專利名稱：一種全橋mmc-hvdc直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輸配電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法。
背景技術(shù)：
近年來，電壓源換流器VSC在高壓直流輸電HVDC領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注及應(yīng)用，但由于輸出電平數(shù)的限制，其輸出性能較差，存在開關(guān)器件直接串聯(lián)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)均壓?jiǎn)栴}和高開關(guān)頻率導(dǎo)致的高開關(guān)損耗等問題。由西門子公司提出的模塊化多電平換流器MMC，將電容與開關(guān)器件視為ー個(gè)整體來構(gòu)建子模塊，使用子模塊串聯(lián)的方法提升換流器的電壓及功率等級(jí)，輸出特性好，具有較低的總諧波畸變率，適用于VSC-HVDC輸電領(lǐng)域。模塊化多電平換流器子模塊分為半橋型HB-MMC和全橋型FB-MMC結(jié)構(gòu)。全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC結(jié)構(gòu)相對(duì)于半橋型模塊化多電平換流器子模塊HBMMC會(huì)成倍的増加投資以及損耗，但全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC可以輸出負(fù)電平，從而提高換流器交流出口電壓，使其高于直流電壓的一半，提高直流電壓利用率；并且由干拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC結(jié)構(gòu)具有穿越直流故障的能力。柔性直流輸電直流系統(tǒng)故障一般分為單極接地故障、斷線故障以及兩極短路故障，三種故障發(fā)生后的故障特征各不相同。針對(duì)不同故障的故障特征，本發(fā)明設(shè)計(jì)了ー種故障分類檢測(cè)方法，可以區(qū)別上述三種直流故障，并給出相應(yīng)的保護(hù)配合方法。其中，針對(duì)兩極短路故障，半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC與全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了閉鎖換流站后的短路電流通路不同。半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC需閉鎖換流站后立即斷開交流斷路器，防止交流系統(tǒng)通過ニ極管繼續(xù)饋入短路電流，若要重新啟動(dòng)系統(tǒng)需要重合閘等過程，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)；而全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC閉鎖換流站后，交直流系統(tǒng)隔離，無需斷開交流系統(tǒng)斷路器，可以在故障消除后解鎖換流站，使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)全橋型模塊化多電平高壓直流輸電FB-MMC-HVDC直流系統(tǒng)故障進(jìn)行研究，提出了一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法。一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法，其特征在干，具體包括以下步驟步驟I :在高壓直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)設(shè)置故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)；步驟2 :確定直流輸電直流系統(tǒng)故障分類檢測(cè)判據(jù)；步驟3 :根據(jù)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到不同的故障，確定分類故障保護(hù)方案；步驟4 :根據(jù)確定的故障保護(hù)方案，對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)保護(hù)。步驟I中，由于在高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流側(cè)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常設(shè)置在換流站直流側(cè)出口處，因此針對(duì)兩端雙極高壓直流輸電系統(tǒng)，共四個(gè)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓和電流，共8個(gè)測(cè)量信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量信息作為故障判據(jù)，以區(qū)分故障類型。步驟2中，直流輸電直流系統(tǒng)故障分類檢測(cè)判據(jù)為I)直流單極接地故障故障特征為故障極電壓與O的差值絕對(duì)值小于第一閾值，非故障極電壓升高到其初值的2倍，有功功率正常傳輸。針對(duì)此類故障，同時(shí)檢測(cè)兩極電壓，若兩極電壓的值超出第二閾值，則說明檢測(cè)到單極接地故障的發(fā)生。2)直流斷線故障故障特征為功率傳輸中斷，直流電流降為O。針對(duì)此類故障，同時(shí)檢測(cè)兩端直流電
