一種基于直流母線雙極等電位的MMC?HVDC直流短路故障穿越方法與流程
發明涉及一種基于直流母線雙極等電位的mmc-hvdc直流短路故障穿越方法，屬于柔性直流輸電系統直流故障控制保護方法。
背景技術：
基于mmc的柔性直流輸電技術，具有經濟靈活、可以向無源網絡供電、獨立的控制有功功率和無功功率和輸出電能質量高等優勢，已被廣泛應用在風電場并網、異步電網互聯，遠距離大容量輸電等領域。柔性直流輸電雖然有上述眾多優勢，但是目前存在的柔性直流輸電工程中，不論是兩電平、三電平還是半橋型的mmc拓撲，都不能在直流側線路發生故障時通過閉鎖換流器快速阻斷故障電流。并且由于直流故障電流無法自然過零點，熄弧困難，柔性直流系統中、大容量直流斷路器的商業應用尚不成熟。
目前，針對該問題主要的解決方法就是利用換流器自身實現直流故障自清除。近年來國內外學者提出的各類具有直流故障自清除能力mmc子模塊，包括：全橋子模塊拓撲結構和箝位雙子模塊、串聯雙子模塊、混合型子模塊、增強自阻型子模塊、二極管箝位型子模塊等半橋型改進拓撲如圖4所示。這些半橋型改進拓撲結構既保留了直流故障自清除的能力又降低了全橋子模塊所需的電力電子器件的數量。mmc直流側發生故障之后，迅速的閉鎖換流器可以快速的阻斷故障電流，并且子模塊的電容電壓在沒有功率消耗的情況下會保持不變，有利于換流器故障消除后的重新啟動和直流側電壓的建立。但是實際工程中，子模塊具有恒功率負載特性，換流器閉鎖后子模塊電容電壓會出現逐漸下降并發散的現象，最終導致交流斷路器跳閘。為了解決這一問題，有文獻提出來針對全橋子模塊的mmc直流側故障穿越方法，使換流器在故障期間保持可控的狀態，通過控制直流側正負極電壓為零，并維持電容電壓的平衡，實現直流側的故障穿越。這種方法只能適用于全橋子模塊結構，采用的igbt比半橋型子模塊多了一倍。所以現在亟待需要提出一種新型的mmc-hvdc直流雙極短路故障穿越方法。
技術實現要素：
發明目的：針對上述現有技術，提出一種基于直流母線雙極等電位的mmc-hvdc直流短路故障穿越方法，在換流器可控的情況下控制上、下橋臂電壓抵住電網電壓以達到控制直流側短路電流接近為零的目的，并在故障穿越期間并維持直流側電容電壓的平衡。
技術方案：一種基于直流母線雙極等電位的mmc-hvdc直流短路故障穿越方法，包括如下步驟：
步驟1，檢測是否發生直流雙極短路故障，故障發生后換流器的控制方式由正常運行模式切換到故障穿越模式；
步驟2，運行故障穿越模式；
步驟3，判斷直流側線路雙極短路故障是否已經清除，故障清除以后切換回正常運行模式，恢復功率傳輸。
作為本發明的優選方案，所述步驟2包括如下具體步驟：
步驟2.1，采集電網電壓usa，usb，usc和網側電流ia，ib，ic并對電網電壓和網側電流進行clark和park變換，得到d軸分量和q軸分量的電網電壓usd，usq和網側電流id，iq；
步驟2.2，采集mmc中三相上橋臂中各個子模塊的電容電壓ualpi，ublpi，uclpi和下橋臂中各個子模塊的電容電壓ualni，ublni，uclni，并對三相上、下橋臂中子模塊電容電壓進行分別相加得到三相上橋臂中電容電壓之和ualp，ublp，uclp和三相下橋臂電容電壓之和ualn，ubln，ucln，其中i＝1,2…n；
步驟2.3，根據由步驟2.1得到的usa，usb，usc判斷三相電網電壓的極性，根據三相電網電壓的極性去判斷并選擇對應的mmc模塊三相上、下橋臂的閉鎖和導通，具體為：
a相控制方法為：
當usa>0時，控制a相的上橋臂的igbt全部閉鎖；a相的下橋臂處于導通狀態；
當usa<0時，控制a相的下橋臂的igbt全部閉鎖；a相的上橋臂處于導通狀態；
b相控制方法為：
當usb>0時，控制b相的上橋臂的igbt全部閉鎖；b相的下橋臂處于導通狀態；
當usb<0時，控制b相的下橋臂的igbt全部閉鎖；b相的上橋臂處于導通狀態；
c相控制方法為：
當usc>0時，控制c相的上橋臂的igbt全部閉鎖；c相的下橋臂處于導通狀態；
當usc<0時，控制c相的下橋臂的igbt全部閉鎖；c相的上橋臂處于導通狀態；
