柔性直流输电限流电阻反时限保护方法与流程

本发明涉及柔性直流输电技术领域，属于柔性直流输电保护技术，具体为柔性直流输电系统启动时，预防限流电阻因充电电流过大而过热烧毁的反时限保护方法。

背景技术

柔性直流输电系统通过投入限流电阻来限制启动过程中的过电流，并在子模块电容预充电完成后通过闭合并联断路器将限流电阻退出工作。目前柔性直流输电控保系统只通过预充电时间保护来退出限流电阻，缺乏针对限流电阻本体的保护措施，存在保护空白区。当变压器励磁涌流过大、磁饱和等工况发生时，通过限流电阻的电流过大，易使限流电阻因热效应积累而损坏。因此为保护限流电阻设备安全，需提出相应保护方法。

目前柔性直流输电系统限流电阻相关研究主要集中在阻值设计、充电时间计算和控制时序方面。例如文献《模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制》通过给定最大充电电流峰值，提出了限流电阻阻值参数设计方法；文献《基于箝位双子模块的mmc-hvdc起动控制策略》介绍了基于箝位双子模块的换流阀启动过程，推导了最大充电电流与限流电阻之间的关系；文献《多端柔性直流输电系统启动回路设备选型与启动策略》介绍了限流电阻的位置设置、阻值参数的设计原则；文献《基于mmc换流阀的柔性直流换流站启动回路刀闸操作分析与探讨》介绍了启动电阻、断路器、隔离开关等设备间的配置方案和控制策略。目前国内外柔直工程启动过程大部分投入了限流电阻，在启动过程中，首先合闸交流断路器，交流系统通过限流电阻对换流阀充电，同时根据充电电流衰减时间设置了限流电阻充电时间保护定值，该时间定值与交流断路器合闸命令同时启动，控保系统在充电时间定值到达后将限流电阻退出，然后进行解锁等后续操作。现有保护策略着眼于正常启动过程，而忽略了某些故障态下充电电流过大的工况，导致限流电阻存在保护空白区。

鉴于目前限流电阻存在保护空白的现状，本发明提出柔性直流输电限流电阻保护方法。该方法首先提出反时限保护投入判据；然后根据反时限保护模型累积计算限流电阻自充电开始时刻的热效应，直至达到反时限保护动作判据；满足保护动作判据时，保护动作，断开交流断路器，结束充电；未满足动作判据时，保护不动作，待充电完成后，闭合并联断路器，充电过程完成。通过本发明提供的反时限保护方法对柔性直流输电系统启动过程中限流电阻的设备安全具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供柔性直流输电系统启动过程中预防限流电阻过热烧毁的反时限保护方法，提出反时限保护投入判据、反时限保护模型、反时限保护动作判据以及具体动作逻辑。通过本发明填补柔性直流输电启动过程中的保护空白，为限流电阻设备安全提供具体保护方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种柔性直流输电限流电阻反时限保护方法，其包括以下步骤：步骤s1：根据反时限保护投入判据判断是否启动反时限保护；步骤s2：根据充电电流和限流电阻反时限保护模型计算是否满足反时限保护动作判据；步骤s3：满足反时限保护动作判据时，保护出口动作，断开交流断路器，结束充电过程；步骤s4：未满足反时限保护动作判据时，保护出口不动作，待充电完成后，断开并联断路器，将限流电阻退出，充电过程完成。

本发明所述的反时限保护投入判据：并联在限流电阻两端的并联断路器处于断开状态，连接交流电网的交流断路器处于闭合状态。

本发明所述的反时限保护模型：其模型表达式为：

式中t为反时限保护动作时间；τ为散热时间常数；ib为持续运行电流有效值；i0为保护启动前热电流值有效值；k为长期过载倍数，i为限流电阻充电电流有效值。

本发明所述的反时限保护动作判据，其包含以下计算过程，步骤s31：实时采集充限流电阻充电电流有效值i，采集间隔时间为δt；步骤s32：设定反时限保护启动前热电流i0为零，则根据反时限保护模型推导得到：

t为反时限保护动作时间；τ为散热时间常数；ib为持续运行电流有效值；i0为保护启动前热电流值有效值；k为长期过载倍数；步骤s33：将每次采集到的i，采集间隔时间δt代入上式左侧且求和得到当数值大于等于时，认定限流电阻热积累已达到反时限保护模型动作时间，反时限保护出口动作，即得到反时限保护动作判据为：

