CN102868290A - 全桥型mmc-hvdc子模块故障就地诊断与保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输配电技术领域的一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法。其技术方案,通过监测子模块的电气量和通信状态实现故障的就地诊断,并将故障信号传送到阀基控制器VBC，然后子模块控制器SMC闭锁故障子模块，并触发旁路装置旁路故障子模块，实现故障子模块和系统的保护。本发明提出一种全桥型MMC-HVDC子模块故障的就地诊断与保护方法，可以实时监测子模块状态并在子模块故障后保护系统和故障子模块，提出一种由通信故障或子模块控制器SMC上级控制器故障导致的信号传输通道切换时能保持系统稳定运行的方法。

Description

全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法。

背景技术

模块化多电平换流器MMC自西门子公司提出之后就备受关注。它通过在换流器正、负直流母线之间串联子模块单元来构成多电平输出的结构，该拓扑具有无需大量绝缘栅双极型晶体管IGBT直接串联，器件承受电压电流变化率低，无需滤波器等优点，从而克服了传统两电平和三电平电压源换流器的全控型开关器件的耐压与功率限制问题，故其应用于高压直流输电中的模块化多电平换流器MMC-HVDC的研究引起国内外学者的广泛重视。

模块化多电平换流器MMC常见的拓扑结构有半桥型模块化多电平换流器HB-MMC和全桥型模块化多电平换流器FB-MMC，半桥型模块化多电平换流器HB-MMC输出交流电压的峰值小于单极直流电压，否则将通过二极管形成交流侧向直流侧导通通路从而导致短路，直流侧故障时会导致该情况发生。有文献提出的全桥型模块化多电平换流器FB-MMC，其子模块采用全桥子模块FBSM,其工作原理及控制方式与半桥型模块化多电平换流器HB-MMC类似，换流器损耗和建设投资也成倍增加，但其具有穿越直流故障的能力，通过灵活应用子模块输出的负电平可令逆变器输出交流电压的峰值大于单极直流电压，从而通过减小桥臂电流降低换流器损耗，提高直流电压利用率。由于模块化多电平换流器MMC由大量级联子模块构成，故一旦子模块故障，若不采取任何措施，换流器将无法正常工作，因此一般每个桥臂都要配置冗余模块，一旦检测到子模块故障将投入冗余子模块。有文献对半桥型模块化多电平换流器HB-MMC的冗余保护进行了研究，但高压直流输到系统的全桥型模块化多电平换流器FB-MMC-HVDC子模块故障的诊断及故障后的保护尚未有系统全面的研究。

发明内容

本发明针对全桥型模块化多电平高压直流输电系统FB-MMC-HVDC的系统故障进行研究，提出了一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法。

一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：通过监测子模块的电气量和通信状态，实现全桥型子模块故障的就地诊断；

步骤2：诊断到子模块故障信号时，子模块控制器SMC闭锁故障子模块，同时将故障信号传送到阀基控制器VBC；

步骤3：闭锁子模块后通过子模块控制器SMC触发旁路装置旁路故障子模块，实现故障子模块和系统的保护；

步骤4：单个子模块故障发生后，阀基控制器VBC在排序时跳过故障子模块，用于保证故障子模块的触发脉冲始终为0；

步骤5：当故障子模块个数大于桥臂冗余子模块个数时，由阀基控制器VBC发出全站闭锁信号，使整个换流站停运；

步骤6：通信故障或上级控制器故障发生时，将故障数据传输通道切换至冗余通道或将故障控制器切换至冗余控制器，若信号传输通道切换时间过长，则通过调用历史脉冲命令的方法保持系统稳定。

步骤1中，全桥型子模块故障包括电力电子器件故障、储能电容故障和触发脉冲丢失故障，具体故障的诊断方法为：

（1）电力电子器件的故障诊断：电力电子器件故障是通过实时监测子模块桥臂电流、电容电压和电力电子器件的电气量数据，与稳态时的状态逻辑进行对比，若状态不一致，则输出故障信号；

（2）储能电容故障诊断：通过监测电容的电压值，并将监测到电压值与设定的第一阈值进行差值比较，若差值的绝对值大于设定的第二阈值，则输出故障信号；

（3）触发脉冲丢失故障诊断：通过监测通信中阀基控制器VBC发出的脉冲与子模块控制器SMC返回的触发脉冲是否一致；发生故障后，将故障通信光纤切换至冗余光纤。

步骤3中，子模块故障后SMC将触发旁路装置,通过反并联晶闸管实现快速旁路，同时闭合电磁开关，电磁开关闭合后实现永久旁路。

步骤4中，阀基控制器VBC在排序时跳过故障子模块的方法采用将故障子模块电容电压赋极值或边界值，用于保证故障子模块的触发脉冲始终为0。

步骤6中，阀基控制器VBC和子模块控制器SMC间通信采用光纤通信；调用历史脉冲命令的方法保持系统稳定的方法包括：

步骤a：根据单个桥臂导通子模块个数周期性变化的特点，时刻存储n个周期的触发脉冲指令并动态更新；

步骤b：判断通信故障或上层控制器故障时，通道切换时间是否超过设定时长；若超过设定时长，则执行步骤c；

步骤c：调用n个周期前的触发指令保持系统稳定。

任一时刻单个桥臂子模块导通个数计算方法：

任一相上、下桥臂导通的子模块个数为：

式（1）中，n_上为上桥臂导通的子模块个数，n_下为下桥臂导通的子模块个数，f_INT为取整函数，E_ref为参考调制波，U_SM为子模块额定电压，U_dc为换流器正负极直流母线间的电压差。

