CN104393613A - 直流故障处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流故障处理方法和装置，所述方法应用于柔性直流输电系统；所述柔性直流输电系统包括多电平换流器、与所述多电平换流器分别相连的直流线路和交流系统；所述方法包括：在检测到直流故障时，将所述直流线路与交流系统隔离、选定一个所述多电平换流器为故障检测换流器，将所述故障检测换流器与交流系统隔离、连接所述故障检测换流器与直流线路且闭锁所述故障检测换流器；等待设定的熄弧时间后，解锁所述故障检测换流器，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；检测所述直流线路的检测电压值；及当所述检测电压值大于预设耐压定值的持续时间超过耐压时间定值时，确定所述直流故障为瞬时故障。

Description

直流故障处理方法及装置

技术领域

本发明涉及电子电路领域的故障检测技术，尤其涉及一种直流故障处理方法及装置。

背景技术

柔性直流输电采用电压源型换流器，可以独立、快速控制控制有功功率和无功功率，从而提高系统的稳定性，抑制系统频率和电压的波动，提高并网交流系统的稳态性能。模块化多电平换流器不需要开关器件直接串联，并且通过多电平技术可以获得优异的谐波性能和损耗性能，在柔性直流输电领域是一种最有应用潜质的电压源换流器拓扑结构。

为了减少直流线路发生故障的概率，现有的柔性直流输电工程的传输线路一般采用海缆或陆缆进行换流站的互联，但为了提高直流电压等级、节省输电线路的造价，采用架空线路成为一种改进方向。当直流输电线路采用架空线时，雷击等原因可能导致线路杆塔等的过电压击穿，发生直流线路瞬时性短路故障。架空线路接地故障大多数属于弧光高阻接地，当线路上的电压较低，不能击穿故障点时，故障点将呈现为高阻状态，当线路上的电压升高，达到击穿电压时，故障点被击穿，很短时间内故障点由高阻状态转变为低阻状态。在故障点被击穿的瞬间，线路的分布电容电容会通过故障击穿点放电，放电电流可达数百安培，并伴有强烈的振荡衰减过程，在电流振荡的过零和反向点，线路往往又回复到高阻状态。为维持故障状态，必须在故障点被重新击穿的瞬间，向线路注入足够大的直流电流，迫使故障点的电流在振荡衰减期间始终大于零。

常规直流输电系统中可通过快速移相重启的方法对直流线路瞬时性故障进行检测，最快1s以内恢复，但由于换流阀特性的差异该方法不适用于柔性直流输电系统。为了实现柔性直流输电系统在直流线路瞬时性故障后的快速恢复，首先需要一种有效的检测方法在最短的时间内判断出直流线路的故障类型。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种直流故障处理方法及装置，能够快速检测出直流故障的故障类型以便快速处理不同类型的直流故障。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明又提供了一种直流故障处理方法，所述方法应用于柔性直流输电系统；所述柔性直流输电系统包括多电平换流器、与所述多电平换流器分别相连的直流线路和交流系统；所述方法包括：

在检测到直流故障时，将所述直流线路与交流系统隔离、选定一个所述多电平换流器为故障检测换流器、将所述故障检测换流器与交流系统隔离、连接所述故障检测换流器与直流线路且闭锁所述故障检测换流器；

等待设定的熄弧时间后，解锁所述故障检测换流器，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；检测所述直流线路的检测电压值；

当所述检测电压值大于预设耐压定值的持续时间超过耐压时间定值时，确定所述直流故障为瞬时故障。

较佳地，

所述方法还包括：

当所述持续时间不超过耐压时间定值时，检测直流线路的电信号；所述电信号包括直流电压和直流电流的至少其中之一；

当所述电信号异常时，确定所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤的次数是否达到预定检测次数；

当达到预定检测次数时，确定所述直流故障为永久故障；

当未达到预定检测次数时，闭锁所述故障检测换流器进入下一次所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤。

较佳地，

所述电信号满足以下条件至少其中之一时，确定所述电信号异常；

直流电流大于电流定值，且持续时间超过第一检测时间定值；

直流电压小于电压定值，且持续时间超过第二检测时间定值；

直流电压的绝对值的变化速率大于第一速率定值，且持续时间超过第三检测时间定值；

直流电流的绝对值的变化速率大于第二速率定值，且持续时间超过第四检测时间定值；

直流电压与直流电流的比值小于阻抗定值，且持续时间超过第六时间定值。

较佳地，

所述方法还包括：

当所述直流故障为永久故障时，闭锁所述故障检测换流器并停止检测。

较佳地，

所述方法还包括：

当所述直流故障为瞬时故障时，连接所述故障检测换流器和交流系统，并解锁故障检测换流器。

较佳地，

所述多故障检测换流器包括M个储能子模块；所述M为不小于1的整数；

所述解锁所述故障检测换流器，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；检测所述直流线路的检测电压值，包括：

