一种高压直流断路器的合闸控制方法与流程

本发明涉及一种高压直流断路器的合闸控制方法，属于断路器技术领域。

背景技术：

柔性直流输电采用电压源型换流器，可以独立、快速控制有功功率和无功功率，从而提高系统的稳定性、抑制系统频率和电压的波动、提高并网交流系统的稳态性能。随着化石能源的日益枯竭和改善环境压力的日益增加，中国乃至世界均面临着能源结构的战略性调整，大规模开发和利用新能源势在必行。

随着柔性直流输电往更高电压和更大容量发展，柔性直流输电应用于架空线输电实现我国能源资源优化配置的客观要求，也是电网技术发展的未来趋势。由于架空线发生故障的概率较高，雷击等原因可能导致线路杆塔等的过电压击穿，发生直流线路瞬时性短路故障。柔性直流输电系统通过配置高压直流断路器来快速隔离故障，如何快速恢复系统运行是工程应用中亟需解决的问题。直接重合高压直流断路器空充直流线路会出现过电压和系统振荡问题。在高压直流断路器外串联配置并联连接的电阻和旁路开关，可以对线路进行预充电来降低合闸操作产生的过电压，但是额外增加了场地和成本。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种高压直流断路器的合闸控制方法，通过逐组闭合分断支路的分断单元，经由处于分断状态的分断单元的非线性电阻使输电系统平稳充电，从而有效降低合闸操作引起的过电压和系统振荡，保证输电系统的可靠安全运行。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高压直流断路器的合闸控制方法，所述高压直流断路器包括相互并联连接的通态支路和分断支路，所述通态支路包括相互串联的机械开关和通态阀组，所述分断支路包括至少一个相互串联连接的分断单元，所述分断单元包括相互并联连接的分断阀组和非线性电阻；所述高压直流断路器的合闸控制方法首先闭合分断支路，然后闭合通态支路，最后分断分断支路；

所述闭合分断支路为逐组闭合分断支路中的分断单元，每组分断单元包括至少一个分断单元。

在所述逐组闭合分断支路的分断单元过程中，通过处于分断状态的分断单元的非线性电阻给输电系统充电。

进一步地，所述逐组闭合分断支路的分断单元，其每组数量及其闭合顺序由输电系统过电压水平umax和合闸允许最大时间tmax决定；任意一组投入后，满足冲击电压不大于两倍输电系统过电压水平umax；所有组全部投入时间不大于工程要求的合闸允许最大时间tmax。

进一步地，在所述逐组闭合分断支路中的分断单元过程中，闭合当前组分断单元后判断输电系统是否发生故障；若未发生故障，继续闭合下一组分断单元，直至所有组分断单元全部闭合后再继续下一步操作；若发生故障时，则分断所有组已闭合的分断单元，并结束合闸操作。

进一步地，所述输电系统故障，包括线路故障、换流站故障和直流断路器故障。

进一步地，所述闭合分断支路为解锁分断单元中分断阀组的半导体开关器件，分断分断支路为闭锁分断单元中分断阀组的半导体开关器件。

进一步地，所述闭合通态支路为闭合机械开关和闭合通态阀组。

进一步地，所述每组数量和闭合顺序可以预先设定，也可以在线计算确定与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)利用分断支路中的非线性电阻对输电系统进行预充电，有效节约了成本和占地面积。目前，现有技术，如柔性直流输电换流阀(vsc)、统一潮流控制器(upfc)、静止无功发生器(svg)等装置，均是通过额外增加充电电阻和旁路开关来实现。

2)充分利用非线性电阻，在系统约束条件下，逐组闭合分断支路中的分断单元，从而消除合闸操作引起的冲击过电压和系统振荡、消除因此对系统其它重要设备产生的负面影响，大大提升整个系统运行的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的高压直流断路器的合闸控制方法的流程图。

图2是高压直流断路器的拓扑基本结构。

图3是直流输电系统配置高压直流断路器的等效电路图。

图4是目前高压直流断路器的合闸控制方法下的电压波形(图中pu为直流线路电压标幺值)。

图5是本发明提供的高压直流断路器合闸控制方法下的电压波形(图中pu为直流线路电压标幺值)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

附图2所示为高压直流断路器基本拓扑结构，包括通态支路(1)和分断支路(2)，通态支路(1)和分断支路(2)相互并联连接。通态支路包括串联连接的机械开关和通态阀组，机械开关可以是一个开关或多个开关串联连接。分断支路包括至少一组串联连接的分断单元，分断单元包括相互并联连接的分断阀组和非线性电阻。

附图3所示是直流输电系统配置高压直流断路器的等效电路图，直流换流站输出连接高压直流断路器，高压直流断路器输出连接输电线路，输电线路用电感和电容等效。us表示高压直流断路器换流站侧对地电压，ub表示高压直流断路器两端电压，ul表示高压直流断路器线路侧对地电压，ur表示线路远端电压。

