CN105048488A - 一种柔性直流网络直流短路故障穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备负电平输出能力的MMC与机械型直流断路器协调控制实现柔性直流网络直流短路故障穿越的方法，属于柔性直流网络直流故障保护领域。现有技术中，处理直流故障的手段主要有三种：依靠交流设备断开与直流系统的连接、依靠换流器本身进行直流故障清除、依靠直流设备进行直流故障隔离，但以上三种方法都无法有效实现柔性直流网络直流故障保护。本发明中的MMC包括具备负电平输出能力的子模块，通过灵活调节上、下桥臂输出电压，使换流器直流端口电压呈现负电平，从而达到直流短路故障电流可控且快速降低为零的目的，使机械直流断路器即能满足隔离直流故障的需求。

Description

一种柔性直流网络直流短路故障穿越方法

技术领域

本发明属于柔性直流网络直流故障保护领域，更具体地，涉及一种基于具备负电平输出能力的模块多电平变流器MMC(ModularMultilevelConverter)与机械直流断路器协调控制实现柔性直流网络直流短路故障穿越的方法。

背景技术

近年来，海上风电以及偏远地区的新能源发电得到快速的发展。

相比交流输电及传统直流输电，柔性直流输电技术可独立控制有功、无功功率，对电压扰动的抵御能力强，组成的电网可实现互联系统间电压问题的解耦和频率问题的支撑，是一个主动和可控电网，是实现多落点新能源互联的最佳选择。但是，直流短路故障是柔性直流输电不可回避的问题。相比传统直流输电系统，柔性直流输电系统中的直流短路故障具有故障电流大、上升速度快的特点，尤其在柔性直流网络中，单点直流故障容易演变为多点交流故障，严重威胁电网的安全运行。基于架空线的柔性直流网络，非永久性短路故障发生概率高，因此上述问题尤为突出。目前，处理直流故障的手段主要有三种：

1)依靠交流设备(如交流断路器等)断开与直流系统的连接。该方法不需要依靠直流断路器，通过换流器闭锁，交流断路器动作来清除直流故障。当故障线路被隔离之后，换流器解锁，交流断路器重合闸，系统恢复功率传输。但是由于交流断路器动作时间长(≈100ms)，且故障期间换流站无法对有功及无功功率进行调节，故对交流系统影响大。

2)依靠换流器(模块化多电平换流器MMC)本身进行直流故障清除，即基于全桥MMC的直流闭锁方案。然而，该方案需要封锁IGBT驱动，牺牲了换流站的可控性，且在故障期间无法对有功和无功功率灵活调节。

3)依靠直流设备(如直流断路器)进行直流故障隔离。目前，直流断路器可分为三类：机械型，固态型和混合型。机械型断路器技术较为成熟，但该断路器存在断流能力差(自激振荡≈30～40ms，预充电型≈10ms)、响应速度慢(自激振荡≤4kA，预充电型≤8kA)的不足。固态型断路器响应速度快(≈1ms)，但存在动态均压难和稳态运行损耗高的不足，目前只在低压、中压领域有所应用。混合型高压断路器具有很好的响应速度(≈3～5ms)和断流能力(≤9kA)，被认为是最具应用前景的高压直流断路器。但是，该技术尚未在实际工程中得到验证，且以当前的研究速度，未来十年内该断路器难以突破到大于500kV的领域。因此，现阶段的高压直流断路器难以被直接应用于柔性直流网络。目前，基于直流断路器的保护方案是在直流线路中增加平波电抗器，通过抑制故障电流上升速度来减小对断路器响应速度、断流能力的需求。但是，该方法不可避免地增大了直流线路的损耗(平波电抗器的所带来的损耗)。

综上所述，上述三种方案都无法有效实现多端柔性高压直流输电系统直流故障保护。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种基于具备负电平输出能力的MMC与机械直流断路器协调控制实现柔性直流网络直流短路故障穿越的方法，其中通过对换流站直流端口负电平输出电压的控制，实现了降低直流故障电流快速下降到零的目的。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种辐射状柔性直流网络直流短路故障穿越方法，所述柔性直流网络包括n个换流站端口，其中每个端口分别对应一个换流站、一条直流输电线路和一个机械直流断路器，正常工作时，其中一个换流站用于确定直流电压，其余换流站用于确定有功功率，所述换流站包含A、B、C三相，每相由上、下两个桥臂组成，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)每个换流站检测判断直流侧是否发生短路故障，是则顺序执行步骤(2)，否则继续进行检测；