步驟2.4，根據步驟2.2和步驟2.3得到故障穿越模式下mmc處于導通狀態的上、下橋臂，將處于導通狀態的三相上、下橋臂中所有子模塊電容電壓相加得uabcl；
步驟2.5，將由步驟2.4得到的uabcl乘以1/3n得到處于導通狀態的上、下橋臂中所有子模塊電容電壓的平均值
步驟2.6，將由步驟2.5得到的網側電流參考值
步驟2.7，將由步驟2.5得到網側電流的q軸分量的給定值
步驟2.8，將電網電壓usd加上ω(l+l0)iq，再減去由步驟2.6得到的
步驟2.9，將步驟2.8得到的調制電壓
有益效果：本發明提出來的方法是基于直流母線雙極等電位的mmc-hvdc直流側線路雙極短路故障穿越方法，由于采用了上述方案，檢測到直流短路電流后迅速地切換到故障運行模式下，根據電網電壓的極性控制mmc三相上、下橋臂的閉鎖和導通，在換流器可控的情況下控制上、下橋臂電壓抵住電網電壓以達到直流側短路故障電流接近為零并維持直流側電容電壓平衡的目的。
本發明的直流雙極短路故障穿越方法，是基于具有直流故障自清除能力的半橋型改進拓撲，與全橋子模塊相比降低了電力電子器件的數量。并且無需交流斷路器跳閘，使換流器在可控狀態下實現故障穿越，并在故障穿越期間維持子模塊電容電壓的平衡。故障消除后可快速恢復功率傳輸。
附圖說明
圖1為本發明的mmc雙極短路故障運行流程圖；
圖2為本發明的mmc故障運行模式下的控制結構圖；
圖3為本發明的單端mmc主電路拓撲結構圖；
圖4為本發明可使用的具有直流故障自清除能力的半橋型改進拓撲結構圖；(a)混合型子模塊拓撲結構；(b)箝位型雙子模塊拓撲結構；(c)串聯雙子模塊拓撲結構；(d)二極管箝位型子模塊拓撲結構；(e)增強自阻型子模塊拓撲結構；
圖5為本發明的三相上、下橋臂導通開關控制情況圖；
圖6為本發明的mmc故障運行時幾條潛在通路圖；
圖7為本發明的mmc故障運行模式下的等效電路圖；
圖8(a)為本發明的五電平mmc直流側電流idc波形圖；
圖8(a)為本發明的五電平mmc直流側電壓udc波形圖；
圖9(a)為本發明的五電平mmc的a相子模塊電容電壓波形圖；
圖9(b)為本發明的五電平mmc的b相子模塊電容電壓波形圖；
圖9(c)為本發明的五電平mmc的c相子模塊電容電壓波形圖；
圖2中，1、電網電源；2、模塊化多電平換流器(mmc)；3、電網電壓的檢測單元；4、網側電流的檢測單元；5、軟鎖相環單元；6、mmc三相上、下橋臂電容電壓檢測單元7、電壓外環控制單元；8、電流內環控制單元；9、cps-pwm調制單元。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
一種基于直流母線雙極等電位的mmc-hvdc直流短路故障穿越方法，如圖1所示，具體實施方法共有三個步驟：包括1、檢測是否發生直流雙極短路故障，故障發生后換流器的控制方式切換到故障穿越模式；2、運行故障穿越模式3、判斷是否解除故障，故障清除后切換回正常運行模式，恢復功率傳輸。
其中，步驟1通過電流互感器檢測到直流雙極短路的故障電流值，故障電流超過預設閥值后，將換流器的控制方式由正常運行模式切換到故障穿越模式。
如圖2所示，步驟2的運行故障穿越模式過程：
步驟2.1，采集電網電壓usa，usb，usc和網側電流ia，ib，ic并對電網電壓和網側電流進行clark和park變換，得到d軸分量和q軸分量的電網電壓usd，usq和網側電流id，iq；
步驟2.2，采集mmc中三相上橋臂中各個子模塊的電容電壓ualpi，ublpi，uclpi和下橋臂中各個子模塊的電容電壓ualni，ublni，uclni，并對三相上、下橋臂中子模塊電容電壓進行分別相加得到三相上橋臂中電容電壓之和ualp，ublp，uclp和三相下橋臂電容電壓之和ualn，ubln，ucln，其中i＝1,2…n；
步驟2.3，根據由步驟2.1得到的usa，usb，usc判斷三相電網電壓的極性，根據三相電網電壓的極性去判斷并選擇對應的三相上、下橋臂的閉鎖和導通，具體為：
a相控制方法為：
當usa>0時，控制a相的上橋臂的igbt全部閉鎖；a相的下橋臂處于導通狀態；
