專利名稱：一種模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法。
背景技術(shù)：
模塊化多電平電壓源換流閥是一種不同于常規(guī)直流輸電用晶閘管閥的新型換流閥，是MMC拓?fù)淙嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)的核心設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用在柔性直流輸電系統(tǒng)中。MMC換流閥在運(yùn)行過程中可能遭受產(chǎn)生于交流側(cè)故障、直流側(cè)故障和雷擊等多種類型的過電壓入侵波的危害。為了確保MMC換流閥的安全可靠運(yùn)行，需要使其絕緣水平高于過電壓水平。MMC換流閥過電壓水平的高低直接影響了整個柔性直流輸電系統(tǒng)的絕緣水平，因此，在確?？煽啃缘那疤嵯聭?yīng)盡可能降低其絕緣水平，從而減小設(shè)備尺寸，降低換流閥的研發(fā)難度、性能要求及費(fèi)用。目前，低壓小容量柔性直流輸電工程中，MMC換流閥均未加裝任何過電壓保護(hù)裝置，過電壓水平相對較高、設(shè)備絕緣系數(shù)大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性有待于提高。隨著柔性直流輸電工程輸送容量和電壓等級的提高，系統(tǒng)的過電壓水平也必將相應(yīng)提高，如果不采取有效的措施限制其過電壓水平，將直接導(dǎo)致設(shè)備絕緣水平要求高，使設(shè)備制造和工程建設(shè)在技術(shù)上遇到極大的困難，在經(jīng)濟(jì)上也不合理。模塊化多電平電壓源換流閥造價昂貴，其過電壓水平、絕緣水平選取的合理與否對整個工程的造價、換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計、閥廳布局有很大影響。高壓、大容量模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)主要通過使用金屬氧化物避雷器實(shí)現(xiàn)。金屬氧化物避雷器的布置方式和參數(shù)選取是決定模塊化多電平電壓源換流閥能否有效耐受過電壓的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的避雷器布置方式和參數(shù)選擇方法主要針對線換相換流閥進(jìn)行。聶定珍撰寫的文獻(xiàn)“±800kV特高壓直流換流站絕緣配合”(《高電壓技術(shù)》，2006年，第32卷，第9期)就提供了一種典型的針對晶閘管換流閥的避雷器布置方案和參數(shù)選擇方法。針對模塊化多電平電壓源換流閥采用該方法時，由于換流閥電路結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、外部特性等發(fā)生本質(zhì)變化，無法實(shí)現(xiàn)對過電壓有效地抑制和對模塊化多電平電壓源換流閥的安全保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
高壓大容量柔性直流系統(tǒng)中模塊化多電平電壓源換流閥過電壓水平高，并且會導(dǎo)致其絕緣要求高、造價昂貴、結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、占地面積大等問題，本發(fā)明提供一種模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法，從而有效抑制電壓源換流閥的過電壓水平，保護(hù)電壓源換流閥在各種工況下的安全可靠運(yùn)行，并提高電壓源換流閥的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的—種模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法，所述過電壓方法用的系統(tǒng)為模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)，所述模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)為三相結(jié)構(gòu)，每相均由上下兩橋臂電壓源換流閥串聯(lián)組成；在所述上下兩橋臂電壓源換流閥的交流側(cè)均串聯(lián)有橋臂電抗器，上下兩橋臂電壓源換流閥的橋臂電抗器串聯(lián)，在兩個橋臂電抗器之間連接有聯(lián)接變壓器；在上下兩橋臂的電壓源換流閥的直流側(cè)均串聯(lián)有平波電抗器；所述過電壓保護(hù)方法包括下述步驟(一)確定造成模塊化多電平電壓源換流閥過電壓應(yīng)力的最苛刻故障工況；(二)確定模塊化多電平電壓源換流閥的避雷器配置方式；(三)選取避雷器參數(shù)；其改進(jìn)之處在于，所述步驟(二)中，確定模塊化多電平電壓源換流閥的避雷器配置方式包括下述子步驟2.1、確定避雷器集中保護(hù)方案；2. 