(2)根据所述每个换流站直流端口检测到的电气量进行故障定位；

(3)在所述柔性直流网络中，将所述每个换流站切换为定有功功率控制，有功功率指令定为零，无功功率指令相对正常工作时保持不变，根据有功及无功功率指令计算得到故障期间MMC每相所需输出的交流电压参考值e_vij；

除故障定位所在线路对应换流站外其余所有换流站，根据直流故障电流的参考指令值所述换流站直流端口检查到的检测值直流故障电流i_dci和直流端口电压U'_dci计算得到非故障线路对应换流站的直流端口所需输出的负电平电压U_zi，并叠加到所述非故障线路对应换流站的上、下桥臂参考电压u_pij、u_nij中的共模指令部分，通过对叠加后参考电压u_pij、u_nij的调制得到上、下桥臂子模块触发导通信号；故障线路对应的换流站做静止无功补偿器STATCOM运行，减小对所连接交流电网的影响；最终使得故障线路中的故障电流衰减为零，其中，i＝1、2...、n，分别表示所述柔性直流网络中换流站1、2...、n，下标j＝a，b，c，分别表示a、b、c三相；

(4)所有所述机械直流断路器通过检测得到线路中的故障电流，若衰减为零则顺序执行步骤(5)，否则继续进行检测；

(5)跳开零故障电流线路对应的机械直流断路器；

(6)所述其余所有换流站进行协调控制后等待一段时间，非故障线路对应的换流站切换到正常控制模式完成穿越。

优选地，在所述步骤(3)中，所述直流故障电流的参考指令值i_d ^* _ci根据以下公式得到

$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}{i}_{dci}^{*}=i_{dci\_rated}& (i\≠1)\end{array}\\ i_{dc1}^{*}=\underset{i=2}{\overset{k-1}{\Σ}}{i}_{dci\_rated}+\underset{i=k+1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{dci\_rated}\end{array}\right.$

其中，假定故障发生在第k条线路，i_{dci_rated}为未故障线路i正常工作时的额定电流，其中表示所述用于确定直流电压的换流站的直流故障电流的参考指令值。

优选地，在所述步骤(3)中，所述其余所有换流站的直流端口输出的负电平电压U_zi根据以下公式得到

$U_{zi}=U_{dci}^{\′}-\[K_p(i_{dci}^{*}-i_{dci})+K_I\∫(i_{dci}^{*}-i_{dci})dt\]$

其中，U'_dci为换流站直流端口电压检测值，K_p、K_i分别为故障电流控制器的PI参数。

优选地，在所述步骤(3)中，所述上、下桥臂参考电压u_pij、u_nij根据以下公式得到

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{pij}=\frac{1}{2}{U}_{dci}^{\′}-\frac{1}{2}{U}_{zi}-e_{vij}\\ u_{nij}=\frac{1}{2}{U}_{dci}^{\′}-\frac{1}{2}{U}_{zi}+e_{vij}\end{array}\right.$

其中，U'_dci为换流站直流端口电压检测值，e_vij为MMC每相所需输出的交流电压参考值，U_zi为除故障定位所在线路对应换流站外的所有换流站直流端口输出的负电平电压。

按照本发明的另一方面，提供了一种环网状柔性直流网络直流短路故障穿越方法，所述柔性直流网络包括若干个换流站端口和若干个机械断路器，其中每个所述端口对应一个换流站和若干条线路，每条所述线路两端各包含一个断路器，正常工作时，其中一个换流站用于确定直流电压，其余换流站用于确定有功功率，所述换流站包含A、B、C三相，每相由上、下两个桥臂组成，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)每个换流站检测判断直流侧是否发生短路故障，是则顺序执行步骤(2)，否则继续进行检测；

(2)所述每个换流站直流端口检测到的电气量进行故障定位；

(3)在所述柔性直流网络中，将所述每个换流站切换为定有功功率控制，有功功率指令定为零，无功功率指令相对正常工作时保持不变，根据有功及无功功率指令计算得到故障期间MMC每相所需输出的交流电压参考值e_vij；