由式（1）可知，单个桥臂子模块导通个数呈周期性变化且周期与系统周期相同，因此若发生触发脉冲丢失或上级控制器故障时，根据信号传输通道切换时间的长短，可在切换期间令整个桥臂先调用n个周期之前的导通命令以保证系统稳定运行，切换成功后再采用实时计算的导通命令。

本发明提出一种全桥型MMC-HVDC子模块故障的就地诊断与保护方法，可以实时监测子模块状态并在子模块故障后保护系统和故障子模块，提出一种由通信故障或子模块控制器SMC的上级控制器故障导致的信号传输通道切换时能保持系统稳定运行的方法。

说明书附图

图1是本发明提供的全桥型MMC-HVDC的拓扑结构图；

图2是本发明提供的全桥子模块FBSM的拓扑结构图；

图3是本发明提供的半桥子模块HBSM的拓扑结构图；

图4是本发明提供的一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法的全桥子模块故障诊断与保护系统示意图；其中，图a是子模块发生故障时的诊断与保护流程图；图b是通信故障或上层控制器故障时的调用历史触发指令的流程图；

图5是本发明提供的一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法的全桥子模块FBSM的故障诊断装置示意图；

图6是本发明提供的一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法的全桥子模块FBSM的旁路开关的设置图；

图7是本发明提供的一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法的跳过故障子模块的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的全桥型MMC-HVDC的拓扑结构图。图1中，A,B,C,表示换流器交流侧三相；SM1，SM2，…，SMn表示换流器某桥臂中第1,2，...,n个子模块；L表示桥臂电抗器；U_dc表示换流器正负极直流母线间的电压差。N为无冗余时的桥臂子模块个数，N₀为单个桥臂冗余子模块冗余个数。

图2是本发明提供的全桥子模块FBSM的拓扑结构图。图2中，T₁、T₂、T₃和T₄分别表示全桥子模块中的四个绝缘栅双极型晶体管IGBT；D₁、D₂、D₃和D₄分别表示相应绝缘栅双极型晶体管IGBT的反并联二极管；C0表示全桥子模块中电容器；U_c表示子模块电容电压；U_SM表示子模块端口输出电压。

图3是本发明提供的半桥子模块HBSM的拓扑结构图。图3中，T₁和T₂分别表示半桥子模块中上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT；D₁和D₂分别表示相应绝缘栅双极型晶体管IGBT的反并联二极管；C₀表示半桥子模块中电容器；U_c表示子模块电容电压；U_SM表示子模块端口输出电压。

实施例：

一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法，具体包括以下步骤：

步骤1：全桥型子模块故障的诊断。

常见全桥型子模块故障一般包括电力电子器件故障、储能电容故障和触发脉冲丢失故障三种。

（1）电力电子器件的故障诊断：电力电子器件故障是通过实时监测子模块桥臂电流、电容电压和电力电子器件的电气量数据，与稳态时的状态逻辑进行对比，若状态不一致，则输出故障信号；随着电力电子技术的发展，电力电子器件内置电压、电流测量技术也不断发展，为该方法提供了可行性。

表1为子模块FBSM正常情况下的状态，其中V_n（n=1，...4）表示绝缘栅双极型晶体管IGBT两端的电压；i_n表示流过绝缘栅双极型晶体管IGBT的电流；i_dn表示流过续流二极管的电流

表1子模块稳态时的状态逻辑

（2）储能电容故障诊断：通过监测电容的电压值，并将监测到的电压值与设定的第一阈值进行差值比较，若差值的绝对值大于设定的第二阈值，则输出故障信号。

（3）触发脉冲丢失故障诊断：触发脉冲丢失故障一般是由光纤通信故障引起，因此可通过监测通信中阀基控制器VBC发出的脉冲与子模块控制器SMC返回的触发脉冲相比较，看是否一致。发生故障后，将故障通信光纤切换至冗余光纤。

步骤2：闭锁故障子模块。

诊断出子模块故障后，将由子模块控制器SMC闭锁故障子模块，同时将故障信号传送到阀基控制器VBC。

步骤3：用旁路装置旁路故障子模块，实现故障子模块和系统的保护。

子模块故障后子模块控制器SMC将触发旁路装置，由于电磁开关动作较慢，而反并联晶闸管长期接收触发脉冲实现旁路会使稳定性降低且成本增加，故通过反并联晶闸管实现快速旁路，同时闭合电磁开关，电磁开关闭合后实现永久旁路。旁路装置如图6所示。

