专利名称：一种模块化多电平换流器的保护系统及其保护方法
技术领域：
本发明涉及电力系统的电力电子直流输电领域，具体涉及一种模块化多电平换流器的保护系统及其保护方法。
背景技术：
柔性直流输电是采用直流作为中介的一种新的输电方式，采用模块化多电平换流器和先进调制技术进行直流输电，是交流电网的有益补充，可以在实现电力输送的同时，提高现有交流输电系统的输送能力和稳定性，使现有交流输电系统得到更有效的利用。模块化多电平换流器由多个子模块串联组成，其子模块由旁路开关、晶闸管、 IGBT、二极管和电容构成。由于柔性直流输电系统中各个以IGBT为核心的子模块构成的换流桥臂，故障电流欲度小，且需要避免系统运行过程中复杂工况下引起的过流保护误动作。常规直流输电系统中换流阀故障电流欲度较大，控制保护系统所需的反应时间要求不严格，除底层晶间管器件级过流保护外，完成系统过流保护任务多集中在上层，阀基电子设备一般不具备桥臂电流检测及桥臂过流保护功能。由于模块化多电平式柔性直流输电系统对桥臂过流保护的实时性要求高，因此整体过流保护功能被分散配置在系统控制保护设备中，在系统控制保护设备下层设备阀基控制设备来完成实时性要求高的过流保护任务。同时，以桥臂过流保护分部任务方式代替常规系统保护方式。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器的保护系统及其保护方法，实现快速避过过流故障造成的损坏。本发明提供的一种模块化多电平换流器的保护系统，所述保护系统包括依次连接的子模块控制器、阀基控制设备和极控系统；其改进之处在于，所述保护系统包括在所述换流器中的电抗器与电网之间设置电流互感器。本发明提供的第一优选方案的保护系统，其改进之处在于，所述阀基控制设备包括主阀基控制设备和从阀基控制设备；所述极控系统包括主极控系统和从极控系统；所述主阀基控制设备和从阀基控制设备、所述主极控系统和从极控系统之间通过光纤连接；所述主阀基控制设备和从阀基控制设备分别与所述子模块控制器连接；所述换流器包括3相6桥臂，所述桥臂包括电抗器和串联的子模块；所述电抗器和所述子模块串联；所述保护系统的子模块控制器与所述换流器的子模块中IGBT的基极连接。本发明提供的第二优选方案的保护系统，其改进之处在于，所述电流互感器包括电流互感器(I、II)；所述电流互感器(I、II)的6个测量通道分别与所述6桥臂连接；所述电流互感器(I、II)的数字输出端口分别与所述主阀基控制设备和所述从阀基控制设备连接，所述电流互感器(I、II)的模拟输出端口分别与所述主极控系统和所述从极控系统连接。本发明提供的第三优选方案的保护系统，其改进之处在于，所述电流互感器为光学电流互感器。本发明基于另一目的提供的一种如权利要求1所述的模块化多电平换流器的保护方法，其改进之处在于，所述保护方法包括桥臂过流判定和桥臂过流保护；其中所述过流是指6桥臂的任一桥臂的电流量超过额定电流量的1. 5Pu。本发明提供的第一优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述桥臂过流判定包括如下步骤(1)判断所述主阀基控制设备和从阀基控制设备之间通信状态是否正常，是则进行步骤O)，否则进行步骤(3)；(2)所述主阀基控制设备和从阀基控制设备通过相应的光学电流互感器I和光学电流互感器II同时对所述6个桥臂进行过流检测，当主阀基控制设备和从阀基控制设备均未检测出过流现象，则主阀基控制设备对桥臂过流判定结果为桥臂未过流；当主阀基控制设备和从阀基控制设备至少一个检测出过流现象，则主阀基控制设备对桥臂过流判定结果为桥臂过流，并开始执行桥臂过流保护动作；(3)所述主阀基控制设备通过电流互感器I对所述6个桥臂进行过流检测，得到最终的桥臂过流判定结果。本发明提供的第二优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述桥臂过流保护包括如下步骤①所述主阀基控制设备和从阀基控制设备判断电流互感器(I、II)通信是否正常；②所述步骤①的通信正常时，根据所述步骤( 的电流值进行加权平均，重复6次，得到桥臂电流量；③所述主阀基控制设备判断所述步骤②的桥臂电流量是否属于过流现象，若属于过流现象则进行暂时全局闭锁处理，否则进行步骤④；④所述主阀基控制设备根据所述步骤(2)和所述步骤(3)出现过流现象的判定结果进行所述暂时全局闭锁处理，根据所述步骤( 和所述步骤C3)未出现过流现象的判定结果进行桥臂电流量正常处理；⑤执行所述暂时全局闭锁时间为持续10ms，执行暂时全局闭锁IOms后，主阀基控制设备对暂时全局闭锁次数计数，且未接收到主极控系统下发的全局闭锁信号时，主阀基控制设备执行自动解锁并开启IOOms倒数计时；若解锁后IOOms内再次发生过流现象，则主阀基控制设备发送永久全局闭锁信号，并主阀基控制设备向主极控系统发送紧急故障跳闸请求；若解锁后IOOms内不发生过流现象，则系统恢复正常状态。