通过调节所述上、下桥臂输出电压，使得直流短路故障电流可控并降低为零；

(4)所有所述机械直流断路器通过检测得到线路中的故障电流，若衰减为零则顺序执行步骤(5)，否则继续进行检测；

(5)跳开零故障电流线路两端的机械直流断路器；

(6)所述每个换流站进行协调控制后等待一段时间，非故障线路对应的换流站切换到正常控制模式完成穿越。

总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过换流器自身的负电平输出，使直流故障电流灵活可控，利用机械直流断路器即能够满足隔离直流故障的需求，保证未故障线路在故障期间连续运行；

2、协调控制期间，换流器未闭锁，能够持续向交流系统提供无功支撑，减小了对交流系统的影响。

附图说明

图1是本发明的柔性直流网络结构示意图；

图2是全桥MMC结构示意图；

图3是本发明的直流故障电流控制器闭环结构框图；

图4是故障期间MMC1和MMC2任意一相上、下桥臂输出电压参考值；

图5是本发明的基于具备负电平输出能力的MMC和机械直流断路器协调配合控制的流程图；

图6是故障期间换流站MMC1和MMC2的总体控制框图；

图7是本发明的三端直流输电系统实施例示意图；

图8是本发明的实例仿真图。其中，(a)流过CB₃的故障电流I_fault随时间的变化图，(b)换流器MMC1端口电压随时间的变化图，(c)换流器MMC2端口电压随时间的变化图，(d)换流器MMC3端口电压随时间的变化图，(e)换流器MMC1传输的有功和无功功率随时间变化图，(f)换流器MMC2传输的有功和无功功率随时间变化图，(g)换流器MMC3传输的有功和无功功率随时间变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

具备负电平输出能力的MMC不仅包括由一种具备负电平输出能力的子模块构成的MMC(如全桥MMC)，还包括由具备负电平输出能力的子模块及其余类型子模块混合构成的MMC(如半桥与全桥混合型MMC)。机械直流断路器技术较为成熟，但该断路器存在断流能力差(自激振荡≈30～40ms，预充电型≈10ms)、响应速度慢(自激振荡≤4kA，预充电型≤8kA)的不足，难以直接满足柔性直流输电系统隔离直流故障的需求。

本发明实施例的具备负电平输出能力的MMC与机械直流断路器协调配合的方案中，所述辐射状n端口柔性直流网络的每个端口分别对应一个换流站、一条直流输电线路和一个机械直流断路器，如图1所示。正常工作时，假定换流站1定直流电压控制，其余换流站定有功功率控制，该方法包括如下步骤：

(1)各换流站检测判断直流侧是否发生短路故障，是则顺序执行步骤(2)；否则继续进行检测；

(2)根据换流站直流端口检测到的电气量进行故障定位；

(3)在实例所述柔性直流网络中，将所有换流站切换为定有功功率控制，有功功率指令定为零，无功功率指令相对正常工作时保持不变。根据有功及无功功率指令计算得到故障期间MMC每相所需输出的交流电压参考值e_vij；

如图3所示，除故障定位所在线路对应换流站外所有换流站，根据直流故障电流的参考指令值所述换流站直流端口检查到的检测值直流故障电流i_dci和直流端口电压U'_dci计算得到非故障线路对应换流站的直流端口所需输出的负电平电压U_zi，并叠加到所述非故障线路对应换流站的上、下桥臂参考电压u_pij、u_nij中的共模指令部分，如图4所示，通过对叠加后参考电压u_pij、u_nij的调制得到上、下桥臂子模块触发导通信号，故障线路对应的换流站做静止无功补偿器STATCOM运行，减小对所连接交流电网的影响；最终使得故障线路中的故障电流衰减为零，其中，下标i＝1、2...、n，分别表示所述柔性直流网络中换流站1、2...、n，下标j＝a，b，c，分别表示a、b、c三相；

(4)所有所述机械直流断路器通过检测得到线路中的故障电流，若衰减为零则顺序执行步骤(5)，否则继续进行检测；

(5)跳开零故障电流线路对应的机械直流断路器；

(6)换流站进行协调控制后等待一段时间，非故障线路对应的换流站切换到正常控制模式完成穿越。

本发明的实施例中，

$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}{i}_{dci}^{*}=i_{dci\_rated}& (i\≠1)\end{array}\\ i_{dc1}^{*}=\underset{i=2}{\overset{k-1}{\Σ}}{i}_{dci\_rated}+\underset{i=k+1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{dci\_rated}\end{array}\right.$

