CN113964855A - 柔性直流输电***直流侧故障穿越方法及直流输电*** - Google Patents

柔性直流输电***直流侧故障穿越方法及直流输电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法及直流输电***，其方法部分，包括以下步骤：分析混合直流断路器，得到混合直流断路器的两个关键参数；分析电感型和电阻型SFCL的工作原理；得到柔性直流输电***直流侧故障后故障电流表达式；得到实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足条件；计算电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻。其***部分，具有上述故障穿越方法。本发明借助半桥模块化多电平换流器本身结构特点和故障特性，利用超导故障限流器在***故障时能够抑制故障电流上升的特点，通过混合型直流断路器在MMC闭锁前切断故障电流，实现柔性直流输电***直流侧故障穿越功能。本发明技术成熟、实现简单、性能优异。

Description

柔性直流输电***直流侧故障穿越方法及直流输电***
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法及直流输电***。
背景技术
与交流***相比，柔性直流输电具有功率控制快，没有无功补偿问题，无电能质量问题，无频率问题，可以为无源孤岛供电等优势，适合海上风电并网、异步联网等应用场合，因此柔性直流输电是电力***重要的组成部分之一。模块化多电平转换器(MMC)解决了串联IGBT的电压不平衡问题，因此MMC常用于高压直流输电场合。
然而，直流***的故障电流没有自然过零点，因此直流电弧拉断是直流***必须面对的一个难题，造成直流断路器(DC CB)技术难度较大，造价较高。面对直流侧故障，利用交流断路器处理直流侧短路故障会引起整个柔性直流***停电时间较长，对直流***安全稳定运行产生不利影响。
再者，MMC闭锁虽然能够降低直流故障电流的上升速率和水平，但依然会造成柔性直流***功率传输短时中断。所以故障限流器(SFCL)被用来抑制短路电流，降低柔性直流***对直流断路器开断的要求。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法及直流输电***。
本发明的技术方案是：一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，包括以下步骤：
ⅰ.分析混合直流断路器，得到混合直流断路器的两个关键参数；
ⅱ.分析电感型和电阻型SFCL的工作原理；
ⅲ.得到柔性直流输电***直流侧故障后故障电流表达式；
ⅳ.得到实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足条件；
ⅴ.计算电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻。
更进一步的，步骤ⅰ中混合直流断路器的两个关键参数为最大可关断电流Ip和达到这一电流的时间tp。
更进一步的，步骤ⅱ中分析电感型和电阻型SFCL的工作原理，具体过程如下：
首先，得到***的时候临界电流值Ic；
然后，对故障电流和临界电流值Ic进行对比判断；
再后，当故障电流小于临界电流值Ic时，SFCL中电阻及电感均为0；
最后，当故障电流超过临界电流值Ic时，电阻型SFCL失超电阻为RQ，电感型SFCL失超电感为LQ。
更进一步的，步骤ⅱ得到公式(1)，具体如下：
Figure BDA0003277080310000021
Figure BDA0003277080310000022
更进一步的，步骤ⅲ计算柔性直流输电***直流侧故障后故障电流表达式，具体得到公式(2)～公式(6)，具体如下：
Figure BDA0003277080310000023
Figure BDA0003277080310000024
Figure BDA0003277080310000025
Figure BDA0003277080310000026
Figure BDA0003277080310000031
其中，Rs为各IGBT通态电阻，Ls为桥臂电感，Ld为平波电感，C0表示HB子模块的每个并联电容器的电容，RQ和LQ为SFCL失超电阻及电感。
更进一步的，步骤ⅳ中得到实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足条件，具体如下：
实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足，tp时直流故障电流不超过混合直流断路器故障电流峰值；tp时桥臂电流不超过换流器闭锁电流临界值，具体如公式(7)：
Figure BDA0003277080310000032
其中，is为直流故障电流，Ip为通过混合直流断路器故障电流峰值，iT为桥臂电流，Il为换流器闭锁电流临界值。
更进一步的，步骤ⅴ计算电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻，具体是结合公式(1)～公式(7)，对失超电感LQ和失超电阻RQ进行计算。
更进一步的，步骤ⅴ后还包括如下内容，
电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻中得到的超导故障限流器的失超参数为最小值，为了一定的安全裕度，可以将超导故障限流器参数适当增大。
一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法的直流输电***，直流输电***具有上述任一柔性直流输电***直流侧故障穿越方法。
本发明的有益效果如下：
本发明借助半桥模块化多电平换流器(HB-MMC)本身结构特点和故障特性，利用超导故障限流器(SFCL)在***故障时能够抑制故障电流上升的特点，通过混合型直流断路器在MMC闭锁前切断故障电流，实现柔性直流输电***直流侧故障穿越功能。
本发明利用MMC本身的结构特性、混合直流断路器动作特性和超导故障限流器的特点，解决柔性直流故障带来的短时停运问题，具有技术成熟、实现简单、性能优异特点，可广泛应用于柔性直流输电实际工程中。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明中三端柔性直流输电的结构示意图；
图3为图2中混合式直流断路器动作特性示意图；
图4为本发明中直流双极短路故障后混合式直流断路器仿真结果；
图5为本发明中直流双极短路故障后MMC桥臂电流仿真结果；
图6为本发明中直流双极短路故障后三端柔性直流***直流电压仿真结果；
图7为本发明中直流双极短路故障后三端柔性直流***有功功率仿真结果；
