本發明屬于高壓直流輸電領域，具體是一種基于耗能阻尼與斷路器的直流故障穿越方法、計算設備及計算機可讀存儲介質。

背景技術：

1、在高壓柔性直流輸電系統里，直流故障是威脅系統穩定運行的關鍵因素，直流故障保護對于直流輸電系統的可靠運行至關重要，通常包括極對極（p-p）和極對地（p-g）類型短路故障、高阻抗接地故障和電弧故障的檢測、定位、分斷和隔離。其中，極間故障出現在正極和負極線路間，通常表現出較低的短路阻抗。它是直流電網中最嚴重的故障類型，通常會在極短的時間內產生極大的故障電流。極對地故障發生在正極或負極電源線對地短路時，通常由雷擊和元件故障引起。極對地故障的影響取決于直流電源系統使用的特定接地方案，也可能造成危害。一旦直流側發生短路故障，由于系統自身的低阻尼特性，故障電流會在極短時間內迅速攀升，上升速率極快，可能在數毫秒內達到正常運行電流幅值的數倍之高。這對系統中的設備，諸如換流閥、電抗器、電容器等，會產生極大沖擊，極有可能導致設備損壞，甚至引發整個系統的崩潰，進而造成大面積停電，給社會經濟帶來嚴重損失。

2、目前，解決直流故障穿越分別有三種主流技術路線：

3、第一種方案是直流斷路器（dc?circuit?breaker,dccb），作為解決直流故障的關鍵設備，由于需要分斷較高的故障電流以及需耐受直流母線過電壓，多采用多組?igbt?串并聯技術的混合式結構。這種斷路器能夠在一定程度上快速分斷故障電流，滿足系統對故障快速切除的需求。然而，為了實現高電壓、大電流下的可靠分斷，需大量?igbt?器件進行串并聯組合，使得故障保護設備成本大幅增加。此外，現有技術在故障處理過程中，各設備之間協同性欠佳，難以實現高效的故障限流。簡單的故障限流措施往往無法精準控制故障電流，直流斷路器需留有較大的冗余量用于避免故障電流沖擊。

4、第二種方案是采用混合式mmc，利用全橋子模塊反向投入所帶來的額外反電動勢抑制直流母線電壓，進一步限制直流沖擊電流。但是全橋子模塊所需開關器件為半橋子模塊的兩倍，并且在常規運行情況下會產生導通損耗。對于直流故障保護方案而言，該方案下器件成本和損耗成本均較為高昂。

5、第三種方案則是僅采用耗能阻尼模塊進行故障電流限制，該方案能可靠實現直流故障限流，但是限流后無法直接分斷直流故障電流，高壓直流輸電系統在限流后處于不控整流狀態，需要斷開換流閥交流側斷路器，將網側交流源切除后，故障電流才能夠得以降低至過零點，進一步采用隔離開關分斷故障回路。系統重新啟動亦需要將交流開關合閘，對于單個閥體而言，整體故障清除和重恢復時間較長（500ms以上），對于維持電力系統安全性以及穩定性存在隱患，且在多端直流輸電電網的情況下，該類型方案無法實現選擇性隔離的保護，若連接換流閥的多條直流線路中存在一條故障線路，其需要整個換流閥閉鎖且交流斷路器斷開，此時換流閥上所有直流線路的能量傳輸均會中斷，不利于整個電網的穩定性。

6、中國專利申請cn119315614a記載了一種基于耗能阻尼模塊實現交直流故障穿越的mmc換流閥及方法，該方案中以常規mmc換流閥的拓撲結構為基礎，在其每個橋臂的橋臂電感和上下橋臂中點之間，各設有m個依次串聯且結構相同的耗能阻尼模塊，該耗能阻尼模塊包括并聯的主通流支路、耗能支路和旁路回路。該方案為第三種方案的典型案例，直流短路故障發生后能夠對直流短路故障的沖擊電流幅值進行限制。但是，為了將直流故障電流降低至過零點，其需要斷開換流閥交流側斷路器，交流斷路器分斷以及重合閘時間較長，此時交流側電網將會失去換流閥的支撐作用，電力系統安全性以及穩定性面臨挑戰，且在多端直流電網情況下，其無法實現直流故障的選擇性隔離功能。

