一种双极MMC-HVDC输电系统及阀侧单相接地故障的保护方法与流程

本发明涉及直流输电领域，由于涉及一种双极MMC-HVDC输电系统及阀侧单相接地故障的保护方法。

背景技术：

在高压直流(英文全称：High Voltage Direct Current，英文简称：HVDC)输电领域中，基于半桥子模块拓扑的模块化多电平换流器(英文全称：Modular Multilevel Converter，英文简称：MMC)，以其模块化程度高、谐波含量小、开关器件损耗小、成本相对较低等优点而被广泛采用。

基于MMC的HVDC输电系统(后文简称MMC-HVDC输电系统)通常采用双极结构，其中一极发生故障而闭锁时，另外一极还能维持正常运行。

图1为现有的双极MMC-HVDC输电系统一端的正极部分的示意图，变压器的网侧绕组与断路器101连接，在发生故障时断路器101断开，可起到保护系统设备的作用。

双极MMC-HVDC输电系统的直流侧配置有接地极102，当出现阀侧单相接地故障时，接地极102与故障接地点103之间存在故障电流通路。

以连接正极105的MMC和变压器之间出现阀侧单相接地故障的情况为例，故障电流通路如图1中箭头所示。受变压器104阀侧电压的影响，当阀侧电压为负时，即使故障后换流器闭锁，接地极通过非故障相的反并联二极管向故障接地点103放电，形成如图1中箭头所示的故障电流通路。由于二极管的单向导通性，该故障电流为直流电流，这使得变压器104网侧电流出现直流偏磁分量，导致网侧电流无过零点，因而不能触发断路器101断开，此时断路器101实际不能起到保护设备的作用。

另外，当负极出现阀侧单相接地故障时，接地极102与故障接地点103之间也存在故障电流通路，由于网侧电流无过零点因此不能触发断路器101断开，断路器101同样不能起到保护设备的作用。

现有的双极MMC-HVDC输电系统中，当出现阀侧单相接地故障时，断路器101保持连接状态，不能起到保护设备的作用，可能导致设备损坏。

技术实现要素：

本申请提供一种双极MMC-HVDC输电系统及阀侧单相接地故障的保护方法，能够在出现阀侧单相接地故障时，切断故障电流通路以保护系统设备。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，提供一种双极MMC-HVDC输电系统，MMC-HVDC输电系统包括两端，分别为送电端和受电端，所述送电端和所述受电端均包括两极，分别为正极和负极，所述送电端和所述受电端还配置有接地极；所述MMC-HVDC输电系统至少一端的至少一极所连接的MMC,其阀出线与变压器的阀侧绕组之间连接有断路器；当经过所述断路器的一相电流出现断续时，所述断路器断开出现断续的一相电流。

第二方面，提供一种双极MMC-HVDC输电系统阀侧单相接地故障的保护方法，包括：当确定连接有所述断路器的一极出现阀侧单相接地故障时，向所述断路器发送分闸指令；当所述断路器的一相电流出现断续时，所述断路器断开出现断续的一相电流。

本发明的实施例所提供的双极MMC-HVDC输电系统及及阀侧单相接地故障的保护方法，在MMC的阀出线与变压器的阀侧绕组之间接入阀侧断路器，阀侧断路器的数量可灵活配置。对于送电端或者受电端连接有阀侧断路器的一极，在出现阀侧单相接地故障时，经过故障接地点的电流出现断续，触发阀侧断路器断开，从而切断故障电流通路，起到保护系统设备的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的双极MMC-HVDC输电系统一端的局部示意图；

图2为本发明的实施例一所提供的双极MMC-HVDC输电系统的局部示意图；

图3为本发明的实施例一中对双极MMC-HVDC输电系统内一极出现故障时电流通路的简化示意图；

图4为本发明的实施例一中对断路器作用的说明示意图；

图5为本发明的实施例一中对断路器作用的另一说明示意图；

图6为本发明的实施例一所提供的双极MMC-HVDC输电系统一端结构的说明示意图；

图7为本发明的实施例二所提供的双极MMC-HVDC输电系统阀侧单相接地故障的保护方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

MMC-HVDC输电系统包括送电端和受电端两端，送电端首先通过MMC完成交/直转换，向受电端传输电能。受电端通过MMC完成直/交转换后输出。

送电端和受电端的结构对称，变电过程互逆。本发明的实施例中仅针对送电端一端进行说明，本领域技术与人员可以根据送电端的结构以及变电过程，明确理解受电端的结构以及变电过程。

双极MMC-HVDC输电系统的两端均包括正负两极，正、负极之间通过接地极与大地连接。现有的双极MMC-HVDC输电系统中，变压器的网侧绕组连接有断路器，然而该断路器在出现阀侧单相接地故障时不能起到保护设备的作用。本发明的实施例中，阀侧单相接地故障具体是指，MMC的阀出线与变压器的阀侧绕组之间的交流线路上所发生的单相接地故障。本发明的目的在于讨论出现阀侧单相接地故障时，如何保护系统设备的问题，以下结合本发明的实施例对解决该问题的方案做具体说明。

实施例一

本发明的实施例提供一种双极MMC-HVDC输电系统，包括两端，分别为送电端和受电端，送电端和受电端均包括两极，分别为正极和负极，图2所示为双极MMC-HVDC输电系统的局部，以MMC为三相换流器的情形为例，送电端或受电端的一极204连接MMC201。送电端或受电端的一极204可以是正极或者负极，该极对应接地极205。

