一種柔性直流網(wǎng)絡(luò)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(luò)直流故障保護(hù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于具備負(fù)電 平輸出能力的模塊多電平變流器MMC(Modular Multilevel Converter)與機(jī)械直流斷路器 協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)柔性直流網(wǎng)絡(luò)直流短路故障穿越的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，海上風(fēng)電以及偏遠(yuǎn)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(dú)立控制有功、無功功率，對 電壓擾動的抵御能力強(qiáng)，組成的電網(wǎng)可實(shí)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(shí)現(xiàn)多落點(diǎn)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(diǎn)，尤其在柔性直流網(wǎng)絡(luò)中，單點(diǎn)直流故障容易演變 為多點(diǎn)交流故障，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行?；诩芸站€的柔性直流網(wǎng)絡(luò)，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(shè)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(dāng)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(fù)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(jìn)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(jìn)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(shè)備（如直流斷路器）進(jìn)行直流故障隔離。目前，直流斷路器可分為 三類：機(jī)械型，固態(tài)型和混合型。機(jī)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(yù)充電型~10ms)、響應(yīng)速度慢（自激振蕩彡4kA，預(yù)充電型彡8kA) 的不足。固態(tài)型斷路器響應(yīng)速度快lms)，但存在動態(tài)均壓難和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗高的不足， 目前只在低壓、中壓領(lǐng)域有所應(yīng)用?；旌闲透邏簲嗦菲骶哂泻芎玫捻憫?yīng)速度3~5ms) 和斷流能力9kA)，被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的高壓直流斷路器。但是，該技術(shù)尚未在實(shí)際 工程中得到驗(yàn)證，且以當(dāng)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(yīng)用于柔性直流網(wǎng)絡(luò)。目前，基于直流斷路 器的保護(hù)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(yīng)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(shí)現(xiàn)多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流故障保 護(hù)。

【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(fù)電平輸出能力的 MMC與機(jī)械直流斷路器協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)柔性直流網(wǎng)絡(luò)直流短路故障穿越的方法，其中通過對 換流站直流端口負(fù)電平輸出電壓的控制，實(shí)現(xiàn)了降低直流故障電流快速下降到零的目的。
[0009] 為實(shí)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(luò)直流 短路故障穿越方法，所述柔性直流網(wǎng)絡(luò)包括η個換流站端口，其中每個端口分別對應(yīng)一個 換流站、一條直流輸電線路和一個機(jī)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(jìn)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(jìn)行故障定位；
[0012] (3)在所述柔性直流網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)換流站的直流端口所需輸出的負(fù)電平電壓Uzl，并疊加到所述非故障 線路對應(yīng)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(dǎo)通信號；故障線路對應(yīng)的換流站做靜止無功補(bǔ) 償器STATC0M運(yùn)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(luò)中換流站1、2. . .、n，下標(biāo)j = a，b， c，分別表不a、b、c三相；
[0014] (4)所有所述機(jī)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(jìn)行檢測；
[0015] (5)跳開零故障電流線路對應(yīng)的機(jī)械直流斷路器；
[0016] (6)所述其余所有換流站進(jìn)行協(xié)調(diào)控制后等待一段時間，非故障線路對應(yīng)的換流 站切換到正常控制模式完成穿越。
[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(fù)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(yīng)換流站外的所有換流站直流端口輸出的負(fù)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(luò)直流短路故障穿越方 法，所述柔性直流網(wǎng)絡(luò)包括若干個換流站端口和若干個機(jī)械斷路器，其中每個所述端口對 應(yīng)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(jìn)行檢測；
[0028] (2)所述每個換流站直流端口檢測到的電氣量進(jìn)行故障定位；
[0029] (3)在所述柔性直流網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(jìn)行檢測；
[0032] (5)跳開零故障電流線路兩端的機(jī)械直流斷路器；
[0033] (6)所述每個換流站進(jìn)行協(xié)調(diào)控制后等待一段時間，非故障線路對應(yīng)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(fù)電平輸出，使直流故障電流靈活可控，利用機(jī)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(yùn)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(luò)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(fù)電平輸出能力的MMC和機(jī)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(shí)施例示意圖；
[0044] 圖8是本發(fā)明的實(shí)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(shí)施方式】
[0045] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)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(shí)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(fù)電平輸出能力的MMC不僅包括由一種具備負(fù)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(fù)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(jī)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(yù)充電型~IOms)、響應(yīng)速度慢（自激振蕩彡4kA，預(yù)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(shí)施例的具備負(fù)電平輸出能力的MMC與機(jī)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(luò)的每個端口分別對應(yīng)一個換流站、一條直流輸電線路 和一個機(jī)械直流斷路器，如圖1所示。