流，若兩端直流電流的值超出第三閾值，則說明檢測(cè)到直流斷線故障的發(fā)生。3)直流兩極短路故障故障特征為子模塊電容放電，交流側(cè)饋入短路電流，監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓與O的差值絕對(duì)值小于第四閾值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)電流大幅度升高。針對(duì)此類故障，檢測(cè)正負(fù)兩極電壓，若正負(fù)兩極電壓的值超出第五閾值，則說明檢測(cè)到直流兩極短路故障的發(fā)生。步驟3中，針對(duì)設(shè)置故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到不同的故障，對(duì)直流輸電系統(tǒng)采取不同的保護(hù)方法a)直流單極接地故障若為短時(shí)故障且直流線路具備承受過電壓的能力，則可允許系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行；若為長(zhǎng)期故障，則跳開交流側(cè)斷路器進(jìn)行檢修。b)直流斷線故障此類故障為長(zhǎng)期故障，一旦檢測(cè)到發(fā)生此類故障，需閉鎖兩端換流站，并跳開交流側(cè)斷路器進(jìn)行檢修。c)直流兩極短路故障短時(shí)故障吋，閉鎖換流站后無需跳開交流斷路器，待故障消失后，解鎖換流站，使系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行；若為長(zhǎng)期故障，則跳開交流側(cè)斷路器進(jìn)行檢修。本發(fā)明的有益效果是，當(dāng)在高壓直流輸電系統(tǒng)的全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC-HVDC直流側(cè)發(fā)生不同類型的故障時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息檢測(cè)出相應(yīng)故障并予以分類檢測(cè)，觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)措施。本檢測(cè)方法不僅可以區(qū)分檢測(cè)高壓直流輸電系統(tǒng)的全橋型模塊化多電平換流器子模塊fb-mmc-hvdc系統(tǒng)直流側(cè)故障，也適用于高壓直流輸電系統(tǒng)的半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC-HVDC系統(tǒng)，且給出了相應(yīng)故障后的保護(hù)措施。


圖I是本發(fā)明提供的高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)信息示意圖；圖2是本發(fā)明提供的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法的直流側(cè)單極接地故障；圖3是本發(fā)明提供的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法的直流側(cè)斷線故障；圖4是本發(fā)明提供的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法的直流側(cè)兩級(jí)短路故障；
圖5是是本發(fā)明提供的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法的故障分類檢測(cè)以及相應(yīng)保護(hù)的邏輯判斷原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。步驟I :設(shè)置故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)在高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流側(cè)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常設(shè)置在換流站直流側(cè)出口處，本研究針對(duì)兩端雙極高壓直流輸電系統(tǒng)的全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC-HVDC系統(tǒng)直流側(cè)故障進(jìn)行研究。圖I中，設(shè)定的故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括up_l、up_2、down_l和down_2 ；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量信息，即監(jiān)測(cè)點(diǎn)up_l、up_2、d0Wn_l和down _2的電壓和電流，即
Udc—upl、Idc—upl、Udc—up2、Idc—up2、^dc downl Λ dc downl Λ ^dc_down2 矛口 Idc—down2
共8個(gè)測(cè)量信息利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的
測(cè)量信息作為故障判據(jù)，以區(qū)分故障類型。步驟2 :確定故障分類檢測(cè)判據(jù)I)直流單極接地故障針對(duì)直流側(cè)單極接地故障，如圖2所示發(fā)生正極接地故障，故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息為經(jīng)短時(shí)震蕩后，故障極電壓約為0，非故障極電壓約為到其初值的2倍，直流電流保持不變，有功功率正常傳輸
Udc _ up I ^ Udc _ up 2 ^ O
\Jdc _ down I —■ 2 X Udc _ downl 0< \Jdc _ down 2 — 2 X XJdc _ down 2 0
Idc up I — 11 up 1 — Idc up 0 Idc _ do I ~ Idc — down 2 — Idc __ i 0其中，Udcdownl 0, Udc down2 0, Idc up 0, Idc down 0代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)各測(cè)量值的初始值。故障檢測(cè)部分同時(shí)檢測(cè)兩極電壓作為判據(jù)，給出設(shè)定的第二閾值，如一極電壓降低了 85%，同時(shí)另一極電壓升高了 185%:
丨￠/" dc /; I I ^ I 5 ^/o X IC/ dc — up I — O
