多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法技术方案

本发明专利技术提供了一种多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法，通过基于低阻抗接地且具备负电平输出能力的MMC与机械直流隔离开关的协调配合来实现。故障期间，通过调整各MMC换流器桥臂参考电压的共模分量，能够在不牺牲换流器可控性的前提下消除故障暂态过电压。同时，通过在故障极桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压信号，控制故障极桥臂电流为零，使得机械直流隔离开关可以在零电流的条件下隔离直流故障，为机械直流隔离开关在多端柔性直流输电系统中的应用奠定基础。故障期间，MMC换流器通过健全直流母线‑交流侧低阻抗接地极‑大地形成回路，可维持一半额定有功功率的传输。

【技术实现步骤摘要】
多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法
本专利技术属于多端柔性高压直流输电系统直流故障保护领域，更具体地，涉及多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法。
技术介绍
随着国家对能源可持续发展需求的不断提升，我国以煤炭为主的能源结构将在今后几十年内逐步向以水电、核电、风电、太阳能等多种新能源并存的结构转变。发展大容量远距离先进联网和输电技术将有助于可再生能源的跨区域、互补消纳，同时可以为推进大型能源基地向大型用电区域的输电通道建设提供强大支撑。在大容量远距离输电需求下，高压直流输电HVDC(high-voltagedirect-current)较高压交流输电在经济和技术上的优势引起了国内外学者的广泛关注。基于电压源换流器的柔性直流输电技术能够通过控制电流反转来实现潮流反转。因此，在构建多端直流输电系统或者直流电网时，柔性直流输电相较于传统直流输电更具竞争力。近年来，模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC换流器)由于其模块化结构、高运行效率及强可扩展性等优点显示出了巨大的潜力，并且已在一些实际工程中得到应用，如舟山五端直流工程。然而，直流侧故障保护，特别是双极短路(最严重的直流故障)和单极接地(发生概率最高的直流故障)故障的保护，仍是目前多端柔性直流输电系统的重大挑战。近年来，针对双极短路的故障保护，国内外已涌现了大量优秀的研究成果。但是，针对多端柔性直流输电系统的单极接地故障保护策略却鲜有报道。单极对地故障特性与MMC换流器的接地方式和主接线方案密切相关。一般来说，实际MMC工程中均采用高阻抗接地以及对称单极接线方案(如：舟山直流工程、美国TansBayCable直流工程等)。直流侧单极接地故障会在健全直流母线和换流器交流侧中性点引起很大的电压应力，这将严重损坏系统的绝缘性能。目前，工业界和学术界处理单极接地故障主要有以下两种思路：1)实际的MMC工程都是基于半桥型子模块。当直流线路上发生单极接地故障时，均是通过闭锁MMC换流器、断开交流侧断路器来消除暂态过电压。但是，这种做法将牺牲MMC的可控性且运行可靠性不高，整个换流器在故障期间将退出运行，只有等到故障消除之后才能恢复运行。在单极接地故障发生频率较高的架空输电线应用场合，该处理方式显得十分被动。2)学术界提出一种基于混合型MMC(半桥与全桥子模块混合)的单极接地故障穿越方法。通过将故障极的桥臂参考电压中共模分量调整为零，同时引入上、下桥臂的电容电压均衡控制，实现了MMC换流器在单极接地故障期间的单极运行且能维持一半的额定功率传输。但是，此方法并不适用于多端直流输电系统。因为在多端直流输电系统中，该方法构建的故障期间的功率回路将会被直流侧保护设备所阻断。综上所述，上述两种方案都无法有效实现多端柔性高压直流输电系统的直流单极接地故障保护。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法。旨在解决现有的故障穿越方法应用于多端柔性高压直流输电系统中仅仅能消除暂态过电压无法继续维持在故障期间的功率传输的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法。多端柔性高压直流输电系统包括n个MMC换流器，2n条直流母线以及2n个机械直流隔离开关，MMC换流器包含A、B、C三相，每相包含上、下两个桥臂，每个MMC换流器采用交流侧低阻抗接地方式且具备负电平输出能力，每个桥臂至少具备一半直流电压以上的负电平输出能力，2n条直流母线中的n条正直流母线呈辐射状连接，2n条直流母线中的n条负直流母线呈辐射状连接，每条直流母线均串联有一个机械直流隔离开关；正常工作时，一个MMC换流器用于确定直流电压，其余MMC换流器用于确定有功功率，其特征在于，包括：(1)当直流母线发生直流侧单极接地故障时，同时执行步骤(1A)、步骤(1B)、步骤(1C)和步骤(1D)：(1A)调整各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量为零，各MMC换流器健全极桥臂参考电压共模分量维持不变，调整所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令为直流电压额定值的一半；(1B)调整所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令为有功功率额定值的一半，用于确定有功功率的MMC换流器的无功功率指令维持不变；(1C)在所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压控制各MMC换流器故障极桥臂电流；(1D)在所述各MMC换流器引入上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；(2)当故障直流母线电流为零时，等待机械直流隔离开关的动作后，恢复所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量至参考电压共模分量额定值，恢复所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令值至直流电压额定值，等待预设的直流电压恢复时间后，机械直流隔离开关再次动作