專利名稱：用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓保護(hù)裝置及保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柔性直流輸電系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓保護(hù)裝置及保護(hù)方法。
背景技術(shù)：
柔性直流輸電是一種新型的高壓直流輸電技術(shù)，其通過電壓源型變流器，在水電廠或火電廠等電源處，將傳統(tǒng)交流電變?yōu)橹绷麟?，通過架空線或電纜等傳輸線，將電力送至遠(yuǎn)方負(fù)荷處。與傳統(tǒng)高壓直流輸電相比，具有可控性強(qiáng)，潮流反轉(zhuǎn)容易，無需無功補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。柔性直流輸電系統(tǒng)由三部分組成，包括位于電源和負(fù)荷處的兩個(gè)換流站，及連接兩站的直流電纜或架空線，其中核心設(shè)備是柔性直流換流閥，其安全性需要通過保護(hù)系統(tǒng)獲得可靠的保證。換流站中有一個(gè)可在交流線路I及直流線路8間切換的換流閥5，包括貫穿于交流線路I及直流線路8間的功率半導(dǎo)體閥9，通過這樣的功率半導(dǎo)體閥將電力參數(shù)在交流和直流之間轉(zhuǎn)換。此外，交流線路I與交流線路II之間有一個(gè)換流變壓器3，它在交流線路I閥側(cè)為星型接法，其中性點(diǎn)通過電阻6接地。柔性直流換流站故障一般分為交流側(cè)故障、直流側(cè)故障及換流閥故障三種，交、直流側(cè)故障保護(hù)由站控系統(tǒng)(由電壓互感器、電流互感器、交直流側(cè)濾波器保護(hù)、變壓器保護(hù)等組件組成)實(shí)現(xiàn)。目前柔性直流換流站內(nèi)直流保護(hù)系統(tǒng)主要通過直流欠壓、過壓保護(hù)來判斷直流系統(tǒng)故障情況，在換流站內(nèi)部交流線路I單相接地故障或直流線路發(fā)生單極接地短路故障時(shí)，另一極的直流線路8電壓可能會(huì)提高到正常運(yùn)行電壓的1.5 2倍，功率半導(dǎo)體閥可能會(huì)承受過高的故障電壓而損壞。傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體閥9保護(hù)措施主要并聯(lián)無間隙MOV。該保護(hù)方法通常將無間隙MOV并聯(lián)在功率半導(dǎo)體閥9的兩端，利用MOV的電壓電流非線性特性，將可能產(chǎn)生過電壓的能量通過MOV消耗掉，從而使被保護(hù)設(shè)備免受過壓的沖擊，但該方法存在動(dòng)作參數(shù)難以整定、能量應(yīng)力過大、導(dǎo)通無法控制等缺陷。而其它傳統(tǒng)線路保護(hù)裝置如旁路晶閘管開關(guān)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)作時(shí)間慢、承受過電流能力低等缺點(diǎn)。針對(duì)上述問題，在直流線路上增加本發(fā)明的保護(hù)裝置可以有效降低直流線路過電壓，避免對(duì)換流閥閥體內(nèi)部造成損害。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓保護(hù)裝置及保護(hù)方法，保護(hù)裝置7采用過壓或強(qiáng)制擊穿元件提高過電壓保護(hù)性能，很好地解決了柔性直流輸電系統(tǒng)故障引起的過電壓?jiǎn)栴}。通常交流線路發(fā)生單相接地故障或直流線路發(fā)生單極接地短路故障時(shí)，另一極直流線路電壓會(huì)升高。根據(jù)預(yù)先定義的電壓，調(diào)整接地?fù)舸╅g隙，當(dāng)電壓小于設(shè)定擊穿電壓時(shí)，保護(hù)裝置不導(dǎo)通，直流系統(tǒng)可正常傳送功率，而一旦過電壓達(dá)到設(shè)定值，保護(hù)裝置被擊穿，產(chǎn)生電火花，電流通過該間隙被導(dǎo)入大地，抑制直流側(cè)過電壓，避免換流閥閥體和直流線路因過電壓而損壞。