⑥所述步骤④正常处理的同时判断当前是否处于所述倒数计时状态和所述暂时全局闭锁状态若倒数计时状态已结束，则主极控系统将所述暂时全局闭锁次数清零；若未处于所述暂时全局闭锁状态且未处于所述倒数计时状态，则直接退出处理；若未处于倒数计时状态，但处于所述暂时全局闭锁状态，则进入所述暂时全局闭锁状态是否结束的判定；本发明提供的较优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述暂时全局闭锁状态是否结束的判定包括若所述暂时全局闭锁状态未结束直接退出处理；若所述暂时全局闭锁状态结束且当前未收到发送的全局闭锁信号，则执行解锁并开启IOOms计时。本发明提供的另一优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述暂时全局闭锁处理即关闭所有子模块的IGBT，暂时全局闭锁状态持续时间为10ms。本发明提供的再一优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述倒数计时状态持续时间为100ms。本申请中的术语“6桥臂”意指6个桥臂。与现有技术比，本发明的有益效果为1.本方案提出了模块化多电平式柔性直流输电系统中一种桥臂过流保护实现方案，系统可以在发生桥臂过流故障后，1.5ms内实现桥臂暂时性闭锁保护。使得桥臂子模块可以快速的避过因过流故障造成的损坏。2.分部方式保护模式，减少可能的过流保护误动的影响。3.系统可以在发生桥臂过流暂时性闭锁IOms后，完成进一步系统跳闸停运保护动作，保护了柔性直流输电系统中模块化多电平的可靠性及安全性。
图1为本发明提供的柔性直流输电系统模块化多电平的系统结构图。图2为本发明提供的桥臂电流测量机构冗余配置方案图。图3为本发明提供的桥臂过流保护流程。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。由于模块化多电平式柔性直流输电系统自身特性，在系统发生直流双极短路情况下，要求桥臂在1. 5ms以内进入闭锁状态，否则将损坏子模块内部的IGBT等器件。减去桥臂电流采集并以数据编码形式传递的时间为0. ans，子模块执行时间以及必要的可靠欲量时间为0. 5ms，控制器要在0. 8ms内完成采样滤波并做出故障判定，然后将闭锁指令下发给桥臂上每个子模块。为减少可能的过流保护误动影响，要求系统在发生短时桥臂过流故障时， 通过分部保护模式，进行保护。桥臂执行暂时性闭锁动作对桥臂子模块进行保护后，在系统过流故障短时恢复后可以继续解锁运行，如果过流故障在短时闭锁后仍未恢复，则执行进一步的保护动作，永久闭锁及系统跳闸申请，同时不允许IOOms内发生两次因过流产生的过暂时性闭锁。从而避免发生可恢复的短时桥臂过流故障时引起的保护误动作。因此，要求整个控制保护系统分层控制结构的保护功能任务分配合理，阀基控制设备具有高实时处理能力完成桥臂过流分部保护模式下的各个保护动作。图1为柔性直流输电系统模块化多电平的系统结构图。模块化多电平由3相6桥臂构成，每个桥臂包括依次串联的电抗器和至少一个的子模块。子模块包括IGBT和与其反并联的二极管；IGBT的基极依次与子模块控制器、阀基控制设备和极控设备连接。极控系统下发控制命令给阀基控制设备，通过阀基控制设备和子模块控制器控制IGBT的开通与闭合。其中，桥臂上每个子模块由一个子模块控制器控制。阀基控制设备包括主阀基控制设备和从阀基控制设备；极控设备包括主极控设备和从极控设备；主阀基控制设备和从阀基控制设备、主极控设备和从极控设备之间通过光纤连接。基于此，本实施例在桥臂电抗器与电网连接处间设置光学电流互感器I和II。电流互感器I的6个测量通道分别与6个桥臂连接；电流互感器II的6个测量通道分别与6 个桥臂连接；图2是桥臂电流测量机构冗余配置方案图。光学电流互感器I的数字输出端口与主阀基控制设备连接，光学电流互感器I的模拟输出端口与主极控设备连接；光学电流互感器II的数字输出端口与从阀基控制设备连接，光学电流互感器II的模拟输出端口与从极控设备连接。本实施例的保护方法中的桥臂过流判定和桥臂过流保护如下桥臂光学电流互感器与阀基控制设备双冗余状态下阀基控制设备对桥臂过流判定的规则如下表所示。过流是指6个桥臂中至少一个桥臂的电流量超过额定电流量的 1. 5Pu0主从阀基控制设备之间具有实时的光通道通信交互。表1.双冗余阀基控制设备对桥臂过流判定规则
权利要求
1.一种模块化多电平换流器的保护系统，所述保护系统包括依次连接的子模块控制器、阀基控制设备和极控系统；其特征在于，所述保护系统包括在所述换流器中的电抗器与电网之间设置电流互感器。
