一種電壓源型換流站的保護系統(tǒng)、保護控制系統(tǒng)和保護方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電壓源型換流站的保護系統(tǒng)、保護控制系統(tǒng)和保護方法，采用在直流側(cè)電容前安裝的快速開關(guān)與電容后安裝的交流斷路器的相互配合，實現(xiàn)故障線路的快速安全切斷。短路故障發(fā)生，快速開關(guān)迅速隔離VSC的換流器，避免了電容放電結(jié)束后續(xù)流二極管因直流側(cè)故障電流流入而損壞。快速開關(guān)斷開后，在直流側(cè)電容與故障線路形成的二階回路中出現(xiàn)振蕩電流，為交流斷路器的動作提供了電流過零的條件，使用低成本的交流斷路器，即可切斷故障電流，保證了VSC的換流器與直流線路的安全。
【專利說明】
一種電壓源型換流站的保護系統(tǒng)、保護控制系統(tǒng)和保護方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種電壓源型換流站的保護系統(tǒng)、保護控制系統(tǒng)和保護方法，尤其是 一種電壓源型換流站的保護系統(tǒng)、保護控制系統(tǒng)和保護方法，屬于供電保護技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流電網(wǎng)沒有無功環(huán)流及攻角穩(wěn)定等交流電網(wǎng)的固有問題，且具有靈活可控等優(yōu) 點，成為未來電網(wǎng)發(fā)展的新方向。但是直流側(cè)線路短路故障，尤其是雙極短路故障的保護技 術(shù)尚不成熟，成為制約直流電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸問題之一。高壓直流斷路器作為直流電網(wǎng)保護 系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)的安全可靠運行有著極其重要的作用。但是， 目前大容量直流斷路器不僅成本很高，而且在高電壓、大電流條件下，因為直流電流無自然 過零點難以在極短時間內(nèi)開斷，無法滿足直流短路電流速度上升要求電路在數(shù)毫秒內(nèi)斷開 的需求，成為實際工程中應(yīng)用的障礙。這一問題，一直困擾著國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界。
[0003] 當直流電網(wǎng)中直流側(cè)線路發(fā)生雙極短路故障時，直流正負極短接，直流側(cè)電容通 過故障點迅速放電，電容放電結(jié)束后交流系統(tǒng)的電流被箝位到三相短路電流，變流器自身 的過電流保護閉鎖變流器在交流側(cè)通過續(xù)流二極管與直流側(cè)線路相連。由于故障瞬間直流 側(cè)電容電壓不會發(fā)生突變，續(xù)流二極管中只能通過少量電抗器的續(xù)流電流，等效電路如圖1 所示，圖1中Rd、Ld分別為直流側(cè)線路的等效電阻和電感，C為直流側(cè)電容和線路的總等效電 容，它們形成一個RLC二階放電回路。此時，直流側(cè)電容迅速放電。由于此時直流側(cè)電容的放 電電流遠大于交流側(cè)的續(xù)流電流，故此時可忽略交流側(cè)續(xù)流。
[0004] 傳統(tǒng)的直流電網(wǎng)中電壓源型換流站(VSC)的保護方法為在直流側(cè)電容后安裝直流 斷路器s2，其安裝示意圖如圖2所示，要求在直流側(cè)線路發(fā)生故障后迅速關(guān)斷直流斷路器S 2， 以避免故障電流流入換流站威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。
[0005] 以基于VSC的兩端直流輸電系統(tǒng)為例，其等效電路如圖3所示，發(fā)生直流線路雙極 短路故障后啟動直流斷路器保護的情況進行仿真，測得此時直流電壓、電流波形如圖4所 示。故障電流可達額定電流的10-20倍，直流斷路器需在幾個ms時間內(nèi)切斷如此大的電流， 其制造難度和成本都將非常大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種電壓源型換流站的保護系統(tǒng)、保護控制系統(tǒng) 和保護方法。
[0007] 本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：
