СПОСОБ КОНФИГУРАЦИИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ И ИХ УСТРАНЕНИЯ В ГИБКО НАСТРАИВАЕМОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПОДСТАНЦИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2020 года по МПК H02H7/26 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области гибкой передачи и гибкой системы электропередачи переменного тока (AC) и в частности относится к способу конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока.

Предпосылки изобретения

В гибкой передаче постоянного тока (DC) и новом поколении гибкой передачи переменного тока используют преобразователи источников напряжения, которые могут независимо регулировать активную и реактивную мощность для улучшения пропускной способности системы переменного тока. Она имеет очевидные преимущества в таких применениях, как сети производства электроэнергии для возобновляемой энергии, электроснабжение для изолированных островов и взаимосвязь систем связи. С развитием силовой электроники и технологии управления пропускная способность и уровни напряжения гибкой передачи постоянного тока и гибких систем передачи переменного тока становятся все выше и выше.

В целях поддержания стабильности напряжения постоянного тока гибкая передача постоянного тока требует использования заземления на стороне вентиля переменного тока или заземления на стороне постоянного тока для фиксации напряжения постоянного тока. Способ заземления на стороне постоянного тока включает способ однополюсного заземления на стороне постоянного тока, высокоимпедансное заземление на стороне постоянного тока высокого сопротивления и тому подобное. Так как уровень напряжения гибкой передачи постоянного тока становится все выше и выше, для уменьшения количества последовательных включений одного подмодуля преобразующего устройства используется фактическая двухполюсная топология для достижения мощности электропередачи с большой пропускной способностью. В конструкции двухполюсной гибкой системы передачи постоянного тока обычно используют заземление на стороне постоянного тока, и заземление на стороне постоянного тока приводит к следующим проблемам: когда заземляют или замыкают накоротко сторону вентиля и плечо моста преобразовательной подстанции, с системой заземления на стороне постоянного тока образуется петля, и смещение постоянного тока накладывается на переменный ток, что приводит к тому, что ток, протекающий через выключатель на стороне сети, не имеет точки перехода через нулевое значение, и тем самым приводит к отказу в отключении выключателя переменного тока, что может нанести ущерб оборудованию, такому как механические выключатели и преобразовательные вентили.

В патенте CN201510999677.5 предложено уменьшить смещение постоянного тока в отношении переменного тока путем обхода подмодуля нижнего плеча моста исправной фазы преобразовательного вентиля. Способ предназначен для однофазного повреждения на землю, и подмодуль преобразовательного вентиля запускается вновь после того, как преобразовательный вентиль будет заблокирован. В случае повреждения ток быстро изменяется, преобразовательный вентиль запускается вновь после того, как он был заблокирован. Это требует точной диагностики повреждения, а также требует того, чтобы система управления вентилем работала быстро и надежно, и имеется большой риск, который является испытанием для коммутационного устройства. В настоящее время гибко настраиваемую преобразовательную подстанцию постоянного тока обычно оснащают выключателем (QF1) переменного тока на стороне сети и не оснащают выключателем (QF2) на стороне вентиля. Даже если выключатель (QF2) расположен на стороне вентиля, выключатель на стороне вентиля не осуществляет выбор поврежденной фазы, и он не взаимодействует с выключателем (QF1) на стороне сети посредством взаимодействия по настройке времени для решения проблемы, заключающейся в том, что выключатель переменного тока не может быть отключен и выключатель переменного тока получает ущерб потому, что отсутствует переход через нулевое значение переменного тока по причине повреждения заземления в преобразовательной подстанции.

В прошлом выбор поврежденной фазы защиты переменного тока обычно выбирал вначале отключение поврежденной фазы, но не отключение исправной фазы, что не может решить проблему того, что отсутствует переход через нулевое значение переменного тока, и выключатель не мог быть разомкнут, что вызвано повреждением в преобразовательной подстанции, вызванным заземлением на стороне постоянного тока.

