一種柔性直流網(wǎng)絡直流短路故障穿越方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于柔性直流網(wǎng)絡直流故障保護領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于具備負電 平輸出能力的模塊多電平變流器MMC(Modular Multilevel Converter)與機械直流斷路器 協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)柔性直流網(wǎng)絡直流短路故障穿越的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，海上風電以及偏遠地區(qū)的新能源發(fā)電得到快速的發(fā)展。
[0003] 相比交流輸電及傳統(tǒng)直流輸電，柔性直流輸電技術(shù)可獨立控制有功、無功功率，對 電壓擾動的抵御能力強，組成的電網(wǎng)可實現(xiàn)互聯(lián)系統(tǒng)間電壓問題的解耦和頻率問題的支 撐，是一個主動和可控電網(wǎng)，是實現(xiàn)多落點新能源互聯(lián)的最佳選擇。但是，直流短路故障是 柔性直流輸電不可回避的問題。相比傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)，柔性直流輸電系統(tǒng)中的直流短路 故障具有故障電流大、上升速度快的特點，尤其在柔性直流網(wǎng)絡中，單點直流故障容易演變 為多點交流故障，嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行?；诩芸站€的柔性直流網(wǎng)絡，非永久性短路故 障發(fā)生概率高，因此上述問題尤為突出。目前，處理直流故障的手段主要有三種：
[0004] 1)依靠交流設備（如交流斷路器等）斷開與直流系統(tǒng)的連接。該方法不需要依 靠直流斷路器，通過換流器閉鎖，交流斷路器動作來清除直流故障。當故障線路被隔離之 后，換流器解鎖，交流斷路器重合閘，系統(tǒng)恢復功率傳輸。但是由于交流斷路器動作時間長 (~100ms)，且故障期間換流站無法對有功及無功功率進行調(diào)節(jié)，故對交流系統(tǒng)影響大。
[0005] 2)依靠換流器（模塊化多電平換流器MMC)本身進行直流故障清除，即基于全橋 MMC的直流閉鎖方案。然而，該方案需要封鎖IGBT驅(qū)動，犧牲了換流站的可控性，且在故障 期間無法對有功和無功功率靈活調(diào)節(jié)。
[0006] 3)依靠直流設備（如直流斷路器）進行直流故障隔離。目前，直流斷路器可分為 三類：機械型，固態(tài)型和混合型。機械型斷路器技術(shù)較為成熟，但該斷路器存在斷流能力差 (自激振蕩~30~40ms，預充電型~10ms)、響應速度慢（自激振蕩彡4kA，預充電型彡8kA) 的不足。固態(tài)型斷路器響應速度快lms)，但存在動態(tài)均壓難和穩(wěn)態(tài)運行損耗高的不足， 目前只在低壓、中壓領(lǐng)域有所應用?；旌闲透邏簲嗦菲骶哂泻芎玫捻憫俣?~5ms) 和斷流能力9kA)，被認為是最具應用前景的高壓直流斷路器。但是，該技術(shù)尚未在實際 工程中得到驗證，且以當前的研究速度，未來十年內(nèi)該斷路器難以突破到大于500kV的領(lǐng) 域。因此，現(xiàn)階段的高壓直流斷路器難以被直接應用于柔性直流網(wǎng)絡。目前，基于直流斷路 器的保護方案是在直流線路中增加平波電抗器，通過抑制故障電流上升速度來減小對斷路 器響應速度、斷流能力的需求。但是，該方法不可避免地增大了直流線路的損耗（平波電抗 器的所帶來的損耗）。