确定使所述故障检测换流器对外放电需要导通的储能子模块个数N；

导通N个所述储能子模块；

其中，所述N为不大于所述M的正整数。

较佳地，

所述故障检测换流器包括M个储能子模块；所述M为不小于1的整数；

所述解锁所述故障检测换流器，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；检测所述直流线路的检测电压值，包括：

导通n个储能子模块；

当所述直流线路的电压值小于预设耐压定值且导通的储能子模块数量小于预设的导通个数限值时，逐步增加导通的储能子模块的个数

所述n为不大于所述M的正整数。

较佳地，

所述故障检测换流器包括M个储能子模块；所述M为不小于1的整数；

所述解锁所述故障检测换流器，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；检测所述直流线路的检测电压值，包括：

导通n个储能子模块；

当导通的储能子模块数量小于预设的导通个数限值时,逐步增加导通的储能子模块的个数；

所述n为不大于所述M的正整数。

较佳地，

所述储能子模块为半桥子模块、全桥子模块、类全桥子模块、嵌位双子模块或X型双子模块。

本发明又提供了一种直流故障处理装置，所述装置应用于柔性直流输电系统；所述柔性直流输电系统包括多电平换流器、与所述多电平换流器分别相连的直流线路和交流系统；

所述装置包括：

隔离单元，用于在检测到直流故障时，将所述直流线路与交流系统隔离、选定一个所述多电平换流器为故障检测换流器、将所述故障检测换流器与交流系统隔离、连接所述故障检测换流器与直流线路且闭锁所述多电平换流器；

解锁单元，用于等待设定的熄弧时间后，解锁所述障检测换流器，使所述障检测换流器向所述直流线路放电；

检测单元，用于检测所述直流线路的检测电压值；

确定单元，用于当所述检测电压值大于预设耐压定值的持续时间超过耐压时间定值时，确定所述直流故障为瞬时故障。

较佳地，

所述检测单元，还用于

当所述持续时间不超过耐压时间定值时，检测直流线路的电信号；所述电信号包括直流电压和直流电流的至少其中之一；

所述确定单元，还用于

当所述电信号异常时，确定所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤的次数是否达到预定检测次数；

当达到预定检测次数时，确定所述直流故障为永久故障；

当未达到预定检测次数时，闭锁所述故障检测换流器进入下一次所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤。

本发明实施例中所述的直流故障处理方法及装置，在不添加换流阀等检测元件的情况下，通过控制故障检测换流器、直流线路和交流系统之间的连接关系，及换流器中储能子模块的解锁和闭锁来检测直流故障的类型，从而实现简便，经济效益高；且由于将交流系统与故障检测换流器器和直流电流进行了隔离，故障检测过程中不会对交流系统产生影响；此外，由于无需引入换流阀等电子设备，直接通过向故障检测换流器、直流线路和交流系统输入控制信号，就能完成检测，从而具有检测速度快的优点，方便快速根据检测出直流故障的故障类型，执行故障恢复等操作。

附图说明

图1a为本发明实施例所述的直流故障处理方法的流程示意图之一；

图1b为本发明实施例所述的直流故障处理方法的流程示意图之二；

图2为本发明实施例所述的多电平换流器的结构示意图之一；

图3a为本发明实施例提供的第一种半桥子模块的结构示意图；

图3b为本发明实施例提供的第二种半桥子模块的结构示意图；

图4a为本发明实施例提供的第一种类全桥子模块的结构示意图；

图4b为本发明实施例提供的第二种类全桥子模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种全桥子模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种嵌位双子模块的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种X型双子模块的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种柔性直流输电系统的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种多电平换流器的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的直流故障处理装置的结构示意图；

图11为本发明实施例所述的直流故障处理方法的流程示意图之三。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述。

实施例一：

如图1a所示，本实施例提供一种直流故障处理方法，所述方法应用于柔性直流输电系统；所述柔性直流输电系统包括多电平换流器、与所述多电平换流器分别相连的直流线路和交流系统；所述方法包括：

步骤S110：在检测到直流故障时，将所述直流线路与交流系统隔离、选定一个所述多电平换流器为故障检测换流器、将所述故障检测换流器与交流系统隔离、连接所述换流器与直流线路且闭锁所述故障检测换流器；其中，所述故障检测换流器为所述柔性直流输电系统中的多个所述多电平换流器中的其中一个，在没有发送直流故障时，所述故障检测换流器和其他多电平换流器一样正常工作；

步骤S120：等待设定的熄弧时间后，解锁所述故障检测换流器使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；

