专利名称：适用于大容量mmc柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统的制作方法
技术领域：
本发明属于高压大容量柔性直流输电换流器的控制领域，具体涉及一种适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统。
背景技术：
模块化多电平换流器由多个子模块串联组成，需要根据电容电压及子模块工作状态对单独的子模块进行不同的实时投切控制，电平数越多，实时控制周期越短，电容电压平衡控制越难实现。基于模块化多电平(MMC)技术的高压大容量柔性直流输电换流阀，所需串接的子模块高达数百只乃至数千只，各子模块必须单独进行控制，阀基控制设备通过采用分层分段处理方式对每个子模块进行单独控制，作为阀基控制设备的中间单元——桥臂汇总单元，是将多个桥臂分段单元的整个桥臂的子模块信息进行汇总、整理、汇总电压平衡处理以及桥臂整体保护策略实施的中间单元。当前，基于全控型电力电子器件IGBT的各种电力电子电路已经越来越多地应用于电力系统、机车牵引、航空航天等领域。随着电力电子技术及材料、制造工艺的发展，IGBT器件的通流能力也越来越强，使其在直流输电领域也得到重要的发挥空间，直接促进了柔性直流输电技术的诞生和发展。与传统的高压直流输电技术不同，柔性直流输电换流器以由IGBT串联构成的高压换流阀替代了晶闸管串联换流阀，形成了电压源型的柔性直流换流器。柔性直流输电可以实现向远距离的中小型孤立、弱负荷进行供电；可以进行独立、准确、灵活的有功/无功功率控制，提高系统潮流传输的经济性和稳定性；在潮流反转时直流电压极性不变，方便构成多端直流输电系统；在相联系统短路时不增加系统的短路容量，有利于限制短路电流，阻止系统的故障扩散；可以提供无功支持和频率控制，用于风电场和分布式发电等可再生能源并网有着特殊的优势；在相联电网故障后能够提供黑启动电源，力口快电网故障后的快速恢复能力；换流站占地面积相对于普通直流大为减小。柔性直流输电技术丰富的性能优势吸引了众多科研技术人员投入到相关的研究及实践工作中，其灵活的控制性能也使得柔性直流的控制保护方法和控制保护装置成为了柔性直流技术的研究热点。在基于模块化多电平换流器拓扑结构的柔性直流的控制中，对换流器子模块内部的控制保护是整个控制保护系统中一个非常重要的环节。本发明针对阀基控制设备VBC的桥臂汇总设计了一套完整和智能的控制保护方案，据了解目前国内外尚未见到有类似的针对MMC换流子模块内部控制保护方法的相关技术专利。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明提供了一种适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统，实现了对桥臂子模块整体完备的信号接口和状态监测功能，保证了子模块运行的可靠性和稳定性。为实现上述目的，本发明提供一种适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统，适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统，其特征在于，所述系统包括依次进行数据交互的MMC换流阀、VBC和站控系统。本发明提供的优选技术方案中，所述MMC换流阀，包括400个依次连接的桥臂子模块。本发明提供的第二优选技术方案中，所述VBC，包括桥臂分段控制单元、桥臂汇总控制单元、环流控制单元、光CT合并及接口单元和阀监视单元；所述桥臂分段控制单元与所述MMC换流阀进行数据交互；所述桥臂汇总控制单元分别与所述桥臂分段控制单元和所述环流控制单元进行数据交互；所述光CT合并及接口单元和所述阀监视单元分别与所述环流控制单元进行数据交互。本发明提供的第三优选技术方案中，所述桥臂分段控制单元，包括8个分别与所述MMC换流阀进行数据交互的所述桥臂分段模块。本发明提供的第四优选技术方案中，所述桥臂汇总控制单元，包括并列设置的电压平衡控制模块、内部故障诊断模块、电压状态评估模块和策略逻辑模块。本发明提供的第五优选技术方案中，所述电压平衡控制模块，根据所述MMC换流阀的各分段平均电压，进行整体子模块电压调节平衡。本发明提供的第六优选技术方案中，所述电压平衡控制模块，以排序或者查表的方式进行整体子模块电压调节平衡。本发明提供的第七优选技术方案中，所述内部故障诊断模块，通讯判断和自身状态判断，对电流单元和桥臂分段控制单元之间的通讯状态进行实时监测；判断桥臂子模块电压和的阈值，通过各段上传的子模块电压和，与阈值进行比较判断，对各段子模块电压进行调节；桥臂各段子模块旁路数和整体桥臂旁路数，与阀值进行比较判断，评估桥臂整体运行状态；其中，桥臂各段分别包括数量小于60个的子模块。