一种高压柔性换流阀的控制保护系统及其保护方法和装置

技术领域

本申请涉及电力装备技术领域，更具体地说，涉及一种高压柔性换流阀的控制保护系统及其保护方法和装置。

背景技术

随着全球能源互联网概念的提出，风能、太阳能等可再生能源发电并网的呼声越来越高。但是这些可再生能源发电具有间歇性和不确定性，导致传统交流电网无法正常消纳。柔性直流输电系统可灵活控制有功无功并且可向弱交流系统供电，目前成为解决新能源发电并网并远距离传输的最优选择。

柔性高压换流站是柔性直流输电系统的重要组成部分，换流站内直流设备众多且造价成本相比传统直流输电高，其中高压柔性换流阀是柔性高压换流站的核心设备，为了保证换流站正常工作，必须对高压柔性换流阀提供可靠有效的保护。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种高压柔性换流阀的控制保护系统及其保护方法和装置，用于对高压柔性换流阀进行保护，以保证高压柔性换流站的正常工作。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种高压柔性换流阀的控制保护系统，包括阀控接口装置、至少一个测量装置、6个光电流互感器、至少一个阀控装置、电容接地短路装置、外部功能接口装置和漏水检测装置，其中：

每个所述光电流互感器设置于所述高压柔性换流阀的一个桥臂上，用于检测所述桥臂的电流，并将得到的电流信号输出至所述测量装置；

所述测量装置用于接收每个所述光电流互感器发送的电流信号，并将多个所述电流信号发送至阀控接口装置；

所述漏水检测装置用于检测高压柔性换流阀的漏水量，并根据所述漏水量输出漏水报警信号，并将所述漏水报警信号输出至所述外部功能接口装置；

所述外部功能接口装置用于将所述漏水报警信号输出至所述阀控接口装置；

所述阀控装置用于监控每个桥臂上每个子模块的状态信号，并将所述状态信号发送至所述阀控接口装置；

所述阀控接口装置用于将所述漏水报警信号、多个所述电流信号和/或所述状态信号发送至上级控保系统，还用于接收所述上级控保系统依据所述漏水报警信号、所述状态信号和/或多个所述电流信号下发的控保控制信号，并基于所述控保控制信号发出短路接地信号和/或投退个数信息；

所述电容接地短路装置用于基于所述短路接地信号对对应的子模块的子模块电容进行二次放电操作；

所述阀控装置还用于基于所述投退个数信息确定需要投退子模块的位置，并向所述位置的子模块发送投退控制信号。

可选的，所述阀控接口装置内设置有三取二功能模块。

可选的，所述阀控接口装置内设置有点火控制模块，其中：

所述点火控制模块用于将接收到的参考电压值转换为每个桥臂上子模块的投退索引，并将所述参考电压值转换为相电压参考值，并进一步计算得到每个所述子模块的目标电压值。

可选的，所述漏水检测装置设置在所述柔性换流阀的阀塔底部的集水区，用于收集所述集水区收集的漏水，包括一个容器和容器内的浮子，所述浮子上设置有用于阻挡光通路的阻光器。

可选的，所述柔性换流阀设置有环流控制模块，其中：

所述环流控制模块用于当相电流非常低时，产生期望的瞬态电力，以对所述子模块进行充电操作。

可选的，所述柔性换流阀设置有充放电模块，其中：

在充电阶段，所述充放电模块用于对所述子模块进行充电，当充电至预设第一充电标志位时内部建立通信，当充电至预设第二充电标志位时，放电电阻退出；

在放电阶段，所述充放电模块用于对所述子模块进行放电，当放电至预设第一放电标志位时投入子模块的放电电阻，当继续放电至第二放电标志位时投入放电监视功能。

一种保护方法，应用于如上所述的控制保护系统，可选的，所述保护方法包括步骤：

当子模块出现故障时，对出现故障的子模块执行子模块保护动作。

可选的，还包括步骤：

当桥臂出现故障时，对出现故障的桥臂执行桥臂保护动作，所述桥臂保护动作包括告警和跳闸。

一种保护装置，应用于如上所述的控制保护系统，可选的，所述保护装置包括：

第一保护模块，用于当子模块出现故障时，对出现故障的子模块执行子模块保护动作。

可选的，还包括：

第二保护模块，用于当桥臂出现故障时，对出现故障的桥臂执行桥臂保护动作，所述桥臂保护动作包括告警和跳闸。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种高压柔性换流阀的控制保护系统及其保护方法和装置，该系统包括阀控接口装置、至少一个测量装置、6个光电流互感器、至少一个阀控装置、电容接地短路装置、外部功能接口装置和漏水检测装置。光电流互感器用于检测桥臂的电流并产生电流信号；漏水检测装置用于检测高压柔性换流阀的漏水量并输出漏水报警信号；阀控装置用于监控每个桥臂上每个子模块的状态并输出状态信号；阀控接口装置用于将漏水报警信号、多个电流信号和/或状态信号发送至上级控保系统，并接收电流信号下发的控保控制信号，并发出短路接地信号和/或投退个数信息；电容接地短路装置用于基于短路接地信号对子模块进行二次放电操作；阀控装置还用于基于投退个数信息向子模块发送投退控制信号，从而实现了对高压柔性换流阀的保护，保证了其正常工作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种高压柔性换流阀的控制保护系统的框图；

