本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域，具體為一種基于電壓源換流器的直流故障限流模塊及保護(hù)方案。

背景技術(shù)：

直流故障隔離技術(shù)是柔性直流系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。柔性直流系統(tǒng)發(fā)生直流故障時(shí)，故障電流快速上升到很大的過(guò)流水平，將會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)直流系統(tǒng)包括交流側(cè)、直流側(cè)和換流器的安全可靠運(yùn)行。為了保證直流系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，要求在故障發(fā)生的幾個(gè)毫秒內(nèi)快速隔離故障直流線(xiàn)路，即必須采取一定的故障隔離方法對(duì)直流故障線(xiàn)路進(jìn)行隔離。

目前，針對(duì)直流系統(tǒng)直流故障的隔離方法主要有三種：(1)直流故障時(shí)通過(guò)跳開(kāi)交流側(cè)斷路器實(shí)現(xiàn)對(duì)直流故障線(xiàn)路的隔離。該方法簡(jiǎn)單、方便，但是卻存在動(dòng)作時(shí)間慢、停電面積大導(dǎo)致整個(gè)直流系統(tǒng)供電可靠性降低等缺點(diǎn)。(2)利用換流器實(shí)現(xiàn)故障清除。這種方法存在投資成本大、額外功率損耗增加等缺點(diǎn)。(3)利用直流斷路器直接切除故障線(xiàn)路，但目前能夠快速動(dòng)作(一般為幾個(gè)毫秒)的大容量直流斷路器技術(shù)尚不成熟。

由于直流系統(tǒng)故障時(shí)的故障電流無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)，因此直流斷路器難以熄弧并成功切除故障，目前大容量的直流斷路器真正推廣到實(shí)際工程應(yīng)用還存在一定的困難。針對(duì)這一現(xiàn)狀，有必要設(shè)計(jì)一種有效、實(shí)用且簡(jiǎn)單可靠的直流故障隔離系統(tǒng)及方法，確保直流斷路器可以有效跳閘并隔離故障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前柔性直流系統(tǒng)中直流故障隔離難度大的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于電壓源換流器的直流故障限流模塊及保護(hù)方案。

所述限流模塊安裝在電壓源換流器直流側(cè)出口處正負(fù)兩極；限流模塊包括全控型晶體管t和限流電阻rlim，連接方式為：全控型晶體管t和限流電阻rlim構(gòu)成的并聯(lián)模塊串聯(lián)接入電壓源換流器直流側(cè)出口處；所述限流模塊的連接方向：正極所在全控晶體管t的導(dǎo)通方向與正極電流流向一致，負(fù)極所在全控晶體管t的導(dǎo)通方向與負(fù)極電流流向一致；所述保護(hù)方案包括以下步驟：

步驟1：數(shù)據(jù)采集：在電壓源換流器直流出口側(cè)安裝電壓、電流互感器和諧波分析儀，采集直流側(cè)電壓、電流以及直流側(cè)諧波含量等數(shù)據(jù)；

步驟2：檢驗(yàn)是否滿(mǎn)足直流電流變化率保護(hù)判據(jù)：比較當(dāng)前直流電流變化率didc/dt與直流電流變化率整定值(didc/dt)set，若(didc/dt)大于(didc/dt)set，轉(zhuǎn)至步驟3；若didc/dt小于等于(didc/dt)set，跳轉(zhuǎn)至步驟4；

步驟3：判別是否出現(xiàn)交流系統(tǒng)故障：比較當(dāng)前直流側(cè)電壓udc與0.9倍額定運(yùn)行電壓值0.9udc_n，若udc大于0.9udc_n，可判斷為直流系統(tǒng)發(fā)生故障，直流保護(hù)和換流器保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，關(guān)斷限流模塊內(nèi)的全控型晶體管t，將限流電阻投入故障回路中，并觸發(fā)直流斷路器跳閘；若udc小于等于0.9udc_n，則可判斷為交流側(cè)發(fā)生故障，交流保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)；

步驟4：判別是否為交流擾動(dòng)故障：比較當(dāng)前直流側(cè)二次諧波含量thd2與二次諧波整定值thd2.set，若thd2大于thd2.set，則可判斷為交流擾動(dòng)故障，交流保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)；若thd2小于等于thd2.set，則可判斷系統(tǒng)沒(méi)有故障，限流模塊內(nèi)的全控型晶體管t一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。

