一种直流短路故障性质判别方法及直流系统重合闸方法
阅读：270发布：2024-01-31
专利汇可以提供一种直流短路故障性质判别方法及直流系统重合闸方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种直流 短路 故障性质判别方法及直流系统重合闸方法，包括：当发生直流短路故障后耦合型机械式DCCB分闸，并将混合型MMC产生的预设交流检测 信号 注入到直流输电线路；检测位于直流输电线路端口的耦合型机械式DCCB输出端的直流 电压 响应值；当直流电压响应值小于预设的电压判据时，则直流短路故障为永久性故障，耦合型机械式DCCB的机械 开关 不闭合，等待直流输电系统线路故障检修；否则，直流短路故障为瞬时性故障，闭合耦合型机械式DCCB的机械开关；本发明避免耦合型机械式DCCB重合闸于永久性故障，降低柔性直流输电系统对耦合型机械式DCCB开断容量的要求，并且加快直流系统在瞬时性故障清除后的恢复速度。，下面是一种直流短路故障性质判别方法及直流系统重合闸方法专利的具体信息内容。
1.一种直流短路故障性质判别方法，其特征在于，包括：
当发生直流短路故障后耦合型机械式DCCB分闸，并将混合型MMC产生的预设交流检测信号注入到直流输电线路；
检测位于直流输电线路端口的耦合型机械式DCCB输出端的直流电压响应值；
当所述直流电压响应值小于预设的电压判据时，则直流短路故障为永久性故障；否则，所述直流短路故障为瞬时性故障；
其中，所述预设的交流检测信号的频率根据换流支路接入短路故障后的直流输电线路的谐振频率设定；
所述预设的电压判据根据所述预设的交流检测信号的幅值及所述换流支路接入短路故障后的直流输电线路的参数设定。
2.根据权利要求1所述的直流短路故障性质判别方法，其特征在于，所述预设的交流检测信号由混合型MMC的直流电流控制器产生，当注入预设的交流检测信号时，直流电流控制器的直流调制比信号的频率与预设的交流检测信号的频率一致；
预设的交流检测信号的注入时间为耦合型机械式DCCB开断且直流输电系统线路去游离完成后。
3.根据权利要求2所述的直流短路故障性质判别方法，其特征在于，注入所述预设的交流检测信号时，所述直流调制比信号的幅值为1pu～1.1pu。
4.根据权利要求2或3所述的直流短路故障判别方法，其特征在于，所述直流输电系统包括直流输电线路，混合型MMC和耦合型机械式DCCB；
各直流输电线路的两端均设置有一个耦合型机械式DCCB，所述混合型MMC的输出端连接耦合型机械式DCCB；
所述混合型MMC用于将交流信号转换为直流信号或将直流信号转换为交流信号；在发生直流短路故障时，产生预设的交流检测信号传递于耦合型机械式DCCB。
5.根据权利要求4所述的直流短路故障性质判别方法，其特征在于，所述耦合型机械式DCCB包括高压侧模块和低压侧模块；其中，高压侧模块包括机械开关、吸能支路及换流支路；当所述直流输电线路发生短路故障时，所述机械开关打开，短路电流流经换流支路后被吸能支路吸收。
6.根据权利要求1至5任一所述的直流短路故障判别方法，其特征在于，所述混合型MMC包括直流故障性质辨识控制模块；当发生直流短路故障后，直流故障性质辨识控制模块用于产生预设的交流检测信号。
7.基于权利要求1所述的直流短路故障判别方法的直流系统重合闸方法，包括：
当判断短路故障为永久性故障时，所述耦合型机械式DCCB的机械开关不闭合，等待直流输电系统线路故障检修；
当判断短路故障为瞬时性故障时，闭合所述耦合型机械式DCCB的机械开关。
一种直流短路故障性质判别方法及直流系统重合闸方法
技术领域
[0001] 本发明属于柔性直流输电领域，更具体地，涉及一种直流短路故障性质判别方法及直流系统重合闸方法。
背景技术
