一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距装置及方法

技术领域

本发明涉及柔性直流配电网技术领域，尤其涉及一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距装置及方法。

背景技术

新能源技术在不断地发展，分布式电源应运而生，直流负荷也随之大量接入。直流配电系统相比交流配电系统更具有优势，它具有供电容量大、电能质量高、控制灵活、电能损耗小、经济性优等优点。除此之外，电力电子技术地普遍应用也加快了直流配电系统的发展步伐。模块化多电平换流器(MMC)相比于VSC而言，易扩展，开关损耗低，因此，其在直流配电网领域备受欢迎。但在直流配电网系统运行过程中，经常会出现断线故障、单极接地故障和双极短路故障，并且双极短路故障在上述三种故障中发生次数最多，且危害性最大。故障定位是直流配电网可靠、优质供电的关键技术之一。

由于直流输配电系统具有“低阻抗性”和“弱惯性”，当直流线路发生双极短路故障时，其故障电流会迅速上升，对模块化多电平换流器(MMC)造成巨大冲击，若不采取任何措施，甚至会危害整个系统的安全稳定的运行。因此，直流系统双极短路故障发生后，需要及时地限制短路电流，释放电容器储能，并准确进行故障定位，采取措施，排除故障。保证系统短时间内恢复正常稳定地运行，减少因故障带来的损失。而传统的测距方法中受配电网支路电流的影响，会导致所测得的故障距离误差较大。除此之外，直流配电系统输电距离较短，一般不超过10km，因此行波法故障测距需要较高的频率要求，也存在着一定的缺陷。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距装置及方法，在直流母线双极短路故障发生后，以达到快速释放换流器储能，防止电力电子器件损坏，故障测距，防止大范围停电的目的。

一方面，一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距装置，包括中央监控单元、双极短路能量释放单元、电容测距单元、多电平换流器、直流母线；

所述双极短路能量释放单元的第一输入端连接所述多电平换流器的输出正极，双极短路能量释放单元的第一输出端连接多电平换流器(MMC)的输出负极；双极短路能量释放单元的第二输入端连接所述中央监控单元的第一输出端；双极短路能量释放单元的第二输出端连接中央监控单元的第一输入端；

所述电容测距单元的第一输入端连接直流母线的正极；电容测距单元的第一输出端连接到直流母线的负极；电容测距单元的第二输入端连接中央监控单元的第二输出端；电容测距单元的第二输出端连接中央监控单元的第二输入端。

所述的双极短路能量释放单元包括第一电压互感器、第一电流互感器、第一能耗电阻、第二能耗电阻、第三能耗电阻、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第一电感、第二电感、第三电感；其中，第一能耗电阻的一端串联第一电感，第一电感的另一端连接第一绝缘栅双极晶体管的集电极，第二能耗电阻的一端串联第二电感，第二电感的另一端连接第二绝缘栅双极晶体管的集电极，第三能耗电阻的一端串联第三电感，第三电感的另一端连接第三绝缘栅双极晶体管的集电极，第一电感、第二电感以及第三电感的另一端共同连接作为双极短路能量释放单元的第一输入端；第一绝缘栅双极晶体管发射极，第二绝缘栅双极晶体管发射极，第三绝缘栅双极晶体管发射极共同连接作为双极短路能量释放单元的第一输出端；第一绝缘栅双极晶体管的基极、第二绝缘栅双极晶体管的基极和第三绝缘栅双极晶体管的基极作为双极短路能量释放单元的第二输入端；第一电压互感器一端连接在直流母线的正极，第一电压互感器另一端连接在直流母线的负极；第一电流互感器一端与第一绝缘栅双极晶体管发射极、第二绝缘栅双极晶体管发射极、第三绝缘栅双极晶体管发射极共同连接，第一电流互感器的另一端串联在多电平换流器(MMC)直流侧负极出线端；第一电流互感器、第一电压互感器作为双极短路能量释放单元的第二输出端。

所述的电容测距单元包括第四绝缘栅双极型晶体管、第五绝缘栅双极型晶体管、第六绝缘栅双极型晶体管、第一直流电压源、第四电感、第一电容、第四能耗电阻、第二电流互感器、第三电流互感器和第二电压互感器；其中，所述第四绝缘栅双极型晶体管的集电极连接所述第一直流电压源的正极，第一直流电压源的负极连接第四能耗电阻的一端和第四电感的一端，第四能耗电阻的另一端连接所述第三电流互感器的一端，第三电流互感器的另一端连接所述第五绝缘栅双极晶体管的集电极，所述第六绝缘栅双极晶体管的发射极连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接第二电流互感器的一端，第四绝缘栅双极晶体管的发射极、第六绝缘栅双极晶体管的集电极和第二电压互感器一端共同连接作为电容测距单元的第一输入端；第四电感的另一端、第五绝缘栅双极晶体管的发射极、第二电流互感器的另一端和第二电压互感器的另一端共同连接作为电容测距单元的第一输出端；第四缘栅双极晶体管的基极、第五绝缘栅双极晶体管的基极、第六绝缘栅双极晶体管的基极作为电容测距单元的第二输入端；第二电压互感器、第二电流互感器和第三电流互感器作为电容测距单元的第二输出端。

另一方面，一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距方法，基于前述一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距装置实现，包括以下步骤：

步骤1：采用中央监控单元控制电容测距单元的内部元件，当中央监控单元接收到第二电压互感器监测的电压值为0的信号时，对电容测距单元内部的第四绝缘栅双极晶体管和第六绝缘栅双极晶体管发出控制信号，使其导通。

