向无源网络供电的MMC-HVDC交流自适应重合闸方法与流程

本发明属于交流线路故障保护领域，特别涉及一种mmc-hvdc交流自适应重合闸方法。

背景技术：

两类交流系统可以视作弱交流系统：系统阻抗大和系统阻尼小。短路容量小的交流系统可被视作第一类弱系统，含容量有限或无旋转设备的交流系统可被视作第二类弱系统，如孤岛或风电场。特殊情况下，换流站需要具备在联网和孤岛状态间转换，如舟山多端柔性直流系统在正常运行时，换流站之间均有交流线路联系，但在故障或检修情况下，电网中将出现无源孤岛，因此需要某个或某几个换流站向无源孤岛供电。

相比于传统的高压直流输电(linecommutedbasedconverter–highvoltagedc,lcc-hvdc)方式，柔性直流输电(voltagesourceconverterbasedhvdc,vsc-hvdc)的优势就是可以向弱交流系统甚至无源系统供电，如孤岛、孤立负荷(如海上钻井平台)、偏远山区供电，挪威的troll-avsc-hvdc工程是世界上第一个利用vsc-hvdc向海上钻井平台供电的商业化工程，或是连接分散的小型发电厂(如风力发电、太阳能发电等)到电网，柔性直流输电在向无源网络供电领域具有广阔的应用前景。

由于无源电网结构较为薄弱，且电源缺乏，其交流输电供电可靠性和持续性差，不能满足电网未来用电需求。提高无源网络可靠性和增强供电稳定性，减少不必要停电时间是一个亟须解决的重要问题。电力系统的故障绝大多数为输电线路故障，电压等级越高，单相故障的概率越大，而自适应重合闸提高供电可靠性和系统稳定性具有重要意义，研究能够识别故障性质的自适应重合闸受到广泛关注。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种向无源网络供电的mmc-hvdc交流自适应重合闸方法，旨在提高无源网络可靠性和增强供电稳定性，减少不必要停电时间。本发明在交流架空线故障跳闸后，通过设计mmc附加控制策略实现向交流母线注入特征信号，由于交流相\回线间存在耦合，故障相\回线将感应特征分量；其次利用小波二次样条差值方法实现故障性质判别，实现自适应重合闸，该发明对交流架空输电线路的供电可靠性和抗干扰能力的提升具有重要意义。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

向无源网络供电的mmc-hvdc交流自适应重合闸方法，包括：在交流线路单相故障/同塔多回线路三相故障跳闸后与断路器重合前的间隔内，利用向无源网络供电的mmc的附加控制策略，控制mmc向交流母线注入特征信号，由于故障相/回线和健全线路存在耦合，交流故障相/回线感应特征信号，特征信号在故障线路处于故障消失和故障仍存在两种状态下的传播特性存在差异，利用该差异实现交流故障线路的故障性质判别，进而决定故障输电线路是否重合断路器，实现交流线路故障保护。

进一步的，所述mmc为基于半桥、全桥或混合子模块的模块化多电平换流器。

进一步的，无源网络为孤岛或风电场。

进一步的，在交流线路单相故障/同塔多回线路三相故障跳闸后与断路器重合前的间隔内，故障后经固定时延注入特征信号。

进一步的，固定时延为0.3s。

进一步的，特征信号的频率选取考虑线路长度、换流器子模块投切控制周期的限制(实际直流工程中，常见的mmc子模块投切控制周期为100μs，保护安装处的采样频率为10khz～50khz。由于向无源网络供电的交流输电线路一般不太长，选取特征信号的持续时间为δt＝5ms)，特征信号的幅值选取兼顾电力电子器件、敏感性负荷的耐受能力、功率传输波动的要求(mn为调制比幅值额定值，δm调制比幅值变化量在附加控制中限制δm<1.0mn)。

进一步的，特征信号在架空线路上传播，行波在故障点或者线路边界反射回mmc侧，通过采用行波测距式保护原理实现故障性质判别，当判断为故障持续存在，线路两侧断路器不重合，当判断为故障消失，线路两侧断路器重合。

进一步的，利用当前信号的数字量与前一个周波的数字量相减，得到行波故障分量，选用二次样条小波来检测奇异值序列中的突变点，小波变换的模极大值点与暂态行波的突变点是一一对应的；小波模极大值的幅值表示信号的变化强度，其极性表示信号的变化方向，从而对暂态行波信号奇异点的分析转化为对信号的模极大值的分析；当注入信号前行波到达时间tf、反射波到达时间tb和行波传播线路全长所需时间tl满足式(1)，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失：

tb-tf≤2tl(1)