[0007] 綜上所述，上述三種方案都無法有效實現(xiàn)多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流故障保 護。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本申請?zhí)峁┑氖且环N基于具備負電平輸出能力的 MMC與機械直流斷路器協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)柔性直流網(wǎng)絡直流短路故障穿越的方法，其中通過對 換流站直流端口負電平輸出電壓的控制，實現(xiàn)了降低直流故障電流快速下降到零的目的。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種輻射狀柔性直流網(wǎng)絡直流 短路故障穿越方法，所述柔性直流網(wǎng)絡包括η個換流站端口，其中每個端口分別對應一個 換流站、一條直流輸電線路和一個機械直流斷路器，正常工作時，其中一個換流站用于確定 直流電壓，其余換流站用于確定有功功率，所述換流站包含A、B、C三相，每相由上、下兩個 橋臂組成，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0010] (1)每個換流站檢測判斷直流側(cè)是否發(fā)生短路故障，是則順序執(zhí)行步驟（2)，否則 繼續(xù)進行檢測；
[0011] (2)根據(jù)所述每個換流站直流端口檢測到的電氣量進行故障定位；
[0012] (3)在所述柔性直流網(wǎng)絡中，將所述每個換流站切換為定有功功率控制，有功功率 指令定為零，無功功率指令相對正常工作時保持不變，根據(jù)有功及無功功率指令計算得到 故障期間MMC每相所需輸出的交流電壓參考值e vlj;
[0013] 除故障定位所在線路對應換流站外其余所有換流站，根據(jù)直流故障電流的參考指 令值匕,、所述換流站直流端口檢查到的檢測值直流故障電流id"和直流端口電壓u' 計 算得到非故障線路對應換流站的直流端口所需輸出的負電平電壓Uzl，并疊加到所述非故障 線路對應換流站的上、下橋臂參考電壓upi]、uni]中的共模指令部分，通過對疊加后參考電壓 uP,、uni]的調(diào)制得到上、下橋臂子模塊觸發(fā)導通信號；故障線路對應的換流站做靜止無功補 償器STATC0M運行，減小對所連接交流電網(wǎng)的影響；最終使得故障線路中的故障電流衰減 為零，其中，i = 1、2. . .、n，分別表示所述柔性直流網(wǎng)絡中換流站1、2. . .、n，下標j = a，b， c，分別表不a、b、c三相；
[0014] (4)所有所述機械直流斷路器通過檢測得到線路中的故障電流，若衰減為零則順 序執(zhí)行步驟（5)，否則繼續(xù)進行檢測；
[0015] (5)跳開零故障電流線路對應的機械直流斷路器；
[0016] (6)所述其余所有換流站進行協(xié)調(diào)控制后等待一段時間，非故障線路對應的換流 站切換到正?？刂颇Ｊ酵瓿纱┰健?br>[0017] 優(yōu)選地，在所述步驟（3)中，所述直流故障電流的參考指令值根據(jù)以下公式得 到
[0018] V. 二.
ι-.η ·'·?
[0019] 其中，假定故障發(fā)生在第k條線路，為未故障線路i正常工作時的額定電 流，其中(I1表示所述用于確定直流電壓的換流站的直流故障電流的參考指令值。
[0020] 優(yōu)選地，在所述步驟（3)中，所述其余所有換流站的直流端口輸出的負電平電壓 Uzl根據(jù)以下公式得到
[0021]
[0022] 其中，U' 為換流站直流端口電壓檢測值，K p、K1分別為故障電流控制器的PI參 數(shù)。
[0023] 優(yōu)選地，在所述步驟（3)中，所述上、下橋臂參考電壓upi]、uni]根據(jù)以下公式得到
[0024]
[0025] 其中，U' d"為換流站直流端口電壓檢測值，e vl]為MMC每相所需輸出的交流電壓參 考值，Uzl為除故障定位所在線路對應換流站外的所有換流站直流端口輸出的負電平電壓。
[0026] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種環(huán)網(wǎng)狀柔性直流網(wǎng)絡直流短路故障穿越方 法，所述柔性直流網(wǎng)絡包括若干個換流站端口和若干個機械斷路器，其中每個所述端口對 應一個換流站和若干條線路，每條所述線路兩端各包含一個斷路器，正常工作時，其中一個 換流站用于確定直流電壓，其余換流站用于確定有功功率，所述換流站包含A、B、C三相，每 相由上、下兩個橋臂組成，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0027] (1)每個換流站檢測判斷直流側(cè)是否發(fā)生短路故障，是則順序執(zhí)行步驟（2)，否則 繼續(xù)進行檢測；