图2为本申请实施例的高压柔性换流阀的拓扑结构图；

图3为本申请实施例的高压柔性换流阀的子模块的拓扑结构图；

图4为本申请实施例的漏水检测装置的示意图；

图5为本申请实施例的一种保护方法的流程图；

图6为本申请实施例的一种保护装置的框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

图1为本申请实施例的一种高压柔性换流阀的控制保护系统的框图。

本实施例的提供的保护控制系统用于对高压柔性换流阀进行保护，该高压柔性换流阀的拓扑结构如图2所示，其中包含6个桥臂，每个桥臂上包含多个子模块，子模块的拓扑结构。

如图3所示，每个子模块包括IGBT1和IBTB2，放电电阻R、与放电电阻串联的放电开关S2，投切开关S1和短路接地开关S3。IGBT1和IGBT2均并联有一个续流二极管。该子模块还包括一个电容C，其功能为本领域所熟知，这里不再赘述。

如图1所示，本实施例提供的控制保护装置包括阀控接口装置10、至少一个测量装置20、6个光电流互感器30、至少一个阀控装置40、电容接地短路装置50、外部功能接口装置60和漏水检测装置70。

光电流互感器分别设置于高压柔性换流阀的一个桥臂上，由于桥臂共有6个，因此该光电流互感器共有6个，光电流互感器通过光纤与测量装置信号连接，用于分别检测相应桥臂的电流，并将得到的相应电流信号输出至测量装置。测量装置用于接收每个光电流互感器发送的电流信号，其与阀控接口装置通过光纤信号连接，用于将多个电流信号进行汇总发送至阀控接口装置；

出于冗余配置的需要，本实施例中采用多个测量装置的配置，共配置有3个测量装置。用于分别将得到的6个电流信号进行汇总并分别发送至阀控接口装置。

漏水检测装置用于检测高压柔性换流阀的漏水量，其与外部功能接口装置通过光纤信号连接，用于根据漏水量输出漏水报警信号，并将漏水报警信号输出至外部功能接口装置；外部功能接口装置与阀控接口装置通过光纤信号连接，用于将接收到的漏水报警信号输出至阀控接口装置。

该高压柔性换流阀的阀塔底部配置有集水区和漏水检测装置，具备实时检测功能，局部轻微漏水不会影响阀的正常运行。当阀塔内漏水时，泄漏的水通过集水区的倾斜面收集到漏水检测装置的容器里。

如图4所示，该漏水检测装置包括容器100、浮子101和阻光器102，浮子上的阻光器将随着水量的多少，高度发生变化。当高度升至报警位置时，相应的光通道被阻断(通光孔与光通道错位)，漏水检测装置收不到对应的返回信号，就会发送报警信息至阀控接口装置。每个阀塔都配有独立的信号传输系统，从而可以很快确定漏水阀塔。漏水检测装置依据漏水量的大小采用了2级报警，漏水流量大于W1，一级漏水报警，漏水流量大于W2，二级漏水报警。

阀控装置用于监控每个桥臂上每个子模块的状态信号，其与阀控接口装置通过光纤信号连接，用于将状态信号发送至阀控接口装置。同样基于冗余配置的原理，本系统包括多个阀控装置。状态信息包括子模块的导通或闭锁，是否有内部板卡发生损坏，旁路开关是否闭合等。

阀控接口装置用于接收到的漏水报警信号、多个电流信号和/或状态信号发送至上级控保系统，上级控保系统在接收到上述信号后作出相应决策，并根据决策结果输出控保控制信号，阀控接口装置在接收到包含控保控制信号的调制信号后进行解析，并根据解析内容发出短路接地信号和/或投退个数信息。

电容接地短路装置在接收到短路接地信号后对对应的子模块的子模块电容进行二次放电操作；阀控装置还用于基于投退个数信息确定需要投退子模块的位置，并向该位置的子模块的子模块控制装置发送投退控制信号，以使该子模块控制装置控制该子模块执行投退动作，实现换流阀的电压均衡。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种高压柔性换流阀的控制保护系统，包括阀控接口装置、至少一个测量装置、6个光电流互感器、至少一个阀控装置、电容接地短路装置、外部功能接口装置和漏水检测装置。光电流互感器用于检测桥臂的电流并产生电流信号；漏水检测装置用于检测高压柔性换流阀的漏水量并输出漏水报警信号；阀控装置用于监控每个桥臂上每个子模块的状态并输出状态信号；阀控接口装置用于将漏水报警信号、多个电流信号和/或状态信号发送至上级控保系统，并接收电流信号下发的控保控制信号，并发出短路接地信号和/或投退个数信息；电容接地短路装置用于基于短路接地信号对子模块进行二次放电操作；阀控装置还用于基于投退个数信息向子模块发送投退控制信号，从而实现了对高压柔性换流阀的保护，保证了其正常工作。

