对直流电流两阶段后备控制框图(第一阶段由整流侧MMCB提升输出直流电压的控制方式)；
图7为本发明的整流侧交流故障时针对直流电流两阶段后备控制框图(第二阶段由逆变侧LCC输出的直流电压维持直流电流的控制方式)；
图8为本发明的逆变侧交流故障LCC的带有后备定熄弧角控制的定直流电压控制框图；
图9为本发明的***仿真图(整流侧交流故障仿真结果图)；
图10为本发明的***仿真图(逆变侧交流故障仿真结果图)；
图11为本发明的***仿真图(直流故障仿真结果图)。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图11所示，本发明针对高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越设计的双极式LCC-MMC串联混合型***结构如图1所示，每一极均由12脉动LCC和MMCB串联构成，其中MMCB为低端换流器组(直流侧电压较低)，LCC为高端换流器组(直流侧电压较高)。MMCB的结构如图2所示，其可由若干MMC并联构成，以便克服现阶段IGBT最大通流能力的限制；若不存在IGBT通流能力限制，则无需采用MMC并联。为了限制故障下的浪涌电流，换流站每一极出口处均配置了平波电抗器。
如图3所示，MMC由6个桥臂构成，每一桥臂由桥臂电感和N个子模块串联组成，同一相的两个桥臂构成一个相单元。子模块采用HBSM，其结构如图4所示。通常，H-MMC难以通过换流器自身动作处理直流故障，原因在于闭锁后交流***仍能通过反并联二极管向故障点注入电流。本发明提供的高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法则是通过LCC和MMC的协同控制来处理交直流故障，实现步骤如图5所示，具体包括：
(1)将高压大容量架空线柔性直流输电***故障划分为整流侧交流故障、逆变侧交流故障和直流侧故障三个区域，并分析其动态特征；
(2)各换流站持续检测所在位置交直流侧母线电压及电流等电气量，在此基础上，判断***是否发生故障，是则顺序执行步骤(3)，否则继续进行检测；
(3)根据所检测电气量的动态特征，确定***故障类型，并进行故障定位；
(4)根据步骤(3)中的故障类型及定位，选择执行步骤(4A)、步骤(4B)和步骤(4C)；
(4A)整流侧交流***发生故障时，采取两阶段后备定电流控制。第一阶段是通过提升整流侧MMCB的输出直流电压来维持整流侧整体的直流电压，如图6所示。该阶段控制中，MMCB的直流电压最大增量ΔURM保守取为0.1pu，触发该控制的电流偏差ΔId1设置为目标值的5％，避免与稳态下的定直流电流控制器冲突。第二阶段是通过减小逆变侧LCC输出的直流电压来维持直流电流，如图7所示；
(4B)逆变侧交流***发生故障时，整流侧和逆变侧的LCC需要联合动作，整流侧LCC将增大触发角以限制直流电流的增大；逆变侧LCC需要从定直流电压控制切换到定熄弧角控制，如图8所示，以降低暂态过程中换相失败的风险；
(4C)直流线路发生故障时，利用整流侧LCC和MMC的协同控制，即整流侧LCC采用强制移相，同时整流侧和逆变侧的MMC都闭锁，通过强制移相使得整流侧LCC输出的直流电压绝对值大于MMC阀侧空载线电势的幅值，实现短路电流的有效抑制。整流侧LCC在稳态下的触发角通常为15°，为满足所述电压关系，有
其中，αFR为LCC强制移相后的触发角，URL为稳态下LCC输出直流电压，E为MMC阀侧空载线电势，其值可估算为进一步表示为
定义稳态下LCC与MMC直流电压之比为kLM，kLM则应满足
易知αFR＝135°时kLM>0.966，αFR＝150°时kLM>0.789，这说明取kLM＝1.0可在拓扑结构上保证直流故障被有效清除，即直流故障发生后闭锁MMC，同时LCC触发角强制移相至135°～150°。
(5)选择执行步骤(5A)和步骤(5B)；
(5A)在所述步骤(4A)和步骤(4B)故障清除后等待一小段时间，将两侧换流站切换到正常控制模式完成交流故障穿越；
(5B)在所述步骤(4C)故障清除后，继续保持上述控制动作0.2s，实现故障点的去游离过程，待绝缘恢复后，同时解锁整流侧和逆变侧的MMC，将LCC的触发角线性移至稳态值，整个启动过程耗时0.2s，重启动完成后，切换到稳态下的控制模式完成直流故障穿越。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法，其特征在于：柔性直流输电***拓扑每一极均由12脉动LCC和MMCB串联构成，其中MMCB为低端换流器组，LCC为高端换流器组，MMCB由若干MMC并联构成，子模块采用HBSM，以克服现阶段IGBT最大通流能力的限制，为了限制故障下的浪涌电流，换流站每一极出口处均配置了平波电抗器；故障穿越方法包括以下步骤：
(1)对***进行故障分区，并分析其动态特征；
(2)各换流站检测判断***是否发生故障，是则顺序执行步骤(3)，否则继续进行检测；
(3)确定***故障类型，并进行故障定位；
(4)根据步骤(3)中的故障类型及故障定位，选择执行步骤(4A)、步骤(4B)和步骤(4C)；
(4A)整流侧交流***发生故障时，采取两阶段后备定电流控制；第一阶段是通过提升整流侧MMCB的输出直流电压来维持整流侧整体的直流电压；第二阶段是通过减小逆变侧LCC输出的直流电压来维持直流电流；
(4B)逆变侧交流***发生故障时，整流侧和逆变侧的LCC需要联合动作，整流侧LCC将增大触发角以限制直流电流的增大；逆变侧LCC需要从定直流电压控制切换到定熄弧角控制，以降低暂态过程中换相失败的风险；
(4C)直流线路发生故障时，利用整流侧LCC和MMC的协同控制，即整流侧LCC采用强制移相，同时整流侧和逆变侧的MMC都闭锁，通过强制移相使得整流侧LCC输出的直流电压绝对值大于MMC阀侧空载线电势的幅值，实现短路电流的有效抑制；
(5)选择执行步骤(5A)和步骤(5B)；
(5A)在步骤(4A)和步骤(4B)故障清除后等待0.5s，将两侧换流站切换到正常控制模式完成交流故障穿越；
(5B)在步骤(4C)故障清除后，继续保持控制动作0.2s，实现故障点的去游离过程，待绝缘恢复后，同时解锁整流侧和逆变侧的MMC，待LCC的触发角线性移至稳态值后，切换到稳态下的控制模式完成直流故障穿越。
2.根据权利要求1所述的高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法，其特征在于：LCC和MMC串联混合型柔性直流输电***的主接线方式为双极接线方式，以降低故障期间送受端交流***承受的功率冲击，提高供电可靠性。
3.根据权利要求1所述的高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法，其特征在于：步骤(1)所述的故障分区是：把高压大容量架空线柔性直流输电***故障划分为整流侧交流故障、直流侧故障和逆变侧交流故障三个区域。
4.根据权利要求1所述的高压大容量架空线柔性直流输电***故障穿越方法，其特征在于：步骤(4C)所述的整流侧LCC输出的直流电压绝对值大于MMC阀侧空载线电势的幅值，满足以下关系：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180504 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |