统一潮流控制器的换流器过电压保护系统及参数设计方法与流程

本发明属于柔性交流输电领域，特别涉及一种用于统一潮流控制器的换流器过电压保护系统及其参数设计方法。

背景技术：

现代电力系统已逐渐演变成大型的交直流混联的电网，电网内部负荷和发电分布不均衡、输电通道潮流分布差异较大等问题日益突出，输电通道的重载和轻载问题同时存在，而受限于重载通道的承受能力，电网中输电通道难以得到非常有效的利用。同时，由于受到城市规划的限制，线路改造和电网扩建难度日益增大，而受系统结构复杂、运行任务繁重、电能质量要求高以及市场及环保等多种条件制约，对输电网的可靠经济运行的要求越来越高。但是传统的控制手段缺乏且自动化水平低，是限制电力系统传输的重要因素。

统一潮流控制器，又称upfc(unifiedpowerflowcontroller)，是当前最好的可以控制线路潮流的装置，最简单的upfc包含两个换流器通过公共直流母线连接，一个换流器通过并联变压器接入交流系统，另一个换流器通过串联变压器串入交流线路。

已有的统一潮流控制器换流器的过电压保护方法是采用无间隙氧化锌避雷器并联在换流器交流侧和串联变压器阀侧，并联在串联变压器阀侧的避雷器同时并联有快速旁路开关，该保护方法通常利用氧化锌避雷器的电压电流非线性特性，限制由于交流系统故障引起的换流阀端间电压，但该方法中无间隙氧化锌避雷器参数受到统一潮流控制直流侧故障情况下，换流器过电流的限制，避雷器过电压保护水平高，从而导致换流器的制造难度和制造成本大大增加。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种统一潮流控制器的换流器过电压保护系统及参数设计方法，可有效降低换流器的过电压保护水平，大幅度提高换流器的经济性和可靠性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种统一潮流控制器的换流器过电压保护系统，所述换流器为三相六桥臂结构，包含换流阀和桥臂电抗器，换流器通过连接铜排连接串联变压器，串联变压器的另一端接入交流线路；包括第一至第三避雷器、晶闸管旁路开关、旁路断路器和监控装置，其中，第二避雷器的一端经第一避雷器接地，另一端接至换流阀与桥臂电抗器之间的联络线，且晶闸管旁路开关与第二避雷器并联；第三避雷器与连接铜排并联，采用星形连接，且其中性点与串联变压器的中性点连接后经接地电阻接地；旁路断路器并联于串联变压器的线路侧；所述监控模块用于对换流阀、晶闸管旁路开关及旁路断路器进行状态监视及控制，监控装置检测到换流阀闭锁时，控制旁路晶闸管导通，同时发旁路断路器合闸命令。

上述第一至第三避雷器均采用无间隙氧化锌避雷器。

上述晶闸管旁路开关包括晶闸管、阻尼回路和晶闸管触发单元组成，其中，晶闸管与阻尼回路并联，所述晶闸管触发单元与监控装置连接，根据监控装置的控制指令控制晶闸管。

上述阻尼回路由阻尼电阻和电容串联构成，所述阻尼电阻的阻值为1000～5000欧姆，电容的容值为100pc～1000pc。

上述接地电阻的阻值为500～2000欧姆。

一种基于如前所述的统一潮流控制器的换流器过电压保护系统的参数设计方法，包含如下步骤：

步骤1，建立统一潮流控制器的电磁暂态模型；

步骤2，设定串联变压器线路侧接地故障下从故障发生到换流阀闭锁的时间ta；

步骤3，设置旁路断路器的合闸时间tb；

步骤4，选择第一至第三避雷器的直流参考电压udrefi、udrefii、u》drefiii，初步选择避雷器i、避雷器ii、避雷器iii的伏安特性；

步骤5，建立第一至第三避雷器的电磁暂态模型，并将模型增加到步骤1建立的模型中，得到新的模型；

步骤6，利用步骤5新的模型计算得到换流阀最大端间电压uv和第一至第三避雷器的最大电流、最大过电压及最大能量；

步骤7，根据步骤6的计算结果，判断第一至第三避雷器的伏安特性曲线是否需要调整，如果需要调整则重复步骤5-6，直到换流阀端间电压限制到一个合理水平，将第一至第三避雷器的最大过电压分别作为第一至第三避雷器的操作冲击电压保护水平，将流过第一至第三避雷器下最大电流分别作为操作冲击电压保护水平下的配合电流，将第一至第三避雷器吸收的能量作为设计第一至第三避雷器容量的基准值。

上述步骤1中，利用pscad/emtdc软件建立统一潮流控制器的电磁暂态模型。

上述步骤2中计算从故障发生到换流阀闭锁的时间ta的方法是：统计统一潮流控制器不同短路电流水平情况下发生串联变压器线路侧接地故障时，换流阀桥臂过流保护动作的时间t1，保护动作到换流器闭锁时间t2，ta＝ka×(t1+t2)，ka为裕度系数。

上述步骤4中，udrefiii>udrefi>udrefii，udrefi+udrefii不小于换流阀端间最高运行电压un。

上述步骤7中，设eai为第一避雷器吸收的最大能量，eaii为第二避雷器吸收的最大能量，eaiii为第三避雷器吸收的最大能量，cai为第一避雷器的容量，caii为第二避雷器的容量，caiii为第三避雷器的容量，k1、k2和k3分别为选择第一至第三避雷器的裕度系数，cai>k1×eai，caii>k2×eaii，caiii>k3×eaiiii。

采用上述方案后，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明提出的过电压保护系统，可有效降低统一潮流控制器的换流器过电压水平，从而降低了统一潮流控制器的成本，提高了统一潮流控制器的可靠性；

(2)本发明提出的过电压保护系统，解决了统一潮流控制器在直流侧接地故障下换流器过电流的问题；

(3)本发明提出的过电压保护系统参数设计方法，保证了统一潮流控制器过电压保护系统的安全经济运行，

附图说明

图1是统一潮流控制器示意图；

图2是本发明提出的统一潮流控制器的换流器过电压保护系统示意图；

图3是本发明提出的过电压保护方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图2所示，本发明提供一种统一潮流控制器的换流器过电压保护系统，适用于图1所示的统一潮流控制器，其中，换流器为三相六桥臂结构，包含换流阀1和桥臂电抗器2，换流阀1采用模块化多电平结构，子模块采用半桥子模块；换流器通过连接铜排5连接串联变压器8，串联变压器8的另一端接入交流线路。

所述过电压保护系统包括避雷器i3、避雷器ii4、避雷器iii6、晶闸管旁路开关10、旁路断路器11和监控装置，其中，避雷器ii4的一端经避雷器i3接地，另一端接至换流阀与桥臂电抗器2之间的联络线9，且晶闸管旁路开关10与避雷器ii4并联；在本实施例中，避雷器i3和避雷器ii4均可采用无间隙氧化锌避雷器。

避雷器iii6一端连接在串联变压器8和连接铜排5的接口处，另一端与串联变压器8的中性点连接，且该另一端还经电阻7接地，电阻7的阻值一般为500～2000欧姆；在本实施例中，避雷器iii6也可采用无间隙氧化锌避雷器。

所述旁路断路器11并联于串联变压器8的线路侧。

所述监控装置用于对换流阀1、晶闸管旁路开关10及旁路断路器11进行状态监视及控制，其通过光纤与换流阀1、晶闸管旁路开关10、旁路断路器11进行通讯，具备对换流阀闭锁状态进行监视，触发晶闸管旁路开关导通和控制旁路断路器合闸等功能，当串联变压器线路侧发生接地故障时，监控装置检测到换流阀闭锁，则立即控制旁路晶闸管导通，避雷器i3先导通，然后换流阀1闭锁，晶闸管旁路开关10导通，同时发旁路断路器合闸命令。

在本实施例中，晶闸管旁路开关由晶闸管、阻尼回路和晶闸管触发单元组成，晶闸管与阻尼回路并联，阻尼回路由电阻r和电容c串联构成，电阻r阻值一般在1000～5000欧姆，电容c的容值一般在100pc～1000pc，晶闸管旁路开关并联在避雷器i两端。所述晶闸管触发单元与监控装置连接，接收监控装置的控制指令。

经过所述过电压保护系统，串联变压器线路侧接地故障下产生过电压的能量可通过避雷器i、避雷器ii和避雷器iii进行释放，并将换流阀端间过电压限制到不大于避雷器ii保护水平的2倍。

如图3所示，本发明还提供一种统一潮流控制器的换流器过电压保护系统的参数设计方法，包含下述步骤：

a.利用pscad/emtdc软件对统一潮流控制器进行电磁暂态建模。

b.设定串联变压器线路侧接地故障下从故障发生到换流阀闭锁的时间ta。

步骤b中计算从故障发生到换流阀闭锁时间ta的方法是：通过电磁暂态仿真软件统计统一潮流控制器不同短路电流水平情况下发生串联变压器线路侧接地故障时，换流阀桥臂过流保护动作的时间t1，保护动作到换流器闭锁时间t2，ta＝ka×(t1+t2)，ka为裕度系数，ka可取1.2。

c.设置旁路断路器的合闸时间tb。

d.选择避雷器i、避雷器ii和避雷器iii的直流参考电压udrefi、udrefii、u》drefiii，初步选择避雷器i、避雷器ii、避雷器iii的伏安特性及容量。

步骤d中udrefiii>udrefi>udrefii，udrefi+udrefii不小于换流阀端间最高运行电压un，udrefiii、udrefi、udrefii的典型值可取：udrefiii＝0.95un，udrefi＝0.35un，udrefii＝0.65un。

e.建立避雷器i、避雷器ii和避雷器iii的电磁暂态模型，并将模型增加到步骤a建立的模型中；

f.利用已建立的统一潮流控制器的电磁暂态模型计算得到换流阀最大端间电压uv和避雷器i、避雷器ii和避雷器iii的最大电流、最大过电压及最大能量；

g.根据步骤f的计算结果，如果满足uv<1.7un，eai<cai/k1，eaii<caii/k2，eaiii<caiii/k3，则将避雷器i、避雷器ii、避雷器iii的最大过电压分别作为避雷器i、避雷器ii和避雷器iii的操作冲击电压保护水平，将流过避雷器i、避雷器ii和避雷器iii下最大电流分别作为操作冲击电压保护水平下的配合电流，将选择的避雷器i、避雷器ii和避雷器iii容量作为避雷器i、避雷器ii和避雷器iii的容量参数；否则，需要调整避雷器i、避雷器ii及避雷器iii的伏安特性曲线及容量，则重复步骤e和f，直到满足uv<1.7un，eai<cai/k1，eaii<caii/k2，eaiii<caiii/k3。

步骤g中，eai为避雷器i吸收的最大能量，eaii为避雷器ii吸收的最大能量，eaiii为避雷器iii吸收的最大能量，cai为避雷器i的容量，caii为避雷器ii的容量，caiii为避雷器iii的容量，k1、k2和k3分别为选择避雷器i、避雷器ii和避雷器iii的裕度系数，k1、k2、k3的典型值为：k1＝1.1，k2＝1.3，k3＝1.2。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。