步骤S130：检测所述直流线路的检测电压值；

步骤S140：当所述检测电压值大于预设耐压定值的持续时间超过耐压时间定值时，确定所述直流故障为瞬时故障。

在所述步骤S110中将所述直流线路与交流系统进行隔离，可以通过连接在直流线路和交流系统之间的开关以及刀闸的断开来实现隔离，也可以通过换流器的闭锁来进行隔离。在具体的实现过程中，所述柔性直流输电系统中还通常包括保护装置，通常在出现直流故障时，所述保护装置将迅速检测到所述直流故障，并在检测到所述直流故障后做出开合闸等处理，从而可以迅速知道所述柔性直流输电系统是否出现故障，从而能快速触发本实施例所述的步骤S110。

在步骤S120中等待预设的熄弧时间后，所述柔性直流输电系统中所述换流器或所述直流线路的电压有所下降，在进行换流器的解锁等动作，避免直流故障中的高电压或电流导致换流器的故障。通常所述故障检测换流器包括多个相单元，例如3个相单元；每一个相单元均包括至少一个储能子模块；每一个述储能子模块均至少包括一个储能子元件，具体如包括至少一个储能电容或储能电感等储能元件。

所述解锁所述故障检测换流器使所述多电平换流器向所述直流线路放电可包括两个动作：

第一：先解锁所述故障检测换流器，此时可能没有导通任何一个储能子模块；

第二：逐步增加所述故障检测换流器中的存储子模块导通的个数，最终使所述换流器对直流线路供电，使所述故障检测换流器对外逐步供电

所述储能元件在所述故障检测换流器正常工作时，存储有电能；在本实施例中解锁后导通至少一个所述储能子模块，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电。

在解锁所述换流器之后，导通的所述储能子模块可以来自同一个相单元，也可以来自不同的相单元。在解锁故障检测换流器时导通的相单元的个数为1到Nmset；所述Nmset为所述多电平换流器的包括的相单元的总个数。

具体的如所述换流器包括3个相单元时，所述Nmset＝3；当所述故障检测换流器包括5个相单元时，所述Nmset＝5。在本实施例中所述故障检测换流器优选为模块化多电平换流器。

如图2所示为本实施例中所述的故障检测换流器的一种具体结构，该故障检测换流器为模块化多电平换流器；在图2中，所述模块化多电平换流器包含第一直流端点6和第二直流端点7用于连接直流网络，以及一个交流端点5用于连接交流网络，第一直流端点6和交流端点5之间由电抗器2和级联的储能子模块1串联组成相单元的上桥臂3，交流端点5和第二直流端点7之间由电抗器2和级联的储能子模块1串联组成相单元的下桥臂4。

其中，本实施例中所述的直流线路是通过第一直流端点6或第二直流端点5与所述换流器相连的；所述交流系统是通过所述交流端点5与所述换流器相连。

在步骤S120中所述熄弧时间Tmset1的时间可以根据直流线路的绝缘强度来设定，通常一般的柔性直流输电系统的取值范围可以是1ms到10s之间的任意一个值，具体如5s。

在所述多电平换流器对直流线路放电之后，检测所述直流线路的电压值，此时，检测出的电流值应该是正常的电压值故在步骤S140中，将所述检测电压值与耐压定值进行比较，当检测电压值大于所述耐压定值时检测持续时间，并将持续时间与耐压时间定值进行比较，当检测电压大于所述耐压定值，且所述持续时间大于所述耐压时间定值时，可确定出所述直流故障尽是瞬时故障。所述瞬时故障为可恢复故障，得到所述直流故障的故障类型为瞬时故障后，方便后续对所述柔性直流输电系统进行故障恢复，以减少故障时间，快速恢复供电。

在步骤S140中所述耐压时间定值Tmset2的时长，可以根据所述直流线路的属性参数等参数进行确定，通常可以为1ms到1min之间，具体如35s。

所述耐压定值Udmset的取值范围，也是根据所述直流线路的耐压性来确定，具体所述Udmset为K倍所述直流线路的额定直流电压；所述K的取值可以为大于0小于5的任意数值。

在本实施例中在不增设换流阀等电子元器件的情况下，选定所述柔性输电系统中的一个多电平换流器用作所述故障检测换流器，可以直接通过控制故障检测换流器、直流线路和交流系统之间的连接关系，检测所述柔性直流输电系统的故障是否为可恢复的故障类型(即瞬时故障)具有检测简便、检测速度快，且可避免检测对交流系统的不利等诸多优点。

如图1b所示，所述方法还包括：

步骤S150：

当所述持续时间不超过耐压时间定值时，检测直流线路的电信号；所述电信号包括直流电压和直流电流的至少其中之一；

步骤S160可包括：

当所述电信号异常时，确定所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤的次数是否达到预定检测次数；

