柔性直流输电系统及直流故障快速恢复方法与流程

1.本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及柔性直流输电系统及直流故障快速恢复方法。


背景技术：

2.柔性直流输电采用电压源型换流器，可以独立、快速控制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。
3.为了解决直流线路故障的快速恢复问题，桥臂阻尼方案是一种可行的解决方案。桥臂阻尼方案是在模块化多电平换流器桥臂中串入了限制短路电流的阻尼模块，正常运行情况下，阻尼模块中的阻尼电阻被旁路；在换流器闭锁后，阻尼模块中阻尼电阻投入，可加速故障后桥臂电抗器内残余能量的释放，减少短路电流衰减时间。文献《基于桥臂阻尼的柔性直流故障快速恢复方案》（电力系统自动化2016年12月第40卷第24期）对桥臂阻尼方案进行了详细介绍，桥臂阻尼方案具有较高的经济型，但在实现直流故障清除时需要闭锁换流器，适用于新能源系统接入大电网系统后再经柔性直流输电送出的场景，单对于新能源孤岛接入柔直换流器的应用场景，如海上风电送出，由于在换流器闭锁期间没有交流电源支撑，新能源系统将脱网，造成系统停运。因此，桥臂阻尼方案应用于新能源孤岛送出系统时需要解决换流器闭锁时新能源系统仍具备交流电压支撑以及功率平衡的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的，在于提供具有直流故障清除能力的新能源孤岛接入的柔性直流输电系统以及直流故障快速恢复方法，以克服采用桥臂阻尼模块必须要接入大电网的缺点，通过桥臂阻尼快恢复系统实现孤岛换流器直流故障清除，同时通过其余换流器和交流耗能装置保证新能源系统具备电源支撑以及功率平衡，有效避免新能源系统故障器件脱网，兼顾直流故障恢复速度以及经济性。
5.本发明的第一个方面在于，提供一种单极柔性直流输电系统。
6.为此，本发明采用如下技术方案实现：一种单极柔性直流输电系统，包括：至少一个送端换流站、至少一个受端换流站以及直流线路；所述送端换流站和受端换流站采用对称单极主接线；所述送端换流站和受端换流器站采用模块化多电平换流器，所述模块化多电平换流器包含阻尼模块；所述送端换流站在交流母线上配置至少一个分组交流耗能装置；所述送端换流站内或者连接的交流系统配置交流储能设备；所述直流线路两端配置直流开关，所述直流开关用于直流故障电流衰减至电流设定值i1后实现故障电流分断；
所述送端换流站接入新能源孤岛系统；直流故障清除期间：由交流储能设备维持接入新能源孤岛系统的电压和频率稳定；由交流储能设备和分组交流耗能装置共同维持功率平衡；所述阻尼模块由可关断器件、二极管、电阻、避雷器并联组成；所述可关断器件与二极管反向并联；所述阻尼模块所在的模块化多电平换流器解锁时，阻尼模块中的可关断器件开通，否则阻尼模块中的可关断器件关断使直流故障电流流经电阻。
7.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本发明的一种优选技术方案：所述分组交流耗能装置由多个耗能支路组成，所述耗能支路由双向晶闸管与电阻串联组成。
8.作为本发明的一种优选技术方案：所述分组交流耗能装置在电压不匹配时经变压器接入送端换流站的交流母线。
9.作为本发明的一种优选技术方案：所述分组交流耗能装置以及交流储能设备的总额定功率与送端换流站额定功率相同，且所述交流储能设备的额定功率大于交流耗能装置的其中一个支路的额定功率。
10.本发明的第二个方面在于，提供一种应用于前文所述的单极柔性直流输电系统的直流故障快速恢复方法。
11.为此，本发明采用如下技术方案实现：一种应用于单极柔性直流输电系统的直流故障快速恢复方法，包括如下步骤：s101、直流线路保护动作，进入步骤s102,否则进入步骤s101；s102、闭锁模块化多电平换流器，同时关断阻尼模块中的开关器件，进入步骤s103；s103、发出跳开模块化多电平换流器的进线开关命令，进入步骤s104；s104、根据故障前的模块化多电平换流器的有功功率以及交流储能设备额定有功功率，计算需导通的耗能支路数量n1，进入步骤s105；s105、导通n1组耗能支路，进入步骤s106；s106、根据直流线路保护的选线结果，确定故障线路，进入步骤s107；s107、判断故障线路的电流大小，如小于电流设定值i1，进入步骤s108，否则进入步骤s107；s108、发出故障线路的直流开关跳开命令，进入步骤s109；s109、接收到直流开关分开信号并延时t
s1
