含混合电感型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理方法与流程

1.本发明涉及新能源柔性直流输电系统领域，具体涉及一种通过限制直流系统故障电流来降低高压直流断路器开断要求的方法。


背景技术：

2.近年来，我国在大容量远距离高压直流输电技术和工程应用领域取得了突破性进展和巨大成就。自2010年正式建成投运我国第一条高压直流输电工程
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上海直流工程以来，国家电网公司已建成投运十一条高压直流输电工程。柔性直流输电指的是基于电压源换流器(voltage source converter，vsc)的高压直流输电，其相比较于传统直流输电没有无功补偿和换相失败问题，且谐波水平低，可以为无源网络供电，尤其是基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)的柔性直流输电是目前研究的热点。
3.当柔性直流输电系统发生故障时，直流故障电流在故障后毫秒之内能快速上升至数十倍额定电流。目前清除直流故障有两种方法，一种是采用改进型子模块mmc，另一种是采用高压直流断路器。由于直流故障电流没有过零点，很难实现直流灭弧，导致高压直流断路器的切断电流水平有限。尤其是随着柔性直流系统电压等级和换流站耐受电流水平的不断提高，进一步导致故障电流开断难度增大，因此需要研究直流故障电流抑制方法。
4.目前采用超导型直流限流器是抑制直流故障电流、降低高压直流断路器开断能力要求的有效途径。超导型直流限流器在正常运行情况下呈现低阻抗，不影响系统的正常运行；发生故障后能够迅速转变为高阻抗，抑制故障电流的变化。超导型直流限流器按限流阻抗类型可以分为电阻型、电感型和混合型，目前大部分文献和专利集中研究了电阻型超导限流器和直流断路器处理直流故障的情况，但是会对电阻型超导限流器中的限流电阻提出非常高的要求。而电感型限流器能够深度抑制短路电流的上升速度，是解决短路故障电流问题的有效方法。针对这一现状，有必要针对采用电感型超导限流器和直流断路器换流站的拓扑结构及其直流故障处理策略进行研究。