所述限流模塊具有正常運(yùn)行和故障限流兩種工作狀態(tài)：當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，限流模塊的全控晶體管t一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，限流電阻一直處于被旁路狀態(tài)；直流系統(tǒng)故障發(fā)生后，根據(jù)換流器保護(hù)發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)關(guān)斷限流模塊中全控晶體管t，此時(shí)故障電流在限流模塊內(nèi)只能流經(jīng)限流電阻。

所述限流模塊中全控晶體管t的關(guān)斷信號(hào)為電壓源換流器保護(hù)所發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)。

所述限流模塊中全控晶體管t的數(shù)目可視直流側(cè)接入情況而變化：當(dāng)換流器直流側(cè)接入直流負(fù)荷時(shí)，限流模塊中只需一個(gè)全控晶體管t；當(dāng)換流器直流側(cè)接入用于功率交換的儲(chǔ)能裝置時(shí)，需要在限流模塊中另增一個(gè)全控晶體管tm，連接方式為：與當(dāng)前限流模塊中的全控晶體管t反向并聯(lián)，tm的關(guān)斷信號(hào)與t相同。

所述直流電流變化率整定值(didc/dt)set=(didc/dt)max_t，(didc/dt)max_t為限流模塊中全控晶體管t閉鎖之前直流線(xiàn)路最大電流變化率。

所述二次諧波整定值thd2.set=10thd2max，其中thd2max為正常運(yùn)行時(shí)直流線(xiàn)路二次諧波最大值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)在電壓源換流器出口處安裝限流模塊，在直流故障發(fā)生以后實(shí)現(xiàn)快速故障限流。將直流側(cè)采集到的數(shù)據(jù)與各類(lèi)整定條件比較，判斷故障發(fā)生位置，進(jìn)行故障定位。當(dāng)系統(tǒng)判定故障發(fā)生在直流側(cè)時(shí)，限流模塊能將交流側(cè)、換流器和直流側(cè)的過(guò)流影響限制到允許范圍，配合直流斷路器安全可靠地切除并隔離直流故障，大大降低了對(duì)直流斷路器動(dòng)作速度和切除容量的要求，且具有成本低、額外功率損耗小的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為基于電壓源換流器的直流故障限流模塊示意圖。

圖2為保護(hù)方案動(dòng)作流程圖。

圖3為限流模塊內(nèi)電流流通路徑圖。

圖4為直流系統(tǒng)接入直流負(fù)荷時(shí)限流模塊示意圖。

圖5為直流系統(tǒng)接入儲(chǔ)能裝置時(shí)限流模塊示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，但本發(fā)明的實(shí)施范圍并不局限于此?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1是一種基于電壓源換流器的直流故障限流模塊示意圖，所述限流模塊安裝在電壓源換流器直流側(cè)出口處正負(fù)兩極；限流模塊包括全控型晶體管t和限流電阻rlim，連接方式為：全控型晶體管t和限流電阻rlim構(gòu)成的并聯(lián)模塊串聯(lián)接入電壓源換流器直流側(cè)出口處；所述限流模塊的連接方向：正極所在全控晶體管t的導(dǎo)通方向與正極電流流向一致，負(fù)極所在全控晶體管t的導(dǎo)通方向與負(fù)極電流流向一致。圖2為保護(hù)方案的動(dòng)作流程圖，所述保護(hù)方案包括以下步驟：

步驟1：數(shù)據(jù)采集：在電壓源換流器直流出口側(cè)安裝電壓、電流互感器和諧波分析儀，采集直流側(cè)電壓、電流以及直流側(cè)諧波含量等數(shù)據(jù)；

步驟2：檢驗(yàn)是否滿(mǎn)足直流電流變化率保護(hù)判據(jù)：比較當(dāng)前直流電流變化率didc/dt與直流電流變化率整定值(didc/dt)set，若(didc/dt)大于(didc/dt)set，轉(zhuǎn)至步驟3；若didc/dt小于等于(didc/dt)set，跳轉(zhuǎn)至步驟4；

步驟3：判別是否出現(xiàn)交流系統(tǒng)故障：比較當(dāng)前直流側(cè)電壓udc與0.9倍額定運(yùn)行電壓值0.9udc_n，若udc大于0.9udc_n，可判斷為直流系統(tǒng)發(fā)生故障，直流保護(hù)和換流器保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，關(guān)斷限流模塊內(nèi)的全控型晶體管t，將限流電阻投入故障回路中，并觸發(fā)直流斷路器跳閘；若udc小于等于0.9udc_n，則可判斷為交流側(cè)發(fā)生故障，交流保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)；