7、因此，本發明擬提出新方案以解決上述技術問題。

技術實現思路

1、本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提出一種基于耗能阻尼與斷路器的直流故障穿越方法、設備及介質。

2、為解決技術問題，本發明的解決方案是：

3、提供一種基于耗能阻尼與直流斷路器的直流故障穿越方法，包括：

4、（1）在高壓柔性直流輸電系統中設置直流故障穿越保護系統，該系統包括mmc換流閥、耗能阻尼模塊、直流斷路器和檢測控制單元；其中，耗能阻尼模塊設于mmc換流閥的上下橋臂中，與橋臂電感和mmc子模塊串聯；

5、（2）在檢測到發生直流故障后，通過mmc?換流閥采取調壓限流策略，在原電壓值基礎上按預定比例降低交流側電壓；或采取閉鎖限流策略，將交流側電壓限制為規定的下限值；

6、（3）將故障電流轉至mmc?換流閥內部的耗能阻尼模塊，使故障電流的能量以熱能形式耗散；通過抑制直流電流進一步上升，使故障電路的電動勢逐漸進入新的穩態階段；

7、（4）通過mmc?換流閥的限流操作逐步降低直流故障電流，直至電流值小于直流斷路器的額定工作電流；然后直流斷路器執行分斷操作，使直流故障點與高壓柔性直流輸電系統完全隔離；

8、（5）將mmc?換流閥執行的調壓限流策略或閉鎖限流策略，重新恢復至正常運行時的控制策略；

9、（6）逐步切除mmc?換流閥內部的耗能阻尼模塊，同時相應地投運mmc子模塊，使高壓柔性直流輸電系統平穩過渡到正常運行狀態。

10、作為本發明的優選方案，所述直流斷路器為混合式結構，由快速機械開關和電力電子開關組成；快速機械開關采用真空快速機械開關；電力電子開關為全控型電力電子器件，是絕緣柵雙極型晶體管igbt或集成門極換流晶閘管igct。

11、作為本發明的優選方案，所述直流故障穿越保護系統中，mmc換流閥的拓撲結構是由三相六個橋臂構成，每相包括上下兩個橋臂；其中，以三相橋臂的公共點作為接入直流系統的直流端口，以上下橋臂的中點作為接入交流系統的交流端口；每個橋臂中均包含一個橋臂電感和n個依次串聯且結構相同的mmc子模塊，n≥1；?在每個橋臂的橋臂電感和上下橋臂中點之間，均設有m個依次串聯且結構相同的耗能阻尼模塊，m≥1；

12、所述耗能阻尼模塊包括并聯的主通流支路、耗能支路和旁路回路；在主通流支路中，半控型開關器件t1或全控型開關器件s3與其續流二極管d1反向并聯后，再與全控型開關器件?t2或s4及其反向續流二極管d2進行反向串聯；耗能支路中包括耗能電阻rd，旁路支路中包括旁路開關k；

13、mmc換流閥的兩端分別通過直流斷路器接入高壓柔性直流輸電系統的母線。

14、作為本發明的優選方案，所述mmc子模塊是半橋功率模塊，包括兩個自帶反向二極管的開關功率器件和一個電容；所述耗能阻尼模塊中，半控型開關器件是晶閘管，全控型開關器件是三端半導體開關器件igbt，在耗能電阻rd的外部配置水冷散熱裝置。

15、作為本發明的優選方案，所述檢測控制單元用于實時監測直流側電流、交流側電壓以及直流故障穿越保護系統的運行參數，根據監測數據判斷故障狀態和電流是否趨于穩態，根據預定策略發出控制指令以協調耗能阻尼模塊、直流斷路器和mmc子模塊的動作；檢測控制單元包括檢測模塊和控制模塊，其中檢測模塊用于實時監測mmc換流閥的直流側電流和交流側輸出電壓，控制模塊用于接收監測信號并根據預設控制策略向mmc換流閥和直流斷路器發出控制信號。