目前高压直流断路器的合闸控制方法为：闭合分断支路，然后闭合通态支路，最后分断分断支路。附图4所示是目前高压直流断路器合闸控制方法下的电压波形。t时刻闭合分断支路，即所有分断支路的分断单元全部闭合，高压直流断路器两端电压ub瞬间降为零，高压直流断路器线路侧对地电压ul与换流站侧对地电压us瞬间相等，该电压阶跃变化将引起线路远端电压ur强烈振荡，较高的过电压和振荡对系统运行产生不利的影响，如线路避雷器动作、换流站闭锁等。

本发明的高压直流断路器的合闸控制方法，首先逐组闭合分断支路的分断单元，然后闭合通态支路，最后分断分断支路。

在逐组闭合分断支路的分断单元过程中，通过处于分断状态的分断单元的非线性电阻给输电系统充电。实际工程应用中，非线性电阻可为氧化锌避雷器。

逐组闭合分断支路的分断单元，其每组数量及其闭合顺序由输电系统过电压水平umax和合闸允许最大时间tmax决定；任意一组投入后，满足冲击电压不大于两倍输电系统过电压水平umax；所有组全部投入时间不大于工程要求的合闸允许最大时间tmax。

在逐组闭合分断支路中的分断单元过程中，闭合当前组分断单元后判断输电系统是否发生故障，输电系统故障包括线路故障、换流站故障和直流断路器故障。若未发生故障，继续闭合下一组分断单元，直至所有组分断单元全部闭合后再继续下一步操作。若发生故障时，则分断所有组已闭合的分断单元，并结束合闸操作。

附图5所示是本发明高压直流断路器的合闸控制方法下的电压波形。从t时刻合闸操作开始，随着第一组、第二组、第三组、第…组分断单元的逐组闭合，高压直流断路器两端电压ub缓慢降低、高压直流断路器线路侧电压ul缓慢上升，从而使得线路远端电压ur缓慢上升，有效避免了合闸操作引起的过电压和系统振荡。

下面以一个分断支路含有十个分断单元的高压直流断路器来进一步说明本发明高压直流断路器的合闸控制方法具体实施方式。

对分断支路中的分断单元进行分组和排序编号，使得冲击电压和合闸时间均满足要求。分组和排序有很多种可执行的组合，如：

1)分为两组：第一组含有五个分断单元、第二组含有五个分断单元；第一组含有六个分断单元、第二组含有四个分断单元；……

2)分为三组：第一组含有五个分断单元、第二组含有三个分断单元、第三组含有两个分断单元；第一组含有五个分断单元、第二组含有二个分断单元、第三组含有三个分断单元；……

3)分为四组：第一组含有五个分断单元、第二组含有三个分断单元、第三组含有一个分断单元、第四组含有一个分断单元；第一组含有三个分断单元、第二组含有一个分断单元、第三组含有一个分断单元、第四组含有五个分断单元；……

4)分为五组：第一组含有五个分断单元、第二组含有两个分断单元、第三组含有一个分断单元、第四组含有一个分断单元、第五组含有一个分断单元；第一组含有一个分断单元、第二组含有一个分断单元、第三组含有一个分断单元、第四组含有两个分断单元、第五组含有五个分断单元；……

5)分为六组：……

6)分为七组：……

7)分为八组：……

8)分为九组：……

9)分为十组：……

通过系统仿真或理论计算可以得出分组和排序编号的方案是否满足冲击电压和合闸时间要求。

附图1所示是本发明高压直流断路器的合闸控制方法的流程图实施例之一，具体步骤如下：

步骤1：接收到合闸操作命令后，对组号n赋初值1。

步骤2：闭合第n组分断单元(n＝1，2，3…)，即解锁第n组分断单元分断阀组的半导体开关器件。第n组分断单元闭合后，未分断的分断单元的非线性电阻进入低阻态，对输电系统充电。

步骤3：判断线路是否发生故障。第n组分断单元闭合后，留有时间来判断输电系统是否发生故障，如线路故障、换流站故障或高压直流断路器故障等。若发生故障则进入步骤(7)，高压直流断路器合闸失败；若线路未发生故障则进入步骤(4)，执行下一步操作。

步骤4：n＝n+1，准备闭合下一组分断单元。

步骤5：判断分断单元是否全部闭合。全部闭合则进入步骤(6)，否则进入步骤(2)。

步骤6：闭合通态支路。分断单元全部闭合后，闭合通态支路的机械开关和通态阀组。

步骤7：分断分断支路的所有分断单元，高压直流断路器合闸成功。

步骤8：合闸操作结束。

上述实施步骤中，分断支路的分断单元分组并排序编号的实施方法也可以改进为不编号进行执行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。