时间后，进入步骤s110；s110、发出合上模块化多电平换流器的进线开关命令，进入步骤s111；s111、接收到直流开关分开信号并延时t
s2
时间后，进入步骤s112；s112、重新解锁模块化多电平换流器，实现恢复运行；在步骤s102执行完后，单极柔性直流输电系统配套的交流储能设备独立维持接入新能源孤岛系统的电压和频率稳定。
12.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤s101至步骤s112对每个所述的送端换流站和受端换流站独立执行。
13.作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤s104中，计算需导通的耗能支路数量n1的方法为：故障前的模块化多电平换流器的有功功率减去交流储能设备额定有功功率后，除以单个耗能支路的额定有功功率后向上取整，得到n1。
14.本发明的第三个方面在于，提供一种双极柔性直流输电系统。
15.为此，本发明采用如下技术方案实现：一种双极柔性直流输电系统，包括：至少一个送端换流站、至少一个受端换流站以及直流线路；所述送端换流站和受端换流站采用双极主接线；所述送端换流站和受端换流器站采用模块化多电平换流器，所述模块化多电平换流器包含阻尼模块；所述送端换流站在交流母线上配置分组交流耗能装置；所述受端换流站在模块化多电平换流器直流侧配置直流耗能装置；所述直流线路两端配置直流开关，所述直流开关用于直流故障电流衰减至电流设定值i2后实现故障电流分断；所述送端换流站接入新能源孤岛系统；直流故障清除期间：由送端换流站的另一个运行换流器独立维持接入新能源孤岛系统的电压和频率稳定，由送端换流站的另一个运行换流器和分组交流耗能装置共同维持功率平衡；所述阻尼模块由可关断器件、二极管、电阻、避雷器并联组成；所述可关断器件与二极管反向并联；所述阻尼模块所在的模块化多电平换流器解锁时，阻尼模块中的可关断器件开通，否则阻尼模块中的可关断器件关断使直流故障电流流经电阻。
16.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本发明的一种优选技术方案：所述分组交流耗能装置由多个耗能支路组成，所述耗能支路由双向晶闸管与电阻串联组成。
17.作为本发明的一种优选技术方案：所述分组交流耗能装置在电压不匹配时经变压器接入送端换流站的交流母线。
18.作为本发明的一种优选技术方案：所述分组交流耗能装置的总额定功率与送端换流站中容量最大的模块化多电平换流器的额定功率相同。
19.作为本发明的一种优选技术方案：所述直流耗能装置由可关断器件、二极管、电阻组成，其中：可关断器件与二极管反并联后与电阻串联，所述直流耗能装置与对应的模块化多电平换流器直流侧并联。
20.作为本发明的一种优选技术方案：所述直流耗能装置的额定功率为与其并联的模块化多电平换流器的额定功率的一半。
21.本发明还有一个方面在于，提供一种应用于前文所述的双极柔性直流输电系统的直流故障快速恢复方法。
22.为此，本发明采用如下技术方案实现：一种应用于双极柔性直流输电系统的直流故障快速恢复方法，包括如下步骤：s201、直流线路保护动作，进入步骤s202,否则进入步骤s201；s202、闭锁模块化多电平换流器，同时关断阻尼模块中的开关器件，进入步骤
s203；s203、发出跳开模块化多电平换流器的进线开关命令，进入步骤s204；s204、根据故障前的换流站有功功率和未故障极模块化多电平换流器的额定有功能功率，计算需导通的耗能支路数量n2，进入步骤s205；s205、导通n2组耗能支路，进入步骤s206；s206、根据直流线路保护的选线结果，确定故障线路，进入步骤s207；s207、判断故障线路的电流大小，如小于电流设定值i2，进入步骤s208，否则进入步骤s207；s208、发出故障线路的直流开关跳开命令，进入步骤s209；s209、接收到直流开关分开信号并延时t
b1
时间后，进入步骤s210；s210、发出合上模块化多电平换流器的进线开关命令，进入步骤s211；s211、接收到直流开关分开信号并延时t
b2
时间后，进入步骤s212；s212、重新解锁模块化多电平换流器，实现恢复运行。
23.在步骤s102执行完后，送端换流站的另一个运行换流器独立维持接入新能源孤岛系统的电压和频率稳定。
24.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤s201至步骤s212对每个所述的送端换流站和受端换流站的模块化多电平换流器独立执行。