步骤S170可包括：

当达到预定检测次数时，确定所述直流故障为永久故障；当未达到预定检测次数时，闭锁所述故障检测换流器进入下一次所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤。

当预定检测次数为1时，则在所述步骤S140之后，可以仅进行步骤S150并直接依据所述电信号是否异常来确定，所述直流故障是否为永久故障。所述永久故障为当前的柔性直流输电系统出现需要待维修的故障，具体如出现电子元件被烧坏，需要进行元件更坏或出现短路等显现，需要修复电路等。

当在本实施例中若所述电信号为正常时，可以在返回所述步骤S120进行所述检测电压与耐压定值的大小判断，以及检测电压大于耐压定值的持续时长是否大于耐压时间定值的判断。

具体如何判断所述电信号是异常的情况，所述电信号满足以下条件至少其中之一时，确定所述电信号异常；

直流电流大于电流定值Iset，且持续时间超过第一检测时间定值Tset1；

直流电压小于电压定值Uset，且持续时间超过第二检测时间定值Tset2；

直流电压的绝对值的变化速率大于第一速率定值DUset，且持续时间超过第三检测时间定值Tset3；

直流电流的绝对值的变化速率大于第二速率定值DIset，且持续时间超过第四检测时间定值Tset4；

直流电压与直流电流的比值小于阻抗定值Zset，且持续时间超过第六时间定值。

其中，不同的柔性直流输出系统的Tset1至Tset5、Iset、Uset、DUset、Zset及DIset取值根据其电路性能参数的不同而不同，以下提供一些取值范围：

所述时间定值Tset1至Tset5的取值范围均为0至10s，Iset的取值范围为Ki倍额定直流电流，其中1≤Ki≤100，电压定值Uset的取值范围为Ku倍额定直流电压，其中0<Ku<1，DUset的取值范围为-100至-0.001pu/s，DIset的取值范围为0.001至100pu/s，Zset根据线路阻抗决定，取值范围为0.01至1000Ω。

在具体的实现过程中还可以是其他条件，具体如直流线路的直流保护条件等，不局限于上述条件。

如图1b所示，所述方法还包括：

步骤S180：当所述直流故障为永久故障时，闭锁所述故障检测换流器并停止检测。由于判断出当前直流故障为永久故障，此时若还让所述柔性输电系统处于工作状态，可能会导致故障检测换流器的烧毁等现象，故闭锁所述故障检测换流器并停止直流故障类型确定的检测(因为当前已经确定出了是永久故障)

如图1b所示，所述方法还包括：

步骤S190：当所述直流故障为瞬时故障时，连接所述故障检测换流器和交流系统，并解锁故障检测换流器。

此时由于确定出所述直流故障为瞬时故障，这些故障可能是因为雷雨天气中雷电等外部放电现象导致当前柔性直流输电系统中的信号异常而检测到的直流故障，此时重新回复电路的正常连接，有利于根据系统内部的故障排除机制，清楚这些故障电路以恢复到正常工作状态。

所述故障检测换流器包括M个储能子模块；所述M为不小于1的整数；

所述步骤S120可包括：

确定使所述故障检测换流器对外放电需要导通的储能子模块个数N；

导通N个储能子模块。

具体如根据故障检测出时确定出故障电压，故可根据每一个储能子模块对外可供电压、直流线路的耐压定值等参数确定出需要导通的储能子模块的个数以及连接方式。

优选地，所述步骤S120也可以是以下两种方式的任意一种：

第一种：

导通n个储能子模块；所述n为小于所述M的正整数；

当所述直流线路的电压值小于预设耐压定值且导通的储能子模块数量小于预设的导通个数限值时，逐步增加导通的储能子模块的个数。

第二种：

导通n个储能子模块；所述n为小于所述M的正整数；

当导通的储能子模块数量小于预设的导通个数限值时,逐步增加导通的储能子模块的个数。

所述逐步增加导通的储能子模块，具体可以是，可以按照预定步长增加导通的储能子模块的个数。具体如1次增加1个导通的储能子模块，直至所述换流器对所述直流线路供电；或1次增加2个导通的储能子模块，直至所述换流器对所述直流线路供电。每次增加的导通的储能子模块的个数可以相同，也可以不相同。

