一种基于MMC主动限流的多端直流系统继电保护方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于MMC主动限流的多端直流系统继电保护方法及装置，属于电网保护领域；通过将MMC的直流故障电流限定在k1倍的额定电流处，从而有效清除了短时直流短路故障，控制较为简单，可靠性较高。在此基础上，提出了一种MMC软硬件结合的端直流系统继电保护方法，降低了对直流侧限流电抗器的需求，可实现故障电流的精准控制。另外，还提出一种应对永久性故障的策略，保证多端直流系统MMC无论在短时故障还是永久故障都具备出色的故障应对能力。最后提出了MMC主导的直流短路故障选择性保护策略，利用注入的幅值下垂型交流电流信号实现了短路故障的三段式选择性保护，降低了直流线路保护的成本和设计要求，且适用于含复杂分支结构的多端直流系统。杂分支结构的多端直流系统。杂分支结构的多端直流系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MMC主动限流的多端直流系统继电保护方法及装置


[0001]本专利技术属于电网保护领域，更具体地，涉及一种基于MMC主动限流的多端直流系统继电保护方法及装置。

技术介绍

[0002]在“双碳”背景下，能源结构正发生着深刻变革，电能替代和清洁替代成为主流。随着新能源装机的增长，电源接入由集中式向分布式发展，并且直流负荷增速明显，重要敏感负荷对供电可靠性的要求也越来越高。传统交流配电网已经越来越难以满足多元发展的用电需求，面对配电结构新特征，交直流混合配电网正在兴起。
[0003]交直流混合配电网是在已有交流网架基础上，通过增设关键柔性互联开关，在多方交流电网间建立多端直流配电系统。该配电网架构有利于实现不同电网间的功率互济和交直流电压互补。同时，构建多电压等级、多层次环网状、源
‑
网
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荷
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储灵活互联的配电网系统，有助于促进新能源消纳及多能互补有效利用，提升电能转换效率，提高网架可靠性及多元化需求响应能力。
[0004]多端直流配电系统与传统交流配电网在架构上相似，其面向电力用户提供所需电压等级的直流电，也是多级互联的网络，根据电压等级可分为高压直流配电系统、中压直流配电系统、低压直流配电系统等。各级配电网的功能不尽相同，但面向的用户和接入范围却不同，各级电网相互配合直流配电网与现有交流配电网可通过柔性互联换流器、双端软开关(SOP)等电力电子器件进行互联，满足不同场景的电力需求。
[0005]现有的继电保护方法多采用过电流保护、纵联差动保护和基于行波理论的边界保护等方法。过电流保护原理简单、速动性强，但在多端、环状等复杂直流系统中存在保护阈值整定和时序配合复杂的问题。纵联差动保护利用故障线路双端电流幅值进行保护判定，受故障类型和过渡电阻的影响较小但该方法严重依赖通讯的数据同步。基于行波理论的边界保护利用直流线路边界元件的暂态特征量进行保护判定，保护速度快且无需通信参与，在高压直流系统中得到了最多的工程应用。但该方法易受故障阻抗、噪声干扰和边界强度的影响通常需要在线路两端配置大感值限流电抗器来保证高选择性和可靠性。由于多端直流系统中电源众多、含有大量主电源、风电、光伏，系统各级线路数量较多且长度较短，系统运行方式复杂，这使得上述现有继电保护方式在多端直流系统中的应用配合困难，可靠性十分受限。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于MMC主动限流的多端直流系统继电保护方法，用以解决现有技术无法以较高地可靠性实现多端直流系统继电保护的技术问题。