2、確定避雷器分散保護(hù)方案；2. 3、確定單個換流站的避雷器數(shù)量；2. 4、確定避雷器的工作電壓；2. 5、確定最佳避雷器保護(hù)方案。其中，所述電壓源換流閥為MMC換流閥，所述MMC換流閥由子模塊串聯(lián)組成，每個子模塊均由IGBT器件與其反并聯(lián)的二極管組成。其中，所述步驟(一)中，確定造成模塊化多電平電壓源換流閥過電壓應(yīng)力的最苛刻故障工況包括下述子步驟1.1、分析雷電過電壓；1. 2、劃分造成電壓源換流閥操作過電壓的故障區(qū)域；1. 3、確定造成電壓源換流閥操作過電壓的故障類型；1. 4、建立過電壓分析模型；1. 5、計算雷電過電壓；1. 6、計算操作過電壓；1. 7、確定造成換流閥過電壓的最苛刻故障工況。其中，所述步驟1.1中，判斷直流線路是否采用全線電纜、或是采用架空線且直流線路上有平波電抗器；若直流線路采用架空線，并且沒有平波電抗器的抑制，則對來自直流側(cè)的雷電過電壓進(jìn)行計算。其中，所述步驟1. 2中，劃分的故障區(qū)域包括換流站內(nèi)交流場、換流站直流側(cè)和換流閥廳內(nèi)部；換流站直流側(cè)包括換流站內(nèi)直流場和直流線路。其中，所述步驟1. 3中，根據(jù)步驟1. 2種劃分的故障區(qū)域確定造成換流閥操作過電壓的故障類型，包括站內(nèi)交流場故障、換流站直流側(cè)故障和換流閥廳內(nèi)部故障。其中，所述站內(nèi)交流場故障包括站內(nèi)交流母線單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障和三相接地故障；所述換流站直流側(cè)故障包括直流母線及直流電纜單極接地故障、雙極短路故障、雙極接地故障和單極斷線故障；所述換流閥廳內(nèi)部故障包括換流閥不同位置(如換流閥交流端、換流閥的某兩個子模塊之間、換流閥直流端等)的單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障、三相接地故障以及橋臂直通故障。其中，所述步驟1.4中，過電壓分析模型包括依據(jù)聯(lián)接變壓器、橋臂電抗器、換流閥設(shè)備內(nèi)部及設(shè)備之間的連接關(guān)系建立的反應(yīng)主電路結(jié)構(gòu)的寬頻模型，在系統(tǒng)主電路拓?fù)浠A(chǔ)上添加分布電容支路和分布電感支路；輸入過電壓模型的參數(shù)包括模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)主參數(shù)、雜散參數(shù)以及控制保護(hù)參數(shù)。(主參數(shù)包括設(shè)備的額定電壓、換流閥子模塊數(shù)、子模塊電容值、橋臂電抗器電抗值、IGBT及其反并聯(lián)二極管的相關(guān)參數(shù)等；雜散參數(shù)包括雜散電感、雜散電容等；控制保護(hù)參數(shù)包括換流閥最大、最小投入子模塊數(shù)、系統(tǒng)額定直流電壓、換流閥閉鎖電壓等)。其中，所述步驟1. 5中，基于過電壓分析模型，對雷電過電壓進(jìn)行仿真計算。其中，所述步驟1. 6中，基于過電壓分析模型，對操作過電壓進(jìn)行仿真計算。其中，所述步驟1. 7中，通過對步驟1. 5和步驟1. 6中工況的計算結(jié)果比較，得出導(dǎo)致模塊化多電平電壓源換流閥過電壓的最苛刻故障工況。其中，所述步驟2.1中，避雷器的集中保護(hù)方案是在每一個電壓源換流閥端間并聯(lián)避雷器，此避雷器稱作模塊化多電平電壓源換流閥避雷器。其中，所述步驟2. 2中，避雷器的分散保護(hù)方案是包括子模塊避雷器保護(hù)和閥段避雷器保護(hù)；所述子模塊避雷器保護(hù)是為電壓源換流閥中的每一個子模塊并聯(lián)避雷器，此避雷器稱作子模塊避雷器，所有子模塊避雷器具有互換性；所述閥段避雷器保護(hù)是將電壓源換流閥中的子模塊劃分為個數(shù)相同子模塊組成的閥段，為每一個閥段并聯(lián)避雷器，此避雷器稱作閥段避雷器，所有閥段避雷器具有互換性。其中，所述步驟2.3中，單個換流站內(nèi)閥避雷器數(shù)量與換流閥數(shù)量相同；單個換流站內(nèi)每個換流閥的子模塊避雷器數(shù)量與子模塊數(shù)量相同；單個換流站內(nèi)每個換流閥的閥段避雷器數(shù)量與閥段數(shù)量相同。其中，所述步驟2. 4中，所述閥避雷器、子模塊避雷器、閥段避雷器的工作電壓分別為模塊化多電平電壓源換流閥端間電壓、子模塊端間電壓、閥段端間電壓；所述步驟2. 