[0002] 基于模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电系统具有有功无功解耦控制、谐波含量低、易拓展、不存在换相失败等特点，在新能源发电并网、区域电网异步互联、向无源系统供电等方面有着广阔的应用前景。考虑到远距离、大容量输电所存在的成本问题，柔直输电系统常采用架空线路进行大规模功率传输。架空输电线路发生瞬时性故障概率较高，因此需配置有效的重启方法，让系统在瞬时性故障消失后重新快速恢复正常运行以提高柔性直流输电系统的利用率。
[0003] 基于全桥型子模块的全桥型MMC可通过闭锁绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的方式来阻断故障电流，也可通过设计控制器主动控制直流故障电流。由于全桥型MMC所需功率器件数目是半桥型MMC的2倍，增加了换流器的成本和损耗。混合型MMC由全桥型子模块和半桥型子模块级联而成，可对直流电流进行控制，在故障期间主动限制故障电流，辅以低容量直流断路器隔离故障线路，成为兼具经济性与技术优势的选择。
[0004] 柔性直流电网需考虑混合型MMC和直流断路器的配合以快速清除直流故障，使得健全系统可不间断运行。故障隔离后，先等待线路去游离完成，然后重新解锁换流器或重合闸直流断路器(DC Circuit Breaker,DCCB)，通过判断线路直流电压是否建立，来实现对故障性质的判断。如果直流电压恢复，则证明故障已清除，可以恢复系统的正常运行；如果直流电压无法恢复，则判断为永久性故障。这种重启方法存在一定的盲目性和重启时间选取不当的问题，当重启于永久性故障时会对系统造成二次危害，不利于系统的安全运行，并且二次开断的技术需求对直流断路器的开断容量以及耗散能量提出了更高要求。对于基于混合型MMC的架空柔直系统，其在直流故障期间仍可控制直流电压/电流，具备主动注入信号的能力。另一方面，耦合型机械式DCCB拓扑在主支路分闸后，换流支路仍串联于线路之中，为换流器注入信号的流通提供了路径。
[0005] 因此，研究基于混合型MMC主动信号注入的自适应重合闸控制技术，是提高架空柔性直流电网运行可靠性的重要途径。
发明内容
[0007] 为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种直流短路故障性质判别方法，包括：
[0008] 当发生直流短路故障后耦合型机械式DCCB分闸，并将混合型MMC产生预设的交流检测信号注入到直流输电线路；
[0009] 检测位于直流输电线路端口的耦合型机械式DCCB输出端的直流电压响应值；
[0010] 当所述直流电压响应值小于预设的电压判据时，则直流短路故障为永久性故障；否则，直流短路故障为瞬时性故障；
[0011] 其中，所述预设的交流检测信号的频率根据换流支路接入短路故障后的直流输电线路的谐振频率设定，实现所述预设的交流检测信号流经耦合型机械式DCCB的换流支路；
[0012] 所述预设的电压判据根据所述预设的交流检测信号的幅值及所述换流支路接入短路故障后的直流输电线路的参数设定。
[0013] 优选地，所述预设的交流检测信号由混合型MMC的直流电流控制器产生，当注入预设的交流检测信号时，直流电流控制器的直流调制比信号的频率与预设的交流检测信号的频率一致；
[0014] 预设的交流检测信号的注入时间为耦合型机械式DCCB开断且直流输电系统线路去游离完成后。
[0015] 优选地，注入预设的交流检测信号时，所述直流调制比信号的幅值为1pu～1.1pu。
[0016] 优选地，直流输电系统包括直流输电线路，混合型MMC和耦合型机械式DCCB；
[0017] 各直流输电线路的两端均设置有一个耦合型机械式DCCB，所述混合型MMC的输出端连接耦合型机械式DCCB；
[0018] 所述混合型MMC用于将交流信号转换为直流信号或将直流信号转换为交流信号；在发生直流短路故障时，产生预设的交流检测信号传递于耦合型机械式DCCB。
[0019] 优选地，所述耦合型机械式DCCB包括高压侧模块和低压侧模块；其中，高压侧模块包括机械开关、吸能支路及换流支路；当所述直流输电线路发生短路故障时，所述机械开关打开，短路电流流经换流支路后被吸能支路吸收。