优选地，所述储能子模块为半桥子模块、全桥子模块、类全桥子模块、嵌位双子模块或X型双子模块。

所述储能子模块的结构有多种，以下具体一一介绍一下所述桥子模块、全桥子模块、类全桥子模块、嵌位双子模块或X型双子模块的结构。

图3a和图3b所示的为两种具有类似结构的半桥子模块，所述半桥子模块包括带反并联二极管的可关断器件11、31和储能元件C1，其中，可关断器件11与二极管21反向并联，可关断器件31与二极管41反向并联；对于可关断器件11、31来说，其可采用单个可控开关器件(如绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、金氧半场效晶体管MOSFET或绝缘栅门极关断晶体管IGTO等全控器件)，也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结构。所述反向并联为二极管的阳极与可关断器件的阴极连接，所述二极管的阴极与所述可关断器件阳极连接。

在图3a中，当所述可关断器件11、31为三级管时，所述可关断器件11的集电极与可关断器件31的发射极连接，且该连接点作为储能子模块的端点X1，所述可关断器件11的发射极经由储能元件C1连接可关断器件31的集电极；可关断器件31的集电极作为储能子模块的端点X2。

在图3b中，当所述可关断器件为三极管时，可关断器件31的集电极与可关断器件11的发射极连接，且该连接点作为储能子模块的端点X2，所述可关断器件11的发射极经由储能元件C1连接可关断器件31的集电极；可关断器件31的集电极作为储能子模块的端点X1。

图4a和图4b所示为两种具有类结构的类全桥子模块的结构示意图，所述全桥子模块包括带反并联二极管的可关断器件12、32、52，二极管72和储能元件C2，其中，可关断器件12与二极管22反并联，可关断器件32与二极管42反向并联，可关断器件52与二极管62反向并联；对于可关断器件12、32、52来说，其可采用单个可控开关器件(如IGBT、IGCT、MOSFET或GTO等全控器件，如本文提供实施例中均以IGBT为例)，也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结构。

图4a所示为储能子模块中，可关断器件12的发射极与可关断器件32的集电极连接，且该连接点作为储能子模块的端点X1，所述可关断器件12的集电极经由储能元件C2连接可关断器件32的发射极；所述可关断器件12的集电极还连接二极管72的阴极，所述二极管72的阳极连接可关断器件52的集电极，且该连接点作为储能子模块的端点X2；所述可关断器件52的发射极连接至可关断器件32的发射极。

在图4b所示的储能子模块中，可关断器件52的发射极连接二极管72的阴极，且该连接点作为储能子模块的端点X1，所述可关断器件52的集电极经由储能元件C2连接二极管72的阳极；所述可关断器件52的集电极还连接可关断器件32的集电极，所述可关断器件32的发射极连接可关断器件12的集电极，且该连接点作为储能子模块的端点X2，所述可关断器件12的发射极连接至二极管72的阳极。

图5所示为全桥子模块的结构示意图，所述全桥子模块包括带反并联二极管的可关断器件13、33、53、73和储能元件C3，其中，可关断器件13与二极管23反向并联，可关断器件33与二极管43反并联，可关断器件53与二极管63反并联,可关断器件73与二极管83反向并联；对于可关断器件13、33、53、73来说，其可采用单个可控开关器件(如IGBT、IGCT、MOSFET或GTO等全控器件，如本文提供实施例中均以IGBT为例)，也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结构。

在图5中，可关断器件13的发射极与可关断器件33的集电极连接，且该连接点作为全桥子模块的端点X1，所述可关断器件13的集电极经由储能元件C3连接可关断器件33的发射极；所述可关断器件13的集电极还连接可关断器件73的集电极，所述可关断器件73的发射极连接可关断器件53的集电极，且该连接点作为全桥子模块的端点X2；所述可关断器件53的发射极连接至可关断器件33的发射极。

图6所示为一种嵌位双子模块(Clamp Double Sub-Module,CDSM)，所述嵌位双子模块包括带反并联二极管的可关断器件T1、T2、T3、T4、T5,二极管D6、D7和储能元件C1、C2，其中，可关断器件T1与二极管D1反并联，可关断器件T2与二极管D2反并联，可关断器件T3与二极管D3反并联，可关断器件T4与二极管D4反并联,可关断器件T5与二极管D5反并联；对于可关断器件T1、T2、T3、T4、T5来说，其可采用单个可控开关器件(如IGBT、IGCT、MOSFET或GTO等全控器件，如本文提供实施例中均以IGBT为例)，也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结构。

其中，可关断器件T1的发射极与可关断器件T2的集电极连接，且该连接点作为CDSM子模块的端点X1，所述可关断器件T1的集电极经由储能元件C1连接可关断器件T2的发射极；可关断器件T3的发射极与可关断器件T4的集电极连接，且该连接点作为CDSM的端点X2，所述可关断器件T3的集电极经由储能元件C1连接可关断器件T4的发射极；可关断器件T5的集电极与可关断器件T3的集电极连接，可关断器件T5的发射极与可关断器件T2的发射极连接；二极管D6的阴极与可关断器件T1的集电极连接，二极管D6的阳极与可关断器件T3的集电极连接；二极管D7的阴极与可关断器件T2的发射极连接，二极管D7的阳极与可关断器件T4的发射极连接。