5中，結(jié)合柔性直流輸電系統(tǒng)的額定電壓和額定功率，子模塊及換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并分析集中保護(hù)方案的閥避雷器和分散保護(hù)方案的子模塊避雷器、閥段避雷器的設(shè)計水平和造價，確定最佳避雷器保護(hù)方案。其中，所述步驟(三)中，選取避雷器參數(shù)包括下述子步驟3.1、確定避雷器荷電率和閥片型號；3. 2、計算持續(xù)運(yùn)行電壓峰值和避雷器的參考電壓，生成避雷器文件；3. 3、提取避雷器特征值；3. 4、選擇配合電流；3. 5、計算避雷器保護(hù)水平。其中，所述步驟3.1中，根據(jù)避雷器伏安特性曲線的閥片文件確定閥片型號。其中，所述步驟3. 2中，確定最佳方案避雷器持續(xù)運(yùn)行電壓峰值CC0V，計算避雷器的參考電壓Uref=持續(xù)運(yùn)行電壓峰值CCOV/荷電率，并根據(jù)避雷器伏安特性曲線的閥片文件，計算生成與避雷器一一對應(yīng)的避雷器文件。其中，所述步驟3. 3中，提取避雷器的最大殘壓、最大電流和能量作為避雷器特征值。其中，所述步驟3. 4中，所述配合電流值大于避雷器特征值中的最大電流。其中，所述步驟3. 5中，結(jié)合避雷器文件的伏安特性曲線和配合電流，計算避雷器的操作沖擊保護(hù)水平SIPL和雷電沖擊保護(hù)水平LIPL。
與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明達(dá)到的有益效果是1、本發(fā)明提供的一種模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法，有效降低高壓大容量模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓水平，推動柔性直流輸電技術(shù)在更高電壓等級、更大輸送功率領(lǐng)域的應(yīng)用。2、電壓源換流閥過電壓水平的降低，可進(jìn)一步降低其絕緣水平要求，提高運(yùn)行可靠性，降低其設(shè)計難度、尺寸和造價。3、采用避雷器實(shí)現(xiàn)電壓源換流閥過電壓保護(hù)，避雷器設(shè)計簡單、技術(shù)成熟、成本可控。4、避雷器集中保護(hù)方案中，閥避雷器可對模塊化多電平電壓源換流閥直接保護(hù)；分散保護(hù)方案中，子模塊避雷器可對每個子模塊直接保護(hù)。5、不論是選擇避雷器集中保護(hù)方案還是分散保護(hù)方案，每種方案中的避雷器參數(shù)完全相同，均可相互替換，易于批量生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明提供的模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(單站)；圖2是本發(fā)明提供的模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法流程圖；圖3是本發(fā)明提供的避雷器集中保護(hù)方案；圖4是本發(fā)明提供的避雷器分散保護(hù)方案中的子模塊避雷器保護(hù)示意圖；圖5是本發(fā)明提供的避雷器分散保護(hù)方案中的閥段避雷器保護(hù)示意圖；圖6是本發(fā)明提供的子模塊避雷器工作電壓；圖7是本發(fā)明提供的閥段避雷器工作電壓；圖8是本發(fā)明提供的閥避雷器工作電壓；圖9是本發(fā)明提供的具體實(shí)施例中模塊化多電平電壓源換流閥安裝避雷器前后的計算結(jié)果對比曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(單站)如圖1所示，模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)為三相結(jié)構(gòu)，每相均由上下兩橋臂電壓源換流閥串聯(lián)組成；在所述上下兩橋臂電壓源換流閥的交流側(cè)均串聯(lián)有橋臂電抗器，上下兩橋臂電壓源換流閥的橋臂電抗器串聯(lián)，在兩個橋臂電抗器之間連接有聯(lián)接變壓器；在上下兩橋臂的電壓源換流閥的直流側(cè)均串聯(lián)有平波電抗器。聯(lián)接變壓器和橋臂電抗器位于換流站內(nèi)交流側(cè)；換流閥位于換流站內(nèi)閥廳內(nèi)部；平波電抗器位于換流站內(nèi)直流側(cè)。