[发明专利]一种换流站中交直流故障的识别及其保护协调方法

摘要

本发明公开了属于交直流混合输电系统安全运行技术领域的一种换流站中交直流故障的识别及其保护协调方法。本发明据换流器闭锁前后直流二次谐波电流与交流负序电流特征，提出了换流站差流保护，该保护可区分交、直流故障，并确定故障区域，以及交、直流保护的协调配合方案；最后，结合光伏直流汇集接入系统的PSCAD/EMTDC模型，验证了差流保护的可行性，以及交直流保护配合方案的可靠性。结果表明，所提方法能有效识别交、直流故障，且受过渡电阻的影响小。

主权项

1.一种换流站中交直流故障的识别及其保护协调方法，其特征在于，在分析交直流故障特征的基础上，提出用于区分换流站交、直流故障的换流站差流保护及其换流站交直流保护的配合方案；主要从：1)分析MMC换流站交、直流故障后，MMC闭锁前后交流负序电流与直流二次谐波电流特征，以及交、直流电压特征；2)结合闭锁前后的交、直流电流特征，提出用于区分交、直流故障及区内、外故障的换流站差流保护；3)结合换流器闭锁前后的故障特征，以及交直流故障对直或交流保护的影响三个方面进行分析，具体包括：(1)基于故障电流特征对MMC交直流故障的识别，以MMC换流站为载体，结合MMC拓扑结构及其等效简化电路的MMC等效简化模型进行分析；包括1)，MMC换流站的交直流故障电流特征，在MMC交、直流侧的环流等效电路中换流站交流侧有kac次谐波与直流侧有kdc次谐波，在桥臂不平衡电流作用下，交流负序电流ii(2)，直流二次谐波电流ip(2)满足式(1)、(2)，其中，uib为i相桥臂不平衡电压；ii(2)为i相负序电流；ip(2)和in(2)分别为正、负极二次谐波电流，且满足ip(2)＝in(2)，则以ip(2)分析直流二次谐波电流；Rdc和Ldc分别为直流系统等效电源的等效电阻和等效电感，且包含直流系统等效电源内阻；Rac和Lac分别为交流系统间的等效电阻和等效电感，且包含交流系统等效电源内阻抗；Rarm和Larm分别为桥臂等效电阻和桥臂电感；为便于叙述，交流故障等效电源的负序分量和直流故障等效电源的二次谐波分量均用uf(2)表示，根据上述分析，不平衡电压uib是在uf(2)作用下产生的；交、直流故障后，uib与uf(2)关系分别如式(3)、(4)所示，式中，Racf和Lacf分别为交流故障点到MMC交流出口之间的电阻和电感；Rdcf和Ldcf分别为直流故障点到MMC直流出口之间的电阻和电感；2)故障电压特征直流极间短路后，母线Bs2上i相电压ui降低，在换流器桥臂阻抗及过渡电阻的影响下，ui不一定为0；单极接地故障后，母线Bs2电压为式中，Racs为包含接地电阻在内的交流等效电阻；其中母线Bs2电压还包含直流分量uBd；MMC闭锁且完成交、直流电气隔离后，母线Bs2的电压即变压器Ts阀侧开路电压；交流故障后，母线B_s1上的直流正、负极电压产生式(10)所示共模工频分量和式中，Z_dc为直流侧等效阻抗；Z_dca＝3Z_dc+Z_arm，Z_arm为桥臂等效阻抗；和分别为上、下桥臂桥臂电容等效电压相量；为B_s2上i相电压相量；MMC闭锁且完成交、直流电气隔离后，母线B_s1的电压由直流电网决定；(2)基于直流二次谐波电流与交流负序电流的换流站差流保护，根据上述“故障电压特征”的分析可知，交流故障后直流电压中会包含交流分量，增加了直流低压保护误动的机率，虽然提高低电压保护整定值能防止其误动，但也会降低其灵敏度；此外，由于极间短路后三相电压降低，当过渡电阻较大时直流低电压保护会产生拒动，交流低压保护误动的可能性提高，故通过改进电压保护防止保护误动具有一定的局限性，结合上述“故障电流特征”分析可知，交、直流故障以及区内、外故障后，交流负序电流与直流二次谐波电流特征差异明显；故提出基于直流二次谐波电流和交流负序电流的换流站差流保护，以区分站内、外故障，并辨别站内交、直流故障；据以上分析，可得换流站交、直流故障的差流保护比例判据；根据高定值判据判断是否发生故障并确定故障极；在极间故障后tset内，根据高定值判据成立与否来判断故障发生在区内或区外，若故障发生在区内，则换流站保护动作；若故障发生在区外，则换流站保护不动作或保护复位；单极故障的判断过程与极间故障情况类似；为提高保护的可靠性，所有判据均需连续成立2次，且保护输出的交、直流故障结果互斥，如当判断为正极故障或负极故障后，不再输出交流故障的判断结果，但交流故障和单相故障之间，以及正极故障和负极故障之间不存在互斥关系；(3)MMC换流站交直流保护的协调配合方案对于换流站交流保护，在原有保护的基础上增加式(16)所示的差流判据，以降低直流故障后交流保护误动的机率；对于换流站直流保护，由于换流站差流保护需计算交流负序电流有效值，故式(17)所示的保护判据不满足直流保护的速动性要求，不能直接用于换流站直流保护中；此外，当换流站交流侧接地阻抗较大时，或站内装有限流装置时，单相接地故障和单极接地故障的故障电流较小甚至可能为0，此时，包括换流站差流保护和交流过流保护在内的电流保护难以识别故障，由于系统功率传输基本不受影响，可以继续运行一段时间，故可以适当降低速动性要求；对于换流站直流电压保护，应该综合考虑单极接地故障、极间故障及单相接地故障后的直流电压特征，以及速动性要求，改进传统换流站直流低电压保护；(4)结合交直流混合系统仿真模型对保护方案进行验证。