[0021] 另一方面，基于直流短路故障性质判别方法，本发明提供了一种直流系统重合闸方法，包括：
[0022] 当判断短路故障为永久性故障时，控制耦合型机械式DCCB进入闭锁状态，使得所述耦合型机械式DCCB的机械开关不闭合，等待直流输电系统线路故障检修；
[0023] 当判断短路故障为瞬时性故障时，控制耦合型机械式DCCB重合闸，闭合所述耦合型机械式DCCB的机械开关。
[0024] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下[0025] 有益效果：
[0026] 本发明提出一种直流短路故障判别方法及直流输电系统重合闸方法，通过在混合型MMC的直流电流控制器中设置直流故障性质辨识控制模块，使混合型MMC可以在直流故障发生且耦合型机械式DCCB分闸后，通过切换控制直流故障性质辨识控制模块产生预设的交流检测信号，其经耦合型机械式DCCB支路注入至故障线路，通过判断耦合型机械式DCCB输出端的直流电压响应值大小，判断短路故障的性质，在获知短路故障的性质下，可以完全避免耦合型机械式DCCB重合闸于永久性故障，降低柔性直流输电系统对耦合型机械式DCCB开断容量的要求，简化耦合型机械式DCCB拓扑的设计，提高柔性直流输电系统安全性。附图说明
[0027] 图1是实施例提供的一种混合型MMC拓扑结构图；
[0028] 图2是实施例提供的一种混合型MMC的控制逻辑示意图；
[0029] 图3是实施例提供的一种耦合型机械式DCCB的结构示意图；
[0030] 图4是实施例提供的耦合型机械式DCCB开断后注入预设的交流检测信号的流通路径；
[0031] 图5是实施例提供的一种永久性故障时的等效电路示意图；
[0032] 图6是实施例提供的一种瞬时性故障时的等效电路示意图；
[0033] 图7是实施例提供的一种基于直流短路故障判别方法的直流输电系统重合闸方法的流程示意图。
具体实施方式
[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0035] 本发明技术方案的思路具体如下：在直流输电系统线路去游离后，通过切换混合型MMC的直流电流控制模式产生预设的交流检测信号，其经耦合型机械式DCCB的换流支路注入至故障线路；根据注入的预设的交流检测信号在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的响应特性，对短路故障性质进行判别，从而避免耦合型机械式DCCB重合闸于永久性故障，降低柔性直流输电系统对于耦合型机械式DCCB容量的要求，简化耦合型机械式DCCB拓扑的设计，提高柔性直流输电系统的安全性，降低直流工程建设成本。
[0036] 具体地，本发明提供了一种直流短路故障性质判别方法，包括：
[0037] 当发生直流短路故障后耦合型机械式DCCB分闸，并将混合型MMC产生预设的交流检测信号注入到直流输电线路；
[0038] 检测位于直流输电线路端口的耦合型机械式DCCB输出端的直流电压响应值；
[0039] 当所述直流电压响应值小于预设的电压判据时，则直流短路故障为永久性故障；否则，直流短路故障为瞬时性故障；
[0040] 其中，预设的交流检测信号的频率根据换流支路接入短路故障后的直流输电线路的谐振频率设定，实现所述预设的交流检测信号流经耦合型机械式DCCB的换流支路；
[0041] 预设的电压判据根据预设的交流检测信号的幅值及所述换流支路接入短路故障后的直流输电线路的参数设定。
[0042] 优选地，预设的交流检测信号由混合型MMC的直流电流控制器产生，当注入预设的交流检测信号时，直流电流控制器的直流调制比信号的频率与预设的交流检测信号的频率一致；
[0043] 预设的交流检测信号的注入时间为耦合型机械式DCCB开断且直流输电系统线路去游离完成后。
[0044] 更具体地，直流电流控制器包括直流故障性质辨识控制模块；当发生直流短路故障后，直流故障性质辨识控制模块用于产生预设的交流检测信号。