[0028] (2)所述每個換流站直流端口檢測到的電氣量進行故障定位；
[0029] (3)在所述柔性直流網(wǎng)絡中，將所述每個換流站切換為定有功功率控制，有功功率 指令定為零，無功功率指令相對正常工作時保持不變，根據(jù)有功及無功功率指令計算得到 故障期間MMC每相所需輸出的交流電壓參考值e vlj;
[0030] 通過調(diào)節(jié)所述上、下橋臂輸出電壓，使得直流短路故障電流可控并降低為零；
[0031] (4)所有所述機械直流斷路器通過檢測得到線路中的故障電流，若衰減為零則順 序執(zhí)行步驟（5)，否則繼續(xù)進行檢測；
[0032] (5)跳開零故障電流線路兩端的機械直流斷路器；
[0033] (6)所述每個換流站進行協(xié)調(diào)控制后等待一段時間，非故障線路對應的換流站切 換到正常控制模式完成穿越。
[0034] 總體而言，按照本發(fā)明的上述技術(shù)構(gòu)思與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu) 占 .
[0035] 1、通過換流器自身的負電平輸出，使直流故障電流靈活可控，利用機械直流斷路 器即能夠滿足隔離直流故障的需求，保證未故障線路在故障期間連續(xù)運行；
[0036] 2、協(xié)調(diào)控制期間，換流器未閉鎖，能夠持續(xù)向交流系統(tǒng)提供無功支撐，減小了對交 流系統(tǒng)的影響。
【附圖說明】
[0037] 圖1是本發(fā)明的柔性直流網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖2是全橋MMC結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖3是本發(fā)明的直流故障電流控制器閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖；
[0040] 圖4是故障期間MMCl和MMC2任意一相上、下橋臂輸出電壓參考值；
[0041] 圖5是本發(fā)明的基于具備負電平輸出能力的MMC和機械直流斷路器協(xié)調(diào)配合控制 的流程圖；
[0042] 圖6是故障期間換流站MMCl和MMC2的總體控制框圖；
[0043] 圖7是本發(fā)明的三端直流輸電系統(tǒng)實施例示意圖；
[0044] 圖8是本發(fā)明的實例仿真圖。其中，（a)流過CB3的故障電流I fault隨時間的變化 圖，（b)換流器MMCl端口電壓隨時間的變化圖，（c)換流器MMC2端口電壓隨時間的變化圖， (d)換流器MMC3端口電壓隨時間的變化圖，（e)換流器MMCl傳輸?shù)挠泄蜔o功功率隨時間 變化圖，（f)換流器MMC2傳輸?shù)挠泄蜔o功功率隨時間變化圖，（g)換流器MMC3傳輸?shù)挠?功和無功功率隨時間變化圖。
【具體實施方式】
[0045] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0046] 具備負電平輸出能力的MMC不僅包括由一種具備負電平輸出能力的子模塊構(gòu)成 的MMC(如全橋MMC)，還包括由具備負電平輸出能力的子模塊及其余類型子模塊混合構(gòu)成 的MMC (如半橋與全橋混合型MMC)。機械直流斷路器技術(shù)較為成熟，但該斷路器存在斷流能 力差（自激振蕩~30~40ms，預充電型~IOms)、響應速度慢（自激振蕩彡4kA，預充電型 < 8kA)的不足，難以直接滿足柔性直流輸電系統(tǒng)隔離直流故障的需求。
[0047] 本發(fā)明實施例的具備負電平輸出能力的MMC與機械直流斷路器協(xié)調(diào)配合的方案 中，所述輻射狀η端口柔性直流網(wǎng)絡的每個端口分別對應一個換流站、一條直流輸電線路 和一個機械直流斷路器，如圖1所示。