專利名稱：一種全橋mmc-hvdc直流故障分類檢測與保護方法
技術領域：
本發(fā)明屬于輸配電技術領域，尤其涉及一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法。
背景技術：
近年來，電壓源換流器VSC在高壓直流輸電HVDC領域受到越來越廣泛的關注及應用，但由于輸出電平數(shù)的限制，其輸出性能較差，存在開關器件直接串聯(lián)導致的動態(tài)、靜態(tài)均壓問題和高開關頻率導致的高開關損耗等問題。由西門子公司提出的模塊化多電平換流器MMC，將電容與開關器件視為ー個整體來構建子模塊，使用子模塊串聯(lián)的方法提升換流器的電壓及功率等級，輸出特性好，具有較低的總諧波畸變率，適用于VSC-HVDC輸電領域。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結構。全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC結構相對于半橋型模塊化多電平換流器子模塊HBMMC會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；并且由干拓撲結構的不同，全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC結構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。針對不同故障的故障特征，本發(fā)明設計了ー種故障分類檢測方法，可以區(qū)別上述三種直流故障，并給出相應的保護配合方法。其中，針對兩極短路故障，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的拓撲結構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，若要重新啟動系統(tǒng)需要重合閘等過程，恢復時間較長；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)正常運行。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對全橋型模塊化多電平高壓直流輸電FB-MMC-HVDC直流系統(tǒng)故障進行研究，提出了一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法。一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法，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)的直流側設置故障監(jiān)測點；步驟2 :確定直流輸電直流系統(tǒng)故障分類檢測判據(jù)；步驟3 :根據(jù)故障監(jiān)測點監(jiān)測到不同的故障，確定分類故障保護方案；步驟4 :根據(jù)確定的故障保護方案，對高壓直流輸電系統(tǒng)進行在線監(jiān)測保護。步驟I中，由于在高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流側故障監(jiān)測點通常設置在換流站直流側出口處，因此針對兩端雙極高壓直流輸電系統(tǒng)，共四個故障監(jiān)測點，監(jiān)測各監(jiān)測點的電壓和電流，共8個測量信息，實時監(jiān)測各監(jiān)測點的測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。針對此類故障，同時檢測兩極電壓，若兩極電壓的值超出第二閾值，則說明檢測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。針對此類故障，同時檢測兩端直流電
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，交流側饋入短路電流，監(jiān)測點電壓與O的差值絕對值小于第四閾值，監(jiān)測點電流大幅度升高。針對此類故障，檢測正負兩極電壓，若正負兩極電壓的值超出第五閾值，則說明檢測到直流兩極短路故障的發(fā)生。步驟3中，針對設置故障監(jiān)測點監(jiān)測到不同的故障，對直流輸電系統(tǒng)采取不同的保護方法a)直流單極接地故障若為短時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)運行；若為長期故障，則跳開交流側斷路器進行檢修。b)直流斷線故障此類故障為長期故障，一旦檢測到發(fā)生此類故障，需閉鎖兩端換流站，并跳開交流側斷路器進行檢修。c)直流兩極短路故障短時故障吋，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)恢復運行；若為長期故障，則跳開交流側斷路器進行檢修。本發(fā)明的有益效果是，當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直流側發(fā)生不同類型的故障時，根據(jù)監(jiān)測點信息檢測出相應故障并予以分類檢測，觸發(fā)相應的保護措施。本檢測方法不僅可以區(qū)分檢測高壓直流輸電系統(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)，且給出了相應故障后的保護措施。


圖I是本發(fā)明提供的高壓直流輸電系統(tǒng)直流側故障監(jiān)測點以及監(jiān)測信息示意圖；圖2是本發(fā)明提供的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法的直流側單極接地故障；圖3是本發(fā)明提供的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法的直流側斷線故障；圖4是本發(fā)明提供的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法的直流側兩級短路故障；
圖5是是本發(fā)明提供的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法的故障分類檢測以及相應保護的邏輯判斷原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。步驟I :設置故障監(jiān)測點在高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流側故障監(jiān)測點通常設置在換流站直流側出口處，本研究針對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)直流側故障進行研究。圖I中，設定的故障監(jiān)測點包括up_l、up_2、down_l和down_2 ；實時監(jiān)測四個監(jiān)測點的測量信息，即監(jiān)測點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個測量信息利用監(jiān)測點的
