CN110048378A - 一种基于半桥型mmc的中压直流配网双极短路保护方法 - Google Patents

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吕家乐
陈庆
窦晓波
王璐瑶
杨景刚
肖小龙
吴在军
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems

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  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明提出了一种基于半桥型MMC的中压直流配网双极短路保护方法，以直流电压与直流电流作为保护的启动阈值，针对双极短路故障电流衰减缓慢和稳态电流过大的问题，利用桥臂限流模块加快故障电流衰减，降低稳态幅值，减小直流断路器开断容量使其更快速的切除故障线路。本发明可实现直流线路发生双极短路时故障的快速切除，基于本地测量量，无通讯延迟，直流断路器切断故障电流，动作速度快。

Description

一种基于半桥型MMC的中压直流配网双极短路保护方法
技术领域
本发明涉及一种基于半桥型MMC的直流配电网线路双极短路保护方法，属于直流配电网继电保护领域。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展，直流配电技术凭借其线路成本低损耗小、供电可靠性高、环保等优势受到了国内外学者的广泛关注。模块化多电平换流器(Modular Multi-level Converter,MMC)相较于传统的电网换相型换流器(Line Commutated Converter,LCC)具有不存在换相失败、输出特性好、结构模块化、能实现快速解耦控制等优势，在直流配电网得到了越来越多的应用。但基于模块化多电平换流器的直流配电网发生极间短路后子模块电容迅速放电，故障电流会在几毫秒内达到峰值，对子模块内的IGBT和二极管造成不可逆的冲击。所以直流故障保护方法是构建直流配电网亟需解决的技术难题。与此同时直流断路器由于在直流半波内不存在过零点，使得研发面临着诸多挑战。目前低压直流断路器技术已较为成熟，但中高压直流断路器技术离工程实际仍有一段距离，如何在保持速动性的同时降低直流断路器开断容量成为直流保护的一大挑战。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有的基于模块化多电平换流器的直流配电网发生极间短路后故障电流上升速率快，幅值高，对子模块内的IGBT和二极管造成不可逆的冲击，以及目前直流断路器开断容量普遍较小的问题。
技术方案：为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：
基于半桥型MMC的中压直流配网双极短路保护方法，包括以下步骤：
(1)首先以直流侧电压和电流作为双极短路保护的启动阈值，若直流电压低于电压阈值并且直流电流大于电流阈值，保护判据成立并发出故障信号；
(2)***检测到故障信号，闭锁半桥型MMC换流器并投入电阻型桥臂限流模块加速故障电流的衰减，降低稳态电流幅值；
(3)引入混合式直流断路器跳闸电流阈值，在限流模块作用下故障电流迅速衰减至跳闸阈值即满足直流断路器分断能力，断开直流断路器切除故障线路。
低电压过电流保护动作判据为：
|Upos-Uneg|＜Uset&Idc＞Iset(1)
其中，Upos、Uneg分别为直流线路的正负极对地电压；Idc代表直流电流；电压动作门槛值Uset＝ksetU×UDCbase，ksetU取0.75；电流动作门槛值Iset＝ksetI×IDCbase，ksetI取3；UDCbase、IDCbase分别为***正常运行时直流电压电流值，保护延时2ms动作。
电阻型桥臂限流模块由限流电阻与一组反并联IGBT并联组成，限流电阻阻值表达式为：
其中，Uline为交流侧线电压，Isteady为流器闭锁后***所允许的换故障电流稳态值。
故障电流衰减到满足混合式直流断路器分断能力时断开直流断路器，动作判据如式(3)：
Idc＜Ics (3)
其中，Idc代表直流电流，Ics为混合式直流断路器开断电流。
为满足对线路全长的保护，开断电流阈值Ics的取值需确保换流器出口侧发生极间短路情况下仍能进行有效开断，如式(4)所示：
Ics＞Imax (4)
其中Imax表示直流侧发生双极短路故障后的最大稳态电流，即换流器出口侧双极短路故障后***的新稳态电流。
有益效果：本发明与现有技术相比较，具有以下优点：
本发明适用于直流配电网，利用桥臂限流模块加快故障电流衰减，降低稳态幅值，减小直流断路器开断容量使其更快速的切除故障线路；
本发明通过对开断电流阈值的选取满足对线路全长的保护；
本发明不需要太高的采样频率，基于本地测量量无通信要求。
附图说明
图1为双端中压直流配电网模型；
图2为电阻型桥臂限流模块图；
图3为本发明保护方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提出一种基于半桥型MMC的中压直流配网双极短路保护方法，本发明适用于双端直流配电网。
图1为双端中压直流配电网模型，半桥型MMC换流器通过交流变压器与交流大电网连接，在直流侧引出中压直流母线并通过DC/DC直流变压器为低压直流负荷供电，本发明针对的主要保护对象为中压直流线路。
第一步，首先以直流侧电压和电流作为双极短路保护的启动阈值，若直流电压低于电压阈值并且直流电流大于电流阈值，保护判据成立，产生故障信号；
本步骤中低电压过电流保护判据可表示如下：
|Upos-Uneg|＜Uset&Idc＞Iset (1)
其中，Upos、Uneg分别为直流线路的正负极对地电压；Idc代表直流电流；电压动作门槛值Uset＝ksetU×UDCbase，ksetU取0.75；电流动作门槛值Iset＝ksetI×IDCbase，ksetI取3；UDCbase、IDCbase分别为***正常运行时直流电压电流值，保护延时2ms动作。
低电压过电流保护原理简单，易于实现。由于直流配电网的故障电流上升速率较大，只有设置较低阀值才能使断路器有足够的时间动作躲过最大电流，因此直流配电网过电流保护的阀值需要设置的较低些。但也不能过低，应使其躲过负荷波动所产生的最大电流，防止保护误动。
第二步，故障信号被***检测到后闭锁换流器并投入电阻型桥臂限流模块加速故障电流的衰减，降低稳态电流幅值；
本步骤中当换流器闭锁后，短路电流仍由两部分组成：一部分是桥臂电抗通过二极管的续流，另一部分是交流***向故障点注入的短路电流。其中桥臂电抗上的续流占主体，桥臂续流表达式为：
其中τ＝L/R；IL0为闭锁时刻的直流电流。
电阻型桥臂故障限流模块如图2所示，正常运行时，桥臂电流可通过T1、T2交替流通，限流电阻被旁路。低电压过电流保护动作后，立刻闭锁换流器，限流模块T1、T2关断，此时限流电阻被串入放电回路，限制故障电流的大小。从式(2)可以看出限流电阻能减小时间常数τ，加速故障电流的衰减，对MMC电力电子器件起到了良好的保护作用。限流电阻取值表达式为：
其中，Uline为交流侧线电压，Isteady为流器闭锁后***所允许的换故障电流稳态值。
第三步，引入混合式直流断路器跳闸电流阈值，在限流模块作用下故障电流迅速衰减至跳闸阈值即满足直流断路器分断能力后，断开直流断路器切除故障线路。
本步骤中由于半桥MMC不具备故障电流清除能力，所以换流器闭锁后交流侧对故障点仍有电流注入。故障电流衰减到满足混合式直流断路器分断能力时断开直流断路器，动作判据如式(4)：
Idc＜Ics (4)
其中，Idc代表直流电流，Ics为混合式直流断路器开断电流。
为满足对线路全长的保护，开断电流阈值Ics的取值需确保换流器出口侧发生极间短路情况下仍能进行有效开断，如式(5)所示：
Ics＞Imax (5)
其中Imax表示直流侧发生双极短路故障后的最大稳态电流，即换流器出口侧双极短路故障后***的新稳态电流。
保护方法流程图如图3所示。首先直流侧电压、电流数据进行一定频率下的实时采集，若满足保护判据式1，则经过2ms延时将换流器闭锁并投入电阻型桥臂限流模块，若不满足保护返回。继续采集直流电流数据，当故障电流满足动作判据式4时，经一定延时使混合式直流断路器跳闸，切断交流***功率流动。在故障清除后切除限流模块，并闭合直流断路器，最后向换流器发出解锁信号，恢复功率输送。