[0008] 技術(shù)方案一:一種電壓源型換流站的保護系統(tǒng)：
[0009] 所述電壓源型換流站包括直流側(cè)電容，在直流側(cè)線路短路故障時，所述直流側(cè)電 容與直流側(cè)線路形成RLC二階放電回路;其特征在于:所述電壓源型換流站的直流側(cè)電容前 后分別安裝快速開關(guān)Si和交流斷路器出，所述快速開在所述直流側(cè)電容的電壓下降到 零的時刻。之前動作，隔離所述電壓源型換流站的換流器，同時使所述RLC二階放電回路中 產(chǎn)生振蕩電流;所述交流斷路器也在所述快速開關(guān)sdA作之后的所述振蕩電流過零點時刻 動作，切除故障線路。
[0010] 技術(shù)方案二：一種電壓源型換流站的保護控制系統(tǒng):包括快速開關(guān)控制環(huán)節(jié)和交 流斷路器控制環(huán)節(jié);所述快速開關(guān)控制環(huán)節(jié)接收故障檢測系統(tǒng)的反饋信號，將辨識出現(xiàn)直 流側(cè)短路故障時刻設(shè)定為初始時刻to，計算所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的時刻ti，控制 所述快速開關(guān)Si在所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的時刻t之前的時刻^隔離所述電壓源 型換流站的換流器，同時將設(shè)定的快速開關(guān)Si的動作時刻1^作為指令輸出至所述交流斷路 器控制環(huán)節(jié)，所述交流斷路器控制環(huán)節(jié)將快速開關(guān)Si的動作時刻Τι作為初始時刻，計算所述 RLC二階放電回路中產(chǎn)生振蕩電流的過零點時刻，控制所述交流斷路器出在所述快速開 動作之后的所述振蕩電流過零點時刻動作，切除故障線路。
[0011] 進一步，所述交流斷路器也在所述快速開動作之后的所述振蕩電流首次過零 點時刻動作，切除故障線路。
[0012] 技術(shù)方案三:一種電壓源型換流站的的保護方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟1:所述快速開關(guān)Si在所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的時刻^之前動作，隔 離所述電壓源型換流站的換流器，同時使所述RLC二階放電回路中產(chǎn)生振蕩電流；
[0014] 步驟2:所述交流斷路器也在所述快速開關(guān)SdA作之后的所述振蕩電流過零點時刻 動作，切除故障線路。
[0015] 進一步，所述步驟1中快速開關(guān)Si的動作時刻Τι的計算方法由以下具體步驟組成：
[0016] 步驟1-1:設(shè)定初始時刻to時故障后直流側(cè)電容的電壓vC和電流k的初始條件為vc (1:〇)=￥〇，;^(1：()) = 1()，直流側(cè)電容的電壓￥(；的表達式為：
Ld分別為直流線路的等效電阻和電感，C為直流側(cè)電容；
[0019 ] 步驟1 -2:計算所述直流側(cè)電容的電壓VC下降到零的時刻ti:
[0021 ]式中，γ =arctan[ (V。ω 0CsinP)/(V。ω 0Ccos0-I。）];
[0022] 步驟1-3:計算快速開關(guān)Si的動作時刻Ti:
[0023] Ti = ti- Δ ti (3)
[0024] 其中△ t為時間裕量，用以保證所述電壓源型換流站的換流器在所述直流側(cè)電容 的電壓下降到零的時刻ti之前被隔離。
[0025 ]進一步，所述步驟2中所述振蕩電流過零點時刻T2的計算方法為：
[0026]以快速開關(guān)S1的動作時刻h為初始時刻，其初始條件為，ΜΤΟιΙο'， 得出故障電流的表達式：
[0028]由此計算出所述振蕩電流的振蕩周期：
[0030 ]令i d = 0，得出所述振蕩電流過零點的時刻T2為：
[0032] 其中A = arctan[(I'0t00Ld sinP)/(I'0t00Ld cosP_V'o)]，n為自然數(shù)。
[0033] 更進一步，所述交流斷路器也在所述快速開動作之后的所述振蕩電流首次過 零點時刻動作，切除故障線路。
[0034] 再進一步，所述步驟2中所述振蕩電流首次過零點時刻的計算方法為:令(5)式中η =〇，得出所述振蕩電流首次過零點的時刻為