在特征信号的一个周期内，若判断故障存在且判断次数小于设定值nset，则继续注入特征信号；若判断故障存在且判断次数大于nset，计算故障距离，系统不重启并结束判断；若判断故障不存在，再注入特征信号辅助判断，若后续一次均判为故障消失，则系统重启，切换为正常控制策略，否则继续注入特征信号。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

向无源网络供电的模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)因其快速和灵活的控制特性为自适应重合闸提供了新的思路，因此本发明提出主动探测式自适应重合闸，在同杆并架多回线拓扑下，回线间存在互感，单相\三相自适应重合闸均有实现的可能性；本发明所提出的向无源网络供电的mmc-hvdc交流自适应重合闸方法，在以架空线为主的交流系统实现了自适应重合闸，与被动的检测方法相比，该方法不依赖恢复电压、二次电弧和并联电抗器电流等电气特征，因此可实现多次独立判别，提高故障性质判别的可靠性，本发明不仅适用于单回线/多回线的单相重合闸，而且在同杆并架多回线拓扑下，回线间存在互感，单相\三相自适应重合闸均有实现的可能性，提高了供电可靠性和缩短不必要停电时间。

附图说明

图1为向无源网络供电的mmc-hvdc系统拓扑；

图2为交流故障性质判别方法示意图；其中图2(a)为单相重合闸的拓扑，图2(b)分别为多回线三相重合闸的拓扑；

图3为受端换流站附加控制策略示意图；

图4为注入不同幅值特征信号后的故障相电压波形；其中图4(a)为δm＝0.6p.u时，故障相电压的仿真波形；图4(b)为δm＝1.0p.u时，故障相电压的仿真波形；

图5为注入特征信号后电压行波故障分量及其模极大值；其中图5(a)为单相跳闸后注入特征信号后电压行波故障分量及其模极大值，图5(b)为三相跳闸后注入特征信号后电压行波故障分量及其模极大值；

图6为瞬时性故障的故障相电压及其局部放大仿真结果；其中图6(a)为故障线路注入特征信号，图6(b)为故障分量，图6(c)为小波变换的模极大值；

图7为自适应重合闸仿真波形图；其中图7(a)为交流母线电压，图7(b)为故障相电流ia，图7(c)为故障相电压ua，图7(d)为直流电压，图7(e)为直流电流，图7(f)为直流侧功率。

具体实施方式

下面结合附图对向无源网络供电的mmc-hvdc交流自适应重合闸方法进一步说明。

本发明的目的在于提供一种利用向无源网络供电的mmc-hvdc交流自适应重合闸方法，旨在提高无源网络可靠性和增强供电稳定性，减少不必要停电时间。本发明在交流架空线故障跳闸后，通过设计mmc附加控制策略实现向交流母线注入特征信号，由于交流相\回线间存在耦合，故障相\回线将感应特征分量；其次利用小波二次样条差值方法实现故障性质判别，实现自适应重合闸，该发明对交流架空输电线路的供电可靠性和抗干扰能力的提升具有重要意义。

在pscad软件中建立与图1对应的向无源系统供电的mmc-hvdc输电系统，本发明提出的自适应重合闸方法的原理如图2所示，采用如图3所示的故障清除策略与附加控制策略，交流系统电压为145kv，线路长度为150km，无源负荷为恒功率负荷150mw，线路为pscad软件中的频变参数模型，线路正负序参数z1＝z2＝0.03433+j0.4188ω/km，零序参数z0＝0.2912+j1.1566ω/km，无源交流系统发生线路故障，保护测点在靠近换流站一侧的交流线路出口处。

向无源网络供电的mmc-hvdc交流自适应重合闸方法，包括：

步骤一，由于向无源网络供电的交流输电线路一般不太长(150km)，行波在健全线路折返射时间为1ms，选取本发明的附加策略持续δt＝5ms，由于附加控制持续时间短，电力电子器件不会承受大电流冲击；

步骤二，在交流线路单相故障/同塔多回线路三相故障跳闸后与断路器重合前的间隔内，向无源网络供电的交流电压等级低，电弧熄灭时间短，为躲过电弧干扰的影响，故障后经固定时延0.3s注入特征信号，通过附加控制使能实现特征信号注入；