Для достижения надежного решения проблемы того, что переменный ток не может быть разомкнут, когда в преобразовательной подстанции происходит асимметричное повреждение, вызванное заземлением на стороне постоянного тока, для обеспечения безопасности механического выключателя и оборудования преобразовательной подстанции, для предотвращения отказа выключателя в отключении и для предотвращения еще большего ухудшения повреждения в настоящем изобретении предложены выключатель (QF1) на стороне сети и выключатель (QF2) на стороне вентиля, которые взаимодействуют друг с другом в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока. Выключатель на стороне сети взаимодействует с выключателем на стороне вентиля после обнаружения повреждения заземления в преобразовательной подстанции: сначала отключает исправную фазу на стороне вентиля, а затем отключает выключатель на стороне сети посредством выключателя расщепления фаз на стороне вентиля, и тем самым внутреннее повреждение преобразовательной подстанции может быть быстро и эффективно устранено, при этом обеспечивая безопасность выключателя переменного тока.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является предоставление способа конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения, применимого для преобразовательной подстанции с заземлением на стороне постоянного тока. В дополнение к выключателю (QF1) на стороне сети гибко настраиваемая преобразовательная подстанция постоянного тока снабжена выключателем (QF2) расщепления фаз на стороне вентиля. Выключатель на стороне сети и выключатель на стороне вентиля взаимодействуют друг с другом. После того, как система защиты обнаруживает повреждение заземления и поврежденную фазу в преобразовательной подстанции, сначала отключают исправную фазу на стороне вентиля, а затем отключают выключатель на стороне сети для того, чтобы повреждение в преобразовательной подстанции могло быть быстро и эффективно устранено, при этом обеспечивая безопасность выключателя переменного тока, и могло быть действительно устранено повреждение в преобразовательной подстанции, могла быть обеспечена безопасная эксплуатация оборудования преобразовательной подстанции, и было предотвращено распространение влияния повреждения.

С целью достижения вышеуказанной цели решения по настоящему изобретению описаны ниже.

Предложен способ конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока, при этом гибко настраиваемую преобразовательную подстанцию постоянного тока соответственно выполняют с выключателем (QF1) на стороне сети и выключателем (QF2) расщепления фаз на стороне вентиля, и когда в преобразовательной подстанции происходит повреждение, сначала отключают выключатель исправной фазы на стороне вентиля, затем отключают выключатель на стороне сети и выполняют устранение повреждений в преобразовательной подстанции, при этом способ устранения повреждений, в частности, включает:

1) распознавание посредством системы защиты поврежденной фазы и исправной фазы в случае обнаружения повреждения в преобразовательной подстанции;

2) отправку команды на отключение выключателя (QF2) на стороне вентиля исправной фазы в момент времени t1;

3) отправку команды на отключение выключателя (QF1) на стороне сети в момент времени t2;

4) отношение между t1 и t2 представляет собой t1≤t2;

5) отправку команды на отключение выключателя (QF2) на стороне вентиля поврежденной фазы после временного интервала Δt, после отключения выключателя (QF1) на стороне сети.

Кроме того, согласно способу конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока в системе защиты могут использовать обнаружение посредством дифференциальной защиты для получения поврежденной фазы или максимальную токовую защиту для низкого напряжения на стороне вентиля для определения места повреждения и поврежденной фазы.

Кроме того, согласно способу конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока значение t1 находится в диапазоне от 0 до 10 с, значение t2 находится в диапазоне от 0 до 15 с, и временной интервал Δt находится в диапазоне от 0 до ∞.

Согласно способу конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока сконфигурированный выключатель (QF2) на стороне вентиля представляет собой выключатель расщепления фаз.

Согласно способу конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока участок повреждения в преобразовательной подстанции главным образом относится к повреждению между синхронным напряжением Us и положительной сборной шиной и отрицательной сборной шиной.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На фиг. 1 представлено схематическое изображение положений выключателей и мест повреждений в преобразовательной подстанции, имеющей повреждения, согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 представлена временная диаграмма сигналов тока повреждения в случае, когда отключают только выключатель на стороне сети, когда происходит отказ на стороне вентиля.

На фиг. 3 представлена временная диаграмма сигналов тока повреждения в случае, когда отключают выключатель на стороне сети и выключатель на стороне вентиля при их взаимодействии друг с другом, когда происходит отказ на стороне вентиля.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Технические решения настоящего изобретения будут подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы и конкретные варианты осуществления.

В изобретении изучены повреждения в преобразовательной подстанции системы заземления на стороне постоянного тока и предложен способ конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения. Заземления преобразовательного вентиля можно достичь путем закрытия заземляющего выключателя QS5 на фиг. 1.