25.作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤s204中，计算需导通的耗能支路数量n2的方法为：故障前的换流站有功功率减去未故障极模块化多电平换流器的额定有功能功率后，除以单个耗能支路的额定有功功率后向上取整，得到n2。
26.本发明提供柔性直流输电系统以及对应的直流故障快速恢复方法，该柔性直流输电系统包括一个或多个送端换流站，一个或多个受端换流站，直流线路；送端、受端换流站采用对称单极或双极主接线；送端和受端采用模块化多电平换流器，包含阻尼模块；送端换流站还在交流母线上配置一个或多个分组交流耗能装置；对称单极系统的送端换流站内或者连接的交流系统配置交流储能设备；双极系统受端换流站在换流器直流侧配置直流耗能装置，直流线路两端配置直流开关；送端换流站接入新能源孤岛系统。本发明克服了采用桥臂阻尼必须要接入大电网的缺点，通过其余换流器和交流耗能装置保证新能源系统具备电源支撑以及功率平衡，有效避免新能源系统故障期间脱网；与采用全桥子模块或者直流断路器的技术方案相比，在兼顾直流故障恢复速度的基础上具有较高的经济性。
附图说明
27.图1为本发明所提供的一种包含阻尼模块的模块化多电平换流器的示意图；图2为本发明所提供的一种单极柔性直流输电系统的示意图。
28.图3为本发明所提供的一种单极柔性直流输电系统直流故障快速恢复方法的流程图。
29.图4为本发明所提供的一种双极柔性直流输电系统的示意图。
30.图5为本发明所提供的一种双极柔性直流输电系统直流故障快速恢复方法的流程图。
具体实施方式
31.参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
32.如图1所示，图1为一种包含阻尼模块的模块化多电平换流器示意图。模块化多电平换流器的交流连接端点为x1，直流连接端点分别为x2和x3。模块化多电平换流器的6个桥臂中均配置阻尼模块dm，阻尼模块dm由可关断器件t1、二极管d1、电阻r、避雷器dl并联组成；可关断器件t1与二极管d1反向并联；阻尼模块所在的模块化多电平换流器解锁时，阻尼模块中的可关断器件t1开通，否则阻尼模块中的可关断器件t1关断使直流故障电流流经电阻r。模块化多电平换流器中的阻尼模块可以集中配置，也可以与半桥子模块混合配置。
33.如图2所示，单极柔性直流输电系统，包括两个送端换流站s2和s3，两个受端换流站s1和s4，直流线路l12p、l12n、l23p、l23n、l34p、l34n；两个送端换流站s2和s3除了与受端的直流线路外，还通过l23p和l23n互联。送端换流站s2、s3和受端换流站s1、s4采用对称单极主接线；送端换流站s2、s3和受端换流器站s1、s4采用模块化多电平换流器v，模块化多电平换流器v如图1所示，包含阻尼模块；送端换流站s2、s3还在交流母线上配置一个或多个分组交流耗能装置ch；送端换流站s2在站内或者连接的交流系统ac2中配置交流储能设备e1，送端换流站s3在站内或者连接的交流系统ac3中配置交流储能设备e2；上述直流线路两端均配置直流开关db；送端换流站s2接入新能源孤岛系统ac2，送端换流站s3接入新能源孤岛系统ac3。
34.图2中，分组交流耗能装置ch由多个耗能支路组成，耗能支路由双向晶闸管与电阻串联组成。分组交流耗能装置ch在电压不匹配时通过变压器接入送端换流站的交流母线。对于送端换流站s2，分组交流耗能装置ch以及交流储能设备e1的总额定功率与送端换流站额定功率相同，且交流储能设备e1的额定功率大于交流耗能装置ch的其中一个支路的额定功率。对于送端换流站s3分组交流耗能装置ch以及交流储能设备e2的总额定功率与送端换流站额定功率相同，且交流储能设备e2的额定功率大于交流耗能装置ch的其中一个支路的额定功率。直流开关db用于直流故障电流衰减至电流设定值i1后实现故障电流分断，电流设定值根据系统研究根据故障电流衰减特性以及设备制造能力确定。
35.图3为本发明提供的一种单极柔性直流输电系统直流故障快速恢复方法的流程图，包括如下步骤：步骤s101：直流线路保护动作，进入步骤s102，否则进入步骤s101；步骤s102：闭锁模块化多电平换流器，同时关断阻尼模块中的开关器件，进入步骤s103；在步骤s102执行完后，单极柔性直流输电系统配套的交流储能设备独立维持接入新能源孤岛系统的电压和频率稳定；步骤s103：发出跳开模块化多电平换流器的进线开关命令，进入步骤s104；步骤s104：根据故障前的模块化多电平换流器的有功功率以及交流储能设备额定有功功率，计算需导通的耗能支路数量n1，进入步骤s105；计算需导通的耗能支路数量n1的具体方法为：故障前的模块化多电平换流器的有功功率减去交流储能设备额定有功功率后，除以单个耗能支路的额定有功功率后向上取整，得到n1。