[0045] 更为具体地，在混合型MMC的直流电流控制器中设置有直流故障性质辨识控制模块，通过在直流故障性质辨识控制模块指令值中设计特定的参考量，并将其作为直流故障发生且耦合型机械式DCCB分闸后直流电流控制器的控制指令值；该控制指令值作为预设的交流检测信号，根据注入的预设的交流检测信号在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的响应特性，对短路故障性质进行判别。当判别为永久性故障时，闭锁耦合型机械式DCCB，等待直流输电线路故障检修；当判别为瞬时性故障时，则正常进行重合闸。
[0046] 优选地，直流故障性质辨识控制模块可采用直流调制比Mdc，通过预设Mdc指令值为预设的交流检测信号，注入脉冲或交变信号至故障线路。
[0047] 具体地，直流调制比Mdc预设值可为脉冲量、交变量等，通过注入预设的交流检测信号，经由耦合型机械式DCCB连接在电网中支路导通，根据永久性故障或瞬时性故障产生不同的响应。
[0048] 优选地，预设的交流检测信号的幅值不宜过大，尽量减小对直流输电系统的影响，预设的交流检测信号的频率应通过耦合型机械式DCCB的换流支路为前提进行设定，可根据等效电路的谐振频率进行计算确定。
[0049] 具体地，故障性质预判判据通过基于预设的交流检测信号流入故障线路后，在瞬时性故障和永久性故障产生的不同响应而提取。永久性故障与瞬时性故障的信号流通路径不一样，其等效电路完全不同，因此产生的响应也有一定差异。对线路暂态量进行时域或频域分析，得到永久性故障和瞬时性故障的暂态响应差异，从而提取出故障特征量，得到永久性故障辨别判据。
[0050] 更进一步地，永久性故障特征量和瞬时性故障特征量可采用直流线路电压、直流线路电流、耦合型机械式DCCB输出端的直流电压等信号的响应为判据。
[0051] 更进一步地，为了提高故障性质辨识的准确性，可采用耦合型机械式DCCB输出端的直流电压响应值为判据，设置预设的电压判据Uline_set，当耦合型机械式DCCB输出端的直流电压响应值小于预设的电压判据Uline_set时，则可判断故障为永久性故障；否则，则可判断故障为瞬时性故障。
[0052] 上述直流短路故障判别方法基于的直流输电系统包括：直流输电线路，混合型MMC和耦合型机械式DCCB；
[0053] 各直流输电线路的两端均设置有一个耦合型机械式DCCB，所述混合型MMC的输出端连接耦合型机械式DCCB；
[0054] 所述混合型MMC用于将交流信号转换为直流信号或将直流信号转换为交流信号；在发生短路故障时，产生预设的交流检测信号传递于耦合型机械式DCCB。
[0055] 优选地，所述耦合型机械式DCCB包括高压侧模块和低压侧模块；其中，高压侧模块包括机械开关、吸能支路及换流支路；当所述直流输电线路发生短路故障时，所述机械开关打开，短路电流流经换流支路后被吸能支路吸收。
[0056] 优选地，所述混合型MMC包括直流故障性质辨识控制模块；当发生直流短路故障后，直流故障性质辨识控制模块用于产生预设的交流检测信号。
[0057] 基于直流短路故障性质判别方法，本发明提供了一种直流系统重合闸方法，包括：
[0058] 当判断短路故障为永久性故障时，控制耦合型机械式DCCB进入闭锁状态，使得所述耦合型机械式DCCB的机械开关不闭合，等待直流输电系统线路故障检修；
[0059] 当判断短路故障为瞬时性故障时，控制耦合型机械式DCCB重合闸，闭合所述耦合型机械式DCCB的机械开关。
[0060] 针对目前架空柔性直流电网发生永久性故障时，断路器重合闸可能面临的二次分闸问题，提出了一种基于混合型MMC预设的交流检测信号注入柔性直流输电系统重合闸方法。在直流故障发生且耦合型机械式DCCB分闸后，切换混合型MMC的直流电流控制模式产生预设的交流检测信号，经耦合型机械式DCCB支路注入至故障线路；根据注入信号在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的响应特性，对短路故障性质进行判别，从而避免耦合型机械式DCCB重合闸于永久性故障，降低柔性直流输电系统对耦合型机械式DCCB开断容量的要求，简化耦合型机械式DCCB拓扑的设计，提高柔性直流输电系统安全性，降低直流工程建设成本。
