CN110165641A - 柔性直流输电***中直流断路器的重合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电***中直流断路器的重合方法，包括：针对柔性直流输电***中不同性质的故障，分析直流断路器重合于瞬时性与永久性故障时的故障特性；基于分析得到的故障特性，利用直流断路器转移支路的开关特性，采用线路故障去游离后通过导通转移支路并切换故障线路两端换流站控制策略的方式来实现直流断路器的重合。该方法可以减少其重合于瞬时性故障时的振荡以及重合于永久性故障时的二次过流冲击，从而保证了***的安全稳定运行。

Description

柔性直流输电***中直流断路器的重合方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电***控制与保护技术领域，尤其涉及一种柔性直流输电***中直流断路器的重合方法。
背景技术
柔性直流输电相比于传统直流输电，其优势在于不存在无功补偿，换向失败等问题，同时由于其电流可以双向流动，适合构成多端直流***。然而考虑到输电距离、电压等级以及由此带来的成本问题，架空线输电是未来我国大规模功率传输的主要方式，因此研究应用架空线的柔性直流输电***的故障保护相关技术具有重要的意义。架空线应用带来的主要问题在于其瞬时性故障的概率大大增加，因此重合技术的应用至关重要。
国内外关于柔性直流输电***的重合技术的研究主要分为两类：一类是基于新型的具有故障自清除能力换流器的重合技术，另一类则是基于直流断路器的重合技术。相较而言后者不但能够快速切除并隔离故障，而且故障期间仍能实现一定的功率传输，保证***的正常运行。因此基于直流断路器的重合技术是当前技术发展的热点。现有的基于直流断路器的故障保护方案大多是关于如何快速切除故障，而关于故障后重合方案的研究较少，因此有必要研究柔性直流输电***中直流断路器的重合方法，针对线路所发生的不同性质的故障，提出改进的整体保护方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流输电***中直流断路器的重合方法，可以减少其重合于瞬时性故障时的振荡以及重合于永久性故障时的二次过流冲击，从而保证了***的安全稳定运行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种柔性直流输电***中直流断路器的重合方法，包括：
针对柔性直流输电***中不同性质的故障，分析直流断路器重合于瞬时性与永久性故障时的故障特性；
基于分析得到的故障特性，利用直流断路器转移支路的开关特性，采用线路故障去游离后通过导通转移支路并切换故障线路两端换流站控制策略的方式来实现直流断路器的重合。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，1)该方法实现主要依靠于直流断路器自身的转移支路不需要额外增加设备，其由大量的电力电子器件串联组成，具有快速的开关特性；2)故障去游离后利用换流站控制策略的切换来减少线路两端的电压差，从而降低了直流断路器重合于瞬时性故障时所产生的振荡，并利用直流断路器转移支路的快速开关特性实现了对于永久性故障的快速判断，相较于常规方法能够更快的断开直流断路器，从而减少了重合时的二次过流冲击。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种柔性直流输电***中直流断路器的重合方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的步骤2的实施流程图；
图3为本发明实施例提供的双端柔性直流输电***拓扑示意图；
图4为本发明实施例提供的瞬时性故障时本发明所提直流断路器重合方法与常规方法对比仿真示意图；
图5为本发明实施例提供的永久性故障时本发明所提直流断路器重合方法与常规方法对比仿真示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种柔性直流输电***中直流断路器的重合方法，其特征在于，包括：
步骤1、针对柔性直流输电***中不同性质的故障，分析直流断路器重合于瞬时性与永久性故障时的故障特性。
柔性直流输电***中采用架空线输电，而架空线的应用导致瞬时性故障概率大大增加。当直流断路器重合于瞬时性故障时，直流断路器分闸以后故障线路相当于空载线路，由于线路两端MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)控制策略的不同，使得直流断路器分闸后线路两端的直流电压不一致，因此重合便会引起***中电气量的振荡。
对于两端柔性直流输电***而言，一般情况下一端为定电压站，另一端为定功率站，直流断路器重合于瞬时性故障后，直流断路器断开相当于直流断路器耗能支路中的避雷器串联在了线路中，在直流断路器重合前线路电流一直为0，由于此时避雷器吸收了两端MMC传输的功率，将其当作恒功率负载处理，其表达式如下：
P＝Uiload＝constant
其中，U为母线电压，iload为线路电流，constant表示定值；
所以此时线路相当于是重负荷运行，定电压控制策略没有办法将电压控稳，因此仅仅改变换流站的控制策略并没有办法减少振荡；
当重合于永久性故障时，故障去游离后故障点仍然存在，此时直流断路器进行重合操作，子模块电容会再次放电，会对***造成二次过流冲击。由于常规重合时需要再次闭合机械开关因此若为永久性故障其再次开断时间较长，而直流侧故障后故障电流上升速度很快，会导致故障电流值再次过大，因此会对***的安全稳定造成影响。
步骤2、基于分析得到的故障特性，利用直流断路器转移支路的开关特性，采用线路故障去游离后通过导通转移支路并切换故障线路两端换流站控制策略的方式来实现直流断路器的重合。
本发明实施例提供的直流断路器的重合方案，可以减少其重合于瞬时性故障时的振荡以及重合于永久性故障时的二次过流冲击，从而保证了***的安全稳定运行。