針對高壓大容量柔性直流系統(tǒng)中模塊化多電平電壓源換流閥過電壓水平高，并且會導(dǎo)致其絕緣要求高、造價昂貴、結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、占地面積大等一系列問題，本發(fā)明提供的一種模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法，從而效抑制換流閥的過電壓水平，保護(hù)換流閥在各種工況下的安全可靠運(yùn)行，并提高換流閥的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明提供的模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法流程如圖2所示，具體實(shí)施步驟如下(一)造成模塊化多電平電壓源換流閥過電壓應(yīng)力的最苛刻故障工況研究，包括下述子步驟為了分析MMC換流閥裝設(shè)避雷器的必要，首先要對其過電壓應(yīng)力進(jìn)行全面的分析，確定系統(tǒng)最苛刻故障工況。1.1雷電過電壓分析在模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)中，由于電壓源換流閥在交流側(cè)有聯(lián)接變壓器和橋臂電抗器，使其不會直接承受來自交流側(cè)的雷電沖擊波；如果直流線路采用全線電纜、或是采用架空線且直流線路上有平波電抗器，電壓源換流閥也不會直接承受來自直流側(cè)的雷電沖擊波。以上系統(tǒng)中換流閥不會承受嚴(yán)重的雷電沖擊波。如果直流線路采用架空線，并且沒有平波電抗器的抑制，需要對來自直流側(cè)的雷電過電壓進(jìn)行詳細(xì)計算。1. 2造成換流閥操作過電壓的故障區(qū)域劃分將模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)分為站內(nèi)交流場、換流站直流側(cè)(包括換流站內(nèi)直流場和直流線路)和換流閥廳內(nèi)部三個區(qū)域(如圖1所示)，以分區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)中可能引起MMC換流閥操作過電壓應(yīng)力的工況進(jìn)行分析。1. 3造成換流閥操作過電壓的故障類型確定按步驟1. 2所分區(qū)域，確定可能造成換流閥操作過電壓的故障類型。換流站內(nèi)交流場故障類型包括站內(nèi)交流母線單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障、三相接地故障；換流站直流側(cè)故障類型包括直流母線及直流電纜單極接地故障、雙極短路故障、雙極接地故障、單極斷線故障；換流閥廳內(nèi)部故障類型包括換流閥不同位置的單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障、三相接地故障以及橋臂直通故障。1. 4過電壓分析模型建立建立模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)的過電壓分析模型拓?fù)洌^電壓分析模型包括依據(jù)聯(lián)接變壓器、橋臂電抗器、換流閥設(shè)備內(nèi)部及設(shè)備之間的連接關(guān)系建立的反應(yīng)主電路結(jié)構(gòu)的寬頻模型，在系統(tǒng)主電路拓?fù)浠A(chǔ)上添加分布電容支路和分布電感支路；輸入過電壓模型的參數(shù)包括模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)主參數(shù)、雜散參數(shù)以及控制保護(hù)參數(shù)。主參數(shù)包括設(shè)備的額定電壓、換流閥子模塊數(shù)、子模塊電容值、橋臂電抗器電抗值、IGBT及其反并聯(lián)二極管的相關(guān)參數(shù)等；雜散參數(shù)包括雜散電感、雜散電容等；控制保護(hù)參數(shù)包括換流閥最大、最小投入子模塊數(shù)、系統(tǒng)額定直流電壓、換流閥閉鎖電壓等。1. 5雷電過電壓計算根據(jù)步驟1.1雷電過電壓分析結(jié)果，如果需要對來自直流側(cè)的雷電過電壓進(jìn)行詳細(xì)計算，基于1. 4所建立過電壓分析模型，完成電壓源換流閥的雷電過電壓計算。1. 6操作過電壓計算根據(jù)步驟1. 3所確定故障類型，基于步驟1. 4所建立過電壓分析模型，完成電壓源換流閥的操作過電壓計算。1. 7確定造成換流閥過電壓的最苛刻故障工況通過對步驟1. 5和步驟1. 6各典型工況的計算結(jié)果比較，得出導(dǎo)致模塊化多電平電壓源換流閥過電壓的最苛刻故障工況。(二)模塊化多電平電壓源換流閥的避雷器配置方式確定，包括下述子步驟模塊化多電平電壓源換流閥由多個完全相同且彼此獨(dú)立的子模塊串聯(lián)而成，這種電氣結(jié)構(gòu)決定了避雷器配置方式可以有多種選擇方案，需要對以上配置方式進(jìn)行研究，以確定最佳方式。2.1避雷器集中保護(hù)方案為整個換流閥端間配置一臺并聯(lián)避雷器，如圖3所示，該方案稱為避雷器集中保護(hù)方案。該種避雷器稱之為模塊化多電平電壓源換流閥避雷器。閥避雷器工作電壓為換流閥端間電壓，是子模塊電壓的Nsm倍。換流閥安裝避雷器前后的計算結(jié)果對比曲線如圖9所