當usa<0時，控制a相的下橋臂的igbt全部閉鎖；a相的上橋臂處于導通狀態；
b相控制方法為：
當usb>0時，控制b相的上橋臂的igbt全部閉鎖；b相的下橋臂處于導通狀態；
當usb<0時，控制b相的下橋臂的igbt全部閉鎖；b相的上橋臂處于導通狀態；
c相控制方法為：
當usc>0時，控制c相的上橋臂的igbt全部閉鎖；c相的下橋臂處于導通狀態；
當usc<0時，控制c相的下橋臂的igbt全部閉鎖；c相的上橋臂處于導通狀態；
步驟2.4，根據步驟2.2和步驟2.3得到故障穿越模式下mmc處于導通狀態的上、下橋臂，將處于導通狀態的三相上、下橋臂中所有子模塊電容電壓相加得uabcl；
步驟2.5，將由步驟2.4得到的uabcl乘以1/3n得到處于導通狀態的上、下橋臂中所有子模塊電容電壓的平均值
步驟2.6，將由步驟2.5得到的網側電流參考值
步驟2.7，將由步驟2.5得到網側電流的q軸分量的給定值
步驟2.8，將電網電壓usd加上ω(l+l0)iq，再減去由步驟2.6得到的
步驟2.9，將步驟2.8得到的調制電壓
檢測并判斷短路故障是否清除，如果故障沒有清除mmc繼續運行在故障穿越模式，如果故障已經清除mmc的運行模式由故障穿越模式切換到正常運行模式，恢復功率傳輸。
本發明的基本原理如下：
基于直流故障自清除能力的半橋型改進子模塊mmc中igbt全部閉鎖后，可以迅速阻斷直流側短路電流，此時換流器在穩態時相當于在三相上、下橋臂上加了一個虛擬的導通開關skp，skn(k＝a，b，c)，mmc正常工作時虛擬導通開關處于導通狀態，mmc三相上、下橋臂igbt全部閉鎖時虛擬導通開關處于斷開狀態，等效的mmc主電路拓撲如圖3所示。
圖3中usk為交流側三相電源電壓(k＝a，b，c)；l，r為交流側電源和線路上等效的阻抗。uko為換流站出口交流輸出電壓(k＝a，b，c)，ik為交流側三相電流(k＝a，b，c)，o為交流側相電壓的中性點，ukp，ukn分別表示k相的上、下橋臂的電壓，ikp，ikn分別表示k相的上、下橋臂的電流，下標p，n分別表示模塊化多電平換流站的上橋臂和下橋臂。l0為換流器的橋臂電抗，udc為直流側電壓，idc為直流側電流，p、n分別表示換流站直流側的正負極。
根據圖3可以寫出，若是交流側電網可以向直流側潰入故障電流。可能存在的通路有6條，由基爾霍夫電壓定律可得：
式(1)中upn為直流母線正負間的電壓。
由基爾霍夫電流定律：
iap+ibp+icp＝ian+ibn+icn＝idc(2)
式(2)中idc為直流側電流。
對于三相平衡電網可得：
由式(1)各式相加除以2可得：
化簡得：
換流器直流側故障穿越需要滿足upn＝0，idc＝0。
則式(5)可以化為
(uap+ubp+ucp)+(uan+ubn+ucn)＝0(6)
不考慮mmc子模塊冗余，具有直流故障自清除能力的半橋型改進拓撲，與全橋子模塊不同，當子模塊處于正常工作狀態時，子模塊只能輸出非負電平，本發明以半橋型改進拓撲結構—增強自阻型子模塊為例分析，子模塊在正常運行模式時，0≤ukn，ukp≤nuc(k＝a，b，c)，其中uc為子模塊電容電壓，n為每個橋臂子模塊個數。
在mmc上、下橋臂不閉鎖的情況下，只有當uan＝ubn＝ucn＝uap＝ubp＝ucp＝0時式(6)才能成立，但是此時相當于交流側三相短路，這種方法有文獻采用基于半橋型子模塊的改進雙晶閘管法，直流故障后閉鎖換流器，故障電流從晶閘管流過，抑制直流側的故障電流，但這種方法把直流側故障轉化為了交流側三相短路故障，發生永久性故障最終會導致交流斷路器跳閘。無法在不使交流斷路器跳閘的情況下實現直流側故障穿越。
把式(4)改寫成以下形式得：
若可以滿足
即可實現換流器直流側故障穿越，
因為，0≤ukn，ukp≤nuc(k＝a，b，c)，控制方法如下：當交流側相電壓為正時，閉鎖上橋臂全部igbt，控制下橋臂電壓ukn＝usk，此時控制下橋臂電流接近為零，ikn＝ik≈0；當交流側相電壓為負時，閉鎖下橋臂全部igbt，控制上橋臂電壓ukp＝-usk，此時控制上橋臂電流接近為零，ikn＝-ik≈0，這是實現mmc直流側雙極短路故障穿越方法。直流側電流idc為mmc三相處于導通狀態的上橋臂電流之和，或者為mmc三相處于導通狀態的下橋臂電流之和。因為上、下橋臂電流可以控制接近為零，所以直流側電流不為零而是在零附近波動。
