用于多端直流(MTDC)系统的保护方法、控制器、换流站以及MTDC系统

摘要

本发明实施例提供了用于多端直流(MTDC)系统保护的方法。多端直流系统包括多个串联的换流站。该方法包括：检测多端直流系统的输电线路上的直流短路故障；以及确定与直流短路故障有关的相应换流站的运行状态。

说明书

技术领域

本发明的实施例总体涉及多端直流(MTDC)系统，更具体而 言，涉及用于多端直流系统的保护方法、控制器、换流站以及多端 直流系统。

背景技术

通常高压直流(HVDC)输电系统通常被设计且操作为具有两 个终端(也称为换流站)的点对点系统。高压直流输电系统的一个 主要缺点是：仅在两个终端之间的功率交换是有限的。

多端直流输电系统具有多于两个换流站。换流站具有两种运行 模式。一种是整流模式，另一种是逆变模式。近年来，多端直流输 电系统的应用变得比之前更引人注意。多端直流输电系统具有经济 优势和技术可行性。

与两端高压直流系统相比，串联的多端直流系统具有更多不同 电压级的直流输电线路。在有关于多端直流系统运行的讨论中，其 中一个问题是保护需求的评估以及保护与控制协调。多端直流最易 产生直流故障，其使得所有终端瘫痪直到清除直流故障。从概念上 来说，在直流输电线路出现故障后，该系统被关闭。在用于电弧路 径去离子化的足够的时间后，重启该系统(短路的情况下)。系统 可靠性考虑决定了对系统的健康部分产生最小扰动来快速清除故 障的需要。在复杂网状系统中，直流线路故障的检测变得复杂。一 个主要问题是：即使是远程故障，直流电压也会大幅下降。这就需 要快速检测和清除故障，以维持功率传输。在该方法中，通信是需 要的。

鉴于上述，需要改进直流线路故障的保护方法，以避免关闭整 个系统。

发明内容

针对上述和其它潜在问题，本发明实施例提出了用于保护多端 直流系统的方法和装置。

在一个方面，本发明的实施例提供了用于多端直流系统的保护 方法。多端直流系统包括多个串联的换流站。该方法包括以下步骤： 检测多端直流系统的输电线路上的直流短路故障；以及确定与直流 短路故障有关的相应的换流站的运行状态。

在一些实施例中，每个换流站具有阳极侧和阴极侧。本发明实 施例的方法进一步包括：判断相应换流站的每一个的阳极侧和阴极 侧上是否出现直流短路。

在一些实施例中，本发明的实施例的方法进一步包括：当在换 流站的阴极侧检测到输电线路上的直流短路故障时，如果换流站原 本是用作逆变站，保持换流站的运行状态；如果换流站原本是用作 整流站，增加换流站的触发角。

在一些实施例中，增加换流站的触发角的过程进一步包括将换 流站的工作方式从整流模式变换为逆变模式。

在一些实施例中，本发明额实施例的方法进一步包括：当在换 流站的阳极侧检测到输电线路上的直流短路故障时，如果换流站原 本是用作整流站，保持换流站的运行状态；如果换流站原本是用作 逆变站，减小触发角或保持换流站的运行状态。

在一些实施例中，本发明的实施例的方法包括：当故障输电线 路的另一端连接到整流站时，保持换流站的运行状态。在一些实施 例中，本发明的实施例的方法包括：当故障输电线路的另一端连接 到逆变站时，将换流站的运行模式从逆变模式变换为整流模式。

在一些实施例中，应用本发明方法的多端直流系统包括串联的 多端直流系统或串联的多端直流系统和并联的多端直流系统的组 合。

在一些实施例中，本发明的方法进一步包括：以一定时间间隔 重复该方法，直到没有直流短路故障。

在一些实施例中，本发明的方法进一步包括：当直流线路故障 的电弧电流达到零左右时，在一定时间内保持相应换流站的触发角 大致不变，以实现电弧去离子化。

在一些实施例中，在通讯中断期间，应用本发明的方法。

在另一个方面，本发明的实施例在每个换流站中提供了用于多 端直流(MTDC)系统的保护的控制器。该控制器被配置为检测多 端直流系统的输电线路上的直流短路故障；以及在直流短路故障期 间，确定换流站的运行状态。