/Jn ο2. 2避雷器分散保護(hù)方案避雷器分散保護(hù)方案包括兩種，一種是為換流閥的所有子模塊并聯(lián)各自的避雷器，如圖4所示，該種避雷器稱為子模塊避雷器，每個換流閥的子模塊避雷器數(shù)量與子模塊數(shù)相同，其工作電壓為子模塊電壓。另一種是將換流閥分成數(shù)個閥段后，為每個閥段并聯(lián)一個閥段避雷器，如圖5所示。其工作電壓為閥段端間電壓，是子模塊電壓的(Nsm / Nvm)倍。2. 3確定單個換流站的避雷器數(shù)量記每個換流閥的子模塊數(shù)為Nsm，閥段數(shù)為Nvm。避雷器集中保護(hù)方案中，模塊化多電平電壓源換流閥數(shù)量與換流閥一一對應(yīng)，如單個換流站的閥避雷器數(shù)量Nv—akk=6。避雷器分散保護(hù)方案中，第一種保護(hù)方案的子模塊避雷器與子模塊一一對應(yīng)，單個換流站的子模塊避雷器數(shù)量Nsm—akk=6Nsm ;第二種保護(hù)方案的閥段避雷器與閥段一一對應(yīng)，單個換流站的閥段避雷器數(shù)量Nvm—akk=6Nvm。2. 4確定避雷器工作電壓以上三種避雷器因安裝位置不同，系統(tǒng)正常運(yùn)行時避雷器的工作電壓也不相同。閥避雷器、子模塊避雷器、閥段避雷器的工作電壓分別為模塊化多電平電壓源換流閥、子模塊、閥段的端間電壓，記單個子模塊電壓為VSM，子模塊避雷器工作電壓Vsm AKK=VSM，閥段避雷器工作電壓Vvm akk= (Nsm / Nvm) X Vsm，閥避雷器工作電壓Vv akk=NsmX Vsm，工作電壓波形如圖6、圖7和圖8所示。2. 5確定最佳避雷器保護(hù)方案考慮柔性直流系統(tǒng)的額定電壓和額定功率，結(jié)合子模塊及換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，分析集中保護(hù)方案的閥避雷器和分散保護(hù)方案的子模塊避雷器、閥段避雷器的設(shè)計水平和造價，確定適合特定工程的避雷器保護(hù)方案。(三)避雷器參數(shù)選取，包括下述子步驟3.1初步確定荷電率和閥片型號初步確定所選擇配置避雷器保護(hù)方案要求的避雷器荷電率以及避雷器伏安特性曲線的閥片文件。荷電率的選取與避雷器廠家的制造水平，質(zhì)量情況、檢測手段及避雷器的使用條件相關(guān)，換流閥保護(hù)用避雷器裝于室內(nèi)，可選荷電率為O. 95 1。3. 2計算持續(xù)運(yùn)行電壓峰值CCOV和避雷器的參考電壓Uref,生成避雷器文件結(jié)合換流閥參數(shù)，確定所選最佳方案避雷器持續(xù)運(yùn)行電壓峰值CC0V，計算避雷器的參考電壓Um=CCOV/荷電率，并根據(jù)閥片文件，計算生成與相應(yīng)避雷器一一對應(yīng)的避雷器文件。3. 3提取避雷器特征值將元件庫中避雷器元件按步驟2. 5確定方案配置在仿真模型對應(yīng)的位置上，根據(jù)設(shè)計的避雷器類型調(diào)用對應(yīng)的避雷器文件。對步驟1. 7確定的最苛刻故障工況進(jìn)行仿真分析，提取避雷器的最大殘壓、最大電流和能量作為避雷器特征值。3. 4選擇配合電流根據(jù)最嚴(yán)重故障類型下的避雷器特征值，確定避雷器的配合電流，配合電流值大于避雷器特征值中的最大電流。3.5計算避雷器保護(hù)水平結(jié)合避雷器文件的伏安特性曲線和配合電流，計算避雷器的操作沖擊保護(hù)水平SIPL和雷電沖擊保護(hù)水平LIPL。本發(fā)明提供的了為一種模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法，可有效降低高壓大容量模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓水平，推動柔性直流輸電技術(shù)在更高電壓等級、更大輸送功率領(lǐng)域的應(yīng)用。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法，所述過電壓方法用的系統(tǒng)為模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)，所述模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)為三相結(jié)構(gòu)，每相均由上下兩橋臂電壓源換流閥串聯(lián)組成；在所述上下兩橋臂電壓源換流閥的交流側(cè)均串聯(lián)有橋臂電抗器，上下兩橋臂電壓源換流閥的橋臂電抗器串聯(lián)，在兩個橋臂電抗器之間連接有聯(lián)接變壓器；在上下兩橋臂的電壓源換流閥的直流側(cè)均串聯(lián)有平波電抗器；所述過電壓保護(hù)方法包括下述步驟 (一)確定造成模塊化多電平電壓源換流閥過電壓應(yīng)力的最苛刻故障工況； (二)確定模塊化多電平電壓源換流閥的避雷器配置方式； (三)選取避雷器參數(shù)； 其特征在于，所述步驟(二)中，確定模塊化多電平電壓源換流閥的避雷器配置方式包括下述子步驟 .2.1、確定避雷器集中保護(hù)方案； .2.2、確定避雷器分散保護(hù)方案； .2.3、確定單個換流站的避雷器數(shù)量； .2.4、確定避雷器的工作電壓； .2.5、確定最佳避雷器保護(hù)方案。