步骤4：阀基控制器VBC在排序时跳过故障子模块，保证故障子模块的触发脉冲始终为0。

阀基控制器VBC的电容电压均衡方法一般采用排序法，单个子模块故障产生后，排序时须跳过故障模块，跳过故障子模块采用将故障子模块电容电压赋极值或边界值的方法实现，即：桥臂电流I_arm>0时，当调制得到的桥臂参考电压U_{arm_ref}>0，则将故障子模块电容电压赋极大值（如10⁶），当U_{arm_ref}<0，将故障子模块您电容电压赋极小值（如0）；I_arm<0时，当U_{arm_ref}>0，则将故障子模块电容电压赋极小值（如0），当U_{arm_ref}<0，则将故障子模块电容电压赋极大值（如10⁶）。如此保证故障子模块的触发脉冲始终为0。

步骤5：当故障子模块个数大于桥臂冗余子模块个数时，由阀基控制器VBC发出全站闭锁信号使整个换流站停运。

步骤6：通信故障或上级控制器故障时调用历史触发指令维持系统稳定。

阀基控制器VBC和子模块控制器SMC间通信一般采用光纤通信，通信故障时将故障数据传输通道投入冗余光纤，同时子模块控制器SMC上级控制器（主控制器MC和阀基控制器VBC）故障时将故障控制器投入冗余控制系统。正常情况下设置存储器存储前n（n为整数，根据信号传输通道切换时间确定）个周期的触发信号并动态更新，信号传输通道切换期间，整个桥臂触发指令调用n个周期前的触发信号，保证切换期间直流电压恒定和系统稳定运行。

步骤6中任一时刻单个桥臂子模块导通个数计算方法如下：

任一相上、下桥臂导通的子模块个数为：

式（1）中，n_上为上桥臂导通的子模块个数，n_下为下桥臂导通的子模块个数，f_INT为取整函数，E_ref为参考调制波，U_SM为子模块额定电压，U_dc为换流器正负极直流母线间的电压差。

由式（1）可知，单个桥臂子模块导通个数呈周期性变化且周期与系统周期相同，因此若发生触发脉冲丢失或上级控制器故障时，根据信号传输通道切换时间的长短，可在切换期间令整个桥臂先调用n个周期之前的导通命令以保证系统稳定运行，切换成功后再采用实时计算的导通命令。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：通过监测子模块的电气量和通信状态，实现全桥型子模块故障的就地诊断；

步骤2：诊断到子模块故障信号时，子模块控制器SMC闭锁故障子模块，同时将故障信号传送到阀基控制器VBC；

步骤3：闭锁子模块后通过子模块控制器SMC触发旁路装置旁路故障子模块，实现故障子模块和系统的保护；

步骤4：单个子模块故障发生后，对于采用排序法实现电容均压的系统，阀基控制器VBC在排序时跳过故障子模块，用于保证故障子模块的触发脉冲始终为0；

步骤5：当故障子模块个数大于桥臂冗余子模块个数时，由阀基控制器VBC发出全站闭锁信号，使整个换流站停运；

步骤6：通信故障或上级控制器故障发生时，将故障数据传输通道切换至冗余通道或将故障控制器切换至冗余控制器，若信号传输通道切换时间过长，则通过调用历史脉冲命令的方法保持系统稳定。

2.根据权利要求1所述的一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法，其特征在于，步骤1中，全桥型子模块故障包括电力电子器件故障、储能电容故障和触发脉冲丢失故障，具体故障的诊断方法为：

（1）电力电子器件的故障诊断：电力电子器件故障是通过实时监测子模块桥臂电流、电容电压和电力电子器件的电气量数据，与稳态时的状态逻辑进行对比，若状态不一致，则输出故障信号；

（2）储能电容故障诊断：通过监测电容的电压值，并将监测到的电压值与设定的第一阈值进行差值比较，若差值的绝对值大于设定的第二阈值，则输出故障信号；

（3）触发脉冲丢失故障诊断：通过监测通信中阀基控制器VBC发出的脉冲与子模块控制器SMC返回的触发脉冲是否一致；发生故障后，将故障通信光纤切换至冗余光纤。

3.根据权利要求1所述的一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法，其特征在于，步骤3中，快速旁路故障子模块的方法通过反并联晶闸管实现，永久旁路通过电磁开关实现。

4.根据权利要求1所述的一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法，其特征在于，步骤4中，阀基控制器VBC在排序时跳过故障子模块的方法采用将故障子模块电容电压赋极值或边界值，用于保证故障子模块的触发脉冲始终为0。

5.根据权利要求1所述的一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法，其特征在于，步骤6中，调用历史脉冲命令的方法保持系统稳定的方法包括：

步骤a：根据单个桥臂导通子模块个数周期性变化的特点，时刻存储n个周期的触发脉冲指令并动态更新；

步骤b：判断通信故障或上层控制器故障时，通道切换时间是否超过设定时长；若超过设定时长，则执行步骤c；

步骤c：调用n个周期前的触发指令保持系统稳定。

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