本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓保護(hù)裝置，所述保護(hù)裝置包含在柔性直流換流站1，包括在交流線路I與直流線路8間切換的柔性直流換流閥5，所述交流線路I與交流線路II之間設(shè)有換流變壓器3，所述換流變壓器3在交流線路I閥側(cè)為星型連接，其中性點(diǎn)通過電阻6接地；所述換流變壓器3在交流線路II網(wǎng)側(cè)為三角型或星型連接；其改進(jìn)之處在于，所述保護(hù)裝置7并聯(lián)在直流線路8的正、負(fù)極，用于在在交流線路I或直流線路8發(fā)生故障導(dǎo)致直流線路8過電壓或當(dāng)閥基控制器檢測(cè)到直流線路8任一極發(fā)生短路故障時(shí)，進(jìn)行動(dòng)作引開故障電流，抑制直流線路8過電壓水平，保護(hù)換流閥閥體9。優(yōu)選的，所述保護(hù)裝置7采用如火花間隙的快速導(dǎo)通元件；所述火花間隙接地。優(yōu)選的，所述換流閥5為三相六橋臂結(jié)構(gòu)；每個(gè)橋臂均由換流閥閥體9組成；所述換流閥閥體9采用半導(dǎo)體開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)，包括可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件(如IGBT、IGET、IGCT或GT0)以及與其反并聯(lián)的二極管。本發(fā)明基于另一目的提供的一種用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓保護(hù)方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法用的保護(hù)裝置7并聯(lián)于直流線路8的正、負(fù)極；所述方法包括下述步驟:A、檢測(cè)直流線路是否發(fā)生故障，所述故障包括交流線路I單相接地故障、直流線路8單極接地短路故障和雙極短路故障；B、當(dāng)發(fā)生交流線路I單相接地故障或直流線路單極接地故障時(shí)，火花間隙兩端電壓升聞至擊穿電壓，擊穿火花間隙；或當(dāng)火花間隙的控制裝置檢測(cè)到直流線路雙極短路故障時(shí)，所述控制裝置向續(xù)流間隙發(fā)送觸發(fā)命令，強(qiáng)制觸發(fā)續(xù)流間隙，將火花間隙擊穿；火花間隙擊穿后將故障電流引至大地；C、火花間隙擊穿后，向控制裝置發(fā)送返回狀態(tài)信息，并向換流閥5下發(fā)閉鎖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)換流閥閥體9。優(yōu)選的，所述步驟A中，檢測(cè)到直流線路電壓過壓的保護(hù)方法為:直流線路電壓超過預(yù)先設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間也達(dá)到預(yù)先設(shè)定值，則保護(hù)裝置7導(dǎo)通，同時(shí)閥基控制器閉鎖柔性直流換流閥5的觸發(fā)脈沖。優(yōu)選的，預(yù)設(shè)的自擊穿電壓大小在直流線路電壓未過壓時(shí)未被擊穿，在直流線路電壓過壓時(shí)被擊穿，其自擊穿電壓大小為通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)確定。優(yōu)選的,擊穿時(shí)放電電流大小為通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)確定。優(yōu)選的,擊穿時(shí)吸收能量大小通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)確定。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明達(dá)到的有益效果是:1、本發(fā)明提出的保護(hù)裝置動(dòng)作迅速，通流能量強(qiáng)，吸收能量大，能快速保護(hù)閥體。2、本發(fā)明提出的無需結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜的控制保護(hù)裝置。3、本發(fā)明提出的保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。
4、降低直流線路和換流閥絕緣成本；5、保障直流線路和換流閥設(shè)備安全；6、提高柔性直流換流站抗故障能力；7、保障柔性直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。