阀控接口装置内设置有三取二功能模块。该三取二功能模块设置在阀控接口装置的内部板卡里，即有两套及其以上的保护动作才被视为有效的动作，主要是为了提高保护可靠性，防止发生误动情况发生。

当阀控接口装置下发的短路接地信号后，高压柔性换流阀闭锁后通过子模块内部放电电阻放电后，在对子模块电容进行二次放电的装置，将单个子模块电容正、负极进行短接，把剩余电荷释放，将如图3所示中的S

阀控接口装置内部具有点火控制模块，其用于将接受到的参考电压值转换成针对每个桥臂上子模块的投退索引，然后将索引发送至上级控保系统，期间将参考电压变换的目的是将接收到的桥臂电压参考值转换为相电压参考值(上下桥臂电压参考值相减)，然后通过进一步计算，将得到的相电压参考值转换为每个子模块的目标电压值。

该高压柔性换流阀具有环流控制模块，其主要用于当转换的相电流非常低时，环流控制模块可以产生期望的瞬态电流，对子模块进行充电或放电，有助于子模块的电压控制。此外，该功能同时也能够抑制谐波电流，从而将环流引起的损耗降到最低。

该高压柔性换流阀单个子模块内部电阻投退逻辑如下：在换流阀正常运行时，S1开关处于打开状态，子模块内部电阻处于旁路状态，子模块间的均压通过阀控内部逻辑实现。在换流阀解锁前(充电时)AS开关会根据子模块实际电压选择投入或退出，来实现子模块之间的均压。

该高压柔性换流阀具有独特的充放电模块，该模块用于在充电阶段时，设置第一、第二充电标志位，在充电至第一充电标志位时，子模块达到唤醒电压，内部建立通讯。在充电至第二充电标志位时，换流阀达到解锁电压，具备解锁条件，放电电阻退出。

在放电阶段时，设置第一、第二放电标志位，在放电至第一放电标志位时，投入子模块放电电阻，通过电阻进行放电，在放电至第二放电标志位时，投入放电监视使能，用于判别子模块通讯是否正常，防止在下次充电时出现通讯丢失情况。放电电阻处于投入状态，直至下次解锁前退出放电电阻。

实施例二

如图5所示，本实施例提供了一种保护方法的流程图。

如图5所示，本实施例提供的保护方法应用于上一实施例提供的高压柔性换流阀的控制保护系统，具体包括如下步骤：

S1：当子模块出现故障时执行子模块保护动作。

具体为，当检测到多种原因引起的子模块故障，包括半导体故障、内部通讯故障、子模块控制器故障、子模块电容故障、阀控与子模块间通讯故障时，将故障的子模块会通过合旁路开关被隔离。保护动作包括：

当合旁路开关失败时，将申请跳闸；

当被旁路的故障子模块数达到定值时，将申请跳闸。

另外，还包括如下步骤：

S2：当桥臂出现故障时执行桥臂保护动作。

当高压柔性换流阀的任一桥臂以高于定值的电流运行并持续一定的时间后，换流阀会面临因负荷过高而导致损坏的风险。该保护用于检测由系统扰动或故障引起的换流阀桥臂过负荷，以换流阀的六个桥臂直流电流作为判据。保护动作包括：

告警：桥臂电流超过告警段定值并持续一定时间。

跳闸：桥臂电流超过跳闸段定值并持续一定时间。

通过上述保护动作，可以实现对任一子模块和桥臂的保护，避免昂贵的子模块损坏，进一步能够避免因桥臂的故障引起整个高压柔性换流阀的损坏。

实施例三

如图6所示，本实施例提供了一种保护装置的框图。

如图6所示，本实施例提供的保护装置应用于上一实施例提供的高压柔性换流阀的控制保护系统，具体包括第一保护模块201。

第一保护模块用于当子模块出现故障时执行子模块保护动作。

具体为，当检测到多种原因引起的子模块故障，包括半导体故障、内部通讯故障、子模块控制器故障、子模块电容故障、阀控与子模块间通讯故障时，将故障的子模块会通过合旁路开关被隔离。保护动作包括：

当合旁路开关失败时，将申请跳闸；

当被旁路的故障子模块数达到定值时，将申请跳闸。

另外，还包括第二保护模块202。

第二保护模块用于当桥臂出现故障时执行桥臂保护动作。

当高压柔性换流阀的任一桥臂以高于定值的电流运行并持续一定的时间后，换流阀会面临因负荷过高而导致损坏的风险。该保护用于检测由系统扰动或故障引起的换流阀桥臂过负荷，以换流阀的六个桥臂直流电流作为判据。保护动作包括：

告警：桥臂电流超过告警段定值并持续一定时间。

跳闸：桥臂电流超过跳闸段定值并持续一定时间。

通过上述保护模块，可以实现对任一子模块和桥臂的保护，避免昂贵的子模块损坏，进一步能够避免因桥臂的故障引起整个高压柔性换流阀的损坏。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。