16、作為本發明的優選方案，所述步驟（1）中，當mmc換流閥的交流側連接新能源場站時，按下式采取調壓限流策略：

17、；

18、其中，?uacfault為直流故障情況下mmc換流閥所調節的交流側電壓大小；uac為mmc換流閥正常運行情況下的交流側母線電壓；k為電壓調節系數，取值在0~0.8之間；所述新能源場站是指設于海上或陸上的風力發電場站，或者是設于陸上的光伏發電場站。

19、作為本發明的優選方案，所述步驟（1）中，當mmc換流閥的交流側連接強電網時，按下式采取閉鎖限流策略：

20、；

21、其中，uacfault為直流故障情況下mmc換流閥所調節的交流側電壓大小；uacfault_strong表示強電網下交流電壓調節的下限值；所述強電網具體是指設在陸上的常規交流大容量交流電網系統。

22、作為本發明的優選方案，所述步驟（2）中，在新的穩態階段，根據下式計算直流故障電流：

23、；

24、其中，idc為直流故障電流；t為工頻周期；t0為初始積分時刻；iu和id分別表示mmc換流閥中三相上下橋臂的電流；

25、為有效保證直流斷路器能夠可靠分斷故障電流，需確認直流故障電流idc小于直流斷路器額定工作電流idccb，通過預先選擇合理阻尼值的耗能阻尼模塊以及控制故障時投用適量的耗能阻尼模塊來滿足這一目標。

26、本發明還提供了一種計算設備，包括：至少一個處理器，以及與至少一個處理器通信連接的存儲器，其中，存儲器存儲有被至少一個處理器執行的指令，指令被至少一個處理器執行，以使所述至少一個處理器執行前述的基于耗能阻尼與直流斷路器的直流故障穿越方法。

27、本發明進一步提供了一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機指令，所述的計算機指令用于使所述計算機執行前述的基于耗能阻尼與直流斷路器的直流故障穿越方法。

28、發明原理描述：

29、在現有解決直流故障穿越的主流技術中，雖然已經出現了利用耗能模塊改良mmc換流閥的新技術。受制于故障限流方式以及分斷方式，目前研究大多采用電感限流以及直流斷路器分斷；利用混合型mmc中的電容抑制電流研究；以及采用耗能阻尼來實現故障限流。由于不同路線的直流故障穿越機理不同，目前研究人員尚未克服不同直流故障穿越方案下慣性思維方式。在解決直流故障穿越問題時，仍然拘泥于單獨采用三種技術路線的解決思路。本發明創造性地提出，將不同的技術路線進行有機結合，構建融合了直流斷路器、mmc換流閥和耗能模塊的全新直流故障穿越保護方案。具體包括：

30、（1）mmc換流閥：其內部的mmc子模塊在故障期間發揮關鍵的電壓調節和電流限流作用。當故障發生時，mmc子模塊可根據直流故障狀態選擇限流控制或閉鎖限流模式。在限流控制模式下，調整內部的控制參數，合理投切?mmc?閥體內部的mmc子模塊，實現對交流電壓的降壓調節，進而有效限制故障電流。mmc換流閥的控制策略與耗能阻尼模塊、直流斷路器的投運操作協同處理，推動故障電路回路進入新的穩態，以此將故障電流限制在直流斷路器的分斷容量內，為后續的分斷操作創造有利條件。

31、（2）耗能阻尼模塊：設于mmc?閥體的各上下橋臂中。作為故障電流限制的首要環節，該模塊在檢測到直流短路故障的瞬間即刻啟動。耗能阻尼模塊由耗能元件以及通流電力電子開關所構成，其中耗能元件采用合理阻值的電阻以及相應的水冷散熱裝置，電力電子開關采用全控型電力電子器件（譬如絕緣柵雙極型晶體管（igbt）或集成門極換流晶閘管（igct）等）或半控型電力電子器件（譬如晶閘管（gto）等）。在故障發生時，耗能阻尼模塊迅速投入用于抑制故障電流的快速上升，內部耗能電阻將故障電流攜帶的能量以熱能形式高效耗散，推動故障電路回路進入新的穩態，以此將故障電流限制在直流斷路器的分斷容量內，為后續分斷操作創造有利條件。

