直流输电系统正负极直流断路器的协调动作控制策略

摘要

本发明公开了一种直流输电系统正负极直流断路器的协调动作控制策略。针对伪双极多端柔性直流输电系统安装直流断路器后存在的过电压问题，本发明采用的技术方案为：采用伪双极多端柔性直流输电系统，包括多个换流站、多条直流输电线路和多个直流断路器，每个换流站只包含一个换流器，换流器通过一个联结变压器与交流系统相连，其直流侧直接输出正负极直流电压；直流断路器安装于直流输电线路的两端；正负极直流断路器的协调动作控制策略为：针对直流输电系统直流侧发生接地故障时，正负极直流断路器进行故障隔离的动作时序。本发明能够有效缓解直流输电系统过电压情况，促进直流输电系统安全有效运行。

说明书

技术领域

本发明属于高压直流断路器控制领域，具体地说是一种伪双极多端柔性直流输电系统正负极直流断路器的协调动作控制策略。

背景技术

近年来，多端柔性直流输电技术凭借优越的控制运行特性，已成为解决新能源大规模并网、海岛输电、城市电网供电的有效技术手段。柔性直流输电系统当直流侧发生接地故障时，故障发展速度非常迅速，需要采取有效的手段以隔离或缓解故障。直流断路器是隔离直流故障的有效手段之一。类比于交流电网中的交流断路器，直流断路器能够快速切除多端直流输电系统中的直流故障点，缩小故障对直流系统的影响范围，促进直流系统灵活运行。

随着2012年ABB研制出世界上首台高压混合直流断路器，混合式直流断路器迅速成为业界研究的热点。但是，混合式直流断路器在关断瞬间，可能会产生较大的端间电压，串入多端柔性直流输电系统后，会对直流输电系统整体的电压特性产生影响，尤其是在伪双极结构中，需要采取有效的措施进行应对。

发明内容

针对伪双极多端柔性直流输电系统安装直流断路器后存在的过电压问题，本发明提供一种直流输电系统正负极直流断路器的协调动作控制策略，以有效缓解直流输电系统过电压情况，促进直流输电系统安全有效运行。

为此，本发明采用如下的技术方案：直流输电系统正负极直流断路器的协调动作控制策略，所述的直流输电系统为伪双极多端柔性直流输电系统，包括多个换流站、多条直流输电线路和多个直流断路器，每个换流站只包含一个换流器，换流器通过一个联结变压器与交流系统相连，其直流侧直接输出正负极直流电压；直流断路器安装于直流输电线路的两端，直流断路器一端与换流站正极或负极直流母线相连，另一端与直流输电线路相连；其特征在于，

所述正负极直流断路器的协调动作控制策略为：针对直流输电系统直流侧发生接地故障时，正负极直流断路器进行故障隔离的动作时序，包括步骤：

1)直流故障发生后，直流线路保护装置利用直流电压和直流电流暂态特征量，基于采用基于边界特性的直流系统单端量保护故障定位技术(现有故障定位技术)完成故障定位，并向故障线路两侧的正负极直流断路器发送分断信号；

2)收到分断信号的正负极直流断路器均立即导通转移支路，然后通过关断负荷转移开关和超快速机械开关断开主支路，故障电流由主支路转移至转移支路；

3)待步骤2)完成后，每个直流断路器的直流电压测量绝对值U_dm与一直流电压参考值U_t作比较，若U_dm<U_t，则立即断开该直流断路器的转移支路，即实现该直流断路器分断，并同时向另一极对应的直流断路器发送已分断信号；

4)若U_dm≥U_t，则该直流断路器暂不动作，等待动作指令；经过一短暂时间T_s，若U_dm≥U_t，同时未收到来自另一极对应的直流断路器的已分断信号，则立即断开该直流断路器的转移支路，分断该直流断路器；若U_dm≥U_t，且已收到来自另一极对应的直流断路器的已分断信号，则继续等待，直到满足U_dm<U_t后，对该直流断路器进行分断。

