柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法和控制系統與流程

本發明涉及柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法和控制系統。

背景技術：

相對于傳統的柔性直流輸電系統(基于igbt串聯技術)，基于模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter，mmc)的柔性直流輸電系統因其結構簡單，易于工程實施等特點在近年來引起了國內外專家學者的廣泛關注，如圖1所示。該模塊化多電平換流器由三相六個橋臂構成，每個橋臂由耦合或者非耦合的電感和若干個完全相同的mmc子模塊級聯構成。其中，子模塊可以是半橋子模塊、全橋子模塊以及箝位雙子模塊。就以半橋子模塊為例，每個子模塊包含兩個igbt，兩個反向二極管和一個直流電容。

mmc拓撲結構中一個重要的特點是將儲能電容放到了串聯的子模塊當中。這帶來了一系列的問題，比如由于橋臂電流的存在，使得各個子模塊的電容電壓時刻在變化，由于發生橋臂短路時橋臂電流迅速變大，幾個毫秒后達到最大，如圖2所示。如何快速的檢測橋臂過流及對故障清除成為一個技術難點。

目前，常規的橋臂過流保護方法過程較為繁瑣，過流保護可靠性較低。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法，用以解決現有的橋臂電流過流保護方式可靠性較低的問題。本發明同時提供一種柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護控制系統。

為實現上述目的，本發明的方案包括一種柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法，包括以下步驟：

(1)對于任意一個橋臂，采集橋臂電流；

(2)對所述橋臂電流進行處理，得到電流有效值和電流瞬時值；

(3)當所述電流有效值大于第一設定閾值，且所述電流瞬時值大于第二設定閾值時，保護動作。

將所述橋臂電流進行分解，得到直流分量和交流分量，求取直流分量和交流分量的均方根得到所述電流有效值。

所述電流有效值的計算公式為：

其中，i有效為所述電流有效值，iac是交流分量，idc為直流分量。

所述橋臂電流的獲取公式為：

所述電流瞬時值的計算公式為：

其中，ip為所述橋臂電流，ip(t)為所述電流瞬時值，idp為直流母線電流，ivc是閥側出口電流，a為橋臂電流幅值。

所述直流分量的計算公式為：

所述交流分量的計算公式為：

其中，ip(t)為電流瞬時值，a為常數。

本發明的方案還包括一種柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護控制系統，包括：

采集模塊，用于對于任意一個橋臂，采集橋臂電流；

計算模塊，用于對所述橋臂電流進行處理，得到電流有效值和電流瞬時值；

保護動作控制模塊，用于當所述電流有效值大于第一設定閾值，且所述電流瞬時值大于第二設定閾值時，保護動作。

將所述橋臂電流進行分解，得到直流分量和交流分量，求取直流分量和交流分量的均方根得到所述電流有效值。

所述電流有效值的計算公式為：

其中，i有效為所述電流有效值，iac是交流分量，idc為直流分量。

所述橋臂電流的獲取公式為：

所述電流瞬時值的計算公式為：

其中，ip為所述橋臂電流，ip(t)為所述電流瞬時值，idp為直流母線電流，ivc是閥側出口電流，a為橋臂電流幅值。

所述直流分量的計算公式為：

所述交流分量的計算公式為：

其中，ip(t)為電流瞬時值，a為常數。

本發明提供的柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法中，對采集到的橋臂電流進行處理，得到電流有效值和瞬時值，根據電流有效值和瞬時值滿足的條件來進行過流判斷，當電流有效值和瞬時值均大于對應的設定閾值時，表示橋臂的實際電流出現了過流現象，那么控制保護動作，保護出口。所以，該保護方法過程簡單，所涉及到的判斷參量較少，保護可靠性較高，相應地，判斷快速有效。在發生故障時，橋臂電流對各子模塊的沖擊大大減小，快速地保護子模塊不受故障電流影響。