；(3)判断所述各MMC换流器所连接直流母线电流是否超过直流母线电流额定值，若是则进入步骤(4)，否则顺序执行步骤(5)；(4)判断各MMC换流器所连接直流母线电流超过直流母线电流额定值次数是否大于各MMC换流器预设定过流次数，若是，则超过预设定过流次数的MMC换流器维持在当前控制状态，否则回到步骤(1)；(5)同时执行步骤(5A)和步骤(5B)：(5A)恢复所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令值至有功功率额定值；(5B)保留所述各MMC换流器上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；若故障直流母线为正直流母线，则负直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为上桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为下桥臂；若故障直流母线为负直流母线，则正直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为下桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为上桥臂。本专利技术提供的故障穿越方法是通过基于低阻抗接地且具备负电平输出能力的MMC与机械直流隔离开关的协调配合来实现。故障期间，通过调整各MMC换流器桥臂参考电压的共模分量，能够在不牺牲换流器可控性的前提下消除故障暂态过电压。同时，通过在故障及桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压信号，控制故障极桥臂电流为零，使得机械直流隔离开关可以在零电流的条件下隔离直流故障，为机械直流隔离开关在多端柔性直流输电系统中的应用奠定基础。更进一步，故障期间，MMC换流器通过健全直流母线-交流侧低阻抗接地极-大地形成回路，维持一半额定有功功率的传输。故障重启速度快，提升了多端柔性直流输电系统对直流侧单极接地故障的主动防御力。优选地，所述步骤(1)还同时执行以下步骤：(1E)在所述各MMC换流器健全极桥臂参考电压上叠加第二附加参考电压以降低各MMC换流器健全极桥臂电流变化速率。健全极桥臂参考电压上叠加第二附加参考电压以阻尼MMC换流器在故障期间的工作点转移，使暂态过程变得平滑无冲击。优选地，所述步骤(5)中还同时执行以下步骤：(5C)在所述各MMC换流器健全极桥臂参考电压上叠加第三附加参考电压以确定故障恢复阶段可能出现的不平衡工作点；(5D)在所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压上叠加第四附加参考电压以降低各MMC换流器故障极桥臂电流变化速率。故障极极桥臂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法，多端柔性高压直流输电系统包括n个MMC换流器，2n条直流母线以及2n个机械直流隔离开关，MMC换流器包含A、B、C三相，每相包含上、下两个桥臂，每个MMC换流器采用交流侧低阻抗接地方式且具备负电平输出能力，每个桥臂至少具备一半直流电压以上的负电平输出能力，2n条直流母线中的n条正直流母线呈辐射状连接，2n条直流母线中的n条负直流母线呈辐射状连接，每条直流母线均串联有一个机械直流隔离开关；正常工作时，一个MMC换流器用于确定直流电压，其余MMC换流器用于确定有功功率，其特征在于，包括：(1)当直流母线发生直流侧单极接地故障时，同时执行步骤(1A)、步骤(1B)、步骤(1C)和步骤(1D)：(1A)调整各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量为零，各MMC换流器健全极桥臂参考电压共模分量维持不变，调整所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令为直流电压额定值的一半；(1B)调整所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令为有功功率额定值的一半，用于确定有功功率的MMC换流器的无功功率指令维持不变；(1C)在所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压控制各MMC换流器故障极桥臂电流；(1D)在所述各MMC换流器引入上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；(2)当故障直流母线电流为零时，等待机械直流隔离开关的动作后，恢复所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量至参考电压共模分量额定值，恢复所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令值至直流电压额定值，等待预设的直流电压恢复时间后，机械直流隔离开关再次动作；(3)判断所述各MMC换流器所连接直流母线电流是否超过直流母线电流额定值，若是则进入步骤(4)，否则顺序执行步骤(5)；(4)判断各MMC换流器所连接直流母线电流超过直流母线电流额定值次数是否大于各MMC换流器预设定过流次数，若是，则超过预设定过流次数的MMC换流器维持在当前控制状态，否则回到步骤(1)；(5)同时执行步骤(5A)和步骤(5B)：(5A)恢复所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令值至有功功率额定值；(5B)保留所述各MMC换流器上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；若故障直流母线为正直流母线，则负直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为上桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为下桥臂；若故障直流母线为负直流母线，则正直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为下桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为上桥臂。...