圖1是本發(fā)明提供的用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓的保護(hù)裝置示意圖；其中:1-柔性直流換流站；2_交流線路II ;3_換流變壓器；4_交流線路I ;5_換流閥；6_電阻；7_保護(hù)裝置；8_直流線路；9_換流閥閥體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)舉例說明。本發(fā)明提供的用于直流線路故障的柔性直流輸電系統(tǒng)換流閥保護(hù)裝置示意圖如圖1所示，保護(hù)裝置包含在柔性直流換流站1，包括在交流線路I與直流線路8間切換的柔性直流換流閥5，所述交流線路I與交流線路II之間設(shè)有換流變壓器3，換流變壓器3在交流線路I閥側(cè)為星型連接，其中性點(diǎn)通過電阻6接地；所述換流變壓器3在交流線路II網(wǎng)側(cè)為三角型或星型連接。換流閥5為三相六橋臂結(jié)構(gòu)；每個(gè)橋臂均由換流閥閥體9組成；所述換流閥閥體9采用半導(dǎo)體開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)，包括IGBT以及與其反并聯(lián)的二極管。其結(jié)構(gòu)形式包括但不限于模塊化多電平、H橋鏈?zhǔn)?、IGBT串聯(lián)。保護(hù)裝置7并聯(lián)在直流線路8的兩極(正、負(fù)極)，用于在直流線路8故障導(dǎo)致過電壓或當(dāng)閥基控制器檢測(cè)到直流線路8故障短路時(shí)，進(jìn)行動(dòng)作引開故障電流，抑制直流線路8過電壓水平，保護(hù)換流閥閥體9。保護(hù)裝置7采用火花間隙導(dǎo)通元件；火花間隙接地。本發(fā)明提供的采用的火花間隙的工作原理如下:當(dāng)火花間隙因交流線路I單相接地或直流線路單極接地故障10使其電壓超過自觸發(fā)電壓時(shí)，密封間隙自動(dòng)觸發(fā)?；虍?dāng)換流閥控制保護(hù)裝置檢測(cè)到換流直流線路8短路故障時(shí)，通過光纖或電纜發(fā)出強(qiáng)制觸發(fā)命令使其間隙強(qiáng)制導(dǎo)通，使短路電流快速流過密封間隙。預(yù)設(shè)的擊穿電壓大小需保證裝置在直流線路電壓未過壓時(shí)不會(huì)被擊穿，而在直流線路電壓過壓時(shí)會(huì)被擊穿，其大小的配置方法為通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)確定。擊穿時(shí)放電電流大小的配置方法為通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)確定。擊穿時(shí)吸收能量大小的配置方法為通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)確定。自擊穿電壓大小為1.3-1.8倍線路額定電壓，擊穿時(shí)放電電流大小為1.5-20線路額定電流，擊穿時(shí)吸收能量大小為上述電壓與電流的乘積在時(shí)間上的積分。(—)根據(jù)柔性直流短路故障理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真、試驗(yàn)確定火花間隙的擊穿電壓、短路電流、吸收能量具體內(nèi)容如下:理論計(jì)算的過程為:將換流變壓器網(wǎng)側(cè)交流母線2等效為一個(gè)電壓源1和內(nèi)阻抗Zs的串聯(lián)，根據(jù)換流變壓器3變比k、并考慮變壓器閥側(cè)漏抗\，將電壓源Us和內(nèi)阻抗Zs折算至變壓器閥側(cè)。等效到變壓器閥側(cè)的電源電動(dòng)勢(shì)為:Us2=kUs ；內(nèi)阻為:Zs2=k2Zs+Xu以正常運(yùn)行時(shí)的變壓器閥側(cè)電壓Us2tl作為初始條件，根據(jù)故障接地處直流線路(或交流線路II單相)電壓為O的特點(diǎn)，建立反映直流線路正常極的電壓在接地故障過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)初始條件和表達(dá)式計(jì)算得直流線路的故障電壓表達(dá)式；故障后正常極直流線路電壓Udm(t)為變壓器閥側(cè)初始電壓Us2tl、初始直流電壓Utkc1、線路阻抗Zs2和接地阻抗Zn的函數(shù):udcn(t) = F(Us20, Udc0, Zs2, Zn, t) ；t表示時(shí)間。