本发明提出的柔性直流输电限流电阻反时限保护方法，具体包括反时限保护投入判据、反时限保护模型、反时限保护动作判据以及具体动作逻辑。所述反时限保护投入判据为并联在限流电阻两端的并联断路器处于断开状态，连接交流电网的交流断路器处于闭合状态。所述反时限保护模型，可根据不同充电电流计算得到最大允许充电时间。所述反时限保护动作判据，可累积计算限流电阻自充电开始时刻的热效应，直至达到反时限保护动作条件。满足保护动作判据时，保护动作，断开交流断路器，结束充电；未满足动作判据时，保护不动作，待充电完成后，闭合并联断路器，充电过程完成。通过本发明可为预防限流电阻过热烧毁提供保护方法，为提高柔性直流输电系统运行可靠性和限流电阻设备安全具有重要的意义。

附图说明

图1是柔性直流输电系统充电过程主接线电路图。

图2是充电成功事例中充电电流波形。

图3是充电失败事例中充电电流波形。

图4是反时限保护设计电路。

图5是反时限保护控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的保护方法进行具体说明。

柔性直流输电系统充电过程的主接线电路如图1所示，柔性直流输电系统启动前，首先断开并联在限流电阻两端的断路器qf2，将限流电阻投入到充电主回路中，然后闭合交流断路器qf1,交流电网通过限流电阻对换流阀子模块中的电容充电，限流电阻可限制启动过程中的过电流，保障换流阀等设备的安全。

正常启动过程中，流过限流电阻的电流波形应呈衰减状态，其典型波形如图2所示。限流电阻参数过负荷特性应满足图2充电电流的要求，确保正常启动过程中限流电阻发热量正常。

但实际工程中，发生过启动失败案例。在某次启动过程中，换流站闭合交流断路器一段时间后，限流电阻因热积累烧毁，启动失败，其波形如图3所示。此次启动失败的事例成因为：启动前换流变存在较大剩磁，磁路工作点偏移进入饱和区，产生较大的励磁电流并产生非正弦畸变。换流变网侧形成稳态的充电电流用以维持阀侧三角形接线内形成的环流，并最终导致三相限流电阻全部过热烧毁，造成较大的损失。

而目前国内外柔直工程在启动过程中，首先合闸交流断路器，交流系统通过限流电阻对换流阀充电，同时根据充电电流衰减时间设置了限流电阻充电时间保护定值，该时间定值与交流断路器合闸命令同时启动，控保系统在充电时间定值到达后将限流电阻退出，然后进行解锁等后续操作。现有保护策略着眼于正常启动过程，而忽略了某些故障态下充电电流过大的工况，导致限流电阻存在保护空白区。

本发明根据充电电流波形，提出限流电阻反时限保护方法，用以防止限流电阻因热积累而导致烧毁，限流电阻反时限基本模型为：

式中t为反时限保护动作时间；τ为散热时间常数；ib为持续运行电流有效值；i0为保护启动前热电流值有效值；k为长期过载倍数，i为限流电阻充电电流有效值。

由于限流电阻在启动前流通的电流值为零，即i0为零，由此公式简化为：

将每次采集到的充电电流i，采集间隔时间δt代入上式左侧且求和得到当数值大于等于时，认定限流电阻热积累已达到反时限保护模型动作时间，反时限保护出口动作，即得到反时限保护动作判据为：

本发明根据反时限保护模型和反时限保护动作判据，设计了反时限保护电路。如图4所示，当交流断路器qf1处于合位、并联在限流电阻两端的断路器qf2处于分位时，限流电阻反时限保护投入。当任意一相限流电阻的热积累大于动作判据时，反时限保护动作并断开交流断路器。本保护可有效预防限流电阻因过热导致烧毁。

本发明进一步系统化提出了反时限保护的控制流程，如图5所示，首先根据反时限保护投入判据判断是否投入反时限保护；然后根据反时限保护模型累积计算限流电阻自充电开始时刻的热效应，直至达到反时限保护动作判据；满足保护动作判据时，保护动作，断开交流断路器，结束充电；未满足动作判据时，保护不动作，待到达充电时间定值tset后，闭合并联断路器，充电过程完成。

本发明提出的柔性直流输电限流电阻反时限保护方法，具体包括反时限保护投入判据、反时限保护模型、反时限保护动作判据以及具体动作逻辑。所述反时限保护投入判据为并联在限流电阻两端的并联断路器处于断开状态，连接交流电网的交流断路器处于闭合状态。所述反时限保护模型，可根据不同充电电流计算得到最大允许充电时间。所述反时限保护动作判据，可累积计算限流电阻自充电开始时刻的热效应，直至达到反时限保护动作条件。满足保护动作判据时，保护动作，断开交流断路器，结束充电；未满足动作判据时，保护不动作，待充电完成后，闭合并联断路器，充电过程完成。通过本发明可为预防限流电阻过热烧毁提供保护方法，为提高柔性直流输电系统运行可靠性和限流电阻设备安全具有重要的意义。

以上对本发明的目的、技术方案和优点进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。