附圖說明

圖1是mmc基本拓撲結構圖；

圖2是橋臂電流在橋臂短路時的發展趨勢示意圖；

圖3是柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法所適用的拓撲結構示意圖；

圖4是根據交流分量和直流分量計算有效值的方法邏輯示意圖；

圖5是橋臂電流保護出口邏輯圖。

具體實施方式

柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法實施例

如圖3所示，是本發明提供的柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法所適用的拓撲結構示意圖，該結構只是針對其中一條橋臂而言，因此，該方法本質上適用于圖1所示的mmc結構，進一步適用于對稱偽雙極結構。

mmc中的各橋臂上的電流、直流線路上的電流以及上下橋臂電流流向如圖1所示。橋臂電流為ip_j和in_j，其中j＝a，b，c，分別代表abc三相；p表示上橋臂，n表示下橋臂。那么，a相上橋臂的橋臂電流為ip_a，a相下橋臂的橋臂電流為in_b；b相上橋臂的橋臂電流為ip_b，b相下橋臂的橋臂電流為in_b；c相上橋臂的橋臂電流為ip_c，c相下橋臂的橋臂電流為in_c。

本發明提供的柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法的第一步就是采集橋臂電流。另外，為了實施該保護方法，輸電系統中就要有相應的硬件設備，比如電流檢測設備、控制設備以及保護設備。各橋臂上均設置有電流檢測設備。由于這些設備屬于常規技術，這里就不再對其進行詳述。由于各橋臂的過流保護方法的實現過程相同，那么，以下以其中一個橋臂為例進行說明。

那么，利用電流檢測設備采集該橋臂的橋臂電流。

然后，電流檢測設備將檢測得到的橋臂電流傳輸到控制設備中，控制設備對橋臂電流進行處理和分析，為：對橋臂電流進行處理，得到電流有效值和電流瞬時值。

其中，電流瞬時值可以按照現有中的求取方式進行求取，本實施例給出以下一種實施方式：

首先，橋臂電流的獲取公式為：

然后，根據橋臂電流得到電流瞬時值，計算公式為：

其中，ip為橋臂電流，ip(t)為電流瞬時值，idp為直流母線電流，ivc是閥側出口電流，a為橋臂電流幅值。

本實施例給出一種電流有效值的計算方法，具體為：對橋臂電流進行分解處理，得到電流的直流分量和交流分量。并且，利用以下兩個計算公式得到電流的直流分量和交流分量。

直流分量的計算公式為：

交流分量的計算公式為：

其中，a為常數，根據實際要求進行設定，比如1488。

對一個周期內正弦函數求和，其和為0；對一個直流量一個周期求和為n*a，所以對橋臂電流計算平均值后n*a/n只剩下直流分量，即可以提取其直流分量。這種分解方法快速、簡單、有效，無需運用低通濾波等環節。

然后，根據直流分量和交流分量計算電流有效值，如圖4所示，計算方式為：求取直流分量和交流分量的均方根，得到的均方根值就是電流有效值i有效。計算公式為：

其中，iac是橋臂電流的交流分量，idc為橋臂電流的直流分量。

最后，控制設備根據得到的電流有效值和瞬時值做出保護動作的判斷：當電流有效值大于第一設定閾值，且電流瞬時值大于第二設定閾值時，保護動作。其中，第一設定閾值和第二設定閾值均可以根據實際控制需要進行設定。

以abc三相的上橋臂為例，保護邏輯判斷如圖5所示。例如：當ip_a_有效大于設定閾值δ1，且ip_a_瞬時大于設定閾值δ2，那么，a相上橋臂過流，保護動作。

另外，通過降低橋臂電流的采集周期，能夠進一步保證后續動作的快速性。

柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護控制系統實施例

本實施例中，控制系統包括三個模塊，分別是：

采集模塊，用于對于任意一個橋臂，采集橋臂電流；

計算模塊，用于對橋臂電流進行處理，得到電流有效值和電流瞬時值；

保護動作控制模塊，用于當電流有效值大于第一設定閾值，且電流瞬時值大于第二設定閾值時，保護動作。

所以，該控制系統的三個模塊為功能塊，其中，采集模塊可以是硬件模塊，其他兩個模塊通過加載在控制設備中實現對應的功能，那么，該過流保護控制系統的保護范圍是過流保護方法。由于在上述方法實施例中已對該方法做出了詳細地描述，這里就不再具體說明。

以上給出了具體的實施方式，但本發明不局限于所描述的實施方式。本發明的基本思路在于柔性直流輸電系統的橋臂電流過流保護方法，對于各實現步驟的具體實現手段并不做限定，在不脫離本發明的原理和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發明的保護范圍內。