在一些实施例中，每个换流站具有阳极侧和阴极侧。换流站的 控制器进一步被设置为检测多端直流系统的输电线路上的直流短 路故障；以及被配置为判断换流站的阳极侧或阴极侧上是否出现直 流短路。

在一些实施例中，当控制器在连接到其阴极侧的输电线路上检 测到直流短路故障时，控制器被配置为：如果换流站原先用作逆变 站，保持换流站的运行状态；以及如果换流站原先用作整流站，增 加换流站的触发角。

在一些实施例中，被配置为增加换流站的触发角的换流站的控 制器被进一步被配置为将换流站的运行状态从整流模式变换为逆 变模式。

在一些实施例中，当换流站的控制器在连接到其阳极侧的输电 线路上检测到直流短路故障时，控制器被配置为：如果换流站原先 用作整流站，保持换流站的运行状态；以及如果换流站原先用逆变 站，减小触发角或保持换流站的运行状态。

在一些实施例中，换流站的控制器被配置为：当故障输电线路 的一端连接到逆变站的阳极侧且另一端连接到整流站时，保持换流 站的运行状态。

在一些实施例中，被配置为当故障输电线路的另一端连接到逆 变站时减小相应换流站的触发角的控制器进一步被配置为：将相应 换流站的运行模式从逆变模式变换为整流模式。

在一些实施例中，控制器进一步被配置为重复该方法直到不存 在直流短路故障。

在一些实施例中，控制器进一步被配置为当直流线路故障的电 弧电流达到零左右时，在一定时间内保持换流站的触发角，以实现 电弧通道的去离子化。

在一些实施例中，相应换流站的控制器进一步被配置为在清除 直流故障后，恢复相应换流站至正常运行。

在一些实施例中，换流站的控制器进一步被配置为在通讯中断 期间，清除直流故障。

根据本发明的又一个方面，提供了包括本发明控制器的换流站。

在又一个方面，本发明提供了一种多端直流系统，包括多个串 联连接或者串联和并联连接相结合的换流站，在其中的换流站的控 制器具有本发明的特征和优点。

实施本说明书所描述的主题的特定实施例以实现一个或多个下 述优点。

当结合附图时，本发明实施例的其它特征和优点可以通过下述 具体的示例性实施例的描述理解，附图通过举例的方式解释了本发 明的原理。

附图说明

本发明实施例将以示例的形式呈现，并且下面将参照附图更详 细地描述其优点，其中：

图1是多端直流系统的一个终端(换流站)的单线路的示图；

图2示出了根据本发明的方法流程图；

图3更详细地示出了根据本发明的流程图；

图4A更详细地示出了根据本发明的方法的一个分支的流程图；

图4B更详细地示出了根据本发明的方法的另一个分支的流程 图；

图5是4端串联单极多端直流系统的单条线路的示图；

图6示出了在区域1中直流故障清除过程的示例；

图7示出了在区域2中直流故障清除过程的示例；

图8示出了在区域3中直流故障清除过程的示例；

所有附图都是示意性的，不一定按比例绘制，并且通常仅示出 必要部分，以便阐明本发明，其中其它部件可以被省略或仅是建议 的。

具体实施方式

在下文中，本发明的原理与精神将参照说明性实施例进行说明。 但是应当理解，所给出的所有这些实施例仅仅为了使本领域技术人 员更好地理解并进一步实施本发明，而不是为了限制本发明的范 围。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可以和另一 个实施例一起使用，以得到又一个实施例。为了清楚起见，本说明 书中并没有描述实际实施方式的所有特征。当然应当理解，在任何 这种实际实施例的开发中，必须作出许多实现方式特定的决定，以 便实现开发人员的特定目标，例如符合系统和商业有关的约束，而 且这些特定目标将随着实现方式而改变。此外，可以理解，这种开 发努力可能是复杂和费时的，但是仍然是本领域普通技术人员受益 于本公开所作出的例行工作。