[0035] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：
[0036] 1、本發(fā)明通過VSC直流側(cè)電容前安裝的快速開關(guān)與電容后安裝的交流斷路器的相 互配合，將直流故障電流的切斷轉(zhuǎn)變成了交流故障電流的切斷，利用快速開關(guān)和交流斷路 器等器件替代了高成本的直流斷路器，實現(xiàn)了故障線路的快速安全切斷。
[0037] 2、本發(fā)明先用快速開關(guān)切斷電容的充電電流，在故障初期電容電壓較高時，該電 流并不大，且該支路中沒有電感，所以該快速開關(guān)的制造難度和成本勢必遠遠小于直流斷 路器。
[0038] 3、本發(fā)明中快速開關(guān)首先動作，既隔離了 VSC的換流器，延長了故障線路切斷所需 時間，同時又為交流斷路器的動作創(chuàng)造了條件。交流斷路器根據(jù)保護系統(tǒng)發(fā)出的指令信號， 切斷故障電流，隔離故障點，保證了系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)運行。
【附圖說明】
[0039] 圖1是直流電網(wǎng)輸電線路雙極短路故障時的等效電路圖；
[0040] 圖2是直流斷路器安裝示意圖；
[0041] 圖3是直流側(cè)電容放電等效電路；
[0042] 圖4是直流斷路器動作時的直流電壓、電流波形圖；
[0043]圖5是應(yīng)用本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖；
[0044]圖6是快速開關(guān)開斷后故障電流波形圖。
【具體實施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0046] 實施例1:
[0047] 一種電壓源型換流站的保護系統(tǒng)：
[0048]如圖5所示，所述電壓源型換流站包括直流側(cè)電容，在直流側(cè)線路短路故障時，所 述直流側(cè)電容與直流側(cè)線路形成RLC二階放電回路;所述電壓源型換流站的直流側(cè)電容前 后分別安裝快速開關(guān)Si和交流斷路器也，所述快速開關(guān)5:在所述直流側(cè)電容的電壓下降到 零的時刻七之前動作，隔離所述電壓源型換流站的換流器，同時使所述RLC二階放電回路中 產(chǎn)生振蕩電流;所述交流斷路器也在所述快速開關(guān)SdA作之后的所述振蕩電流過零點時刻 動作，切除故障線路。
[0049] 實施例2:
[0050] -種電壓源型換流站的保護控制系統(tǒng):包括快速開關(guān)控制環(huán)節(jié)和交流斷路器控制 環(huán)節(jié);所述快速開關(guān)控制環(huán)節(jié)接收故障檢測系統(tǒng)的反饋信號，將辨識出現(xiàn)直流側(cè)短路故障 時刻設(shè)定為初始時刻to，計算所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的時刻ti，控制所述快速開關(guān) Si在所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的時刻t之前的時刻^隔離所述電壓源型換流站的換 流器，同時將設(shè)定的快速開關(guān)Si的動作時刻Ti作為指令輸出至所述交流斷路器控制環(huán)節(jié)，所 述交流斷路器控制環(huán)節(jié)將快速開關(guān)Si的動作時刻Τι作為初始時刻，計算所述RLC二階放電回 路中產(chǎn)生振蕩電流的過零點時刻，控制所述交流斷路器也在所述快速開動作之后的所 述振蕩電流過零點時刻動作，切除故障線路。
[0051] 進一步，所述保護控制系統(tǒng)在所述快速開動作之后的所述振蕩電流首次過零 點時刻動作，切除故障線路。
[0052] 實施例3:
[0053] 一種電壓源型換流站的的保護方法，包括以下步驟：
[0054]步驟1:所述快速開關(guān)Si在所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的時刻^之前動作，隔 離所述電壓源型換流站的換流器，同時使所述RLC二階放電回路中產(chǎn)生振蕩電流；
[0055]步驟2:所述交流斷路器也在所述快速開關(guān)SdA作之后的所述振蕩電流過零點時刻 動作，切除故障線路。