图7所示为一种X型双子模块，所述X型双子模块包括带反并联二极管的可关断器件T11、T21、T31、T41、T51，二极管D61和储能元件C11、C21，其中，可关断器件T1与二极管D1反并联，可关断器件T2与二极管D2反并联，可关断器件T31与二极管D31反向并联，可关断器件T4与二极管D4反并联,可关断器件T5与二极管D5反并联；对于可关断器件T11、T21、T31、T41、T51来说，其可采用单个可控开关器件(如IGBT、IGCT、MOSFET或GTO等全控器件，如本文提供实施例中均以IGBT为例)，也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结构。

可关断器件T11的发射极与可关断器件T21的集电极连接，且该连接点作为X型双子模块的端点X1，所述可关断器件T11的集电极经由储能元件C11连接可关断器件T21的发射极；可关断器件T31的发射极与可关断器件T41的集电极连接，且该连接点作为X型双子模块的端点X21，所述可关断器件T31的集电极经由储能元件C11连接可关断器件T41的发射极；可关断器件T51的集电极与可关断器件T31的集电极连接，可关断器件T51的发射极与可关断器件T21的发射极连接；二极管D61的阴极与可关断器件T11的集电极连接，二极管D61的阳极与可关断器件T41的发射极连接。

图8所示为基于模块化多电平换流器的两端柔直系统示意图，换流器1和换流器2可由图9所示的多电平换流器构成。换流器1的三个相单元的交流端点A通过交流侧开关ACB1连接至交流系统AC1，换流器1的第一直流端点P经电抗器01连接至直流侧开关或隔刀Q1的第一端点，换流器1的第二直流端点N经电抗器02连接至直流侧开关或隔刀Q2的第一端点，直流侧开关或隔刀Q1的第二端点连接第一条支流线路的第一端点，直流侧开关或隔刀Q2的第二端点连接第二条支流线路的第一端口；换流器2的三个相单元的交流端点A通过交流侧开关ACB2连接至交流系统AC2，换流器2的第一直流端点P经电抗器03连接至直流侧开关或隔刀Q3的第一端点，换流器2的第二直流端点N经电抗器04连接至直流侧开关或隔刀Q4的第一端点，直流侧开关或隔刀Q3的第二端点连接第一条支流线路的第二端点，直流侧开关或隔刀Q4的第二端点连接第二条支流线路的第二端点。

图9所示的换流器包括A相、B相以及C相，其中，所述P点和N点为直流线路连接点；所述A1为换流器与交流系统连接的点。图9中一个SM代表一个储能子模块，所述储能子模块的结构可以是本实施例中任意一种所述的储能子模块。

需要说明的是，图9所示的换流器与交流系统之间还可能设置换流变压器，所述换流变压器可以放置在交流系统与交流侧开关之间，也可以放置在交流侧开关与换流器之间。

综合上述，本实施例提供了一种直流故障处理方法，可以通过控制柔性直流输电系统换流器中各个端点与交流系统和直流线路之间的连接等步骤，直接确认出直流故障是可恢复的瞬间故障，还是需要进行电子元器件维修或更换的永久故障，具有故障类型定位快速简单等优点，由于与交流系统进行了隔离，从而能够不免将直流故障对交流系统产生不良影响。

实施例二：

如图10所示，本实施例提供了一种直流故障处理装置，所述装置应用于柔性直流输电系统；所述柔性直流输电系统包括多电平换流器、与所述多电平换流器分别相连的直流线路和交流系统；

所述装置包括：

隔离单元110，用于在检测到直流故障时，将所述直流线路与交流系统隔离、选定一个所述多电平换流器为故障检测换流器、将所述故障检测换流器与交流系统隔离、连接所述换流器与直流线路且闭锁所述故障检测换流器；

解锁单元120，用于等待设定的熄弧时间后，解锁所述故障检测换流器，使所述多故障检测换流器向所述直流线路放电；

检测单元130，用于检测所述直流线路的检测电压值；

确定单元140，用于当所述检测电压值大于预设耐压定值的持续时间超过耐压时间定值时，确定所述直流故障为瞬时故障。

本实施例所述的装置为用于控制所述柔性直流输电系统工作的控制装置，具体如个人PC，通过电压及电流等电信号来控制所述柔性直流输电系统的工作。

具体的所述隔离单元110可包括生成隔离信号的处理器，用于控制位于直流线路、换流器以及交流系统之间的各种可关断电子元器件的开合来实现隔离。

所述检测单元120的具体结构可包括采样电路；所述采样电路可包括采样电阻等具有电压值检测功能的电子元器件。

所述确定单元130的具体结构可包括比较器或具有比较功能的处理器，用于将检测电压与预设耐压定值进行比较；所述确定单元130还可包括计时器用于与所述比较器或具有比较功能的处理器进行连接，用于测量所述持续时间。所述比较器或具有比较器的功能还可以用于进行时间比较，最终所述确定单元可以确定出当前的直流故障时瞬时故障还是永久故障。