2.如权利要求1所述的保护系统，其特征在于，所述阀基控制设备包括主阀基控制设备和从阀基控制设备；所述极控系统包括主极控系统和从极控系统；所述主阀基控制设备和从阀基控制设备、所述主极控系统和从极控系统之间通过光纤连接；所述主阀基控制设备和从阀基控制设备分别与所述子模块控制器连接；所述换流器包括3相6桥臂，所述桥臂包括电抗器和串联的子模块；所述电抗器和所述子模块串联；所述保护系统的子模块控制器与所述换流器的子模块中IGBT的基极连接。
3.如权利要求1所述的保护系统，其特征在于，所述电流互感器包括电流互感器(I、II)；所述电流互感器(I、II)的6个测量通道分别与所述6桥臂连接；所述电流互感器(I、II)的数字输出端口分别与所述主阀基控制设备和所述从阀基控制设备连接，所述电流互感器(I、II)的模拟输出端口分别与所述主极控系统和所述从极控系统连接。
4.如权利要求1所述的保护系统，其特征在于，所述电流互感器为光学电流互感器。
5.一种如权利要求1所述的模块化多电平换流器的保护方法，其特征在于，所述保护方法包括桥臂过流判定和桥臂过流保护；其中所述过流是指6桥臂的任一桥臂的电流量超过额定电流量的1.5Pu。
6.如权利要求5所述的保护方法，其特征在于，所述桥臂过流判定包括如下步骤(1)判断所述主阀基控制设备和从阀基控制设备之间通信状态是否正常，是则进行步骤O)，否则进行步骤⑶；(2)所述主阀基控制设备和从阀基控制设备通过相应的所述光学电流互感器I和光学电流互感器11同时对所述6个桥臂进行过流检测，当主阀基控制设备和从阀基控制设备均未检测出过流现象，则主阀基控制设备对桥臂过流判定结果为桥臂未过流；当主阀基控制设备和从阀基控制设备至少一个检测出过流现象，则主阀基控制设备对桥臂过流判定结果为桥臂过流，并开始执行桥臂过流保护动作；(3)所述主阀基控制设备通过电流互感器I对所述6个桥臂进行过流检测，得到最终的桥臂过流判定结果。
7.如权利要求5所述的保护方法，其特征在于，所述桥臂过流保护包括如下步骤①所述主阀基控制设备和从阀基控制设备判断电流互感器(I、II)通信是否正常；② 所述步骤①的通信正常时，根据所述步骤O)的电流值进行加权平均，重复6次，得到桥臂电流量；③所述主阀基控制设备判断所述步骤②的桥臂电流量是否属于过流现象，若属于过流现象则进行暂时全局闭锁处理，否则进行步骤④；④所述主阀基控制设备根据所述步骤( 和所述步骤( 出现过流现象的判定结果进行所述暂时全局闭锁处理，根据所述步骤( 和所述步骤C3)未出现过流现象的判定结果进行桥臂电流量正常处理；⑤执行所述暂时全局闭锁时间为持续10ms，执行暂时全局闭锁IOms后，主阀基控制设备对暂时全局闭锁次数计数，且未接收到主极控系统下发的全局闭锁信号时，主阀基控制设备执行自动解锁并开启IOOms倒数计时；若解锁后IOOms内再次发生过流现象，则主阀基控制设备发送永久全局闭锁信号，并主阀基控制设备向主极控系统发送紧急故障跳闸请求；⑥所述步骤④正常处理的同时判断当前是否处于所述倒数计时状态和所述暂时全局闭锁状态若倒数计时状态已结束，则主极控系统将所述暂时全局闭锁次数清零； 若未处于所述暂时全局闭锁状态且未处于所述倒数计时状态，则直接退出处理； 若未处于倒数计时状态，但处于所述暂时全局闭锁状态，则进入所述暂时全局闭锁状态是否结束的判定；
8.如权利要求7所述的保护方法，其特征在于，所述暂时全局闭锁状态是否结束的判定包括若所述暂时全局闭锁状态未结束直接退出处理；若所述暂时全局闭锁状态结束且当前未收到发送的全局闭锁信号，则执行解锁并开启 IOOms计时。
9.如权利要求7所述的保护方法，其特征在于，所述暂时全局闭锁处理即关闭所有子模块的IGBT，暂时全局闭锁状态持续时间为10ms。
10.如权利要求7所述的保护方法，其特征在于，所述倒数计时状态持续时间为100ms。
全文摘要
本发明为一种模块化多电平换流器的保护系统及其保护方法，换流器包括3相6桥臂，桥臂包括电抗器和子模块，本发明是在电抗器和电网的连接之间设置光学电流互感器，通过监测判定是否有过流现象，若有过流现象是进行暂时全局闭锁还是永久全局闭锁。本发明在发生桥臂过流故障后，1.5ms内实现桥臂暂时性闭锁保护。使得桥臂子模块可以快速的避过因过流故障造成的损坏。本发明还在发生桥臂过流暂时性闭锁10ms后，完成进一步系统跳闸停运保护动作，保护了柔性直流输电系统中模块化多电平的可靠性及安全性。
文档编号H02H3/08GK102299506SQ20111024365
公开日2011年12月28日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者杨岳峰, 汤广福, 王韧秋, 贺之渊 申请人:中国电力科学研究院