图8为本发明中MMC1换流站的参数图。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1～8所示，一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，包括以下步骤：
ⅰ.分析混合直流断路器，得到混合直流断路器的两个关键参数；
ⅱ.分析电感型和电阻型SFCL的工作原理；
ⅲ.得到柔性直流输电***直流侧故障后故障电流表达式；
ⅳ.得到实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足条件；
ⅴ.计算电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻。
步骤ⅰ中混合直流断路器的两个关键参数为最大可关断电流Ip和达到这一电流的时间tp。
步骤ⅱ中分析电感型和电阻型SFCL的工作原理，具体过程如下：
首先，得到***的时候临界电流值Ic；
然后，对故障电流和临界电流值Ic进行对比判断；
再后，当故障电流小于临界电流值Ic时，SFCL中电阻及电感均为0；
最后，当故障电流超过临界电流值Ic时，电阻型SFCL失超电阻为RQ，电感型SFCL失超电感为LQ。
步骤ⅱ得到公式1，具体如下：
Figure BDA0003277080310000051
Figure BDA0003277080310000052
步骤ⅲ计算柔性直流输电***直流侧故障后故障电流表达式，具体得到公式(2)～公式(6)，具体如下：
Figure BDA0003277080310000053
Figure BDA0003277080310000054
Figure BDA0003277080310000055
Figure BDA0003277080310000056
Figure BDA0003277080310000057
其中，Rs为各IGBT通态电阻，Ls为桥臂电感，Ld为平波电感，C0表示HB子模块的每个并联电容器的电容，RQ和LQ为SFCL失超电阻及电感。
步骤ⅳ中得到实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足条件，具体如下：
实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足，tp时直流故障电流不超过混合直流断路器故障电流峰值；tp时桥臂电流不超过换流器闭锁电流临界值，具体如公式(7)：
Figure BDA0003277080310000061
其中，is为直流故障电流，Ip为通过混合直流断路器故障电流峰值，iT为桥臂电流，Il为换流器闭锁电流临界值。
步骤ⅴ计算电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻，具体是结合公式(1)～公式(7)，对失超电感LQ和失超电阻RQ进行计算。
步骤ⅴ后还包括如下内容，
电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻中得到的超导故障限流器的失超参数为最小值，为了一定的安全裕度，可以将超导故障限流器参数适当增大。
所述柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，利用超导故障限流器抑制直流故障电流上升，利用直流断路器在换流站闭锁前切断故障电流，实现柔性直流输电***直流侧故障穿越。
所述柔性直流输电***直流侧故障穿越方法适用于基于半桥模块化多电平换流器的柔性直流换流站，减小直流侧故障期间直流故障电流幅值及上升速率，降低柔性直流***对混合直流断路器经济技术要求。
所述直流断路器选用混合式直流断路器。
一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法的直流输电***，直流输电***具有上述任一柔性直流输电***直流侧故障穿越方法。
实施例一
以具体实例进行说明，一种柔性直流***，包括有3个换流站，如图2所示，其中MMC1和MMC2的容量为50MW和100MW，MMC3的容量为200MW，MMC1的参数如图8所示。
一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，包括以下步骤：
步骤ⅰ.从***的角度分析混合直流断路器的工作原理和工作过程曲线，如图3，得到混合直流断路器的最大可关断电流Ip和达到这一电流的时间tp这两个关键参数分别为：
tp＝3ms，Ip＝2kA
步骤ⅱ.从***的角度分析电感型和电阻型SFCL的工作原理，当故障电流小于临界电流值Ic时SFLC电阻及电感均为0，一旦故障电流超过临界电流值，电阻型SFCL失超电阻为RQ，电感型SFCL失超电感为LQ，有
Figure BDA0003277080310000071
Figure BDA0003277080310000072
步骤ⅲ.一旦在MMC1直流侧发生双极短路故障，图2的F1处，计算柔性直流输电***直流侧故障后故障电流表达式：
Figure BDA0003277080310000073
Figure BDA0003277080310000074
Figure BDA0003277080310000075
Figure BDA0003277080310000076
Figure BDA0003277080310000077
通过表1可知，Rs＝0.001Ω，Ls＝0.36H，Ld＝0.1H，C0＝1.4mF，RQ和LQ为SFCL失超电阻及电感。
步骤ⅳ.为了实现柔性直流输电***直流侧故障穿越，必须满足以下条件：
Figure BDA0003277080310000078
其中is为直流故障电流，iT为桥臂电流，Il＝1.2kA。
步骤ⅴ.根据上述公式计算电感型及电阻型SFCL关键参数RQ＝18.5Ω，LQ＝20mH。
更优的，以下进行仿真实验。
取RQ＝18.5Ω的电阻性SFLC进行仿真分析，流过混合直流断路器的电流如图4所示，混合直流断路器工作过程约为5ms，流经断路器故障电流最大值在故障发生约3ms出现，最大值为1.8kA，小于混合直流断路器最大可关断电流，可知该故障电流能够被混合直流断路器可靠切断。如图5所示，流经MMC桥臂电流的最大故障电流为0.8kA,小于MMC闭锁电流值1.2kA，因此整个故障期间MMC不闭锁。三端柔性直流输电***直流电压和功率仿真结果如图6和图7所示，可见采用阻值为18.5Ω的电阻性SFLC很好的实现了柔性直流换流器不闭锁条件下直流故障的穿越。
本发明借助半桥模块化多电平换流器(HB-MMC)本身结构特点和故障特性，利用超导故障限流器(SFCL)在***故障时能够抑制故障电流上升的特点，通过混合型直流断路器在MMC闭锁前切断故障电流，实现柔性直流输电***直流侧故障穿越功能。
本发明利用MMC本身的结构特性、混合直流断路器动作特性和超导故障限流器的特点，解决柔性直流故障带来的短时停运问题，具有技术成熟、实现简单、性能优异特点，可广泛应用于柔性直流输电实际工程中。

