技术领域
[0001] 本
发明属于电
力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种模块化多电平换流器与直流断路器协调控制方法。
背景技术
[0002] 柔性直流
电网技术在大规模
可再生能源的汇集、输送中发挥着重要的作用。柔性直流电网中的直
流线路既可以只采用架空线，也可以只采用直流
电缆，也可以同时采用架空线和直流电缆。由于陆上
风电、光伏大规模开发利用的需要，直流线路采用架空线的柔性直流电网技术需求更为迫切。然而，由于架空线发生
短路故障的概率很高，如何应对直流线路短路故障是限制直流电网发展的主要技术
瓶颈之一。当前，工程上应对直流线路短路故障的方法是采用直流断路器被动隔离故障，其具体实施方式为：直流电网保护系统一旦检测到故障后，立即向故障线路两端的直流断路器发送开断命令。直流断路器接收到开断命令后，按照其内部的控制逻辑进行分闸操作，从而开断直流
故障电流，
切除故障线路，清除直流故障。
[0003] 现有的这种解决方法存在的问题是：一方面，现有的方法中模块化多电平换流器与直流断路器之间无信息交互，直流断路器的开断动作与换流器的控
制动作是相互独立的过程，使得故障线路的
电压、电流信息以及换流器的控制信息没有得到充分的利用，导致直流断路器的开断命令发送时刻存在一定的盲目性。基于直流电网中关键设备的安全考虑，现有柔性直流输电/电网工程中直流断路器的开断电流大小指标一般采取较为保守的设计方法，需要取较大的安全裕度，即按照故障线路电流峰值大小来设计。因此，直流断路器开断命令发送时刻存在一定的盲目性。另一方面，当直流电网内部的换流器采用的是不具备限制直流故障电流能力的换流器类型时，直流电网中的直流线路发生短路故障后，故障线路直流电流将在数毫秒内急剧增长为额定电流的数十倍，对直流断路器的开断电流大小指标提出了较为严苛的要求，给直流断路器的设计与制造带来了较大的挑战，限制了直流电网的建设与发展。
发明内容
[0004] 针对
现有技术的
缺陷，本发明的目的在于提供了一种模块化多电平换流器与直流断路器协调控制方法，旨在解决现有技术无法主动调节直流断路器开断电流的大小，对直流断路器开断电流大小的需求较高的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种模块化多电平换流器与直流断路器协调控制方法，包括：
[0006] d1：检测直流线路是否发生直流短路故障，若发生故障则模块化多电平换流器从正常运行控
制模式切换为故障限流控制模式，限制直流线路中传输的电流大小，转至步骤d2；若无故障发生，则模块化多电平换流器维持正常运行控制模式；
[0007] d2：实时检测并判断发生短路故障的直流线路的电流大小是否处于设定的直流断路器目标开断区间内，若故障线路的电流大小在直流断路器目标开断区间，则向故障线路两端的直流断路器发送开断命令，断开故障线路，清除直流故障，转至步骤d3；若故障线路中电流大小不在直流断路器的目标开断区间，则不向故障线路两端的直流断路器发送开断命令，等待模块化多电平换流器进一步限制故障电流的大小；
[0008] d3：判断直流线路故障是否已经清除，若故障线路两端的直流故障电流下降为零或接近于零时，则认为故障线路已断开，直流故障已清除，转至步骤d4；否则，认为直流断路器未彻底开断或开断失败，故障线路未断开，直流故障未清除，继续等待直流断路器开断过程结束，直至故障被清除；
[0009] d4：判断直流故障类型是否为永久性短路故障，若识别故障类型是永久性短路故障，则故障线路两端的直流断路器不进行重合闸操作，继续保持断开状态，转至步骤d5；若识别故障是瞬时性短路故障，则故障线路两端的直流断路器进行重合闸操作，恢复故障线路的输
电能力，转至步骤d5；
[0010] d5：模块化多电平换流器由故障限流控制模式切换为正常运行控制模式。
[0011] 优选地，模块化多电平换流器的极