2.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述電壓源換流閥為MMC換流閥，所述MMC換流閥由子模塊串聯(lián)組成，每個子模塊均由IGBT器件與其反并聯(lián)的二極管組成。
3.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟(一)中，確定造成模塊化多電平電壓源換流閥過電壓應(yīng)力的最苛刻故障工況包括下述子步驟1.1、分析雷電過電壓；1. 2、劃分造成電壓源換流閥操作過電壓的故障區(qū)域；1. 3、確定造成電壓源換流閥操作過電壓的故障類型；1. 4、建立過電壓分析模型；1. 5、計算雷電過電壓；1. 6、計算操作過電壓；1.7、確定造成換流閥過電壓的最苛刻故障工況。 如權(quán)利要求2所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟1.1中，判斷直流線路是否采用全線電纜、或是采用架空線且直流線路上有平波電抗器；若直流線路采用架空線，并且沒有平波電抗器的抑制，則對來自直流側(cè)的雷電過電壓進(jìn)行計算。
4.如權(quán)利要求2所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟1.2中，劃分的故障區(qū)域包括換流站內(nèi)交流場、換流站直流側(cè)和換流閥廳內(nèi)部；換流站直流側(cè)包括換流站內(nèi)直流場和直流線路。
5.如權(quán)利要求2所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟1.3中，根據(jù)步驟1. 2種劃分的故障區(qū)域確定造成換流閥操作過電壓的故障類型，包括站內(nèi)交流場故障、換流站直流側(cè)故障和換流閥廳內(nèi)部故障。
6.如權(quán)利要求5所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述站內(nèi)交流場故障包括站內(nèi)交流母線單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障和三相接地故障；所述換流站直流側(cè)故障包括直流母線及直流電纜單極接地故障、雙極短路故障、雙極接地故障和單極斷線故障；所述換流閥廳內(nèi)部故障包括換流閥不同位置的單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障、三相接地故障以及橋臂直通故障。
7.如權(quán)利要求2所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟1.4中，過電壓分析模型包括依據(jù)聯(lián)接變壓器、橋臂電抗器、換流閥設(shè)備內(nèi)部及設(shè)備之間的連接關(guān)系建立的寬頻模型，在系統(tǒng)主電路拓?fù)浠A(chǔ)上添加分布電容支路和分布電感支路；輸入過電壓模型的參數(shù)包括模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)主參數(shù)、雜散參數(shù)以及控制保護(hù)參數(shù)。
8.如權(quán)利要求2所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟1.5中，基于過電壓分析模型，對雷電過電壓進(jìn)行仿真計算。
9.如權(quán)利要求2所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟1.6中，基于過電壓分析模型，對操作過電壓進(jìn)行仿真計算。
10.如權(quán)利要求2所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟1.7中，通過對步驟1.5和步驟1. 6中工況的計算結(jié)果比較，得出導(dǎo)致模塊化多電平電壓源換流閥過電壓的最苛刻故障工況。
11.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟2.1中，避雷器的集中保護(hù)方案是在每一個電壓源換流閥端間并聯(lián)避雷器，此避雷器稱作模塊化多電平電壓源換流閥避雷器。