| ' Jc .',7,:1 < I 5 % X I"‘if up2 _ o|^,,,
Κ./ i / c — o w f I I ^ 18 5 巧'0 X \Lj dc — downl — 0 I
丨./ a c — down I | ^/0 X U l' — a o H1 n—0 丨其中，Udcupl o, Udc up2 0, Udc downl 0, Udc down2 0代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量電壓的初始值。若滿足上述判據(jù)，則給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)說明檢測(cè)到單極接地故障的發(fā)生。2)直流斷線故障針對(duì)直流側(cè)斷線故障，如圖3所示，故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息為經(jīng)短時(shí)震蕩后，兩端直流電流變?yōu)?，功率傳輸中斷，兩端直流電壓則取決于換流站為整流站還是逆變站，且與控制方式有關(guān)。即
Idc _ 4pl = Idc _ up ^ ~ O<
Idc _ downl — Idc _ Jow η 2 ~ O
V——故障檢測(cè)部分同時(shí)檢測(cè)兩端直流電流作為判據(jù)，給出設(shè)定的第三閾值，如降低到15%的初始值
Idc up \ , ItJc _ ^ 15 /0 I /rfc1 up O
·<
Idc down I , _/uc — t/ow" 21 i I. 3 /o | Idc down 0其中，Idc up 0, Idc down 0代表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量電流的初始值。若滿足上述判據(jù)，則給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，說明檢測(cè)到直流斷線故障的發(fā)生。3)直流兩極短路故障針對(duì)直流側(cè)兩級(jí)短路故障，如圖4所示，故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息為經(jīng)短時(shí)震蕩后，測(cè)點(diǎn)電壓迅速下降到O附近，測(cè)點(diǎn)電流升高到初始值的幾十倍。故障檢測(cè)部分同時(shí)檢測(cè)兩端直流電壓作為判據(jù)，給出設(shè)定的第五閾值，如降低到15%的初始值時(shí)
I& ci·. — IIμ I <15% |f.y dc _ upl _ o|
Il.J cic _ ap2 I ^ I j /0 Ify dc _ up2 _ 0V.'■
a\ ./u iiij I 5% ^UcIl down\ θ|
|"c和 15%|" dc — down 2 θ|其中，Ud?！猽pl—Q,Udc up2 0) Udc downl 0) Udc down2 0 代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)各測(cè)里值的初值。若滿足上述判據(jù)，則給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，說明檢測(cè)到直流側(cè)兩極短路故障的發(fā)生。步驟3 :確定分類故障保護(hù)方案I)直流單極接地故障若為短時(shí)故障且直流線路可以承受過電壓的能力較強(qiáng)，則可允許系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行；若為長(zhǎng)期故障，則跳開交流側(cè)斷路器進(jìn)行檢修。2)直流斷線故障此類故障為長(zhǎng)期故障，一旦檢測(cè)到發(fā)生此類故障，需閉鎖兩端換流站，并跳開交流側(cè)斷路器進(jìn)行檢修。3)直流兩極短路故障此類故障極其嚴(yán)重，但是由于全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC不同于半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC的特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC結(jié)構(gòu)閉鎖換流站后可以阻斷子模塊放電電流，但交流系統(tǒng)仍會(huì)通過二極管饋入短路電流；而全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC結(jié)構(gòu)只需要閉鎖換流站即可完全阻斷短路電流，使交直流系統(tǒng)完全隔離，從而在短時(shí)故障情況下故障消失后解鎖換流站即可使系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行，而半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC結(jié)構(gòu)則需閉鎖換流站并跳閘，以防止交流側(cè)短路電流的饋入，在故障消失后還需要重合閘以使系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行，從故障到恢復(fù)運(yùn)行耗時(shí)較長(zhǎng)。綜上所述，全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC結(jié)構(gòu)相對(duì)于半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC結(jié)構(gòu)具有穿越兩極短路故障的能力。若為短時(shí)故障則閉鎖兩端換流站，故障消失后解鎖換流站使系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行；若為長(zhǎng)期故障需檢修則跳閘檢修。