控制器判断直流线路是否发生直流短路故障的依据是判断换流器的本地本地直流电压变化率以及本地直流电压幅值来识别直流线路是否发生了短路故障。
[0012] 优选地，所述换流器的本地直流电压变化率包含该换流器的直流
母线电压变化率以及与该
直流母线相连接的所有直流线路电压的变化率，或者仅包含该换流器的直流母线电压变化率，或者仅包含与该直流母线相连接的所有直流线路电压的变化率。
[0013] 优选地，所述本地直流电压幅值包含该换流器的直流母线电压幅值以及与该直流母线相连接的所有直流线路电压的幅值，或者仅包含该换流器的直流母线电压幅值，或者仅包含该直流母线相连接的所有直流线路电压的幅值。
[0014] 优选地，判断故障线路的电流是否处于直流断路器的目标电流区间的方法包括：a.故障线路的直流电流瞬时值小于等于预先设定的目标值。b.故障线路的直流电流处于下降的趋势当中，即直流电流变化率小于零。当故障线路直流电流同时满足上述两个特征时，此时故障线路直流电流处于目标开断区间内，可以向故障线路两端的直流断路器发送开断命令。
[0015] 优选地，所述预先设定的目标值一般小于或者等于故障线路电流峰值。
[0016] 优选地，所述的模块化多电平换流器是指它们的直流侧
输出电压在其自身输出能力限制范围内能够任意调节。
[0017] 优选地，所述直流侧输出电压在其自身输出能力限制范围内能够任意调节的模块化多电平换流器包含但不限于功率模块混合型模块化多电平换流器、全桥型模块化多电平换流器。
[0018] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
[0019] 在直流电网中的直流线路发生短路故障后，通过模块化多电平换流器与直流断路器的协调控制，通过选取较优的直流断路器目标开断区间，优化控制直流断路器开断动作的启动时刻，减小直流断路器的开断电流大小需求，从而降低其制造难度与制造成本。
附图说明
[0020] 图1是典型的全桥型模块化多电平换流器；
[0021] 图2是典型的功率模块混合型模块化多电平换流器；
[0022] 图3是现有处理直流线路短路故障的方法原理图；
[0023] 图4是本发明提供的处理直流线路短路故障的方法原理图；
[0024] 图5是由功率模块混合型模块化多电平换流器构成的柔性直流电网示意图；
[0025] 图6是现有的柔性直流电网处理直流线路短路故障的方法仿真结果图；
[0026] 图7是本发明提供的柔性直流电网处理直流线路短路故障的方法仿真结果图；
具体实施方式
[0027] 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。
[0028] 图1和图2为现有技术中典型的可适用于本发明所提出的一种模块化多电平换流器与直流断路器协调控制方法的模块化多电平换流器。
[0029] 其中，图1为全桥型模块化多电平换流器，其每个桥臂均由全桥功率模块级联而成。图2为由全桥功率模块与半桥功率模块构成的功率模块混合型模块化多电平换流器，简称混合型模块化多电平换流器，其每个桥臂均由半桥功率模块与全桥功率模块级联而成。上述模块化多电平换流器的共同特征在于它们的直流侧输出电压大小在其自身输出能力限制范围内能够任意调节。
[0030] 本发明的控制方法适用于各种直流侧输出电压在其自身输出能力限制范围内能够任意调节的模块化多电平换流器。该类型的模块化多电平换流器一般应用于采用架空线的柔性直流输电系统或者直流电网，但本发明的控制方法不限于此，例如同样适用于采用电缆或电缆与架空线构建的柔性直流输电系统或者直流电网。
[0031] 图3是现有的柔性直流输电系统或者柔性直流电网处理直流线路短路故障的方法原理图。直流线路发生故障后，一方面直流电网保护系统检测到直流故障后，故障检测时间通常为2ms-3ms，立即向故障线路两端的直流断路器发送开断命令，直流断路器接收到开断命令后，经过自身固有的开断时间延迟后，成功开断直流故障电流，清除直流故障。直流电网保护系统以及直流断路器自身的控制系统都无需与模块化多电平换流器的控制系统进行信息交互，只需要分别依靠自身