[0061] 实施例
[0062] 实施例涉及的各主要变量或缩写的物理意义列于下表1中：
[0063] 表1
[0064]
[0065]
[0066] 图1为实施例采用的一种混合型MMC拓扑，其每个桥臂均由50％全桥型子模块(FBSM)和50％半桥型子模块(HBSM)串联而成，对于全桥型子模块，其工作模式如表2所示，其特征在于能输出负电压，可使换流器在负压运行，其中，T1-T4分别表示每个全桥型子模块的四个IGBT，Usm表示子模块输出的电压，UC表示子模块电容电压，本实施例所涉及的控制系统适用于各个已知的，能稳定输出负电压的MMC拓扑。
[0067] 表2
[0068]
[0069] 图2为混合型MMC的控制逻辑示意图，从图2可知，直流电流控制器中包含直流故障性质辨识控制模块，在直流输电系统线路去游离后，启动直流故障性质辨识控制模块，将直流调制比信号Mdc的输入端切换至预设值，从而生成预设的交流检测信号注入至直流故障线路，进行故障性质预判，该预设值采用交变信号，原直流调制比信号被预设的交流检测信号取代，本实施例中预设的交流检测信号幅值选取为1pu～1.1pu，其频率以通过耦合型机械式DCCB换流支路为前提进行设定，根据等效电路的谐振频率进行计算确定。
[0070] 图3为实施例提供的一种耦合型机械式DCCB的结构示意图。耦合型机械式DCCB包括高压侧模块与低压侧模块，高压侧模块由机械开关、换流支路和吸能支路构成，其制造成本和运行损耗相对较低；机械开关在正常运行时闭合，在直流故障发生后，机械开关快速分闸，故障电流流经换流支路和吸能支路。
[0071] 图4为耦合型机械式DCCB断开后，换流站通过耦合型机械式DCCB的换流支路向故障点注入预设的交流检测信号的导通路径；换流支路由于电感或电容等器件存在，与直流网络仍有电气连接，换流器发出的预设的交流检测信号，通过换流支路流入故障线路。
[0072] 图5为直流故障为永久性故障时的等效电路，换流器等效为直流电压源直流故障性质辨识控制模块的叠加，耦合型机械式DCCB的换流支路构成了电感-电容通路。其中，耦合型机械式DCCB通路右侧的电感为限流电抗器，通过计算等效电路的谐振频率，选取合适的Mdc作为预设的交流检测信号，可以产生容易检测的直流线路电压响应量。
[0073] 图6为直流故障为瞬时性故障时的等效电路，瞬时性故障清除后，两端混合型MMC与直流输电架空线通过两端的耦合型机械式DCCB换流支路相连，构成完整回路。
[0074] 图7为实施例提供的一种基于直流短路故障判别方法的直流输电系统重合闸方法流程图，包括以下步骤：
[0075] (1)检测直流短路故障信号，耦合型机械式DCCB分闸；
[0076] (2)切换混合型MMC的直流电流控制模式，向直流输电系统注入预设的交流检测信号；
[0077] (3)提取预设的交流检测信号的响应特征量，判断其是否符合永久性故障判据，进行故障性质预判；
[0078] 为降低检测信号的提取难度，同时增加故障性质判据的检测灵敏度，采用耦合型机械式DCCB输出端的直流电压响应值为判据，设置预设的电压判据Uline_set，当耦合型机械式DCCB输出端的直流电压响应值小于预设的电压判据Uline_set时，则可判断故障为永久性故障；否则，则可判断故障为瞬时性故障；
[0079] (4)重合闸动作指导，基于故障性质辨识判据，当判别为永久性故障时，耦合型机械式DCCB进入闭锁状态，等待直流输电系统线路故障检修；当判别为瞬时性故障时，则耦合型机械式DCCB迅速进行重合闸。
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