根據(jù)各相電壓確定火花間隙的擊穿電壓，確保該擊穿電壓高于正常運(yùn)行時(shí)直流線路電壓峰值(優(yōu)選的為1.2倍)，低于故障時(shí)直流線路電壓的最大值。結(jié)合火花間隙的數(shù)學(xué)模型，可計(jì)算得在故障電壓作用下火花間隙的放電電流、吸收能量。計(jì)算機(jī)仿真的過程為:在計(jì)算機(jī)仿真軟件中建立包含等值系統(tǒng)、變壓器、直流線路、換流閥和接地故障的仿真模型，通過不同時(shí)刻的單相、兩相接地故障仿真，得到故障時(shí)站內(nèi)另一直流線路的幅值。根據(jù)該電壓確定火花間隙的擊穿電壓，確保該擊穿電壓高于正常運(yùn)行時(shí)直流線路電壓(優(yōu)選的為1.2倍)，低于故障時(shí)直流電壓的最大值。在仿真軟件中建立火花間隙的模型，根據(jù)故障時(shí)火花間隙流過的最大電流，確定火花間隙允許的最大電流。根據(jù)最高擊穿電壓和允許最大電流確定火花間隙需要吸收的能量。(二)根據(jù)擊穿電壓確定火花間隙的間隔距離；擊穿電壓U是氣體壓力P以及兩電極間距離d和絕對(duì)溫度T的函數(shù):U = f (pd/T)。(三)將火花間隙并聯(lián)一端安裝于站內(nèi)直流線路8的正、負(fù)極上，另一端接地；(四)如圖1所示，當(dāng)發(fā)生交流線路I單相接地或直流線路單極接地故障10時(shí)，火花間隙兩端電壓升高至擊穿電壓，從而將火花間隙擊穿；或當(dāng)直流線路發(fā)生短路故障時(shí)，電壓測(cè)量裝置或保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)火花間隙兩端電壓，觸發(fā)火花間隙，通過觸發(fā)間隙強(qiáng)制觸發(fā)續(xù)流間隙，將火花間隙擊穿。(五)短路故障電流從火花間隙中流過，抑制了直流線路過電壓水平，避免了換流閥閥體的過壓；(六)火花間隙擊穿后，向火花間隙的控制裝置返回狀態(tài)信息，控制裝置檢測(cè)到火花間隙擊穿的同時(shí)，向換流閥下發(fā)閉鎖信號(hào)。本發(fā)明還涉及一種用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓保護(hù)方法，所述方法用的保護(hù)裝置7并聯(lián)于直流線路8的兩極；所述方法包括下述步驟:A、檢測(cè)直流線路是否發(fā)生故障，所述故障包括交流線路I單相接地故障、直流線路8單極接地短路故障和雙極短路故障；B、當(dāng)發(fā)生交流線路I單相接地故障或直流線路單極接地故障10時(shí)，火花間隙兩端電壓升聞至擊穿電壓，擊穿火花間隙；或當(dāng)控制裝置檢測(cè)到直流線路雙極短路故障時(shí)，所述控制裝置向續(xù)流間隙發(fā)送觸發(fā)命令，強(qiáng)制觸發(fā)續(xù)流間隙，將火花間隙擊穿；火花間隙擊穿后將故障電流引至大地；C、火花間隙擊穿后，向火花間隙中的控制裝置發(fā)送返回狀態(tài)信息，并向換流閥5下發(fā)閉鎖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)換流閥閥體9。最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓保護(hù)裝置，所述保護(hù)裝置包含在柔性直流換流站(I)，包括在交流線路1(4)與直流線路(8 )間切換的柔性直流換流閥(5 )，所述交流線路I (4)與交流線路II (2)之間設(shè)有換流變壓器(3)，所述換流變壓器(3)在交流線路I(4)閥側(cè)為星型連接，其中性點(diǎn)通過電阻(6)接地；所述換流變壓器(3)在交流線路II (2)網(wǎng)側(cè)為三角型或星型連接； 其特征在于，所述保護(hù)裝置(7)并聯(lián)在直流線路(8)的正、負(fù)極，用于在在交流線路I(4)或直流線路(8)發(fā)生故障導(dǎo)致直流線路(8)過電壓或當(dāng)閥基控制器檢測(cè)到直流線路(8)任一極發(fā)生短路故障時(shí)，進(jìn)行動(dòng)作引開故障電流，抑制直流線路(8)過電壓水平，保護(hù)換流閥閥體(9)。
2.如權(quán)利要求1所述的直流側(cè)過電壓保護(hù)裝置，其特征在于，所述保護(hù)裝置(7)采用如火花間隙的快速導(dǎo)通元件；所述火花間隙接地。