步骤三，附加控制策略启动后，由行波折返射判断故障存在与否。在数据处理时，利用当前信号的数字量与前一个周波的数字量相减，得到行波故障分量，本发明选用二次样条小波来检测奇异值序列中的突变点，小波变换的模极大值点(wavelettransformmodulusmaxima,wtmm)与暂态行波的突变点是一一对应的。小波模极大值的幅值表示信号的变化强度，其极性表示信号的变化方向，从而对暂态行波信号奇异点的分析转化为对信号的模极大值的分析(本发明主要利用幅值判据)。当注入信号前行波到达时间tf、反射波到达时间tb和行波传播线路全长所需时间tl满足式(1)，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失。

tb-tf≤2tl(1)

在特征信号的一个周期内，若判断故障存在且判断次数小于nset，则继续注入特征信号；若判断故障存在且判断次数大于nset，计算故障距离，系统不重启并结束判断；若判断故障不存在，再注入特征信号辅助判断，若后续一次均判为故障消失，则系统重启，切换为正常控制策略，否则继续注入特征信号。

仿真验证：

仍以图1所示向无源系统供电的mmc-hvdc输电系统进行电磁暂态仿真计算以验证本发明提出的利用向无源网络供电mmc-hvdc交流自适应重合闸方法的性能。

首先，验证换流器通过附加控制策略向交流故障线路注入特征信号的可行性，当线路75km发生单相金属性接地故障时，由换流站向健全相/回线注入脉冲信号，故障相(以a相为例)将耦合相应的特征分量，当δm＝0.6p.u时，故障相电压的仿真波形如图4(a)所示，注入脉冲信号在故障线路行波传播特性十分明显；当δm＝1.0p.u时，故障相电压的仿真波形如图4(b)所示，由图4(a)和图4(b)对比可知，改变注入脉冲幅值，故障相特征信号的幅值跟随改变。

其次，验证小波算法的准确性。图5给出了单相跳闸后和三相跳闸后故障相(以a相为例)的电压故障分量δua，与二次样条小波变换后尺度一的模极大值，故障距离为90km，过渡电阻分别为0.01ω和50ω。从图中可以看出，随着过渡电阻增加，不论是单相跳闸还是三相故障跳闸后的故障相，反行波特征依然明显，二次样条小波能准确的识别出反行波，数据窗长一般不超过5ms，且判断时间为毫秒级。

本发明给出瞬时性故障的注入信号特征与小波变换的结果，当t＝0.8s交流线路75km处发生a相瞬时性故障，t＝0.82s跳开故障相两侧交流断路器，经固定延时0.3s后，t＝1.1s切换附加控制策略，向故障线路注入特征信号，如图6(a)所示，故障分量如图6(b)所示，首个注入波头陡峭且有足够的强度，小波变换的模极大值如图6(c)所示，根据二次样条小波算法计算知，注入信号在线路末端母线处发生反射，反射波极性与注入波极性相同，判断为故障消失。

在经不同故障距离和过渡电阻rfault发生永久性故障时，由二次样条小波计算所得的故障距离，如表1所示，其中，f¹和f³分别代表单相故障和三相故障下计算的故障距离，利用小波变换实现行波测距的计算误差均在一个采样间隔内。

表1永久性故障判别结果

最后给出快速自适应重合闸仿真，当交流线路在t＝0.8s发生a相接地故障后，t＝0.82s跳开故障相两侧交流断路器，经0.3s固定延时后t＝1.1s由mmc向健全相注入特征信号，当判断为瞬时性故障后，再次向线路注入特征信号以可靠判断故障性质。两次注入操作的间隔为50ms，主要考虑线路全长和注入行波在输电线路上传播衰减等因素，随后t＝1.2s重合两侧断路器恢复功率传输。由图7(a)所示的交流母线电压可知，两次附加控制退出后，常规控制器的调节都能使得系统恢复到正常运行的工作点，且调节时间较短，附加控制持续时间短(毫秒级)，不影响交流侧正常的功率传输；图7(b)和图7(c)分别为故障相电流ia和电压ua，图7(d)和图7(e)为直流电压和电流，由于故障相跳开，功率传输减少，直流电流降低，而换流站在交流不对称故障时，直流侧存在二次谐波，直流侧功率如图7(f)所示，附加控制策略对直流功率传输的波动非常小。

本发明提出的向无源网络供电mmc-hvdc交流自适应重合闸方法能够可靠判别故障性质与故障距离，实现瞬时性故障的快速重启。