本步骤是在步骤1分析结果的基础上实现，如图2所示，其过程包括：
当线路保护检测到di/dt和du/dt(电流和电压的微分)满足动作判据时(此处的动作判决可根据实际情况设定)，启动保护流程；如果线路电流值Idc超过过流保护设定值Ilim，直流断路器动作清除故障电流；经过一段时间(例如，250ms)的线路去游离延时后，导通直流断路器的转移支路，同时切换定功率站的控制策略使其变为定电压站并检测此时电流是否过流(即Idc>Ilim？)；
如未过流，则判定故障为瞬时性故障，此时导通的转移支路将避雷器旁路掉后两边都是定电压站可以将电压控稳从而减小线路两端电压差，最后再关断转移支路并闭合主支路机械开关，完成重合过程；
如果导通转移支路后直接过流，则关断换流支路，再经过一段时间(例如，250ms)的线路去游离延时后第二次导通转移支路，若仍然过流，则说明故障为永久性故障，此时关断转移支路并保持直流断路器一直断开，由检修人员进行线路检修。
本发明上述方案获得如下有益效果：
1)该方法实现主要依靠于直流断路器自身的转移支路不需要额外增加设备，其由大量的电力电子器件串联组成，具有快速的开关特性。
2)故障去游离后利用换流站控制策略的切换来减少线路两端的电压差，从而降低了直流断路器重合于瞬时性故障时所产生的振荡，并利用直流断路器转移支路的快速开关特性实现了对于永久性故障的快速判断，相较于常规方法能够更快的断开直流断路器，从而减少了重合时的二次过流冲击。
如图3所示，为双端柔性直流输电***拓扑示意图。直流线路额定电压等级为±320kV，两侧交流***通过基于半桥子模块的模块化多电平换流器(half bridge sub-module based module multilevel converter,HBSM-MMC)与直流线路相连，本***中MMC1采用定直流电压控制，MMC2采用定有功功率控制，各直流断路器为混合式直流断路器，配置在输电线路的两端以快速隔离故障。故障为双极短路故障，发生在直流线路中点处，如图3中F1所示。
为了说明本发明上述方案的效果，与常规方法进行了对比，对比结果如图4～图5所示。这两个图中：(a1)、(a2)分别为采用常规方法后的线路电流、采用本发明方法后的线路电流；(b1)、(b2)分别为采用常规方法后的故障点极间电圧、采用本发明方法后的故障点极间电圧；(c1)、(c2)分别为采用常规方法后的母线极间电圧、采用本发明方法后的母线极间电圧。
图4为线路发生瞬时性故障时本发明所提直流断路器重合方法与常规方法对比仿真示意图。常规方法线路故障去游离后直流断路器重合此时由于线路两端存在电压差因此振荡较大；而采用本发明所示重合方法当线路故障去游离后导通转移支路并切换故障线路两端换流站控制策略，由于转移支路旁路掉了耗能支路中的避雷器同时两边换流站控制策略都已为定电压控制策略，因此线路两端电压差较小，重合时振荡得到明显的减小。
图5为线路发生永久性故障时本发明所提直流断路器重合方法与常规方法对比仿真示意图。常规方法由于是永久性故障时不能快速判断故障性质因此直流断路器重合时会对***造成二次过流冲击，威胁***的安全稳定运行；而采用本发明所示重合方法当直流断路器重合时先快速导通其转移支路如果一旦过流便立刻闭锁，进行两次如果过流仍然存在则判定为永久性故障，由于转移支路由电力电子器件构成具有快速开关特性，因此相较于常规方法会动作的更快，从而降低了重合时所会遭受的故障电流的二次冲击。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种柔性直流输电***中直流断路器的重合方法，其特征在于，包括：
针对柔性直流输电***中不同性质的故障，分析直流断路器重合于瞬时性与永久性故障时的故障特性；
基于分析得到的故障特性，利用直流断路器转移支路的开关特性，采用线路故障去游离后通过导通转移支路并切换故障线路两端换流站控制策略的方式来实现直流断路器的重合。
2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电***中直流断路器的重合方法，其特征在于，
柔性直流输电***中采用架空线输电，当直流断路器重合于瞬时性故障时，直流断路器分闸以后故障线路相当于空载线路，线路两端MMC控制策略的不同，使得直流断路器分闸后线路两端的直流电压不一致；对于两端柔性直流输电***而言，假设一端为定电压站，另一端为定功率站，直流断路器重合于瞬时性故障后，直流断路器断开相当于直流断路器耗能支路中的避雷器串联在了线路中，在直流断路器重合前线路电流一直为0，避雷器吸收了两端MMC传输的功率，将其当作恒功率负载处理，其表达式如下：
P＝Uiload＝constant
其中，U为母线电压，iload为线路电流，constant表示定值；
当重合于永久性故障时，故障去游离后故障点仍然存在，此时直流断路器进行重合操作，子模块电容会再次放电，会对***造成二次过流冲击。
3.根据权利要求1或2所述的一种柔性直流输电***中直流断路器的重合方法，其特征在于，
当线路保护检测到电流和电压的微分满足动作判据时，启动保护流程；如果线路电流值超过过流保护设定值，直流断路器动作清除故障电流；经过一段时间的线路去游离延时后，导通直流断路器的转移支路，同时切换定功率站的控制策略使其变为定电压站并检测此时电流是否过流；
如未过流，则判定故障为瞬时性故障，此时导通的转移支路将避雷器旁路掉后两边都是定电压站可以将电压控稳从而减小线路两端电压差，最后再关断转移支路并闭合主支路机械开关，完成重合过程；
如果导通转移支路后直接过流，则关断换流支路，再经过一段时间的线路去游离延时后第二次导通转移支路，若仍然过流，则说明故障为永久性故障，此时关断转移支路并保持直流断路器一直断开，由检修人员进行线路检修。
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