采样得到的物理量信息进行故障识别与
定位，然后对直流断路器进行控制。另一方面，直流故障发生后经过一定的延时，模块化多电平换流器内部的极控制器切换控制模式，从正常运行控制模式切换为故障限流控制模式，且切换后直流电流控制器的直流电流控制参考值依然维持故障前的大小。当模块化多电平换流器检测到直流故障已经被直流断路器清除后，经过一定的延迟时间等待直流电网电压和电流达到新的稳态后，换流器从故障限流控制模式恢复至正常控制模式，实现对直流功率和直流电压的精准控制，使得直流电网达到新的运行稳态，恢复正常运行。可以看出，在现有的柔性直流输电系统或者直流电网处理直流线路短路故障的方法中，故障发生后换流器和直流断路器之间并未进行信息交互，二者各自独立处理直流故障。
[0032] 图4为本发明一个实施例的模块化多电平换流器与直流断路器协调控制方法原理图，所述方法包含5个步骤：
[0033] S1：模块化多电平换流器内部的极控制器持续检测是否发生直流线路短路故障，若极控制器检测到故障发生，换流器将切换控制模式，由原来的正常运行控制模式进入故障限流控制模式，主动限制直流故障电流的增长，转至步骤S2；若极控制器没有检测到故障，则换流器继续维持正常运行控制模式；
[0034] S2：换流器进入故障限流控制模式后，直流电网保护系统实时判断故障线路电流的大小和变化趋势，若故障线路的电流处于直流断路器的目标开断区间内，直流电网保护系统将向直流断路器发送开断命令，转至步骤S3；若故障线路电流不处于直流断路器的目标开断区间内，则不发送直流断路器开断命令，继续等待换流器进一步限制故障电流的大小；
[0035] S3：直流断路器接收到开断命令后，按照内部预先设定的控制逻辑开断直流故障电流，若流过故障线路两端的直流断路器的直流故障电流下降为零或者接近于零，则认为直流断路器已经开断成功，直流故障已经被清除，转至步骤S4；否则，则认为直流断路器未彻底完成开断或开断失败，直流故障未被清除，此时继续等待直流断路器的开断过程结束，直到故障被清除；
[0036] S4：直流故障被清除后，等待一定的去游离时间使直流线路恢复绝缘，换流器判断与识别直流线路故障类型，并将判断与识别结果发送给直流断路器，若为永久性短路故障，则故障线路两端的直流断路器不进行重合闸操作；若为瞬时性短路故障，则故障线路两端的直流断路器进行重合闸，以恢复故障线路的输电能力，转至步骤S5；
[0037] S5:等待一定的延迟时间使直流电网的直流电压和直流电流达到稳态后，直流电网中的控制有功功率或者直流功率的换流器从故障限流控制模式恢复为正常运行控制模式。
[0038] 所述换流器的正常运行控制模式是指直流电网中控制功率的换流器控制直流功率或者有功功率，直流电网中控制直流电压的换流器控制直流母线电压。
[0039] 所述的故障限流控制模式是指直流电网中控制功率的换流器直接控制其直流母线电流，直流电网中的控制直流电压的换流器控制直流母线电压。
[0040] 所述模块化多电平换流器内部的极控制器检测直流线路是否发生短路故障的方法是换流器极控制器通过判断该换流器的本地直流电压变化率以及本地直流电压幅值来识别。
[0041] 所述换流器的本地直流电压变化率包含该换流器的直流母线电压变化率以及与该直流母线相连接的所有直流线路电压的变化率，或者仅包含该换流器的直流母线电压变化率，或者仅包含与该直流母线相连接的所有直流线路电压的变化率。
[0042] 所述本地直流电压幅值包含该换流器的直流母线电压幅值以及与该直流母线相连接的所有直流线路电压的幅值，或者仅包含该换流器的直流母线电压幅值，或者仅包含该直流母线相连接的所有直流线路电压的幅值。
[0043] 所述判断故障线路的电流是否处于直流断路器的目标电流区间的方法包括：a.故障线路的直流电流瞬时值小于等于预先设定的目标值。b.故障线路的的直流电流处于下降的趋势当中，即直流电流变化率小于零。当故障线路直流电流瞬时值同时满足上述两个特征时，认为此时故障线路直流电流处于目标开断区间内，直流电网保护系统可以向故障线路两端的直流断路器发送开断命令。