本发明的实施例在现有的双极MMC-HVDC输电系统基础上，增加了阀侧断路器，阀侧断路器是指连接在MMC201的阀出线与变压器202的阀侧绕组之间的断路器203。

正常工作状态下，断路器203闭合。以双极MMC-HVDC输电系统的正极发生阀侧单相接地故障的情况为例，出现阀侧单相接地故障，且断路器203保持闭合时，电流通路的简化示意如图3所示。三相电路分别为A相、B相和C相，每一相电路等效为串联有一个二极管的一阶RL电路，其中R为桥臂电抗串联电阻、接地极电阻、接地引线电阻以及故障通路中其它有功损耗的等效电阻，L为桥臂电抗。

当阀侧C相电路出现接地故障时，接地极205通过A相和B相电路中的二极管向故障接地点206放电，电流流向如图3中箭头所示。

在二极管导通期间，故障接地点206的零状态电流表达式为：

其中：

Um为阀侧线电压峰值，ω为基波角频率。

根据(1)式可以看出流经故障接地点206的电流由恒定的基频交流分量和衰减的直流分量组成。

由于ωL＞＞R，可以认为直流分量的初始值接近于交流分量的峰值。但随着时间的推移，直流分量不断衰减，在一个基频周期内故障电流必将断续，故障电流下降为零。

当经过断路器203的一相电流出现断续时，断路器203断开。

结合图4所示，在一种具体的实施方式中，断路器203断开时，A相、B相和C相电流均断开，流经故障接地点206的电流被切断。

或者，可选的，在另一种具体的实施方式中，断路器203具备分相断开的能力。结合图5所示，当C阀侧C相电路的故障接地点206的电流出现断续时，断路器203仅断开C相电流，保持A相和B相电流导通，即断路器203仅断开出现断续的一相电流，以切断流经故障接地点206的电流。

断路器20具体可以为一个三相交流断路器，连接于MMC201的三相阀出线与变压器203的三相阀侧绕组之间。或者，断路器20还可以为三个单相交流断路器，分别连接于MMC201的每一相阀出线与变压器202的每一相阀侧绕组之间。

MMC-HVDC输电系统两端(送电端和受电端)正负极均对应一个MMC201和一个变压器202。MMC201可以为采用半桥子模块拓扑的MMC。图2以及后续附图中MMC201内部子模块之间的虚线连接表示子模块的数量可以有多个。变压器202可以为单相双绕组变压器、三相双绕组变压器、单相三绕组变压器或者三相三绕组变压器等。

可以在每个MMC201与变压器202之间均连接一个断路器203，也可以仅在某一个MMC201与变压器202之间连接一个断路器203。图2所示为在送电端正极所连接的MMC201和变压器202之间连接一个断路器203的情形。

结合图6所示，双极MMC-HVDC输电系统一端(送电端或者受电端)的正极204和负极206各自连接的MMC201与变压器202之间，均连接一个断路器203，正极204和负极206之间通过接地极205与大地连接。优选的，送电端正负极和受电端正负极所连接的MMC201与变压器202之间，均连接一个断路器203，即送电端和受电端的结构均可以为图6所示的结构。

本发明的实施例所提供的双极MMC-HVDC输电系统，在MMC的阀出线与变压器的阀侧绕组之间接入阀侧断路器，阀侧断路器的数量可灵活配置。对于送电端或者受电端连接有阀侧断路器的一极，在出现阀侧单相接地故障时，经过故障接地点的电流出现断续，触发阀侧断路器断开，从而切断故障电流通路，起到保护系统设备的作用。

实施例二

基于本发明的实施例一所提供的双极MMC-HVDC输电系统，本发明的实施例二提供一种双极MMC-HVDC输电系统阀侧单相接地故障的保护方法，用于控制实施例一种所描述的双极MMC-HVDC输电系统。参照图7所示，包括以下步骤：

701、当确定连接有断路器的一极出现阀侧单相接地故障时，将发生故障一极的送电端和受电端的MMC闭锁，非故障极继续维持运行。

在一种具体的实施方式中，双极MMC-HVDC输电系统包括控制保护模块，用于检测阀侧单相接地故障。其中阀侧单相接地故障是指MMC的阀出线与变压器的阀侧绕组之间的交流线路上所发生的单相接地故障。当控制保护模块检测到连接有阀侧断路器的一极出现阀侧单相接地故障时，将故障极送电端和受电端的MMC闭锁，非故障极继续维持运行。

702、当确定连接有阀侧断路器的一极出现阀侧单相接地故障时，向阀侧断路器发送分闸指令。

双极MMC-HVDC输电系统内阀侧断路器的数量可配置，可以仅在某一个MMC与变压器之间连接阀侧断路器，也可以在每个MMC与变压器之间均连接阀侧断路器。控制保护模块可以检测是否出现阀侧单相接地故障，并在检测到故障时向故障极的阀侧断路器发送分闸指令。

举例来说，当送电端正极出发生阀侧单相接地故障时，将送电端和受电端正极的MMC均闭锁，送电端和受电端负极的MMC正常运行。

703、当阀侧断路器的一相电流出现断续时，断路器断开出现断续的一相电流。

阀侧断路器接收到分闸指令后，在一相电流出现断续时断开。

本发明的实施例所提供的双极MMC-HVDC输电系统阀侧单相接地故障的保护方法，当检测到送电端或者受电端连接有阀侧断路器的一极出现阀侧单相接地故障时，向对应位置的阀侧断路器发送分闸指令，当经过故障接地点的电流出现断续时，阀侧断路器断开，从而切断故障电流通路，起到保护系统设备的作用。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，例如对双极MMC-HVDC输电系统中变压器的各种替换等等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。