Claims (5)

1.一种基于半桥型MMC的中压直流配网双极短路保护方法，半桥型MMC换流器通过交流变压器与交流大电网连接，在半桥型MMC换流器的直流侧引出中压直流母线并通过DC/DC直流变压器为低压直流负荷供电，其特征在于：双极短路保护方法包括以下步骤：
(1)首先以中压直流配网的直流侧电压和电流作为双极短路保护的启动阈值，若直流电压低于电压阈值并且直流电流大于电流阈值，保护判据成立并发出故障信号；
(2)***检测到故障信号后，闭锁半桥型MMC换流器并投入电阻型桥臂限流模块以加速故障电流的衰减，降低稳态电流幅值；
(3)限流模块作用下故障电流迅速衰减至跳闸阈值即满足直流断路器分断能力，断开直流断路器切除故障线路。
2.根据权利要求1所述的基于半桥型MMC的中压直流配网双极短路保护方法，其特征在于，所述步骤(1)中，保护动作判据为：
|Upos-Uneg|＜Uset&Idc＞Iset (1)
其中，Upos、Uneg分别为直流线路的正负极对地电压；Idc代表直流电流；电压动作门槛值Uset＝ksetU×UDCbase，ksetU取0.75；电流动作门槛值Iset＝ksetI×IDCbase，ksetI取3；UDCbase、IDCbase分别为***正常运行时直流电压电流值，保护延时2ms动作。
3.根据权利要求1所述的基于半桥型MMC的中压直流配网双极短路保护方法，其特征在于，所述步骤(2)中的电阻型桥臂限流模块由限流电阻与一组反并联IGBT并联组成，限流电阻阻值表达式为：
其中，Uline为交流侧线电压，Isteady为流器闭锁后***所允许的换故障电流稳态值。
4.根据权利要求1所述的基于半桥型MMC的中压直流配网双极短路保护方法，其特征在于，所述步骤(3)中，故障电流衰减到满足混合式直流断路器分断能力时断开直流断路器，动作判据如式(3)：
Idc＜Ics (3)
其中，Idc代表直流电流，Ics为混合式直流断路器开断电流。
5.根据权利要求1所述的基于半桥型MMC的中压直流配网双极短路保护方法，其特征在于，所述步骤(3)中为满足对线路全长的保护，开断电流阈值Ics的取值需确保换流器出口侧发生极间短路情况下仍能进行有效开断，如式(4)所示：
Ics＞Imax (4)
其中Imax表示直流侧发生双极短路故障后的最大稳态电流，即换流器出口侧双极短路故障后***的新稳态电流值。
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