[0007]为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于MMC主动限流的多端直流系统继电保护方法，包括：分别对多端直流系统中的每个MMC分别执行以下操作：
[0008]S1、当软件故障检测识别到MMC发生直流短路故障后，将MMC的正极直流电流参考值切换为正极直流故障电流限流值后，与直流正极电流反馈i
dc_P
进行比较，并将所得的误差值输入至PIR控制器中；将PIR控制器输出的结果与正极直流电流控制前馈项u
u_ff
相加，得到对应的正极电压信号；
[0009]将MMC的负极直流电流参考值切换为负极直流故障电流限流值后，与直流负极电流反馈i
dc_N
进行比较，并将所得的误差值输入至PIR控制器中；将PIR控制器输出的结果与负极直流电流控制前馈项u
l_ff
相加，得到对应的负极电压信号；
[0010]分别将所得的正极电压信号和负极电压信号与交流侧电流控制环节输出的电压信号相加形成相应的调制波信号后，输入至PWM环节以对MMC进行控制，从而将MMC的直流故障电流限定在k1倍的额定电流处；k1为大于1的正整数；
[0011]S2、重复执行步骤S1，直至软件故障检测未识别到MMC发生直流短路故障，或者持续时间达到t
p
时间；
[0012]其中，当直流短路故障为极对极故障时，取值为k1倍的额定电流；取值为
‑
k1倍的额定电流；当直流短路故障为正极对地故障时，取值为k1倍的额定电流，取值为0A；当直流短路故障为负极对地故障时，取值为0A，取值为
‑
k1倍的额定电流。
[0013]进一步优选地，软件故障检测识别MMC是否发生直流短路故障的方法，包括：
[0014]根据MMC直流侧输出的电压与电流，计算MMC的直流故障阻抗；
[0015]若MMC的直流故障阻抗小于1/k1倍的额定阻抗，则判定MMC存在直流短路故障；否则，判定MMC不存在直流短路故障。
[0016]进一步优选地，当直流短路故障为极对极故障时，MMC的直流故障阻抗Z
dcf
＝u
dc
/i
dc
；
[0017]当直流短路故障为正极对地故障时，MMC的直流故障阻抗Z
dcf
＝u
dc_u
/i
dc_P
；
[0018]当直流短路故障为负极对地故障时，MMC的直流故障阻抗Z
dcf
＝u
dc_l
/i
dc_N
；
[0019]其中，u
dc
为MMC直流侧输出的直流电压；i
dc
为MMC直流侧输出的直流电流；u
dc_u
为MMC上桥臂输出的直流电压；i
dc_P
为MMC正极输出的直流电流；u
dc_l
为下桥臂输出的直流电压；i
dc_N
为MMC负极输出的直流电流。
[0020]进一步优选地，上述面向多端直流系统短路故障的MMC主动限流方法，还包括在步骤S1之前执行的步骤S0；
[0021]步骤S0包括：当发生直流短路故障后，对MMC的直流故障电流进行硬件限流，直至软件故障检测能够识别到MMC发生直流短路故障。
[0022]进一步优选地，对MMC的直流故障电流进行硬件限流的方法包括：
[0023]S01、采用滞环限流电路锁闭MMC的控制信号，当直流故障电流下降到i
th1
后，滞环限流电路停止运行；
[0024]S02、以固定频率重复步骤S01，从而将MMC的直流故障电流限定在k2倍的额定电流处；
[0025]其中，i
th1
大于k1倍的额定电流、且小于k2倍的额定电流；k2＞k1；
[0026]上述滞环限流电路包括：滞环比较器、二极管、电阻、电容和与运算结构；
[0027]滞环比较器用于将直流故障电流的采样信号与阈值信号进行比较；当采样信号大于上限阈值时，滞环比较器输出低电平；当采样信号下降至小于下限阈值时，滞环比较器输出高电平；其中，上限阈值为k2倍的额定电流，下限阈值大于k1倍的额定电流；
[0028]二极管的负极连接至滞环比较器的输出端，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC主动限流的多端直流系统继电保护方法，其特征在于，包括：分别对所述多端直流系统中的每个MMC分别执行以下操作：S1、当软件故障检测识别到MMC发生直流短路故障后，将MMC的正极直流电流参考值切换为正极直流故障电流限流值后，与直流正极电流反馈i