[0056] 進一步，所述步驟1中快速開關(guān)Si的動作時刻Τι的計算方法由以下具體步驟組成：
[0057] 步驟1-1:設(shè)定初始時刻to時故障后直流側(cè)電容的電壓vC和電流k的初始條件為vc (1:〇)=￥〇，;^(1：()) = 1()，直流側(cè)電容的電壓￥(；的表達式為：
Ld分別為直流線路的等效電阻和電感，C為直流側(cè)電容；
[0000 ] 步驟1 -2:計算所述直流側(cè)電容的電壓VC下降到零的時刻ti:
[0062] 式中，γ =arctan[ (V。ω 0CsinP)/(V。ω 0Ccos0-I。）];
[0063] 步驟1-3:計算快速開關(guān)Si的動作時刻T!:
[0064] Ti = ti- Δ ti (3)
[0065] 其中△ t為時間裕量，用以保證所述電壓源型換流站的換流器在所述直流側(cè)電容 的電壓下降到零的時刻ti之前被隔離。
[0066] 進一步，所述步驟2中所述振蕩電流過零點時刻T2的計算方法為：
[0067] 以快速開關(guān)Si的動作時刻Ti為初始時刻，其初始條件為= ， 得出故障電流的表達式：
[0069]由此計算出所述振蕩電流的振蕩周期：
[0071]令i d = 0，得出所述振蕩電流過零點的時刻T 2為：
[0073] 其中A = arctan[(I'0t00Ld sinP)/(I'0t00Ld cosP_V'o)]，n為自然數(shù)。
[0074] 更進一步，所述交流斷路器也在所述快速開動作之后的所述振蕩電流首次過 零點時刻動作，切除故障線路。
[0075] 再進一步，所述步驟2中所述振蕩電流首次過零點時刻的計算方法為:令(6)式中η =〇，得出所述振蕩電流首次過零點的時刻
[0076] 本發(fā)明基于快速開關(guān)&與交流斷路器m相配合實現(xiàn)VSC中換流器的保護。由安裝于 直流側(cè)電容前的快速開關(guān)Si與安裝于直流側(cè)電容后的交流斷路器也分為兩個步驟切斷故 障，系統(tǒng)示意圖如圖5所示。安裝于直流側(cè)電容前的快速開關(guān)Si首先動作迅速隔離了VSC中 換流器，避免了 VSC中換流器的續(xù)流二極管因流入故障電流而損壞，并為下一步交流斷路器 Bi的動作提供了振蕩電流過零點的條件；電容后的交流斷路器m在振蕩電流過零點時動作， 隔離故障點。
[0077] 不考慮交流系統(tǒng)的影響時，電容放電回路如圖3所示，故障后直流側(cè)電壓為冗，其 KVL方程為：
[0079] 式(7)所對應(yīng)的特征方程為
[0080] Lda2+Rda+1=0 (8)
[0081 ] 特征方程(8)式的兩個根η、^可表示為
[0083] 根據(jù)(RdC)2_4LdC與0不同的大小關(guān)系，（7)式可以有不同的解，考慮到直流線路金 屬短路時的電阻較小，
的情況求解，得到（1)式結(jié)果。
[0084] 當短路故障發(fā)生后，直流側(cè)電容對故障線路放電，當期電壓減小到0之后，線路故 障電流將會流過VSC中換流器的二極管而造成其損壞。因此必須在電容放電結(jié)束前斷開快 速開關(guān)Si，確保VSC的安全。
[0085] 由（1)式可知，電容放電時間與初始電壓、電流值以及電路電容電感值均有關(guān)，當 已知各參數(shù)值時，即可準確算出電容電壓下降到零的時刻，在(3)式引入與實際器件中控制 器和開關(guān)的反應(yīng)速度延遲等因素相關(guān)的時間裕量A t，便于準確控制直流斷路器動作時 間。
[0086]快速開斷開后，振蕩電流在直流側(cè)RLC二階回路中形成，交流斷路器也在其過 零點切斷振蕩電流，隔離故障點，保證VSC中換流器與直流側(cè)線路的安全。
[0087]由于LC振蕩而產(chǎn)生的交流電流，可由交流斷路器實現(xiàn)該故障電流的可靠關(guān)斷。以 基于VSC的兩端直流輸電系統(tǒng)為例，在發(fā)生直流線路雙極短路故障的情況進行仿真，測得快 速開關(guān)開斷后的故障電流波形如圖6所示。
【主權(quán)項】