$U_{zi}=U_{dci}^{\′}-\[K_p(i_{dci}^{*}-i_{dci})+K_I\∫(i_{dci}^{*}-i_{dci})dt\]$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{pij}=\frac{1}{2}{U}_{dci}^{\′}-\frac{1}{2}{U}_{zi}-e_{vij}\\ u_{nij}=\frac{1}{2}{U}_{dci}^{\′}-\frac{1}{2}{U}_{zi}+e_{vij}\end{array}\right.$

其中，假定故障发生在第k条线路。i_{dci_rated}为未故障线路i正常工作时的额定电流，表示所述用于确定直流电压的换流站的直流故障电流的参考指令值，U'_dci为换流站直流端口电压检测值，K_p、K_i分别为故障电流控制器的PI参数，e_vij为步骤3中计算得出的交流电压参考值。其次，需要说明的是，由于故障点的随机性，所以在图3中a值不确定(从0变化到1)，故在控制器PI参数设计时，令a＝0即可。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的具备负电平输出能力的MMC与机械直流断路器协调配合的方案进行详细说明。

下述实例中，具备负电平输出能力的MMC以全桥MMC为例，如图2所示。三端柔性直流输电网络结构如图7所示。交流侧相电压有效值10kV，直流母线电压为20kV，每个桥臂包含8个全桥子模块。子模块电容15mF，桥臂电感5.5mH，桥臂电感等效电阻0.2Ω。正常工作时，MMC1定直流电压控制，MMC2、MMC3定有功功率控制，各换流站所传输的有功、无功功率以及潮流正方向均已在图中标明。

如图7所示，假设故障发生在F点(MMC3对应的输电线路)，直流电压为0kV。换流器检测到故障以后，均切换到有功功率控制，且有功功率指令为零，无功功率控制相对正常时保持不变；MMC1和MMC2进行直流故障电流控制，其指令为直流故障电流控制器的输出U_zi，叠加到上、下桥臂参考信号的共模分量中；MMC3做STATCOM运行。当直流隔离开关CB₃检测到故障电流I_fault为零时，执行开断操作。MMC1和MMC2等待30ms以后切换到正常工作模式。

协调控制期间，流过CB₃的故障电流随时间变化如图8(a)所示，结果表明故障电流可控，且在15ms以内快速衰减到零，CB₃在故障发生大概20ms之后检测到零故障电流，跳开机械直流断路器，隔离直流故障；换流器MMC1的直流端口电压随时间变化如图8(b)所示，结果表明，在换流站检测到直流故障以后立即投入负电平，使直流故障电流迅速下降，等待30ms以后(确保机械直流断路器CB₃可靠隔离直流故障)MMC1恢复正常工作模式，直流端口电压恢复正常；换流器MMC2的直流端口电压随时间变化如图8(c)所示，结果表明，在换流站检测到直流故障以后也立即投入负电平，使直流故障电流迅速下降，等待30ms以后MMC2恢复正常工作模式，直流端口电压恢复正常；换流器MMC3的直流端口电压随时间变化如图8(d)所示，结果表明，在换流站检测到直流故障以后立即拉低直流端口电压，做STATCOM运行；换流器MMC1传输的有功和无功功率随时间变化如图(e)所示，结果表明，协调控制期间MMC1能够持续向交流系统提供无功支撑，且在直流故障被隔离之后，有功功率传输快速恢复；换流器MMC2传输的有功和无功功率随时间变化如图(f)所示，结果表明，协调控制期间MMC2仍然能持续向交流系统提供无功支撑，且在直流故障被隔离之后，有功功率传输快速恢复正常；换流器MMC3传输的有功和无功功率随时间变化如图(g)所示，结果表明，MMC3做STATCOM运行，能持续向交流系统提供无功支撑，有功功率维持在零。

所述协调配合方案在高、中、低压柔性直流输电领域均可适用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种辐射状柔性直流网络直流短路故障穿越方法，所述柔性直流网络包括n个换流站端口，其中每个端口分别对应一个换流站、一条直流输电线路和一个机械直流断路器，正常工作时，其中一个换流站用于确定直流电压，其余换流站用于确定有功功率，所述换流站包含A、B、C三相，每相由上、下两个桥臂组成，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)每个换流站检测判断直流侧是否发生短路故障，是则顺序执行步骤(2)，否则继续进行检测；