进一步地，所述的步骤3)中，直流电压参考值U_t用于判断直流断路器所在极是否发生接地故障，该值的设定需兼顾一极直流断路器分断后另一极直流电压的下降速率。

更进一步地，所述的步骤3)中，直流电压参考值U_t设置为单极直流额定电压的1.3倍。

进一步地，所述的步骤4)中，短暂时间T_s考虑正负极直流断路器之间的通讯延时和动作延时。

更进一步地，所述的步骤4)中，短暂时间T_s取为2ms。

进一步地，所述换流器的拓扑结构可采用两电平电压源型换流器(VSC)、三电平VSC或模块化多电平换流器(MMC)等。

本发明具有的有益效果如下：

本发明提出的正负极直流断路器的协调动作控制策略，能够有效缓解直流系统过电压情况，促进直流系统安全有效运行。

附图说明

图1为本发明实施例中含直流断路器的四端柔性直流输电系统示意图；

图2为本发明实施例中混合式直流断路器的结构示意图；

图3为本发明实施例中正负极直流断路器协调动作控制的流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，一种伪双极四(多)端端柔性直流输电系统，包括多个换流站、多条直流输电线路和多个直流断路器。每个换流站只包含一个换流器，换流器通过一个联结变压器与交流系统相连，其直流侧直接输出正负极直流电压。直流断路器安装于直流输电线路的两端，直流断路器一端与换流站正(负)极直流母线相连，另一端与直流输电线路相连。换流器的拓扑结构可采用两电平电压源型换流器(VSC)、三电平VSC或模块化多电平换流器(MMC)等。

如图2所示，混合式直流断路器分为主支路、转移支路和耗能支路三条支路。其中，主支路由超快速机械开关和由少量IGBT模块正反向串联构成的负荷转移开关构成，用于导通直流系统负荷电流；转移支路由多级IGBT正反向模块串联构成，用于短时承载直流系统故障电流，并通过换流将电容串入故障回路，建立暂态分断电压；耗能支路由多个避雷器组并联构成，用于抑制分断过电压和吸收线路及平抗储存能量。混合式直流断路器的分断过程大致如下：直流断路器收到分断指令后，首先导通转移支路，然后断开负荷转移开关，将直流电流从主支路转移至转移支路，而后断开超快速机械开关，实现主支路物理分断后，再断开转移支路，故障电流从转移支路转移至耗能支路，由避雷器对电网剩余能量进行吸收，最终实现直流断路器分断。

当直流系统出现单极接地故障时，正常极的电压将抬升至额定电压的两倍左右(瞬间电压会更高)。故障后，系统较大的充放电电流流经直流断路器后引发直流断路器保护动作。当直流断路器转移支路闭锁后，电流对转移支路中的电容形成充电效应，导致直流断路器两侧的电压差增加。当两侧电压差大于自身避雷器动作值时，避雷器动作，吸收直流网络剩余能量。由于正常极的直流线路此时处于近两倍的过电压水平，因此，断路器另一端的过电压水平理论上可以达到直流额定电压+直流断路器两侧压差，该过电压水平可达额定电压的3-4倍，对设备的安全运行产生严重威胁。

为此，本发明提供一种正负极直流断路器的协调动作控制策略，如图3所示，具体步骤包括：

1)直流故障发生后，直流线路保护装置利用直流电压和直流电流等暂态特征量，基于采用基于边界特性的直流系统单端量保护故障定位技术，并向故障线路两侧的正负极直流断路器发送分断信号。

2)收到分断信号的正负极直流断路器均立即导通转移支路，然后通过关断负荷转移开关和超快速机械开关断开主支路，故障电流由主支路转移至转移支路。

3)待步骤2)完成后，每个直流断路器的直流电压测量绝对值U_dm与一直流电压参考值U_t作比较，若U_dm<U_t，则立即断开该直流断路器的转移支路，即实现该直流断路器分断，并同时向另一极对应的直流断路器发送已分断信号；若U_dm≥U_t，则该直流断路器暂不动作，等待动作指令。

U_t用于判断直流断路器所在极是否发生接地故障，该值的设定需兼顾一极直流断路器分断后另一极直流电压的下降速率，可以设置为单极直流额定电压的1.3倍。

4)经过一短暂时间T_s，若U_dm≥U_t，同时未收到来自另一极对应的直流断路器的已分断信号，则立即断开该直流断路器的转移支路，分断该直流断路器；若U_dm≥U_t，且已收到来自另一极对应的直流断路器的已分断信号，则继续等待，直到满足U_dm<U_t后，对该直流断路器进行分断。

T_s要考虑正负极直流断路器之间的通讯延时和动作延时，可取为2ms。

采用上述方法后，若直流系统发生双极接地故障，那么正负极直流电压都将小于额定电压值，正负极直流断路器不受U_t判据的影响，都会立即断开；若直流系统发生单极接地故障，那么故障极的直流断路器会立即断开，而正常极的直流断路器受U_t判据的影响，要等到正常极的直流电压下降至U_t后，再拉开该直流断路器，进而抑制直流过电压情况。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。