一种清除柔性直流电网直流侧短路故障的方法

摘要

本发明提供了一种清除柔性直流电网直流侧短路故障的方法，涉及柔性直流输电技术领域，能够在避免整个柔性直流电网停运的前提下，解决直流断路器失灵所引起的短路故障无法彻底清除的问题。该方法包括：向全部第一目标直流断路器发送跳闸指令，并向全部第二目标直流断路器和全部目标交流断路器发送备用指令；检测各第一目标直流断路器是否在预设时间内成功跳闸，如果至少有一个第一目标直流断路器未在预设时间内成功跳闸，则向邻近未跳闸的断路器的第二目标直流断路器和目标交流断路器发送跳闸指令，且将邻近未跳闸的断路器的目标直流换流器闭锁。上述方法应用于基于模块化多电平换流器的柔性直流电网中。

说明书

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种清除柔性直流电网直流侧短路故障的方法。

背景技术

近年来，随着基于绝缘栅双极晶体管(英文名称：Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)全控器件的柔性直流技术及工程应用的发展，基于电压源型直流换流器(英文全称：Voltage Source Converter，简称VSC)的柔性直流电网技术受到了越来越多的关注。电压源型直流换流器有多种结构，其中模块化多电平换流器(英文名称：Modular Multilevel Converter，简称MMC)作为一种新型的电压源型直流换流器结构，相比于传统的低电平电压源型直流换流器，具有开关损耗小、开关频率低、对器件开关一致性要求不高、模块化结构便于扩展和适用于高电压场合等优点，是未来直流电网换流站的优选拓扑方案之一。

当前的柔性直流电网主要采用基于半桥型子模块(英文名称：Half Bridge Sub Module，简称HBSM)的模块化多电平换流器。如图1所示，基于半桥型子模块的模块化多电平换流器由6个桥臂构成，每个桥臂由一个电抗器L₀和n个半桥型子模块SM1～SMn串联而成，每一相上下两个桥臂结合在一起称为一个相单元。如图2所示，每个半桥型子模块包括绝缘栅双极晶体管T1、T2，分别与T1、T2反并联的二极管D1、D2，及电容器C₀。通过改变接入模块化多电平换流器的半桥型子模块的数量和参数，可以满足不同功率、电压等级和谐波参数的要求，便于实现集成化设计，缩短工程周期，节约成本。

然而，上述模块化多电平换流器存在如下缺陷：由于柔性直流电网直流侧发生短路故障时，半桥型子模块中与绝缘栅双极晶体管反并联的二极管可继续馈入短路电流，并且直流侧短路电流上升速度快、不具备自然过零点，造成柔性直流电网直流侧短路故障难以清除。目前清除柔性直流电网直流侧短路故障的主要方法之一为：使用高压直流断路器在数毫秒内选择性切断故障线路，保护非故障线路供电不受影响。这种方法必须基于直流断路器成功动作这一前提条件，但是由于目前直流断路器制造工艺不成熟，因此存在保护系统发出跳闸信号而直流断路器失灵拒绝跳闸的状况，导致不能彻底清除短路故障，电网中设备元件继续承受短路电流。针对这种状况，现有的保护策略是跳开全部交流侧交流断路器，但这会导致整个柔性直流电网停运，并且重新启动的时间较长，系统的利用率和供电可靠性较低。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提供一种清除柔性直流电网直流侧短路故障的方法，以在避免整个柔性直流电网停运的前提下，解决直流断路器失灵所引起的短路故障无法彻底清除的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种清除柔性直流电网直流侧短路故障的方法，所述方法包括以下步骤：

S1：向全部第一目标直流断路器发送跳闸指令，同时向全部第二目标直流断路器和全部目标交流断路器发送备用指令；其中，所述第一目标直流断路器为故障线路上的直流断路器；所述第二目标直流断路器为与所述第一目标直流断路器所连母线相连且邻近所述第一目标直流断路器的直流断路器；所述目标交流断路器为与所述第一目标直流断路器所连母线相连的直流换流器对应的交流断路器。

S2：检测各所述第一目标直流断路器是否在预设时间内成功跳闸，如果全部所述第一目标直流断路器均在预设时间内成功跳闸，则结束本次进程；如果至少有一个所述第一目标直流断路器未在预设时间内成功跳闸，则进入步骤S3。

S3：向邻近未成功跳闸的第一目标直流断路器的第二目标直流断路器和目标交流断路器发送跳闸指令，并且将邻近未成功跳闸的第一目标直流断路器的目标直流换流器闭锁，结束本次进程；其中，所述目标直流换流器为与所述第一目标直流断路器所连母线相连的直流换流器。