技术实现要素：

5.针对直流输电系统，尤其是多端柔性直流输电系统，换流站的直流侧通过多回直流线路与多端柔性直流系统中的其他换流站连接的情况，本发明的目的是提出一种抑制直流故障电流的混合电感型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略，能够充分利用电感能够深度抑制故障电流的作用，既减少超导故障限流器的成本，又降低高压直流断路器开断容量的要求；同时，能够避免正常运行状态下限流电抗器过大可能带来的稳定性问题。
6.根据本发明的第一个方面的目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种含混合电感型超导限流器和直流断路器的换流站，其特征在于：所述换流站
采用真双极结构，换流站的换流器采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器，换流站的直流侧通过多回直流线路与多端柔性直流系统中的其他换流站连接；
8.所述换流站中正极换流器的直流高压端连接至正极直流母线，负极换流器的直流低压端连接至负极直流母线，正极换流器的直流低压端与负极换流器的直流高压端连接并接地；
9.直流线路依次通过混合电感型超导限流器、直流断路器与换流站的正极直流母线或负极直流母线连接。
10.混合电感型超导限流器包括电感型超导限流器、电抗器和避雷器，其中，电感型超导限流器与限流电抗器串联后再与避雷器并联连接；电感型超导限流器可等效为一个可变电感，系统无故障时，等效电感几乎为零；短路故障发生后，利用超导材料特性或控制手段使限流器转变至限流态，表现为一个电感值较大的限流电感。
11.所述真双极结构为正负极分别具有独立的换流器。
12.根据本发明的第二个方面的目的，本发明采用以下技术方案：
13.一种如上所述的含混合电感型超导限流器和直流断路器的换流站的直流线路故障处理方法，其特征在于包括如下步骤：
14.(1)基于保护检测装置判断是否发生直流线路故障；
15.(2)如果检测到发生直流线路故障，则借助混合电感型超导限流器和直流断路器配合动作，来断开故障线路。
16.进一步地，所述步骤(1)的具体实现方式为：首先根据任一线路上的保护检测装置，判断哪条直流线路发生直流故障：对于任一直流线路上的保护检测装置，若其所在线路为正极，当直流电流由母线流向线路且直流电流大小超过第一阈值，则判定该直流线路发生直流故障；若其所在线路为负极，当直流电流由线路流向母线且直流电流大小超过第二阈值，则判定该直流线路发生直流故障。
17.进一步地，所述步骤(2)的具体实现方式为：当检测到某条线路发生直流线路故障后，调整换流器的直流电压指令值为第三数值，电感型超导限流器表现为一个电感值较大的限流电感，抑制直流故障电流的上升速度；当检测到故障线路上直流电流大小超过第三阈值时，立刻向对应直流断路器发出开断信号，经过一定延时后，该故障线路被完全隔离。
18.所述第一阈值和第二阈值可取值为额定值的1.5倍。
19.所述第三数值可取值为0.8pu。
20.所述第四阈值可取值为额定值的2倍。
21.本发明具有以下技术效果：
22.(1)本发明利用了电感型超导限流器的限流作用，能够抑制直流故障电流的上升速度，既减少了超导故障限流器的成本，又降低了高压直流断路器开断容量的要求。
23.(2)本发明利用了电感型超导限流器在正常运行状态下的低阻抗特性，避免了限流电抗器过大对直流系统的带来的问题，提高了直流系统的安全稳定运行能力。
附图说明
24.图1为本发明换流站的原理示意图。
25.图2为本发明混合电感型超导限流装置的结构示意图。
26.图3为本发明换流站直流故障处理策略的流程示意图。
27.图4为本发明直流断路器示意图。
具体实施方式
28.为了更为具体地描述本发明，下面结合图示及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
29.本发明含混合电感型超导限流器和直流断路器的换流站，如图1所示，其直流系统的结构为真双极结构，即正负极均具有独立的换流器，正极换流器的直流高压端连接至正极直流母线，负极换流器的直流低压端连接至负极直流母线，正极换流器的直流低压端与负极换流器的直流高压端连接并接地。换流器采用半桥型mmc，直流线路依次通过混合电感型超导限流器和直流断路器与换流站的正极直流母线或负极直流母线连接。换流站的直流侧通过多回直流线路与多端柔性直流系统中的其他换流站连接。
30.如图2所示，混合电感型超导限流器包括电感型超导限流器、电抗器和避雷器，其中，电感型超导限流器与限流电抗器串联后再与避雷器并联连接。电感型超导限流器可等效为一个可变电感，系统无故障时，等效电感几乎为零；短路故障发生后，利用超导材料特性或控制手段使限流器转变至限流态，表现为一个电感值较大的限流电感，限流状态下的电感值一般为几十毫亨。几十毫亨很难满足直流系统的限流要求，如果增大超导故障限流器的限流电感，会在技术上和成本上带来很大的技术挑战。因此，本发明令电感型超导限流装置与一个限流电抗器串联。同时，也避免了正常运行状态下限流电抗器过大可能带来的稳定性问题。
31.如图3所示，本发明换流站的直流故障处理策略步骤大体上分为2个步骤：第1个步骤是判断直流线路故障是否发生；第2个步骤是投入混合电感型超导限流器，对故障点进行隔离。
32.首先根据任一线路上的保护检测装置，判断哪条线路发生直流故障：对于任一直流线路上的保护检测装置，若其所在线路为正极，当直流电流由母线流向线路且直流电流大小超过额定值的1.5倍，则判定该直流线路发生直流故障；若其所在线路为负极，当直流电流由线路流向母线且直流电流大小超过额定值的1.5倍，则判定该直流线路发生直流故障。
33.第2个步骤的具体实现方式为：当检测到某条线路发生直流线路故障后，调整换流器的直流电压指令值为0.8pu，电感型超导限流器表现为一个电感值较大的限流电感，抑制直流故障电流的上升速度；当检测到故障线路上直流电流大小超过额定值的2倍时，立刻向对应直流断路器发出开断信号，经过一定延时后，该故障线路被完全隔离。
34.如图4所示，目前实际工程中所采用的直流断路器一般由通流支路、换流支路和吸能支路并联而成。其工作原理如下：正常运行时，电流流经通流支路；一旦检测到故障，首先关断通流支路中的igbt，同时给换流支路中的igbt发导通命令，令故障电流转移至换流支路；等待电流转移完成后，介质强度足够耐受瞬态恢复电压时，给换流支路中各igbt发关断命令，直流断路器两端电压逐渐抬升至避雷器的动作电压；避雷器动作后，直流断路器两端电压被限制为避雷器残压；随着系统电抗储存的能量逐渐被避雷器吸收，故障电流下降，最终残余电流由直流断路器两侧的隔离开关切除。至此，直流断路器开断了直流侧故障电流。
35.以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。