优选地，所述检测单元130，还用于当所述持续时间不超过耐压时间定值时，检测直流线路的电信号；；所述电信号包括直流电压和直流电流的至少其中之一；所述确定单元140，还用于

当所述电信号异常时，确定所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤的次数是否达到预定检测次数；当达到预定检测次数时，确定所述直流故障为永久故障；及当未达到预定检测次数时，闭锁所述故障检测换流器进入下一次所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤。

在具体的实现过程中，所述处理装置还可以包括连接单元，所述连接单元用于在确定出所述直流故障为瞬时故障时，连接所述多电平换流器和交流系统，并解锁所述多电平换流器。

所述处理装置还可以包括闭锁单元，所述闭锁单元用于在确定出所述直流故障为永久故障时，闭锁所述多电平换流器并停止检测

综合上述，本实施例提供了一种直流故障处理装置，用于为方法实施例一中所述的直流故障处理方法提供实现硬件，所述装置的具体结构可通过发送控制信号控制所述柔性直流输电系统中各部分电路结构之间的连接状态及工作状态，最终快速确定直流故障的类型，并根据所述类型进行响应的故障清除。

以下结合实施例一和实施例二，提供一个具体示例：

如图10所示，本示例所述直流故障处理方法可包括：

步骤801：进入故障检测的初始状态，此时，直流线路与交流系统隔离，且实现故障检测的故障检测换流器的交流端点与交流系统隔离，直流端点与直流线路连接，进入步骤802；

步骤802：等待设定的熄弧时间Tmset1到达，如到达进入步骤803，否则继续判断；

步骤803：解锁故障检测换流器的至少一个相单元，每个相单元导通设定数量的储能子模块，进入步骤804；通常解锁换流器通过给出导通设定数量储能子模块的数量，所述数量可以为0或任意不大于一个相单元包括的储能子模块的个数；执行步骤803后，需要达到所述换流器向直流线路放电的效果；

步骤804：判断直流线路电压是否小于耐压定值Udmset，如是进入步骤805，否则进入步骤806；

步骤805：增加故障检测换流器中导通储能子模块的个数，进入步骤806；

步骤806：通过直流电压或直流电流特征量判断直流线路故障是否仍然存在，如是进入步骤808，否则进入步骤807；

步骤807：判断是否满足线路耐压时间要求；所述线路耐压时间要求为：直流线路电压大于等于耐压定值Udmset的时间大于线路耐压时间定值Tmset2,如满足进入步骤809，否则进入步骤804；

步骤808：永久停运与直流线路相关联的柔性直流输出系统；

步骤809：闭锁所有相单元，重新恢复直流功率。

需要指出的是，步骤808中还可对检测次数进行统计，当检测次数大于等于设定的检测次数限值时，永久停运与直流线路相关联的柔直系统；否则闭锁所有相单元,继续进入步骤802，实现多次直流线路故障检测。

下面再结合附图8所示的柔性直流输电系统，进一步详细阐述本示例直流线路故障处理方法。

假设换流器的每个相单元有40个储能子模块，并选择换流器1为实现故障检测的故障检测换流器。

当直流线路发生故障时，直流保护动作，换流器1和换流器2均闭锁，换流器1的交流侧开关ACB1断开，直流开关或隔刀01及02均闭合；换流器2的直流开关或隔刀03及04断开，或交流侧开关ACB2断开，或者如果换流器2采用具有阻断能力的如附图3所示的类全桥子模块、如附图4所示的全桥子模块、如附图5所示的嵌位双子模块或如附图7所示的X型双子模块还可仅闭锁换流器2，此时图8所示的直流输电系统处于故障检测的初始状态。

等待熄弧时间200ms后，解锁故障检测换流器的A相相单元，导通个数为0，随后以1个/ms的速率增加导通储能子模块个数直至导通个数限值20，若满足线路耐压时间要求：直流线路电压大于等于1.0倍直流额定电压且持续时间超过线路耐压时间定值50ms则闭锁A1相相单元后重新恢复直流功率，即重新合换流器1和2的交、直流侧开关或隔刀，并重新解锁换流器1和2；若在此过程中检测到直流电压或直流电流特征量异常，如直流电流大于电流定值2倍直流电流额定值,直流电压小于电压定值0.4倍直流电压，且持续时间超过时间定值1ms，闭锁A1相相单元并跳开与直流线路连接的换流器的各侧交流侧开关，停运直流输电系统。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种直流故障处理方法，其特征在于，所述方法应用于柔性直流输电系统；所述柔性直流输电系统包括多电平换流器、与所述多电平换流器分别相连的直流线路和交流系统；所述方法包括：