32、（3）直流斷路器：采用混合式結構，集成了快速機械開關和電力電子開關的優勢。直流斷路器中的快速機械開關選用真空快速機械開關，具備低損耗、高可靠性和快速開合的特性，在系統正常運行時承擔導通電流的任務，有效降低通態損耗。電力電子開關采用絕緣柵雙極型晶體管（igbt）或集成門極換流晶閘管（igct）等全控型電力電子器件，并配備完善的過流保護和過熱保護功能。受故障電流沖擊電流的限制，即使在投入合理電抗器的條件，短時間內故障電流將會上升至額定電流的數倍至數十倍。為了追求可靠分斷故障電流，直流斷路器通常需要并聯多組igbt閥組來實現故障電流通流以及分斷目標，而這一舉措大大增加了斷路器的成本。為了解決這一問題，本發明提出利用耗能阻尼模塊的穩態操作輔助直流斷路器的分斷操作，通過耗能阻尼模塊以及mmc和換流閥的限流措施，有效限制故障電流在一定范圍內，從而降低直流斷路器并聯組數，進而大大降低直流斷路器成本。當電力系統保護檢測與控制單元發出分斷指令時，電力電子開關迅速響應，快速切斷故障電流，與耗能阻尼模塊緊密配合，確保故障電流能夠被可靠分斷。

33、（4）檢測控制單元：負責實時監測直流側電流以及直流故障穿越保護系統的各項運行參數；根據監測數據判斷故障狀態和電流是否趨于穩態，根據預定策略發出控制指令以協調耗能阻尼模塊、直流斷路器和mmc子模塊的動作；確保整個系統在故障穿越過程中實現精確控制和穩定運行保障。

34、（5）系統調控與恢復機制：在故障發生時，通過限流調壓和投切操作，使故障電流的快速限制得到快速限制，降低直流斷路器的分斷難度。在系統進入恢復階段時，有序控制耗能阻尼模塊逐步退出工作，避免系統功率發生震蕩；確保從故障狀態平穩地過渡到正常運行狀態，減少對電力供應的影響，提高供電穩定性和可靠性。

35、通過以上所述直流斷路器與mmc換流閥內部元件的協同工作機制，本發明能夠實現快速、精準地限制直流故障電流，并在合理穩態值下對直流故障電流進行分斷。保障高壓柔性直流輸電系統在故障期間不脫離大電網，并能在故障后迅速恢復正常，有效克服現有技術中直流故障處理成本高、電力系統穩定性不足等問題。

36、與現有技術相比，本發明的有益效果是：

37、（1）高效故障處理能力：耗能阻尼模塊與直流斷路器的協同配合，實現了對故障電流的快速限制和可靠分斷。在故障發生瞬間，耗能阻尼模塊迅速限制故障電流的上升，為直流斷路器的分斷降低了分斷難度，兩者緊密協作，大大提高了故障處理的效率，有效降低了故障電流對系統設備的沖擊和損害風險，保障了系統的安全穩定運行。

38、（2）成本優勢：基于mmc換流閥及其內部耗能阻尼模塊的配合，可以采用更小容量的直流斷路器，能夠顯著降低設備的采購成本。同時，通過耗能阻尼模塊優化了系統的故障處理方式，減少了對昂貴的多組?igbt?串并聯技術的依賴，進一步降低了系統成本。這種成本優化策略使得高壓柔性直流輸電系統在大規模應用時更具經濟可行性，有助于推動行業的發展。

39、（3）增強系統穩定性：mmc換流閥在故障期間通過靈活的限流控制策略，與耗能阻尼模塊、直流斷路器協同工作；無需將mmc換流閥與交流電網隔離，維持了系統的基本運行能力。即使在故障情況下能保持一定的穩定性，減少了因故障導致系統崩潰的可能性，提高了電力供應的可靠性，保障了用戶的用電需求。

40、（4）平穩的系統恢復：系統恢復機制確保了故障處理后系統能夠平穩過渡到正常運行狀態。mmc?換流閥的有序恢復和耗能阻尼模塊的逐步退出，有效避免了系統功率震蕩，減少了故障對電力供應的影響，提高了電力系統的穩定性和供電連續性。