[0044] 所述预先设定的目标值一般小于或者等于故障线路电流峰值。
[0045] 所述的模块化多电平换流器是指它们的直流侧输出电压大小在其自身输出能力限制范围内能够任意调节。
[0046] 所述的模块化多电平换流器包含但不限于功率模块混合型模块化多电平换流器、全桥型模块化多电平换流器。
[0047] 图5所示的四端柔性直流输电电网用于仿真测试本发明所设计的模块化多电平换流器与直流断路器协调控制方法的有效性，其中涉及的各主要变量、缩写物理含义如下表1所示：
[0048] 表1
[0049]变量名 物理意义
MMC 模块化多电平换流器
Vdc 换流器直流母线电压
Idc 换流器直流母线电流
CB23P 故障线路line23上靠近MMC2的直流断路器
CB32P 故障线路line23上靠近MMC3的直流断路器
Ldc1、Ldc2 线路限流电感
L0 桥臂电感
Idc23 流过直流断路器CB23P的直流电流
Flt MMC2的限流电感出口处永久性双极金属性短路
[0050] 混合型MMC1、MMC2、MMC3、MMC4的额定直流电压均为500kV，每个桥臂均由95个全桥功率模块与95个半桥功率模块
串联而成。MMC2、MMC3的额定功率均为1500MW，每个功率模块的功率模块电容均为15mF。MMC1、MMC4的额定功率均为750MW，每个功率模块的模块电容均为7.6mF。直流电网保护系统故障检测时间为了2ms。直流断路器的开断时间为3ms。正常运行时，MMC3控制直流电网电压，MMC1、MMC2、MMC4用于控制直流电网传输的直流功率。线路限流电感Ldc1和线路限流电感Ldc2大小均为10mH。直流线路长度如图5中标注所示，分别为205km、49.6km、206km、187km。MMC1和MMC2分别汇集625MW和1250MW的有功功率，MMC3和MMC4的下网功率分别为1500MW和375MW。t＝2s时刻，MMC2的限流电感出口处(Flt)发生永久性双极金属性短路，故障
电阻0.01Ω。故障发生后，混合型MMC1、MMC2、MMC4从正常运行控制模式切换为故障限流控制模式，且切换后直流电流控制参考值保持故障前的大小不变。
[0051] 图6所示为现有柔性直流电网处理直流线路短路故障的方法的仿真结果。换流器与直流断路器之间无协调控制。图6中曲线为流过直流断路器CB23P上的直流电流Idc23动态特性。2s时刻发生线路短路故障，直流电网保护系统经过2ms的故障检测延时后，检测到线路短路故障；紧接着立即向故障线路两端的直流断路器CB23P和CB32P发送开断命令；CB23P和CB32P接收到开断命令后开始动作，经过3ms的固有动作延时，即在2.005s时刻后成功开断。从图6中可以看到，无协调控制时，直流断路器CB23P的开断电流Idc23的大小为6kA左右。
[0052] 图7为本发明提供的柔性直流电网处理直流线路短路故障的方法的仿真结果。换流器与直流断路器之间使用协调控制。图7中曲线为流过直流断路器CB23P上的直流电流Idc23的动态特性，在本仿真算例中，直流断路器的目标开断临界值设置为5kA。当故障线路电流不处于直流断路器的目标开断区间内时，直流断路器处于等待触发状态。一旦检测到故障线路电流小于5kA且直流电流变化率小于零，说明故障线路直流
电路已经处于目标开断区间内，则直流断路器开始动作。经过3ms的固定动作延时后，直流断路器CB23P成功开断故障电流。由于在直流断路器动作延时期间，直流故障电流一直处于衰减状态，使得直流断路器的实际开断电流小于设定的目标开断值。从图7中可以看到，换流器和直流断路器之间有协调控制时直流断路器CB23P的实际开断电流Idc23的大小为4kA左右。与无协调控制时直流断路器的开断电流大小相比，使用协调控制时直流断路器的开断电流大小减小了33.3％。
[0053] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