本发明提供的第八优选技术方案中，所述电压状态评估模块，根据各个桥臂子模块的电压和判断系统是否处于过电压或者欠电压状态，根据超出量规定故障的等级，做出保护动作。本发明提供的第九优选技术方案中，所述策略逻辑模块，对于桥臂的故障状态进行保护策略，以严重故障、一般故障和故障警告分别进行保护处理。本发明提供的第十优选技术方案中，所述站控系统，包括与所述VBC进行数据交互的PCP和与所述PCP连接的运行人员工作站。与现有技术比，本发明提供的一种适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统，实现了对桥臂子模块整体完备的信号接口和状态监测功能，保证了子模块运行的可靠性和稳定性;配置了一套完整合理的桥臂汇总控制保护方案，设计了完整的桥臂电压平衡控制保护模式，实现了与整个阀基控制设备控制和保护的协调配合;而且，子模块控制器与上级控制系统之间实现了异步串行通信，信息交互量大、交互灵活且通信速度快，保证了换流站控制系统整体的信息流通;再者，采用DSP+FPGA逻辑元件为核心，方便功能的升级，降低了硬件开发成本。
图1为适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统的结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，一种适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统，包括依次进行数据交互的MMC换流阀、VBC和站控系统。所述MMC换流阀，包括400个依次连接的桥臂子模块。所述VBC，包括桥臂分段控制单元、桥臂汇总控制单元、环流控制单元、光CT合并及接口单元和阀监视单元；所述桥臂分段控制单元与所述MMC换流阀进行数据交互；所述桥臂汇总控制单元分别与所述桥臂分段控制单元和所述环流控制单元进行数据交互；所述光CT合并及接口单元和所述阀监视单元分别与所述环流控制单元进行数据交互。光CT合并及接口单元的作用是采集桥臂电流；阀监视单元，对阀的状态进行监视，是上传上位机，由操作人员进行监视。所述桥臂分段控制单元，包括8个分别与所述MMC换流阀进行数据交互的所述桥臂分段模块。所述桥臂汇总控制单元，包括并列设置的电压平衡控制模块、内部故障诊断模块、电压状态评估模块和策略逻辑模块。所述电压平衡控制模块，根据所述MMC换流阀的各分段平均电压，进行整体子模块电压调节平衡。所述电压平衡控制模块，以排序或者查表的方式进行整体子模块电压调节平衡。所述内部故障诊断模块，通讯判断和自身状态判断，对电流单元和桥臂分段控制单元之间的通讯状态进行实时监测;判断桥臂子模块电压和的阈值，通过各段上传的子模块电压和，与阈值进行比较判断，对各段子模块电压进行调节;桥臂各段子模块旁路数和整体桥臂旁路数，与阀值进行比较判断，评估桥臂整体运行状态;其中，桥臂各段分别包括数量小于60个的子模块。所述电压状态评估模块，根据各个桥臂子模块的电压和判断系统是否处于过电压或者欠电压状态，根据超出量规定故障的等级，做出保护动作。所述策略逻辑模块，对于桥臂的故障状态进行保护策略，以严重故障、一般故障和故障警告分别进行保护处理。所述站控系统，包括与所述VBC进行数据交互的PCP和与所述PCP连接的运行人
员工作站。通过以下实施例对适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统作进一步描述。VBC阀基控制设备结构框图如附图1所示，其中的桥臂汇总控制单元核心是处理器DSP+可编程器件FPGA，接口包括与环流单元的协议通信和8个桥臂分段控制单元的信息通信，对8个桥臂分段单元的阀信息进行统一采集，采用整体桥臂的电压平衡策略，同时，对桥臂总体子模块进行统一的安全评价及保护策略实施。首先，以桥臂整体作为保护对象，对整体桥臂的重要参数进行监控，以此对单个桥臂的运行状态进行评估，分析其是否处于正常状态；其次，对整体桥臂各子模块电压进行监控，通过对各时刻各子模块最大最小值进行阀值保护，对桥臂运行状况进行整体把握；第三，对整体桥臂和各分段的旁路状况等其他重要信息进行实时监控，以此判断桥臂子模块运行整体情况，保证整体桥臂子模块的安全运行；最后，对于桥臂的故障状态进行保护策略的实施，以严重故障、一般故障和故障警告分别进行保护处理；