Обычно преобразовательная подстанция гибкой передачи постоянного тока оснащена выключателем (QF1) на стороне сети и не оснащена выключателем (QF2) на стороне вентиля. За исключением тех случаев, когда преобразовательные подстанции с трехобмоточными трансформаторами оснащены выключателями (QF2) на стороне вентиля, третью обмотку трансформатора используют для подачи питания на подстанцию. Целью конфигурации выключателя (QF2) на стороне вентиля является обеспечение эксплуатации трансформатора во время обслуживания преобразовательного вентиля.

Фиг. 1: синхронное напряжение Us на стороне сети, ток IS на стороне сети, выключатель QF1 на стороне сети, выключатель QF2 расщепления фаз на стороне вентиля, ток IVT ввода трансформатора на стороне вентиля, обходной выключатель QF3, напряжение UV на стороне вентиля, ток IVC на стороне вентиля, ток IDP шины постоянного тока, ток IDNE нейтральной шины.

Если взять в качестве примера повреждения заземления положений F1 или F2 фазы C полюса 1 преобразовательного вентиля, ток на стороне сети и ток на стороне вентиля после повреждения F1 в момент времени 0,02 с участка соединения переменного тока стороны преобразовательного вентиля показаны на фиг. 2. IS_A, IS_B и IS_C на фиг. 2 являются токами трех фаз на стороне сети соответственно, а IVC_A, IVC_B и IVC_C являются токами на стороне вентиля. Как показано на фиг. 2, ток фазы A и фазы B на стороне сети не имеет перехода через нулевое значение, если предусмотрен только выключатель (QF1) на стороне сети и не предусмотрен выключатель (QF2) на стороне вентиля, при этом команду на отключение выключателя подают на 0,08 с. Как показано на фиг. 2, так как ток фазы B не имеет перехода через нулевое значение, для него требуется приблизительно 140 мс после того, как отправят команду на отключение выключателя, чтобы включить выключатель на стороне сети, и в этом процессе, так как нет точки перехода через нулевое значение для принудительного выключения выключателя QF1, контакты выключателя и тому подобное получают ущерб, и повреждение не может быть эффективно устранено.

Для повреждения на стороне вентиля в преобразовательной подстанции в ходе анализа было установлено, что на токе исправной фазы на стороне вентиля имеется точка перехода через нулевое значение. Выполнив ряд расчетов и анализ, на стороне вентиля добавляют выключатель QF2 расщепления фаз. После обнаружения повреждения в преобразовательной подстанции сначала отключают ток исправной фазы на стороне вентиля, так как имеется точка перехода через нулевое значение на стороне вентиля исправной фазы, отключают выключатель QF2 на стороне вентиля соответственно, что может отделить исправную фазу на стороне вентиля от положения повреждения, затем ток на стороне сети переходит через точку нулевого значения, в это время вновь отключают выключатель на стороне сети, и тем самым изоляция повреждения может быть достигнута без нанесения ущерба коммутационным устройствам, имеющим повреждения.

Конкретные этапы изложены ниже.

1. В дополнение к выключателю (QF1) на стороне сети гибко настраиваемую преобразовательную подстанцию постоянного тока выполняют с выключателем (QF2) расщепления фаз на стороне вентиля.

2. Систему управления и защиты в преобразовательной подстанции могут основывать на том, что дифференциальный ток (IVT-IVC) между IVT и IVC больше, чем заданное значение Idelt. Idelt принимает номинальное значение 1,0 единицы физической величины. Считают, что если положение повреждения находится на стороне вентиля преобразовательной подстанции, это является поврежденной фазой. В противном случае это является исправной фазой.

3. После обнаружения и определения положения повреждения и поврежденной фазы, система защиты управления преобразовательным вентилем выдерживает время t1 для отправки команды на отключение исправной фазы на выключатель (QF2) на стороне вентиля, и время t1 задают в пределах диапазона (0–10 с).

4. Система управления и защиты в преобразовательной подстанции выдерживает время t2 для отправки на выключатель QF1 на стороне сети, и t2 задают в пределах диапазона (0–15 с).

5. Отношение между t1 и t2 представляет собой t1≤t2.