图1是串联的多端直流系统的一个终端(也称为换流站)的单 条线路的示图。

图1所示的终端是基于晶闸管的线性换流站，并且其可以作为 整流站或逆变站工作。为了简化本发明方法的介绍，如图1所示定 义换流站的阳极侧和阴极侧。阳极侧是在换流站中从直流输电线路 流入直流电流的一端；阴极侧是换流站中直流电流流出到直流输电 线路的一端。

图2示出了根据本发明的方法流程图；

方法200包括：检测多端直流系统201的输电线路上的直流短 路故障；以及确定与直流短路故障202有关的相应的换流站的运行 状态。

图3更详细地示出了根据本发明的方法流程图；

方法300开始于步骤301。在步骤301，如图1所示的每一个终 端(即每一个换流站)检测是否出现直流线路短路。该检测技术是 本领域技术人员所熟知的，因此在此省略其详细描述。

如果存在直流短路故障，方法300前进到步骤302。在步骤302， 方法300实现判断在相应换流站的每一个的阳极侧或阴极侧是否出 现直流短路的步骤。

如果在阳极侧出现直流线路短路，方法300前进到块A。否则， 方法300前进到块B。

图4A更详细地显示了根据本发明的方法的一个分支的流程图； 其中分支紧接在块A之后。

在图4A中，方法400开始于块A，其意味着直流短路出现在 相应换流站的阴极侧，然后前进到步骤401。在步骤401，方法400 识别相应换流站是否原本是作为逆变站使用的。

如果相应换流站原本是作为逆变站使用的，该方法前进到步骤 402。否则，方法400前进到步骤403。

在步骤402，方法400保持相应换流站的运行状态。换句话说， 如果直流线路短路出现在阴极侧，并且换流站的变换模式是逆变模 式，方法400保持各个换流站的运行状态。

在步骤403，方法400增加相应换流站的触发角。换句话说， 如果直流线路短路出现在阴极侧，并且换流站的变换模式是整流模 式，方法400增加相应换流站的触发角。

在一些实施例中，在步骤403，增加相应换流站的触发角包括 将相应换流站的运行模式从整流模式变换为逆变模式。

图4B更详细地显示了根据本发明的方法的另一个分支的流程 图；其中分支紧接在块B之后。

在图4B中，方法500开始于块B，其意味着直流短路出现在 相应换流站的阳极侧，然后前进到步骤501。在步骤501，方法500 识别相应换流站是否原本是作为整流站使用的。

如果相应换流站原本是作为整流站使用的，该方法前进到步骤 502。否则，方法500前进到步骤503。

在步骤502，方法500保持相应换流站的运行状态。换句话说， 如果直流线路短路出现在阳极侧，并且换流站的变换模式是整流模 式，方法500保持相应换流站的运行状态。

在步骤503，方法500减小或保持相应换流站的触发角。换句 话说，如果直流线路短路出现在阳极侧，并且换流站的变换模式是 逆变模式，方法500实施减小触发角或保持相应换流站的运行状态。

在一些实施例中，在步骤503，当故障输电线路的另一端连接 到整流站时，方法500保持相应换流站的运行状态。

在一些实施例中，在步骤503，减小相应换流站的触发角包括 将相应换流站的运行模式从逆变模式变换为整流模式。

在一些实施例中，可以通过换流站的控制器执行如图2、图3、 图4A和图4B所示的方法。

在一些实施例中，能够在没有通讯的多端直流系统中执行如图 2、图3、图4A和图4B所示的方法。

在一些实施例中，以一定时间间隔重复如图4A和图4B所示的 方法，直到不存在直流短路故障。

在一些实施例中，如图4A和图4B所示的方法，当直流线路故 障的电弧电流达到零左右时，在一定时间内相应换流站的触发角应 大致保持不变，以实现电弧去离子化。

参考图5，图5是4端串联单极多端直流系统的单条线路的示 图。

图5以4终端串联单极多端直流系统作为示例。多端直流系统 可能具有多个终端，例如6个终端，8个终端等，并不限于4个终 端。多端直流系统是高压直流系统的一种类型。高压直流系统具有 多种配置。在通常的配置中，所谓的单极，具有一个极，并且直流 电流通过接地电极返回地面。在使用一对极的双极输电中，每个极 在相对于地的高电位处于相反的极性，并且通常在接地路径中存在 小的直流电流。因此，多端直流系统也具有单极性和双极性的配置。