【技术特征摘要】
1.一种多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法，多端柔性高压直流输电系统包括n个MMC换流器，2n条直流母线以及2n个机械直流隔离开关，MMC换流器包含A、B、C三相，每相包含上、下两个桥臂，每个MMC换流器采用交流侧低阻抗接地方式且具备负电平输出能力，每个桥臂至少具备一半直流电压以上的负电平输出能力，2n条直流母线中的n条正直流母线呈辐射状连接，2n条直流母线中的n条负直流母线呈辐射状连接，每条直流母线均串联有一个机械直流隔离开关；正常工作时，一个MMC换流器用于确定直流电压，其余MMC换流器用于确定有功功率，其特征在于，包括：(1)当直流母线发生直流侧单极接地故障时，同时执行步骤(1A)、步骤(1B)、步骤(1C)和步骤(1D)：(1A)调整各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量为零，各MMC换流器健全极桥臂参考电压共模分量维持不变，调整所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令为直流电压额定值的一半；(1B)调整所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令为有功功率额定值的一半，用于确定有功功率的MMC换流器的无功功率指令维持不变；(1C)在所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压上叠加第一附加参考电压控制各MMC换流器故障极桥臂电流；(1D)在所述各MMC换流器引入上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；(2)当故障直流母线电流为零时，等待机械直流隔离开关的动作后，恢复所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压共模分量至参考电压共模分量额定值，恢复所述用于确定直流电压的MMC换流器的直流电压指令值至直流电压额定值，等待预设的直流电压恢复时间后，机械直流隔离开关再次动作；(3)判断所述各MMC换流器所连接直流母线电流是否超过直流母线电流额定值，若是则进入步骤(4)，否则顺序执行步骤(5)；(4)判断各MMC换流器所连接直流母线电流超过直流母线电流额定值次数是否大于各MMC换流器预设定过流次数，若是，则超过预设定过流次数的MMC换流器维持在当前控制状态，否则回到步骤(1)；(5)同时执行步骤(5A)和步骤(5B)：(5A)恢复所述用于确定有功功率的MMC换流器的有功功率指令值至有功功率额定值；(5B)保留所述各MMC换流器上桥臂参考电压差模分量和下桥臂参考电压差模分量之间的错相角；若故障直流母线为正直流母线，则负直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为上桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为下桥臂；若故障直流母线为负直流母线，则正直流母线为健全直流母线，所述各MMC换流器的故障极桥臂为下桥臂，所述各MMC换流器的健全极桥臂为上桥臂。2.根据权利要求1所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(1)还同时执行以下步骤：(1E)在所述各MMC换流器健全极桥臂参考电压上叠加第二附加参考电压以降低各MMC换流器健全极桥臂电流变化速率。3.根据权利要求1所述的故障穿越方法，其特征在于，所述步骤(5)中还同时执行以下步骤：(5C)在所述各MMC换流器健全极桥臂参考电压上叠加第三附加参考电压以确定故障恢复阶段可能出现的不平衡工作点；(5D)在所述各MMC换流器故障极桥臂参考电压上叠加第四附加参考电压以降低各MMC换流器故障极桥臂电流变化速率。4.根据权利要求2所述的故障穿越方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：林磊，何震，胡家兵，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42