6. После отключения выключателя на стороне сети выдерживают время Δt для отправки команды на отключение поврежденной фазы на выключатель (QF2) на стороне вентиля, и Δt задают в пределах диапазона (0–∞ с).

7. После вышеуказанных этапов отключают трехфазные выключатели QF1 и QF2, и повреждение устраняют без нанесения ущерба выключателю.

Согласно способу конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока по настоящему изобретению после возникновения повреждения заземления на стороне вентиля, форма сигнала для устранения повреждения является такой, как показано на фиг. 3, повреждение происходит в 0,02 с, и команду на отключение исправной фазы на стороне вентиля подают в 0,06 с. Команду на отключение выключателя на стороне сети отправляют с выдержкой 1 мс, и повреждение устраняют в течение 20 мс с момента отправки команды выключателя. Отсутствует проблема того, что выключатель с повреждениями не может быть включен, и что выключатель получает ущерб, и что повреждение не может быть устранено.

В настоящем изобретении предложен вариант осуществления, в котором в качестве примера взято повреждение однофазного заземления участка F1 или F2 соединения переменного тока на стороне преобразователя, но настоящее изобретение не ограничивается однофазным повреждением заземления, и оно применимо к способам устранения других повреждений заземления или повреждений с коротким замыканием в преобразовательной подстанции, например, при заземлении реактора плеча моста, и других повреждений.

Вышеописанные варианты осуществления используются для пояснения технического замысла настоящего изобретения, но не предназначены для ограничения объема охраны настоящего изобретения. Любая модификация, выполненная на основе технических решений согласно техническому замыслу настоящего изобретения, подпадает под объем охраны настоящего изобретения.

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение надежности, эффективности и быстродействия устранения повреждений, а также повышение эффективности защиты оборудования преобразовательной подстанции и предотвращение дальнейшего распространения повреждения. Согласно способу конфигурации выключателя гибко настраиваемую преобразовательную подстанцию постоянного тока выполняют с выключателем (QF1) на стороне сети и выключателем (QF2) расщепления фаз на стороне вентиля в преобразовательной подстанции. В случае возникновения повреждения посредством дифференциальной защиты или максимальной токовой защиты для низкого напряжения обнаруживают и определяют поврежденную фазу и исправную фазу. Режим перехода через нулевое значение переменного тока (AC) создают вначале путем выключения выключателя (QF2) расщепления фаз на стороне вентиля исправной фазы и выключателя (QF1) на стороне сети, тем самым отключая поврежденную фазу, разъединяя соединение между источником питания и точкой повреждения и достигая устранения повреждений. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока, отличающийся тем, что: гибко настраиваемую преобразовательную подстанцию постоянного тока соответственно выполняют с выключателем (QF1) на стороне сети и выключателем (QF2) расщепления фаз на стороне вентиля, и когда в преобразовательной подстанции происходит повреждение, сначала отключают выключатель исправной фазы на стороне вентиля, затем отключают выключатель на стороне сети и выполняют устранение повреждений в преобразовательной подстанции, при этом способ устранения повреждений, в частности, включает:

распознавание посредством системы защиты поврежденной фазы и исправной фазы в случае возникновения повреждения в преобразовательной подстанции;

отправку команды на отключение выключателя (QF2) на стороне вентиля исправной фазы в момент времени t1 и отправку команды на отключение выключателя (QF1) на стороне сети в момент времени t2, при этом отношение между t1 и t2 представляет собой t1≤t2;

отправку команды на отключение выключателя (QF2) на стороне вентиля поврежденной фазы после временного интервала Δt, после отключения выключателя (QF1) на стороне сети.

2. Способ конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что поврежденную фазу обнаруживают с использованием дифференциальной защиты или поврежденную фазу определяют согласно максимальной токовой защите для низкого напряжения на стороне вентиля.

3. Способ конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что значение t1 находится в диапазоне от 0 до 10 с, значение t2 находится в диапазоне от 0 до 15 с и временной интервал Δt находится в диапазоне от 0 до ∞.

4. Способ конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что в выключателе (QF2) на стороне вентиля используют выключатель расщепления фаз.

5. Способ конфигурации выключателя при повреждениях и их устранения в гибко настраиваемой преобразовательной подстанции постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что повреждение в преобразовательной подстанции представляет собой повреждение на участке между вторичной обмоткой трансформатора, полюсной шиной и нейтральной шиной.