Claims (9)

1.一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，其特征在于：包括以下步骤：
(ⅰ)分析混合直流断路器，得到混合直流断路器的两个关键参数；
(ⅱ)分析电感型和电阻型SFCL的工作原理；
(ⅲ)得到柔性直流输电***直流侧故障后故障电流表达式；
(ⅳ)得到实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足条件；
(ⅴ)计算电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，其特征在于：步骤(ⅰ)中混合直流断路器的两个关键参数为最大可关断电流Ip和达到这一电流的时间tp。
3.根据权利要求2所述的柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，其特征在于：步骤(ⅱ)中分析电感型和电阻型SFCL的工作原理，具体过程如下：
首先，得到***的时候临界电流值Ic；
然后，对故障电流和临界电流值Ic进行对比判断；
再后，当故障电流小于临界电流值Ic时，SFCL中电阻及电感均为0；
最后，当故障电流超过临界电流值Ic时，电阻型SFCL失超电阻为RQ，电感型SFCL失超电感为LQ。
4.根据权利要求3所述的柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，其特征在于：步骤(ⅱ)得到公式(1)，具体如下：
Figure FDA0003277080300000011
Figure FDA0003277080300000021
5.根据权利要求4所述的柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，其特征在于：步骤(ⅲ)计算柔性直流输电***直流侧故障后故障电流表达式，具体得到公式(2)～公式(6)，具体如下：
Figure FDA0003277080300000022
Figure FDA0003277080300000023
Figure FDA0003277080300000024
Figure FDA0003277080300000025
Figure FDA0003277080300000026
其中，Rs为各IGBT通态电阻，Ls为桥臂电感，Ld为平波电感，C0表示HB子模块的每个并联电容器的电容，RQ和LQ为SFCL失超电阻及电感。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，其特征在于：步骤(ⅳ)中得到实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足条件，具体如下：
实现柔性直流输电***直流侧故障穿越的必须满足，tp时直流故障电流不超过混合直流断路器故障电流峰值；tp时桥臂电流不超过换流器闭锁电流临界值，具体如公式(7)：
Figure FDA0003277080300000027
其中，is为直流故障电流，Ip为通过混合直流断路器故障电流峰值，iT为桥臂电流，Il为换流器闭锁电流临界值。
7.根据权利要求6所述的柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，其特征在于：步骤(ⅴ)计算电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻，具体是结合公式(1)～公式(7)，对失超电感LQ和失超电阻RQ进行计算。
8.根据权利要求1所述的柔性直流输电***直流侧故障穿越方法，其特征在于：步骤(ⅴ)后还包括如下内容，
电感型及电阻型SFCL的失超电感和失超电阻中得到的超导故障限流器的失超参数为最小值，为了一定的安全裕度，可以将超导故障限流器参数适当增大。
9.一种柔性直流输电***直流侧故障穿越方法的直流输电***，其特征在于：直流输电***具有上述权利要求1-8中任一柔性直流输电***直流侧故障穿越方法。
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