在检测到直流故障时，将所述直流线路与交流系统隔离、选定一个所述多电平换流器为故障检测换流器、将所述故障检测换流器与交流系统隔离、连接所述故障检测换流器与直流线路且闭锁所述故障检测换流器；

等待设定的熄弧时间后，解锁所述故障检测换流器，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；检测所述直流线路的检测电压值；

当所述检测电压值大于预设耐压定值的持续时间超过耐压时间定值时，确定所述直流故障为瞬时故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述方法还包括：

当所述持续时间不超过耐压时间定值时，检测直流线路的电信号；所述电信号包括直流电压和直流电流的至少其中之一；

当所述电信号异常时，确定所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤的次数是否达到预定检测次数；

当达到预定检测次数时，确定所述直流故障为永久故障；

当未达到预定检测次数时，闭锁所述故障检测换流器进入下一次所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述电信号满足以下条件至少其中之一时，确定所述电信号异常；

直流电流大于电流定值，且持续时间超过第一检测时间定值；

直流电压小于电压定值，且持续时间超过第二检测时间定值；

直流电压的绝对值的变化速率大于第一速率定值，且持续时间超过第三检测时间定值；

直流电流的绝对值的变化速率大于第二速率定值，且持续时间超过第四检测时间定值；

直流电压与直流电流的比值小于阻抗定值，且持续时间超过第六时间定值。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，

所述方法还包括：

当所述直流故障为永久故障时，闭锁所述故障检测换流器并停止检测。

5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，

所述方法还包括：

当所述直流故障为瞬时故障时，连接所述故障检测换流器和交流系统，并解锁故障检测换流器。

6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，

所述多故障检测换流器包括M个储能子模块；所述M为不小于1的整数；

所述解锁所述故障检测换流器，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；检测所述直流线路的检测电压值，包括：

确定使所述故障检测换流器对外放电需要导通的储能子模块个数N；

导通N个所述储能子模块；

其中，所述N为不大于所述M的正整数。

7.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，

所述故障检测换流器包括M个储能子模块；所述M为不小于1的整数；

所述解锁所述故障检测换流器，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；检测所述直流线路的检测电压值，包括：

导通n个储能子模块；

当所述直流线路的电压值小于预设耐压定值且导通的储能子模块数量小于预设的导通个数限值时，逐步增加导通的储能子模块的个数

所述n为不大于所述M的正整数。

8.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，

所述故障检测换流器包括M个储能子模块；所述M为不小于1的整数；

所述解锁所述故障检测换流器，使所述故障检测换流器向所述直流线路放电；检测所述直流线路的检测电压值，包括：

导通n个储能子模块；

当导通的储能子模块数量小于预设的导通个数限值时,逐步增加导通的储能子模块的个数；

所述n为不大于所述M的正整数。

9.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，

所述储能子模块为半桥子模块、全桥子模块、类全桥子模块、嵌位双子模块或X型双子模块。

10.一种直流故障处理装置，其特征在于，所述装置应用于柔性直流输电系统；所述柔性直流输电系统包括多电平换流器、与所述多电平换流器分别相连的直流线路和交流系统；

所述装置包括：

隔离单元，用于在检测到直流故障时，将所述直流线路与交流系统隔离、选定一个所述多电平换流器为故障检测换流器、将所述故障检测换流器与交流系统隔离、连接所述故障检测换流器与直流线路且闭锁所述多电平换流器；

解锁单元，用于等待设定的熄弧时间后，解锁所述障检测换流器，使所述障检测换流器向所述直流线路放电；

检测单元，用于检测所述直流线路的检测电压值；

确定单元，用于当所述检测电压值大于预设耐压定值的持续时间超过耐压时间定值时，确定所述直流故障为瞬时故障。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，

所述检测单元，还用于

当所述持续时间不超过耐压时间定值时，检测直流线路的电信号；所述电信号包括直流电压和直流电流的至少其中之一；

所述确定单元，还用于

当所述电信号异常时，确定所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤的次数是否达到预定检测次数；

当达到预定检测次数时，确定所述直流故障为永久故障；

当未达到预定检测次数时，闭锁所述故障检测换流器进入下一次所述等待设定的熄弧时间后解锁所述故障检测换流器的检测步骤。