步驟4：判別是否為交流擾動(dòng)故障：比較當(dāng)前直流側(cè)二次諧波含量thd2與二次諧波整定值thd2.set，若thd2大于thd2.set，則可判斷為交流擾動(dòng)故障，交流保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)；若thd2小于等于thd2.set，則可判斷系統(tǒng)沒(méi)有故障，限流模塊內(nèi)的全控型晶體管t一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖3為限流模塊內(nèi)電流流通路徑圖，所述限流模塊具有正常運(yùn)行和故障限流兩種工作狀態(tài)：當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，限流模塊的全控晶體管t一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，限流電阻一直處于被旁路狀態(tài)；直流系統(tǒng)故障發(fā)生后，根據(jù)換流器保護(hù)發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)關(guān)斷限流模塊中全控晶體管t，此時(shí)故障電流在限流模塊內(nèi)只能流經(jīng)限流電阻。

所述限流模塊中全控晶體管t的關(guān)斷信號(hào)為電壓源換流器保護(hù)所發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)。

圖4和圖5分別為直流系統(tǒng)接入直流負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置時(shí)限流模塊示意圖，所述限流模塊中全控晶體管t的數(shù)目可視直流側(cè)接入情況而變化：當(dāng)換流器直流側(cè)接入直流負(fù)荷時(shí)，限流模塊中只需一個(gè)全控晶體管t；當(dāng)換流器直流側(cè)接入用于功率交換的儲(chǔ)能裝置時(shí)，需要在限流模塊中另增一個(gè)全控晶體管tm，連接方式為：與當(dāng)前限流模塊中的全控晶體管t反向并聯(lián)，tm的關(guān)斷信號(hào)與t相同。

所述直流電流變化率整定值(didc/dt)set=(didc/dt)max_t，(didc/dt)max_t為限流模塊中全控晶體管t閉鎖之前直流線(xiàn)路最大電流變化率。

所述二次諧波整定值thd2.set=10thd2max，其中thd2max為正常運(yùn)行時(shí)直流線(xiàn)路二次諧波最大值。

直流短路故障并非引起直流電流變化率超過(guò)整定值的唯一因素，交流故障引起的諧波擾動(dòng)同樣會(huì)引起直流電流變化率發(fā)生劇烈變化。當(dāng)交流故障產(chǎn)生的諧波擾動(dòng)較小時(shí)，直流電流變化率可能不會(huì)超過(guò)電流變化率整定值，此時(shí)需要根據(jù)直流側(cè)二次諧波含量來(lái)判斷交流側(cè)是否發(fā)生交流擾動(dòng)故障。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)直流側(cè)二次諧波含量較小，而交流故障產(chǎn)生的二次諧波會(huì)通過(guò)換流器傳遞至直流側(cè)，導(dǎo)致直流側(cè)二次諧波含量劇增，因此可以根據(jù)直流側(cè)二次諧波含量判斷是否發(fā)生交流擾動(dòng)故障；當(dāng)交流故障諧波擾動(dòng)較大時(shí)，直流電流變化率可能超過(guò)整定值，此時(shí)需要根據(jù)直流電壓跌落程度來(lái)判斷故障發(fā)生在交流側(cè)還是直流側(cè)，因?yàn)閷?duì)于直流短路故障，主要特征之一就是直流側(cè)電壓快速跌落至較低水平，而交流故障引起的諧波擾動(dòng)導(dǎo)致電壓跌落的程度較小，因此，可以通過(guò)直流電壓跌落程度來(lái)判斷故障發(fā)生側(cè)。

通過(guò)直流側(cè)采集到的數(shù)據(jù)與各類(lèi)整定條件比較，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及故障發(fā)生在交流側(cè)還是直流側(cè)。當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，限流模塊的全控晶體管t一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，限流電阻一直處于被旁路狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)故障判定為直流故障時(shí)，根據(jù)換流器保護(hù)發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)關(guān)斷限流模塊中全控晶體管t，此時(shí)故障電流在限流模塊內(nèi)只能流經(jīng)限流電阻，系統(tǒng)的阻尼特性得到增強(qiáng)，故可將故障電流限制在合理范圍內(nèi)，并配合直流斷路器切斷故障。當(dāng)系統(tǒng)判定故障為交流故障時(shí)，交流保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，觸發(fā)交流斷路器跳閘，切斷交流故障。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)在電壓源換流器出口處安裝限流模塊，在直流故障發(fā)生以后實(shí)現(xiàn)快速故障限流，將交流側(cè)、換流器和直流側(cè)的過(guò)流影響限制到允許范圍，配合直流斷路器安全可靠地切除并隔離直流故障，大大降低了對(duì)直流斷路器動(dòng)作速度和切除容量的要求，且具有成本低、額外功率損耗小的特點(diǎn)。