dc_P
进行比较，并将所得的误差值输入至PIR控制器中；将PIR控制器输出的结果与正极直流电流控制前馈项u
u_ff
相加，得到对应的正极电压信号；将MMC的负极直流电流参考值切换为负极直流故障电流限流值后，与直流负极电流反馈i
dc_N
进行比较，并将所得的误差值输入至PIR控制器中；将PIR控制器输出的结果与负极直流电流控制前馈项u
l_ff
相加，得到对应的负极电压信号；分别将所得的正极电压信号和负极电压信号与交流侧电流控制环节输出的电压信号相加形成相应的调制波信号后，输入至PWM环节以对MMC进行控制，从而将MMC的直流故障电流限定在k1倍的额定电流处；k1为大于1的正整数；S2、重复执行所述步骤S1，直至软件故障检测未识别到MMC发生直流短路故障，或者持续时间达到t
p
时间；其中，当直流短路故障为极对极故障时，取值为k1倍的额定电流；取值为
‑
k1倍的额定电流；当直流短路故障为正极对地故障时，取值为k1倍的额定电流，取值为0A；当直流短路故障为负极对地故障时，取值为0A，取值为
‑
k1倍的额定电流。2.根据权利要求1所述的多端直流系统继电保护方法，其特征在于，软件故障检测识别MMC是否发生直流短路故障的方法，包括：根据MMC直流侧输出的电压与电流，计算MMC的直流故障阻抗；若所述MMC的直流故障阻抗小于1/k1倍的额定阻抗，则判定MMC存在直流短路故障；否则，判定MMC不存在直流短路故障。3.根据权利要求1所述的多端直流系统继电保护方法，其特征在于，当直流短路故障为极对极故障时，所述MMC的直流故障阻抗Z
dcf
＝u
dc
/i
dc
；当直流短路故障为正极对地故障时，所述MMC的直流故障阻抗Z
dcf
＝u
dc_u
/i
dc_P
；当直流短路故障为负极对地故障时，所述MMC的直流故障阻抗Z
dcf
＝u
dc_l
/i
dc_N
；其中，u
dc
为MMC直流侧输出的直流电压；i
dc
为MMC直流侧输出的直流电流；u
dc_u
为MMC上桥臂输出的直流电压；i
dc_P
为MMC正极输出的直流电流；u
dc_l
为下桥臂输出的直流电压；i
dc_N
为MMC负极输出的直流电流。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的多端直流系统继电保护方法，其特征在于，还包括在所述步骤S1之前执行的步骤S0；所述步骤S0包括：当发生直流短路故障后，对MMC的直流故障电流进行硬件限流，直至软件故障检测能够识别到MMC发生直流短路故障。5.根据权利要求4所述的多端直流系统继电保护方法，其特征在于，所述对MMC的直流故障电流进行硬件限流的方法包括：S01、采用滞环限流电路锁闭MMC的控制信号，当直流故障电流下降到i
th1
后，滞环限流
电路停止运行；S02、以固定频率重复步骤S01，从而将MMC的直流故障电流限定在k2倍的额定电流处；其中，i
th1
大于k1倍的额定电流、且小于k2倍的额定电流；k2＞k1；所述滞环限流电路包括：滞环比较器、二极管、电阻、电容和与运算结构；所述滞环比较器用于将直流故障电流的采样信号与阈值信号进行比较；当采样信号大于上限阈值时，所述滞环比较器输出低电平；当采样信号下降至小于下限阈值时，所述滞环比较器输出高电平；所述上限阈值为k2倍的额定电流，所述下限阈值大于k1倍的额定电流；所述二极管的负极连接至所述滞环比较器的输出端，正极连接至所述运算结构的第一端，并通过所述电容接地；所述电阻与所述二极管并联；所述运算结构通过第二端获取PWM信号，用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴雪军，张又文，杨敏，李瑾，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：