在本发明所提供的清除柔性直流电网直流侧短路故障的方法中，当短路故障发生时，控制故障线路上的直流断路器(即第一目标直流断路器)跳闸，如果第一目标直流断路器至少有一个未在预设时间内成功跳闸，则控制与未成功跳闸的第一目标直流断路器所连母线相连的直流断路器，及与未成功跳闸的第一目标直流断路器所连母线相连的直流换流器对应的交流断路器跳闸，并且控制与未成功跳闸的第一目标直流断路器所连母线相连的直流换流器闭锁，从而使故障线路及未成功跳闸的第一目标直流断路器所连母线停运，实现彻底清除短路故障的目的。因此，本发明所提供的方法能够在故障线路上的直流断路器失灵的状况下，仅停运故障线路及未成功跳闸的第一目标直流断路器所连母线就彻底清除了短路故障，避免了整个柔性直流电网停运，缩小了电网停运范围，提高了电网系统利用率和供电可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。

图1为基于半桥型子模块的模块化多电平换流器的拓扑图；

图2为半桥型子模块的拓扑图；

图3为基于模块化多电平换流器的柔性直流电网的正极输电系统的拓扑图；

图4为基于模块化多电平换流器的柔性直流电网的负极输电系统的拓扑图；

图5为本发明实施例所提供的清除柔性直流电网直流侧短路故障的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

需要说明的是，以下各实施例基于双极结构的四端柔性直流电网进行介绍。如图3所示，为该四端柔性直流电网的正极输电系统拓扑，在其各设备元件的标识前加字母“P”表示相应设备元件为正极输电系统的设备元件；如图4所示，为该四端柔性直流电网的负极输电系统拓扑，在其各设备元件的标识前加字母“N”表示相应设备元件为负极输电系统的设备元件。

请再次参见图3和图4，该四端柔性直流电网中单极输电系统包括四条直流母线和四条直流输电线路(用“DC”表示)，各直流母线分别与一直流换流器相连，该直流换流器具体为基于半桥型子模块的模块化多电平换流器(用“MMC”表示)，各直流输电线路的两端均接入直流断路器(用“CB”表示)，另外各直流换流器的交流侧均接入交流断路器(用“ACCB”表示)。

实施例一

本实施例介绍柔性直流电网发生单极接地短路故障，即柔性直流电网的正极输电系统或负极输电系统中某条直流输电线路发生接地短路故障时，清除短路故障的方法。

如图3所示，假设保护系统检测到直流输电线路PDC12发生单极接地短路故障，按照以下方法清除短路故障，如图5所示：

S1：向全部第一目标直流断路器发送跳闸指令，同时向全部第二目标直流断路器和全部目标交流断路器发送备用指令。其中，第一目标直流断路器为故障线路上的直流断路器；第二目标直流断路器为与第一目标直流断路器所连母线相连且邻近第一目标直流断路器的直流断路器；目标交流断路器为与第一目标直流断路器所连母线相连的直流换流站对应的交流断路器。

具体到本实施例中的工况，故障线路为PDC12，故障线路为PDC12所连母线为母线1和母线2。第一目标直流断路器为PCB12和PCB21；第二目标直流断路器为PCB13和PCB24；目标交流断路器为PACCB1和PACCB2，则步骤S1具体为：向第一目标直流断路器为PCB12和PCB21发送跳闸指令，同时向第二目标直流断路器PCB13和PCB24，及目标交流断路器PACCB1和PACCB2发送备用指令。

需要指出的是，向第二目标直流断路器和目标交流断路器(以下称备用的断路器)发送备用指令的目的是使备用的断路器具备就地过电流保护的功能。一方面，当某个第一目标直流断路器跳闸动作失灵时，其附近的备用的断路器跳闸进行失灵保护，防止其他不相关的断路器误动作，使失灵保护的范围仅限于备用的断路器；另一方面当检测到某个或某几个备用的断路器附近的电流较大时，说明其附近仍有故障电流，相应的第一目标直流断路器失灵，此时该备用的断路器立刻跳闸，而不是将检测到的电流信号发送给保护系统，由保护系统判断后再发回动作指令，这需要较长的时间，不利于柔性直流电网快速清除故障。

S2：检测各第一目标直流断路器是否在预设时间内成功跳闸，如果全部第一目标直流断路器均在预设时间内成功跳闸，则结束本次进程；如果至少有一个第一目标直流断路器未在预设时间内成功跳闸，则进入步骤S3。

具体到本实施例中的工况，步骤S2具体为：检测故障线路PDC12上的故障电流是否在预设时间内降为0，如果降为0，说明短路故障清除，结束本次进程。如果没有降为0，说明第一目标直流断路器PCB12和PCB21中至少有一个跳闸失败，进入步骤S3，启动失灵保护策略。