1. 一種電壓源型換流站的保護系統(tǒng)，所述電壓源型換流站包括直流側(cè)電容，在直流側(cè) 線路短路故障時，所述直流側(cè)電容與直流側(cè)線路形成RLC二階放電回路;其特征在于:所述 電壓源型換流站的直流側(cè)電容前后分別安裝快速開關(guān)S 1和交流斷路器B1，所述快速開 在所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的時刻^之前動作，隔離所述電壓源型換流站的換流 器，同時使所述RLC二階放電回路中產(chǎn)生振蕩電流;所述交流斷路器也在所述快速開關(guān)SdA 作之后的所述振蕩電流過零點時刻動作，切除故障線路。2. -種用于權(quán)利要求1所述保護系統(tǒng)的保護方法，其特征在于:包括以下步驟： 步驟1:所述快速開關(guān)S1在所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的時刻七之前動作，隔離所 述電壓源型換流站的換流器，同時使所述RLC二階放電回路中產(chǎn)生振蕩電流； 步驟2:所述交流斷路器仏在所述快速開動作之后的所述振蕩電流過零點時刻動 作，切除故障線路。3. 根據(jù)權(quán)利2所述的保護方法，其特征在于:所述步驟1中快速開關(guān)S1的動作時刻T1的計 算方法由以下具體步驟組成： 步驟1-1:設(shè)定初始時刻to時故障后直流側(cè)電容的電壓VC和電流k的初始條件為vC(to) =Vo，iiX to) = Io，直流側(cè)電容的電壓vc的表達式為：別為直流線路的等效電阻和電感，C為直流側(cè)電容；也Hlg H 4古流側(cè)電容的電壓v c下降到零的時刻t工： (2) 式中，丫 =arctan[(V〇t〇〇Csin0)/(V〇t〇〇Ccos0-I。）]; 步驟1-3:計算快速開關(guān)S1的動作時刻T1: Ti = ti- Δ ti (3) 其中At1為時間裕量，用以保證所述電壓源型換流站的換流器在所述直流側(cè)電容的電 壓下降到零的時刻ti之前被隔離。4. 根據(jù)權(quán)利2所述的保護方法，其特征在于:所述步驟2中所述振蕩電流過零點時刻加勺 計算方法為： 以快速開關(guān)S1的動作時刻T1為初始時亥Ij，其初始條件為VC(T1) =Vo'，R(T1) = It/，得出 故障電流的表達式：令i d = 0，得出所述振蕩電流過零點的時刻T2為： (66:) 其中 A = arctan[(I '〇w〇LdsinP)/(I '〇w〇Ldcos0-V'o)]，n 為自然數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利2所述的保護方法，其特征在于:所述交流斷路器也在所述快速開動作 之后的所述振蕩電流首次過零點時刻動作，切除故障線路。6. 根據(jù)權(quán)利5所述的保護方法，其特征在于:所述步驟2中所述振蕩電流首次過零點時 刻的計算方法為:令(5)式中n = 0,得出所述振蕩電流首次過零點的時刻為F1 + i q (〇7. -種用于權(quán)利要求1所述的保護系統(tǒng)的保護控制系統(tǒng):其特征在于:包括快速開關(guān)控 制環(huán)節(jié)和交流斷路器控制環(huán)節(jié);所述快速開關(guān)控制環(huán)節(jié)接收故障檢測系統(tǒng)的反饋信號，將 辨識出現(xiàn)直流側(cè)短路故障時刻設(shè)定為初始時刻to,計算所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的 時刻，控制所述快速開關(guān)S 1在所述直流側(cè)電容的電壓下降到零的時刻t之前的時刻!^隔 離所述電壓源型換流站的換流器，同時將設(shè)定的快速開關(guān)S 1的動作時刻1^作為指令輸出至 所述交流斷路器控制環(huán)節(jié)，所述交流斷路器控制環(huán)節(jié)將快速開關(guān)S1的動作時刻1^作為初始 時刻，計算所述RLC二階放電回路中產(chǎn)生振蕩電流的過零點時刻，控制所述交流斷路器出在 所述快速開關(guān)Si動作之后的所述振蕩電流過零點時刻動作，切除故障線路。8. -種根據(jù)權(quán)利要求7所述保護控制系統(tǒng):其特征在于:所述交流斷路器也在所述快速 開關(guān)S1動作之后的所述振蕩電流首次過零點時刻動作，切除故障線路。
【文檔編號】H02H7/26GK106026044SQ201610478748
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】王毅, 付媛, 張紫光
【申請人】華北電力大學(xué)（保定）