3.如權(quán)利要求1所述的直流側(cè)過電壓保護(hù)裝置，其特征在于，所述換流閥(5)為三相六橋臂結(jié)構(gòu)；每個(gè)橋臂均由換流閥閥體(9)組成；所述換流閥閥體(9)采用半導(dǎo)體開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)，包括可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件以及與其反并聯(lián)的二極管。
4.一種用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述方法用的保護(hù)裝置(7)并聯(lián)于直流線路(8)的正、負(fù)極；所述方法包括下述步驟: A、檢測(cè)直流線路是否發(fā)生故障，所述故障包括交流線路I(4)單相接地故障、直流線路(8)單極接地短路故障和雙極短路故障； B、當(dāng)發(fā)生交流線路I(4)單相接地故障或直流線路單極接地故障時(shí)，火花間隙兩端電壓升聞至擊穿電壓，擊穿火花間隙； 或當(dāng)火花間隙的控制裝置檢測(cè)到直流線路雙極短路故障時(shí)，所述控制裝置向續(xù)流間隙發(fā)送觸發(fā)命令，強(qiáng)制觸發(fā)續(xù)流間隙，將火花間隙擊穿； 火花間隙擊穿后將故障電流引至大地； C、火花間隙擊穿后，向火花間隙的控制裝置發(fā)送返回狀態(tài)信息，并向換流閥(5)下發(fā)閉鎖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)換流閥閥體(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流側(cè)過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟A中，檢測(cè)到直流線路電壓過壓的保護(hù)方法為:直流線路電壓超過預(yù)先設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間也達(dá)到預(yù)先設(shè)定值，則保護(hù)裝置(7)導(dǎo)通，同時(shí)閥基控制器閉鎖柔性直流換流閥(5)的觸發(fā)脈沖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流側(cè)過電壓保護(hù)方法，其特征在于，預(yù)設(shè)的自擊穿電壓大小在直流線路電壓未過壓時(shí)未被擊穿，在直流線路電壓過壓時(shí)被擊穿，其自擊穿電壓大小為通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流側(cè)過電壓保護(hù)方法，其特征在于，擊穿時(shí)放電電流大小為通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)確定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流側(cè)過電壓保護(hù)方法，其特征在于，擊穿時(shí)吸收能量大小通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)過電壓保護(hù)裝置及保護(hù)方法，保護(hù)裝置并聯(lián)在直流線路的兩極，保護(hù)裝置(7)并聯(lián)在直流線路(8)的正、負(fù)極，用于在在交流線路I(4)或直流線路(8)發(fā)生故障導(dǎo)致直流線路(8)過電壓或當(dāng)閥基控制器檢測(cè)到直流線路(8)任一極發(fā)生短路故障時(shí)，進(jìn)行動(dòng)作引開故障電流，抑制直流線路(8)過電壓水平，保護(hù)換流閥閥體(9)。保護(hù)裝置7采用過壓或強(qiáng)制擊穿元件提高過電壓保護(hù)性能，很好地解決了柔性直流輸電系統(tǒng)故障引起的過電壓?jiǎn)栴}。
文檔編號(hào)H02H9/06GK103187722SQ20131012074
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者荊平, 邱宇峰, 周飛, 陸振綱 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院