在上述步骤S2中，预设时间的取值可根据实际需要而定，比如电网系统需要第一目标直流断路器PCB12和PCB21在3ms内成功跳闸，切断故障电流，清除直流侧短路故障，则可将预设时间设定为4ms，预留一定的反应时间，即若检测到第一目标直流断路器PCB12和PCB21在4ms内未成功跳闸，则启动失灵保护策略。优选的，可将预设时间的取值范围设定为3ms～5ms。

S3：向邻近未成功跳闸的第一目标直流断路器的第二目标直流断路器和目标交流断路器发送跳闸指令，并且将邻近未成功跳闸的第一目标直流断路器的目标直流换流器闭锁，结束本次进程。其中，目标直流换流器为与第一目标直流断路器所连母线相连的直流换流器。

具体到本实施例中的工况，目标直流换流器为PMMC1和PMMC2。假设第一目标直流断路器PCB12未成功跳闸，步骤S3具体为：向第二目标直流断路器PCB13，及目标交流断路器PACCB1发送跳闸指令，并且将目标直流换流器PMMC1闭锁，使目标直流换流器PMMC1与系统隔离，从而母线1和故障线路PDC12停运，短路故障清除，结束本次进程。需要指出的是，虽然当第一目标直流断路器PCB12未成功跳闸时，直流输电线路PDC13上的直流电路断路器PCB31附近也能检测到较大电流，但是由于在步骤S1中并未向直流电路断路器PCB31发送备用指令，因此直流电路断路器PCB31并不会因为过电流而发生跳闸误动作，从而避免了直流输电线路PDC13停运，缩小了系统停运的范围。

需要说明的是，在步骤S3中，虽然母线1停运会导致直流输电线路PDC13流向母线1的电流为0，但是直流输电线路PDC13上的电压不变，仍能向线路上所接入的其他电源或负荷供电，因此直流输电线路PDC13并没有停运。并且，正极输电系统的母线2、母线3、母线4和直流输电线路PDC24、PDC34，及整个负极输电系统也未停运。也就是说，利用步骤S3的失灵保护策略，仅停运正极母线1和故障线路PDC12就能够彻底清除短路故障，避免了整个柔性直流电网停运，缩小了停运范围，从而提高了电网系统利用率和供电可靠性。

实施例二

本实施例介绍柔性直流电网发生双极接地短路故障，即柔性直流电网的正极输电系统中某条直流输电线路和负极输电系统中对应直流输电线路均发生接地短路故障时，清除短路故障的方法。

如图3和图4所示，假设保护系统检测到直流输电线路PDC12和NDC12发生双极接地短路故障，按照以下方法清除短路故障，如图5所示：

S1：向第一目标直流断路器为PCB12、NCB12、PCB21和NCB21发送跳闸指令，同时向第二目标直流断路器PCB13、NCB13、PCB24和NCB24，及目标交流断路器PACCB1、NACCB1、PACCB2和NACCB2发送备用指令。

S2：检测故障线路PDC12和NDC12上的故障电流是否在预设时间内降为0，如果降为0，说明短路故障清除，结束本次进程。如果没有降为0，说明第一目标直流断路器PCB12、NCB12、PCB21和NCB21中至少有一个跳闸失败，进入步骤S3，启动失灵保护策略。

假设第一目标直流断路器PCB12未成功跳闸，则：

S3：向第二目标直流断路器PCB13、NCB13，及目标交流断路器PACCB1、NACCB1发送跳闸指令，并且将目标直流换流器PMMC1、NMMC1闭锁，使目标直流换流器PMMC1、NMMC1与系统隔离，从而正极输电系统的母线1，负极输电系统的母线1，及故障线路PDC12、NDC12停运，短路故障清除，结束本次进程。

在本实施例所提供的清除柔性直流电网直流侧短路故障的方法中，当故障线路PDC12上的第一目标直流断路器PCB12未成功跳闸时，仅停运正极输电系统的母线1，负极输电系统的母线1，及故障线路PDC12、NDC12就能够清除短路故障，正极输电系统的母线2、母线3、母线4和直流输电线路PDC13、PDC24、PDC34，及负极输电系统的母线2、母线3、母线4和直流输电线路NDC13、NDC24、NDC34都没有停运，从而避免了整个柔性直流电网停运，缩小了停运范围，从而提高了电网系统利用率和供电可靠性。

需要说明的是，虽然以上各实施例是以四端柔性直流电网模型为例进行介绍的，但是这并不表示本发明所提供的清除柔性直流电网直流侧短路故障的方法仅适用于四端柔性直流电网，本领域技术人员在本发明所提供的方法的启示下，有能力将该方法通过适当的变形应用于其它存在背景技术中所涉及的技术问题的柔性直流电网中。

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以所述权利要求的保护范围为准。