36.步骤s105：导通n1组耗能支路，进入步骤s106；步骤s106：根据直流线路保护的选线结果，确定故障线路，进入步骤s107；步骤s107：判断故障线路的电流大小，如小于电流设定值i1，进入步骤s108，否则
进入步骤s107；步骤s108：发出故障线路的直流开关跳开命令，进入步骤s109；步骤s109：接收到直流开关分开信号并延时t
s1
时间后，进入步骤s110；步骤s110：发出合上模块化多电平换流器的进线开关命令，进入步骤s111；步骤s111：接收到直流开关分开信号并延时t
s2
时间后，进入步骤s112；步骤s112：重新解锁模块化多电平换流器，实现恢复运行。
37.上述步骤s101至步骤s112对每个送端换流站和受端换流站独立执行。
38.如图4所示，一种双极柔性直流输电系统，包括：包括两个送端换流站s2和s3，两个受端换流站s1和s4，直流线路l12p、l12m、l12n、l23p、l23m、l23n、l34p、l34m、l34n；两个送端换流站s2和s3除了与受端的直流线路外，还通过l23p、l23m和l23n互联。送端换流站s2、s3和受端换流站s1、s4采用双极主接线；送端换流站s2、s3和受端换流器站s1、s4采用模块化多电平换流器v1和v2，模块化多电平换流器v1或v2如图1所示，包含阻尼模块；送端换流站s2、s3还在交流母线上配置一个或多个分组交流耗能装置ch；受端换流站s1在模块化多电平换流器v1的直流侧配置直流耗能装置dh1，在模块化多电平换流器v2的直流侧配置直流耗能装置dh2；上述直流线路两端均配置直流开关db；送端换流站s2接入新能源孤岛系统ac2，送端换流站s3接入新能源孤岛系统ac3。
39.图4中，分组交流耗能装置ch由多个耗能支路组成，耗能支路由双向晶闸管与电阻串联组成。分组交流耗能装置ch在电压不匹配时通过变压器接入送端换流站的交流母线。直流耗能装置dh1或dh2由可关断器件、二极管、电阻组成，其中可关断器件与二极管反并联后与电阻串联，直流耗能装置与对应的模块化多电平换流器v1或v2的直流侧并联。对于送端换流站s2或s3，分组交流耗能装置ch的总额定功率与送端换流站中容量最大的模块化多电平换流器的额定功率相同。对于受端换流站s1或s4，直流耗能装置dh1或dh2的额定功率为与其并联的模块化多电平换流器v1或v2的额定功率的一半。直流开关db用于直流故障电流衰减至电流设定值i2后实现故障电流分断，电流设定值根据系统研究根据故障电流衰减特性以及设备制造能力确定。
40.图5为本发明提供的一种双极柔性直流输电系统直流故障快速恢复方法的流程图，包括如下步骤：步骤s201：直流线路保护动作，进入步骤s202，否则进入步骤s201；步骤s202：闭锁模块化多电平换流器，同时关断阻尼模块中的开关器件，进入步骤s203；在步骤s202执行完后，单极柔性直流输电系统的另一个运行极独立维持接入新能源孤岛系统的电压和频率稳定；步骤s203：发出跳开模块化多电平换流器的进线开关命令，进入步骤s204；步骤s204：根据故障前的换流站有功功率和未故障极模块化多电平换流器的额定有功能功率，计算需导通的耗能支路数量n2，进入步骤s205；计算需导通的耗能支路数量n2的具体方法为：故障前的换流站有功功率减去未故障极模块化多电平换流器的额定有功能功率后，除以单个耗能支路的额定有功功率后向上取整，得到n2。
41.步骤s205：导通n2组耗能支路，进入步骤s206；步骤s206：根据直流线路保护的选线结果，确定故障线路，进入步骤s207；步骤s207：判断故障线路的电流大小，如小于电流设定值i2，进入步骤s208，否则
进入步骤s207；步骤s208：发出故障线路的直流开关跳开命令，进入步骤s209；步骤s209：接收到直流开关分开信号并延时t
b1
时间后，进入步骤s210；步骤s210：发出合上模块化多电平换流器的进线开关命令，进入步骤s211；步骤s211：接收到直流开关分开信号并延时t
b2
时间后，进入步骤s212；步骤s212：重新解锁模块化多电平换流器，实现恢复运行。
42.上述步骤s201至步骤s212对每个送端换流站和受端换流站的模块化多电平换流器独立执行。
43.上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。