桥臂汇总控制实现的控制保护功能主要包括:1.通过桥臂各分段的电压平衡策略，对桥臂整体进行电压平衡控制；2.实现与VBC内部其他各单元的接口，包括输出信号的转换、输入信号的检测和多种故障的诊断；3.实现对桥臂整体及各分段子模块储能电容电压值的测量及其过电压保护；4.结合自身运行状态和阀基控制的控制命令实现一套面向执行桥臂各分段的动作优先级逻辑；1.桥臂整体进行电压平衡控制通过桥臂整体的各分段平均电压，以排序或者查表的方式进行整体子模块电压调节平衡，完成子模块的电压平衡策略；2.内部接口及故障诊断通讯判断和自身状态判断，对电流单元和桥臂分段控制单元之间的通讯状态进行实时监测，评估二次系统的自身状态；桥臂各段子模块电压和的阈值判断，通过各段上传的子模块电压和，与阈值进行比较判断，通过投切策略，对各段子模块电压进行调节；桥臂各段子模块旁路数判断和整体桥臂旁路数判断，与阀值进行比较判断，评估桥臂整体运行状态；3.电压状态评估桥臂整体电压和的判断，设定阈值，判断系统过电压、欠电压状态，根据超出量规定故障等级，作出相应策略保护，如附表I ;
权利要求
1.一种适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统，其特征在于，所述系统包括:依次进行数据交互的MMC换流阀、VBC和站控系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MMC换流阀，包括:400个依次连接的桥臂子模块。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述VBC，包括:桥臂分段控制单元、桥臂汇总控制单元、环流控制单元、光CT合并及接口单元和阀监视单元；所述桥臂分段控制单元与所述MMC换流阀进行数据交互；所述桥臂汇总控制单元分别与所述桥臂分段控制单元和所述环流控制单元进行数据交互；所述光CT合并及接口单元和所述阀监视单元分别与所述环流控制单元进行数据交互。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述桥臂分段控制单元，包括:8个分别与所述MMC换流阀进行数据交互的所述桥臂分段模块。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述桥臂汇总控制单元，包括:并列设置的电压平衡控制模块、内部故障诊断模块、电压状态评估模块和策略逻辑模块。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电压平衡控制模块，根据所述MMC换流阀的各分段平均电压，进行整体子模块电压调节平衡。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电压平衡控制模块，以排序或者查表的方式进行整体子模块电压调节平衡。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述内部故障诊断模块，通讯判断和自身状态判断，对电流单元和桥臂分段控制单元之间的通讯状态进行实时监测；判断桥臂子模块电压和的阈值，通过各段上传的子模块电压和，与阈值进行比较判断，对各段子模块电压进行调节；桥臂各段子模块旁路数和整体桥臂旁路数，与阀值进行比较判断，评估桥臂整体运行状态；其中，桥臂各段分别包括数量小于60个的子模块。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电压状态评估模块，根据各个桥臂子模块的电压和判断系统是否处于过电压或者欠电压状态，根据超出量规定故障的等级，做出保护动作。
10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述策略逻辑模块，对于桥臂的故障状态进行保护策略，以严重故障、一般故障和故障警告分别进行保护处理。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述站控系统，包括:与所述VBC进行数据交互的PCP和与所述PCP连接的运行人员工作站。
全文摘要
本发明提供了一种适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统，包括依次进行数据交互的MMC换流阀、VBC和站控系统。本发明提供的适用于大容量MMC柔性直流输电系统的桥臂汇总保护系统，实现了对桥臂子模块整体完备的信号接口和状态监测功能，保证了子模块运行的可靠性和稳定性。
文档编号H02J13/00GK103078400SQ20121053398
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者贺之渊, 姜喜瑞, 杨岳峰, 高阳, 王韧秋 申请人:国网智能电网研究院, 中电普瑞电力工程有限公司, 辽宁省电力有限公司大连供电公司, 国家电网公司