由前文分析可知，mmc三相上、下橋臂的閉鎖和導通情況，相當于在mmc三相六個橋臂分別有個虛擬的導通開關skp，skn(k＝a，b，c)，實際上這些導通開關是不存在的，導通開關對應關系如表1所示下：
表1
上、下橋臂虛擬的導通開關skp，skn(k＝a，b，c)在開關狀態上互補，skp+skn＝1，其中
mmc三相上、下橋臂虛擬的導通開關skp，skn，在一個工頻周期內一共有六個區間，不同的區間mmc上、下橋臂閉鎖和導通的情況如圖5所示：
當采用基于增強自阻型子模塊mmc-hvdc直流雙極短路故障穿越控制方法時，以第三區間為例分析mmc故障運行時是否存在潛在的通路，第三區間時a相電壓極性為正，b相電壓極性為正，c相電壓極性為負時刻為例，根據控制方式a相的下橋臂導通，上橋臂閉鎖，b相的下橋臂導通，上橋臂閉鎖，c相的上橋臂導通，下橋臂閉鎖。此刻交流系統饋入直流網絡或換流器潛在通路的存在三條如圖6所示，經換流器兩相上、下橋臂和直流側故障弧道構成的路徑1和路徑2；經換流器內部兩相上橋臂(下橋臂)構成的路徑3。
若路徑1存在通路則必有式(9)成立
ud＞0(9)
式(9)中ud為a相上橋臂等效的串聯二極管上的壓降。
根據基爾霍夫電壓定律：
式(10)中uao為換流器a相出口電壓，upo為直流母線正極p點到交流側相電壓中性點o的電壓。
但是正常工作時mmc輸出電壓調制m小于等于1，
式(11)中udc為直流側電壓，uph為交流相電壓的幅值，uc模塊電容電壓，n為mmc一個橋臂子模塊的個數。
由式(10)和式(11)可得
由式(9)和式(12)相矛盾可知路徑1通路不存在。
其他兩條通路采取上述同樣的分析方法，得出潛在的三條通路都不存在。
對圖3所示mmc，根據故障穿越方法，重新寫出換流器的數學模型。
式(13)中vk為k相(k＝a，b，c)處于導通狀態的上、下橋臂電壓。
忽略交流側等效電阻，對式(13)進行三相靜止坐標到兩相旋轉坐標變換(abc/dq)
式(13)中：usd、usq分別為電網電壓矢量的d、q分量；vd、vq分別為處于導通狀態的上、下橋臂電壓矢量的d、q分量；id、iq分別為變流器網側電流矢量的d、q分量；ω為電網角頻率。
以第三區間為例分析mmc故障運行時的通路，第三區間時a相電壓極性為正，b相電壓極性為正，c相電壓極性為負時刻為例，根據控制方式a相的上橋臂igbt全部閉鎖，控制下橋臂電壓uan＝va，b相的上橋臂igbt全部閉鎖，控制下橋臂電壓ubn＝vb，c相的下橋臂igbt全部閉鎖，控制上橋臂電壓ucp＝-vc。因此在故障模式下運行的mmc可以等效為鏈式星型接法時控制，p點和n點電位近似相等，如圖7所示。
為了驗證上述的基于直流母線雙極等電位的的mmc直流雙極短路故障穿越方法，在pscad軟件中搭建單端五電平mmc-hvdc系統進行仿真驗證。仿真參數如表2所示：
表2
圖8(a)、(b)為0.51s時mmc發生直流側雙極短路故障，0.513s后投入本發明提出的雙極短路故障穿越方法后直流側電流idc和直流側電壓udc波形，從圖8(a)、(b)可以看出，在直流側故障發生后直流側電流迅速增加，直流側電壓瞬間下降為零，在0.513s后投入本發明提出的雙極短路故障穿越方法后，直流側短路電流idc快速減小，穩態時idc在很小的范圍內波動，使換流器在可控的情況下實現直流側故障穿越。
圖9(a)、(b)、(c)為0.51s時mmc發生直流側雙極短路故障，0.513s后投入本發明提出的雙極短路故障穿越方法后a、b、c三相子模塊電容電壓波形，從圖9(a)、(b)、(c)可以看出子模塊電容電壓能夠維持在額定值附近波動，有利于換流器的故障解決后直流側電壓的建立。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！