步骤2：使用第二电流互感器和第二电压互感器实时监测第一电容两端的电压和流经第一电容的电流；

步骤3：当第一电容两端电压达到设置定值时，中央监控单元向第四绝缘栅双极晶体管和第六绝缘栅双极晶体管发出控制信号，使其断开，电容充电完成，同时中央监控单元向第五绝缘栅双极晶体管发出控制信号，使其导通。

步骤4：采用第三电流互感器实时监测流经第四能耗电阻的电流，当采集到的此时电流为0时，中央监控单元向第五绝缘栅双极晶体管发出控制信号，使其断开。

步骤5：采用中央监控单元控制双极短路能量释放单元的内部元件，当系统发生双极短路故障后，中央监控单元对双极短路能量释放单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管，使其导通。

步骤6：采用双极短路能量释放单元内部的第一电流互感器和第一电压互感器对母线电流和正负极母线间的电压进行实时采集，并将采集到的电压值和电流值发送至中央监控单元中；当双极短路故障后，模块化多电平换流器(MMC)中的储能将通过三个能耗电阻进行释放；

步骤7：中央监控单元判断第一电流互感器和第一电压互感器监测的电压值和电流值是否为0，若为0，则执行步骤8；否则继续执行步骤6.

步骤8：中央监控单元对双极短路能量释放单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管，使其断开；

步骤9：中央监控单元对电容测距单元发送控制信号至第六绝缘栅双极晶体管，使其导通，同时第二电流互感器和第二电压互感器实时监测第一电容两端的电压和流经电容电流进行测距，中央监控单元对电压和电流进行数据处理，即得到双极短路故障距离。

所述测距的原理如公式(1)和公式(2)所示：

其中，u

本发明所产生的有益效果在于：

本技术方案提供了一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距装置及方法，与传统的测距方法相比，本发明首先利用能量释放电路中的耗能电阻释放换流器因短路故障的储能，避免多电平换流器(MMC)因短路过电流损坏。其次在正负极母线间投入带有初始储能的附加电容，通过对附加电容两端的电压和流经它的电流进行运算处理，对故障处及时进行定位，以便排除故障。该发明结构简单，便于灵活控制，体积较小，经济成本较低，方便改造安装。其独有的结构决定其发热量小，不容易出现熔断故障，因此其故障率低，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的MMC型配电网双极短路故障保护和测距装置结构示意图；

图2是本发明实施例的双极短路故障保护和测距装置接入结构示意图；

图3是本发明实施例的双极短路能量释放单元电路图；

图4是本发明实施例的电容测距单元电路图；

图5是本发明实施例的信号调理电路的电路原理图；

图6是本发明实施例的中央监控单元电路原理图；

图7是本发明实施例的适用于模块化多电平换流器(MMC)直流配电系统双极短路故障保护和测距方法流程图；

图8是本发明实施例的多电平换流器(MMC)释放储能电路图；

图9是本发明实施例的电容充电过程电路图；

图10是本发明实施例的电容测距单元原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一方面，一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距装置，如图1所示，包括中央监控单元、双极短路能量释放单元、电容测距单元、多电平换流器、直流母线；

本发明实施例中如图2所示，当直流母线发生双极短路故障后，模块化多电平换流器(MMC)通过双极短路能量释放单元中的耗能电阻释放储能，然后在直流母线正负极间接入测距电容，通过对电容两端的电压和流经电容的电流进行监测与运算，完成故障测距。中央监控单元采用TMS320F28335型号。

所述双极短路能量释放单元的第一输入端连接所述多电平换流器的输出正极，双极短路能量释放单元的第一输出端连接多电平换流器(MMC)的输出负极；双极短路能量释放单元的第二输入端连接所述中央监控单元的第一输出端；双极短路能量释放单元的第二输出端连接中央监控单元的第一输入端；

所述电容测距单元第一输入端连接直流母线的正极；电容测距单元的第一输出端连接到直流母线的负极；电容测距单元的第二输入端连接中央监控单元的第二输出端；电容测距单元的第二输出端连接中央监控单元的第二输入端。

本实施例中如图3，图4所示，双极短路能量释放单元包括第一电压互感器PT

在本实施例中，双极短路能量释放单元第一能耗电阻R

图5为信号调理图，本发明实施例中，包括5个信号调理电路，且结构相同，5个信号调理电路的输入端U/I分别连接2电压互感器的输出端和3个电流互感器的输出端，如图6所示，5信号调理电路通过ADS174型数据采集芯片连接TMS320F28335型号DSP芯片，其中信号调理电路的输出端AIPN、AINN端依次连接数据采集芯片的AIPN1、AINN1端；数据采集芯片的IOVDD、CLK、

另一方面，一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距方法，基于前述一种MMC型配电网双极短路故障保护和测距装置实现，如图7所示，包括以下步骤：

步骤1：采用中央监控单元控制电容测距单元的内部元件，当中央监控单元接收到第二电压互感器监测的电压值为0的信号时，对电容测距单元内部的第四绝缘栅双极晶体管和第六绝缘栅双极晶体管发出控制信号，使其导通。

步骤2：使用第二电流互感器和第二电压互感器实时监测第一电容两端的电压和流经第一电容的电流；

步骤3：当第一电容C

步骤4：采用第三电流互感器CT

步骤5：采用中央监控单元控制双极短路能量释放单元的内部元件，当系统发生双极短路故障后，中央监控单元对双极短路能量释放单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管T

步骤6：采用双极短路能量释放单元内部的第一电流互感器CT

步骤7：中央监控单元判断第一电流互感器CT

步骤8：中央监控单元对双极短路能量释放单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管T

步骤9：中央监控单元对电容测距单元发送控制信号至第六绝缘栅双极晶体管，使其导通，同时第二电流互感器CT

如图10所示，所述测距的原理如公式(1)和公式(2)所示：

其中，u

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。