在如图5所示的系统中，当系统正常运行时，有两个终端(终 端Rec1和Rec2)运行在整流模式下，并且有两个终端(终端Inv1 和Inv2)运行在逆变模式下。在每一对相邻终端之间，存在可能发 生直流短路故障的3个区域(区域1、区域2和区域3)。

图6显示了在区域1中直流故障清除过程的示例。

在如图6所示的情况下，直流故障发生在终端Rec1和终端Rec2 之间的区域1中。在直流短路发生之前，通过终端Rec1的电流与 通过终端Rec2的电流相同。当直流短路发生时，从输电线路到地 将出现一个非常大的故障电流。这是因为短路阻抗远远小于线路阻 抗。根据图6，故障电流I_f是正的，因此流过终端Rec1(I₁)的电 流大于流过终端Rec2(I₂)的电流。当终端Rec1在其阴极侧检测到 直流故障时，根据本发明的方法，终端Rec1将其变换模式从整流 模式改变为逆变模式。并且当终端Rec2在其阳极侧检测到直流故 障时，根据本发明的方法，终端Rec2将保持其变换模式为整流模 式。众所周知，当换流站工作在整流模式下，能量从交流系统传输 到直流系统。当换流站工作在逆变模式下，能量从直流系统传输到 交流系统。在如图6所示的情况下，由于大的直流故障电流，将产 生大量能量。当终端Rec1变为逆变模式，将有助于吸收故障能量 并将其传递给终端Rec1的本地交流系统。因此故障电流I_f将减小。 在实施本方法后，如图6所示，故障电流(即I_f)将被清除。

在另一个实施例中，换流站Rec1可以增加其触发角而不变换 其运行模式。

图7示出了在区域2中直流故障清除过程的示例。

如图7所示，直流故障发生在终端Rec2和终端Inv2之间的区 域2中。在直流短路发生之前，通过终端Rec2的电流和通过终端 Inv2的电流相同。当直流短路发生在区域2中时，终端Inv2的直流 电压下降到接近零。因此，终端Inv2失去将直流逆变为交流的能力， 并且其电流下降到接近零。同时，从输电线路到地将出现一个非常 大的故障电流I_f。因此流过终端Rec2(I₁)的电流大于流过终端Inv2 (I₂)的电流。当终端Rec2在其阴极侧检测到直流故障时，根据本 发明的方法，终端Rec1将其变换模式从整流模式改变为逆变模式。 以及当终端Inv2在其阳极侧检测到直流故障时，根据本发明的方 法，其将减小其触发角或者甚至将其变换模式从逆变模式改变为整 流模式。在如图7所示的情况下，由于大的直流故障电流，将产生 大量能量。当终端Rec1变为逆变模式时，随着I₁减小，其将有助 于吸收故障能量。以及当终端Inv2的变换模式从逆变模式改变为整 流模式时，终端Inv2具有将交流功率变换为直流功率的能力，使得 I₂从接近零开始增加。因此故障电流I_f将减小。在实施本方法后， 如图7所示，故障电流(即I_f)将被清除。

实施例可以包括一个或多个以下特征。换流站Rec2将增加其 触发角而不变换其运行模式。换流站Inv1将减小其触发角而不改变 其运行模式。

图8示出了在区域3中直流故障清除过程的示例；

在如图8所示的情况下，直流故障发生在终端Inv1和终端Inv2 之间的区域3中。在直流短路发生之前，通过终端Inv1的电流和通 过终端Inv2的电流相同。当直流短路发生时，从输电线路到地将出 现一个非常大的故障电流。根据图8，故障电流I_f是正的，因此流 过终端Inv2(I₁)的电流大于流过终端Inv1(I₂)的电流。当终端Inv2 在其阴极侧检测到直流故障时，根据本发明的方法，终端Inv2将保 持其变换模式为逆变模式。并且当终端Inv1在其阳极侧检测到直流 故障时，根据本发明的方法，终端Inv1将减小其触发角或者甚至将 其变换模式从逆变模式改变为整流模式。众所周知，当换流站工作 在整流模式下，能量从交流系统传递到直流系统；当换流站工作在 逆变模式下，能量从直流系统传递到交流系统。在如图8所示的情 况下，由于大的直流故障电流，将产生大量能量。终端Inv2将尽力 保持I₁的值。当终端Inv1变为整流模式，I₁将减小。因此故障电流 I_f将减小。在实施本方法后，如图8所示，故障电流(即I_f)将跨 越零点并被清除。