步驟4:當(dāng)模塊化多電平高壓直流輸電直流側(cè)發(fā)生上述三種故障時(shí)，針對(duì)上述不同的故障特征，在故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)不同的判據(jù)，可以區(qū)分地給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，其判斷邏輯如圖5所示，進(jìn)而對(duì)故障進(jìn)行處理，如繼續(xù)保持運(yùn)行、閉鎖換流站和跳開交流斷路器。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法，其特征在于，具體包括以下步驟 步驟I :在高壓直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)設(shè)置故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)； 步驟2 :確定直流輸電直流系統(tǒng)故障分類檢測(cè)判據(jù)； 步驟3 :根據(jù)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到不同的故障，確定分類故障保護(hù)方案； 步驟4 :根據(jù)確定的故障保護(hù)方案，對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)保護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法，其特征在于，所述直流側(cè)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在換流站直流側(cè)出口處，共設(shè)置四個(gè)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓和電流，并將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量信息作為故障判據(jù)，區(qū)分故障類型?！?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法，其特征在于，所述直流輸電直流系統(tǒng)故障分類檢測(cè)判據(jù)為 1)直流單極接地故障 故障特征為故障極電壓與O的差值絕對(duì)值小于第一閾值，非故障極電壓升高到其初值的2倍，有功功率正常傳輸；針對(duì)此類故障，同時(shí)檢測(cè)兩極電壓，若兩極電壓的值超出設(shè)定的第二閾值，則說明檢測(cè)到單極接地故障的發(fā)生； 2)直流斷線故障 故障特征為功率傳輸中斷，直流電流降為O ;針對(duì)此類故障，同時(shí)檢測(cè)兩端直流電流，若兩端直流電流的值超出設(shè)定的第三閾值，則說明檢測(cè)到直流斷線故障的發(fā)生； 3)直流兩極短路故障 故障特征為子模塊電容放電，交流側(cè)饋入短路電流，監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓與O的差值絕對(duì)值小于第四閾值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)電流大幅度升高；針對(duì)此類故障，檢測(cè)正負(fù)兩極電壓，若正負(fù)兩極電壓的值超出設(shè)定的第五閾值，則說明檢測(cè)到直流兩極短路故障的發(fā)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟3中，針對(duì)設(shè)置故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到不同的故障，對(duì)直流輸電系統(tǒng)采取不同的保護(hù)方法 a)直流單極接地故障 若為短時(shí)故障且直流線路具備承受過電壓的能力，則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行；若為長(zhǎng)期故障，則跳開交流側(cè)斷路器進(jìn)行檢修； b)直流斷線故障 此類故障為長(zhǎng)期故障，一旦檢測(cè)到發(fā)生此類故障，則閉鎖兩端換流站，并跳開交流側(cè)斷路器進(jìn)行檢修； c)直流兩極短路故障 短時(shí)故障時(shí)，閉鎖換流站后無需跳開交流斷路器，待故障消失后解鎖換流站，使系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行；若為長(zhǎng)期故障，則跳開交流側(cè)斷路器進(jìn)行檢修。
全文摘要
本發(fā)明公開了輸配電技術(shù)領(lǐng)域的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測(cè)與保護(hù)方法。其技術(shù)方案是1、在高壓直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)設(shè)置故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)；2、確定直流輸電直流系統(tǒng)故障分類檢測(cè)判據(jù)；3、根據(jù)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到不同的故障，確定分類故障保護(hù)方案；4、根據(jù)確定的故障保護(hù)方案，對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)保護(hù)。本發(fā)明的有益效果是，當(dāng)在FB-MMC-HVDC直流側(cè)發(fā)生不同類型的故障時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息檢測(cè)出相應(yīng)故障并予以分類檢測(cè)，觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)措施。
文檔編號(hào)G01R31/02GK102856881SQ201210326230
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者趙成勇, 劉文靜, 許建中, 李探 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)