測量信息作為故障判據(jù)，以區(qū)分故障類型。步驟2 :確定故障分類檢測判據(jù)I)直流單極接地故障針對直流側單極接地故障，如圖2所示發(fā)生正極接地故障，故障監(jiān)測點信息為經(jīng)短時震蕩后，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)測點各測量值的初始值。故障檢測部分同時檢測兩極電壓作為判據(jù)，給出設定的第二閾值，如一極電壓降低了 85%，同時另一極電壓升高了 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)測點測量電壓的初始值。若滿足上述判據(jù)，則給出相應的報警信號說明檢測到單極接地故障的發(fā)生。2)直流斷線故障針對直流側斷線故障，如圖3所示，故障監(jiān)測點信息為經(jīng)短時震蕩后，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。即
Idc _ 4pl = Idc _ up ^ ~ O<
Idc _ downl — Idc _ Jow η 2 ~ O
V——故障檢測部分同時檢測兩端直流電流作為判據(jù)，給出設定的第三閾值，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)測點測量電流的初始值。若滿足上述判據(jù)，則給出相應的報警信號，說明檢測到直流斷線故障的發(fā)生。3)直流兩極短路故障針對直流側兩級短路故障，如圖4所示，故障監(jiān)測點信息為經(jīng)短時震蕩后，測點電壓迅速下降到O附近，測點電流升高到初始值的幾十倍。故障檢測部分同時檢測兩端直流電壓作為判據(jù)，給出設定的第五閾值，如降低到15%的初始值時
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)測點各測里值的初值。若滿足上述判據(jù)，則給出相應的報警信號，說明檢測到直流側兩極短路故障的發(fā)生。步驟3 :確定分類故障保護方案I)直流單極接地故障若為短時故障且直流線路可以承受過電壓的能力較強，則可允許系統(tǒng)繼續(xù)運行；若為長期故障，則跳開交流側斷路器進行檢修。2)直流斷線故障此類故障為長期故障，一旦檢測到發(fā)生此類故障，需閉鎖兩端換流站，并跳開交流側斷路器進行檢修。3)直流兩極短路故障此類故障極其嚴重，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的特殊拓撲結構，半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC結構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結構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，從而在短時故障情況下故障消失后解鎖換流站即可使系統(tǒng)恢復運行，而半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC結構則需閉鎖換流站并跳閘，以防止交流側短路電流的饋入，在故障消失后還需要重合閘以使系統(tǒng)恢復運行，從故障到恢復運行耗時較長。綜上所述，全橋型模塊化多電平換流器子模塊FB-MMC結構相對于半橋型模塊化多電平換流器子模塊HB-MMC結構具有穿越兩極短路故障的能力。若為短時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)運行；若為長期故障需檢修則跳閘檢修。步驟4:當模塊化多電平高壓直流輸電直流側發(fā)生上述三種故障時，針對上述不同的故障特征，在故障監(jiān)測點同時進行檢測，根據(jù)不同的判據(jù)，可以區(qū)分地給出相應的報警信號，其判斷邏輯如圖5所示，進而對故障進行處理，如繼續(xù)保持運行、閉鎖換流站和跳開交流斷路器。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法，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)的直流側設置故障監(jiān)測點； 步驟2 :確定直流輸電直流系統(tǒng)故障分類檢測判據(jù)； 步驟3 :根據(jù)故障監(jiān)測點監(jiān)測到不同的故障，確定分類故障保護方案； 步驟4 :根據(jù)確定的故障保護方案，對高壓直流輸電系統(tǒng)進行在線監(jiān)測保護。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法，其特征在于，所述直流側故障監(jiān)測點設置在換流站直流側出口處，共設置四個故障監(jiān)測點，用于監(jiān)測各監(jiān)測點的電壓和電流，并將實時監(jiān)測各監(jiān)測點的測量信息作為故障判據(jù)，區(qū)分故障類型?！?br> 3.根據(jù)權利要求I所述的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法，其特征在于，所述直流輸電直流系統(tǒng)故障分類檢測判據(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；針對此類故障，同時檢測兩極電壓，若兩極電壓的值超出設定的第二閾值，則說明檢測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 ;針對此類故障，同時檢測兩端直流電流，若兩端直流電流的值超出設定的第三閾值，則說明檢測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，交流側饋入短路電流，監(jiān)測點電壓與O的差值絕對值小于第四閾值，監(jiān)測點電流大幅度升高；針對此類故障，檢測正負兩極電壓，若正負兩極電壓的值超出設定的第五閾值，則說明檢測到直流兩極短路故障的發(fā)生。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法，其特征在于，所述步驟3中，針對設置故障監(jiān)測點監(jiān)測到不同的故障，對直流輸電系統(tǒng)采取不同的保護方法 a)直流單極接地故障 若為短時故障且直流線路具備承受過電壓的能力，則系統(tǒng)繼續(xù)運行；若為長期故障，則跳開交流側斷路器進行檢修； b)直流斷線故障 此類故障為長期故障，一旦檢測到發(fā)生此類故障，則閉鎖兩端換流站，并跳開交流側斷路器進行檢修； c)直流兩極短路故障 短時故障時，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)恢復運行；若為長期故障，則跳開交流側斷路器進行檢修。
全文摘要
本發(fā)明公開了輸配電技術領域的一種全橋MMC-HVDC直流故障分類檢測與保護方法。其技術方案是1、在高壓直流輸電系統(tǒng)的直流側設置故障監(jiān)測點；2、確定直流輸電直流系統(tǒng)故障分類檢測判據(jù)；3、根據(jù)故障監(jiān)測點監(jiān)測到不同的故障，確定分類故障保護方案；4、根據(jù)確定的故障保護方案，對高壓直流輸電系統(tǒng)進行在線監(jiān)測保護。本發(fā)明的有益效果是，當在FB-MMC-HVDC直流側發(fā)生不同類型的故障時，根據(jù)監(jiān)測點信息檢測出相應故障并予以分類檢測，觸發(fā)相應的保護措施。
文檔編號G01R31/02GK102856881SQ201210326230
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權日2012年9月5日
發(fā)明者趙成勇, 劉文靜, 許建中, 李探 申請人:華北電力大學