本发明也在换流站中提供了可以应用上述方法的控制器。该控 制器被配置为检测多端直流系统的输电线路上的直流短路故障；以 及确定与直流短路故障有关的相应换流站的运行状态。

在一些实施例中，每个换流站具有阳极侧和阴极侧。控制器进 一步被配置为：在换流站中检测多端直流系统的输电线路上的直流 短路故障；以及被配置为判断相应换流站的每一个的阳极侧或阴极 侧上是否出现直流短路。

在一些实施例中，当换流站的控制器在连接到其阴极侧的输电 线路上检测到直流短路故障时，控制器被配置为：如果换流站原本 是作为逆变站使用的，保持换流站的运行状态；以及如果换流站原 本是作为整流站使用的，增加相应换流站的触发角。

在一些实施例中，被配置为增加换流站的触发角的换流站的控 制器被进一步被配置为将换流站的运行状态从整流模式变换为逆 变模式。

在一些实施例中，当换流站的控制器在连接到其阳极侧的输电 线路上检测到直流短路故障时，控制器被配置为：如果换流站原本 是作为整流站使用的，保持换流站的运行状态；以及如果换流站原 本是作为逆变站使用的，减小触发角或保持换流站的运行状态。

在一些实施例中，换流站的控制器被配置为：当直流短路发生 在逆变站的阳极侧且阳极侧的另一端连接到整流站时，保持换流站 的触发角。

在一些实施例中，换流站的控制器被配置为：当故障输电线路 的一端连接到用作逆变站的换流站的阳极侧且另一端也连接到逆 变站时，减小换流站的触发角。

在一些实施例中，换流站的控制器进一步被配置为重复该方法 直到不存在直流短路故障。

在一些实施例中，换流站的控制器进一步被配置为当直流线路 故障的电弧电流达到零左右时，在一定时间内保持换流站的触发 角，以实现电弧通道的去离子化。

在一些实施例中，在清除直流故障后，换流站的控制器进一步 被配置为恢复换流站至正常运行。

在一些实施例中，相应换流站的控制器进一步被配置为在通讯 中断期间，清除直流故障。

根据本发明的又一个方面，提供了包括本发明控制器的换流站。

本发明进一步提供了包括多个串联连接或者串联和并联连接相 结合的换流站的多端直流系统，其中换流站的控制器具有本发明的 特征和优点。

虽然该说明书包含了许多具体实施细节，但是这些并不应当被 理解为对任何实施方式或者所请求保护的范围的限制，而是作为具 体于特定实施方式的特定实施例的特征的描述。在该说明书中以单 独实施例为背景所描述的某些特征也可以以单个实施例的组合来 实施。相反，以单个实施例为背景所描述的各种特征也能够单独或 以任意合适的子组合在多个实施例中实施。此外，虽然特征可以在 上文中以某种组合进行描述并且甚至最初如此要求保护，但是来自 所请求保护的组合中的一个或多个特征在一些情况下也能够从组 合中去除，并且所请求保护的组合可以针对于子组合或子组合的变 化。

还应当注意的是，以上所描述的实施例是为了描述本发明而不 是对其进行限制而给出，并且所要理解的是，可以诉诸以修改和变 化形式而并不背离如本领域技术人员轻易理解的本发明的精神和 范围。这样的修改和变化被认为处于本发明和所附权利要求的范围 之内。本发明的保护范围由所附权利要求所确定。此外，权利要求 中的任何附图标记都不应当被解释为对权利要求的限制。动词“包 括”及其变化形式的使用并不排除存在权利要求中所引用的那些以 外的要素或步骤。要素或步骤之前的不定冠词“一”或“一个”并 不排除存在多个这样的要素或步骤。