(2)根据所述每个换流站直流端口检测到的电气量进行故障定位；

(3)在所述柔性直流网络中，将所述每个换流站切换为定有功功率控制，有功功率指令定为零，无功功率指令相对正常工作时保持不变，根据有功及无功功率指令计算得到故障期间MMC每相所需输出的交流电压参考值e_vij；

除故障定位所在线路对应换流站外其余所有换流站，根据直流故障电流的参考指令值所述换流站直流端口检查到的检测值直流故障电流i_dci和直流端口电压U'_dci计算得到非故障线路对应换流站的直流端口所需输出的负电平电压U_zi，并叠加到所述非故障线路对应换流站的上、下桥臂参考电压u_pij、u_nij中的共模指令部分，通过对叠加后参考电压u_pij、u_nij的调制得到上、下桥臂子模块触发导通信号；故障线路对应的换流站做静止无功补偿器STATCOM运行，减小对所连接交流电网的影响；最终使得故障线路中的故障电流衰减为零，其中，i＝1、2...、n，分别表示所述柔性直流网络中换流站1、2...、n，下标j＝a，b，c，分别表示a、b、c三相；

所述上、下桥臂参考电压u_pij、u_nij根据以下公式得到

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{pij}=\frac{1}{2}{U}_{dci}^{\′}-\frac{1}{2}{U}_{zi}-e_{vij}\\ u_{nij}=\frac{1}{2}{U}_{dci}^{\′}-\frac{1}{2}{U}_{zi}+e_{vij}\end{array}\right.$

其中，U'_dci为换流站直流端口电压检测值，e_vij为MMC每相所需输出的交流电压参考值，U_zi为除故障定位所在线路对应换流站外的所有换流站直流端口输出的负电平电压；

(4)所有所述机械直流断路器通过检测得到线路中的故障电流，若衰减为零则顺序执行步骤(5)，否则继续进行检测；

(5)跳开零故障电流线路对应的机械直流断路器；

(6)所述其余所有换流站进行协调控制后等待一段时间，非故障线路对应的换流站切换到正常控制模式完成穿越。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述直流故障电流的参考指令值根据以下公式得到

$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}{i}_{dci}^{*}=i_{dci\_rated}& (i\≠1)\end{array}\\ i_{dc1}^{*}=\underset{i=2}{\overset{k-1}{\Σ}}{i}_{dci\_rated}+\underset{i=k+1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{dci\_rated}\end{array}\right.$

其中，假定故障发生在第k条线路，i_{dci_rated}为未故障线路i正常工作时的额定电流，其中表示所述用于确定直流电压的换流站的直流故障电流的参考指令值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述其余所有换流站的直流端口输出的负电平电压U_zi根据以下公式得到

$U_{zi}=U_{dci}^{\′}-\[K_p(i_{dci}^{*}-i_{dci})+K_I\∫(i_{dci}^{*}-i_{dci})dt\]$

其中，U'_dci为换流站直流端口电压检测值，K_p、K_i分别为故障电流控制器的PI参数。

4.一种环网状柔性直流网络直流短路故障穿越方法，所述柔性直流网络包括若干个换流站端口和若干个机械断路器，其中每个所述端口对应一个换流站和若干条线路，每条所述线路两端各包含一个断路器，正常工作时，其中一个换流站用于确定直流电压，其余换流站用于确定有功功率，所述换流站包含A、B、C三相，每相由上、下两个桥臂组成，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)每个换流站检测判断直流侧是否发生短路故障，是则顺序执行步骤(2)，否则继续进行检测；

(2)所述每个换流站直流端口检测到的电气量进行故障定位；

(3)在所述柔性直流网络中，将所述每个换流站切换为定有功功率控制，有功功率指令定为零，无功功率指令相对正常工作时保持不变，根据有功及无功功率指令计算得到故障期间MMC每相所需输出的交流电压参考值e_vij；

通过调节所述上、下桥臂输出电压，使得直流短路故障电流可控并降低为零；

(4)所有所述机械直流断路器通过检测得到线路中的故障电流，若衰减为零则顺序执行步骤(5)，否则继续进行检测；

(5)跳开零故障电流线路两端的机械直流断路器；

(6)所述每个换流站进行协调控制后等待一段时间，非故障线路对应的换流站切换到正常控制模式完成穿越。