12.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟2.2中，避雷器的分散保護(hù)方案是包括子模塊避雷器保護(hù)和閥段避雷器保護(hù)；所述子模塊避雷器保護(hù)是為電壓源換流閥中的每一個子模塊并聯(lián)避雷器，此避雷器稱作子模塊避雷器，所有子模塊避雷器具有互換性；所述閥段避雷器保護(hù)是將電壓源換流閥中的子模塊劃分為個數(shù)相同子模塊組成的閥段，為每一個閥段并聯(lián)避雷器，此避雷器稱作閥段避雷器，所有閥段避雷器具有互換性。
13.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟2.3中，單個換流站內(nèi)閥避雷器數(shù)量與換流閥數(shù)量相同；單個換流站內(nèi)每個換流閥的子模塊避雷器數(shù)量與子模塊數(shù)量相同；單個換流站內(nèi)每個換流閥的閥段避雷器數(shù)量與閥段數(shù)量相同。
14.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟2.4中，所述閥避雷器、子模塊避雷器、閥段避雷器的工作電壓分別為模塊化多電平電壓換流閥端間電壓、子模塊端間電壓、閥段端間電壓；所述步驟2. 5中，結(jié)合柔性直流輸電系統(tǒng)的額定電壓和額定功率，子模塊及換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并分析集中保護(hù)方案的閥避雷器和分散保護(hù)方案的子模塊避雷器、閥段避雷器的設(shè)計水平和造價，確定最佳避雷器保護(hù)方案。
15.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟(三)中，選取避雷器參數(shù)包括下述子步驟.3.1、確定避雷器荷電率和閥片型號；.3.2、計算持續(xù)運(yùn)行電壓峰值和避雷器的參考電壓，生成避雷器文件；.3.3、提取避雷器特征值；.3.4、選擇配合電流；.3.5、計算避雷器保護(hù)水平。
16.如權(quán)利要求17所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟3.1中，根據(jù)避雷器伏安特性曲線的閥片文件確定閥片型號。
17.如權(quán)利要求17所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟3.2中，確定最佳方案避雷器持續(xù)運(yùn)行電壓峰值CCOV，計算避雷器的參考電壓Uref=持續(xù)運(yùn)行電壓峰值CCOV/荷電率，并根據(jù)避雷器伏安特性曲線的閥片文件，計算生成與避雷器一一對應(yīng)的避雷器文件。
18.如權(quán)利要求17所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟3.3中，提取避雷器的最大殘壓、最大電流和能量作為避雷器特征值。
19.如權(quán)利要求17所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟3.4中，所述配合電流值大于避雷器特征值中的最大電流。
20.如權(quán)利要求17所述的過電壓保護(hù)方法，其特征在于，所述步驟3.5中，結(jié)合避雷器文件的伏安特性曲線和配合電流，計算避雷器的操作沖擊保護(hù)水平SIPL和雷電沖擊保護(hù)水平LIPL。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模塊化多電平電壓源換流閥的過電壓保護(hù)方法，所述過電壓保護(hù)方法包括下述步驟(一)確定造成模塊化多電平電壓源換流閥過電壓應(yīng)力的最苛刻故障工況；(二)確定模塊化多電平電壓源換流閥的避雷器配置方式；(三)選取避雷器參數(shù)；在步驟(二)中，確定模塊化多電平電壓源換流閥的避雷器配置方式包括下述子步驟2.1、確定避雷器集中保護(hù)方案；2.2、確定避雷器分散保護(hù)方案；2.3、確定單個換流站的避雷器數(shù)量；2.4、確定避雷器的工作電壓；2.5、確定最佳避雷器保護(hù)方案。本發(fā)明提供的方案有效抑制電壓源換流閥的過電壓水平，保護(hù)電壓源換流閥在各種工況下的安全可靠運(yùn)行，并提高電壓源換流閥的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
文檔編號H02H9/04GK103050955SQ20121052452
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者馬巍巍, 李泓志, 趙巖, 湯廣福, 王海田 申請人:國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 中電普瑞電力工程有限公司, 上海市電力公司, 國家電網(wǎng)公司