CN103715658A - 一种模块化多电平换流器桥臂短路故障的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及换流器的故障保护方法，具体涉及一种模块化多电平换流器桥臂短路故障的保护方法。包括以下步骤：1)设置模块化多电平换流器桥臂并联保护开关的故障检测时间间隔Δt；2)设置故障动作阈值Q；3)设置电压阈值Ulim.ac和Ulim.arm；4)检测模块化多电平换流器的交流端对地电压Uac(t)，计算Q1=abs(aveage(Uac(Δt)))-Ulim.ac；5)检测模块化换流器的桥臂电压Uarm(t)，计算Q2=abs(aveage(Uarm(Δt)))-Ulim.arm；6)判断：如果Q2×Q1>Q，则发生桥臂短路故障；7)当判断模块化多电平换流器发生桥臂短路故障，触发健全相桥臂并联保护开关。本发明采用桥臂并联保护开关，降低了模块化多电平换流器的桥臂短路故障持续时间，使变压器承受的直流偏执电压和换流器桥臂承受的过电压降低，减少了设备要求和造价，提高了经济性和安全性。

Description

一种模块化多电平换流器桥臂短路故障的保护方法
技术领域
本发明涉及换流器的故障保护方法，具体涉及一种模块化多电平换流器桥臂短路故障的保护方法。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种基于可关断器件和脉宽调制技术为基础的换流器，目前最常被使用的可关断器件是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。与传统的线电压换相换流器(Line Commutated Converter,LCC)相比，模块化多电平换流器使用了大量的储能电容器，同时通过脉宽调制技术使运行中换流器输出电压波形保持不变。因此，从电网运行电压稳定和降低电压交流谐波的角度考虑，模块化多电平换流器具有明显优点。
正常运行时，模块化多电平换流器交流端对地输出电压为阶梯电压波形，通过桥臂电抗器或变压器的平波作用，输出到交流系统的电压为标准的工频正弦波形。在模块化多电平换流器在运行过程中，由于子模块失效、换流阀交流输出端与直流输出端发生短路以及阀控系统故障等都可使模块化多电平换流器桥臂发生短路故障。
模块化多电平换流器桥臂短路故障的主要危害包括：1)换流器的输出电压波形变为带直流偏置的正弦波形，使桥臂电抗器或(和)变压器的运行电压出现直流偏置，设备噪声和损耗增加；2)使同一交流端连接的非故障桥臂承受工频过电压，可能导致电力电子器件和电容器出现故障，甚至发生爆炸。
现有的桥臂短路故障保护方法是在发生桥臂短路故障后，闭锁换流器，同时跳开交流断路器使换流器退出运行。闭锁换流器可以一定程度上避免故障扩大，但由于在断路器完全跳开前，通过换流器中的反并联二极管仍可导通故障电流，因此系统在此期间需要承受50～1000ms的故障应力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种模块化多电平换流器桥臂短路故障的保护方法，本发明采用桥臂并联保护开关，降低了模块化多电平换流器的桥臂短路故障持续时间，从而使变压器承受的直流偏执电压和换流器桥臂承受的过电压降低，减少了设备要求和造价，提高了经济性和安全性。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种模块化多电平换流器桥臂短路故障的保护方法，其改进之处在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：设置模块化多电平换流器桥臂并联保护开关的故障检测时间间隔Δt；
步骤2：设置故障动作阈值Q；
步骤3：设置放电电压阈值Ulim.ac和Ulim.arm；
步骤4：检测模块化多电平换流器的交流端对地电压Uac(t)，确定Q1=abs(aveage(Uac(Δt)))-Ulim.ac；
步骤5：检测模块化多电平换流器的桥臂电压Uarm(t)，确定Q2=abs(aveage(Uarm(Δt)))-Ulim.arm；
步骤6：根据步骤4的计算结果Q1和步骤5的计算结果Q2，确定Q1×Q2，如果Q2×Q1>Q，则判断模块化多电平换流器发生桥臂短路故障；
步骤7：当模块化多电平换流器发生桥臂短路故障时，触发健全相桥臂的并联保护开关。
进一步地，所述步骤1中，所述模块化多电平换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；
所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述模块化多电平换流器直流端的正负极母线；或
所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端串联电抗器后与另两相桥臂的电抗器连接，形成所述模块化多电平换流器直流端的正负极母线。
进一步地，所述步骤1中，所述模块化多电平换流器桥臂并联保护开关包括反并联的晶闸管，所述反并联的晶闸管与每相上下两桥臂中级联的子模块并联；或
所述模块化多电平换流器桥臂并联保护开关包括晶闸管串联支路；所述晶闸管串联支路与每相上下两桥臂中级联的子模块并联；所述晶闸管串联支路由串联的晶闸管组成。
进一步地，所述步骤1中，故障检测时间间隔Δt的为5～20ms。
进一步地，所述步骤2中，故障动作阈值Q为预设的正数，单位为kV。
进一步地，所述步骤3中，所述放电电压阈值Ulim.ac根据模块化多电平换流器的交流端对地输出电压计算，用于判断是否发生桥臂短路故障，单位为kV；其中，所述放电电压阈值Ulim.ac的优选值满足以下关系：
Figure BDA0000421044630000031
所述放电电压阈值Ulim.arm根据模块化多电平换流器的桥臂电压计算，用于判断是否发生桥臂短路故障，单位为kV；其中，所述放电电压阈值Ulim.arm的优选值满足以下关系：
Figure BDA0000421044630000032
进一步地，所述步骤4中，确定Q1时所述的abs(aveage(Uac(Δt)))表示对电压Uac(t)的平均值求绝对值。
进一步地，所述步骤5中，确定Q2时所述的abs(aveage(Uarm(Δt)))表示对电压Uarm(t)的平均值求绝对值。
进一步地，所述步骤6中，根据模块化多电平换流器交流端对地电压和桥臂电压的乘积判断桥臂是否发生短路故障，用于避免由于换流器内外其他故障造成的误动。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的方法由于采用桥臂并联保护开关，其并联保护开关包括大功率电力电子器件和必要的缓冲电路，与传统机械式断路器相比可大大降低换流器故障闭锁后桥臂短路故障持续时间，从而使变压器承受的直流偏置电压和换流器桥臂承受的过电压降低，减少了设备要求和造价，提高了经济性和安全性。
2.采用模块化多电平换流器交流端对地电压和换流器桥臂电压共同判断是否发生桥臂短路故障，可以避免换流器内外其他故障造成的桥臂并联保护开关误动，提高了桥臂短路保护的准确性。
附图说明
图1是模块化多电平换流器的第一种实施例；
图2是模块化多电平换流器的第二种实施例；
其中：1、2均表示子模块；3、4均表示电抗器；5表示模块化多电平换流器的交流端；6表示模块化多电平换流器正极直流端；7表示模块化多电平换流器负极直流端；
图3是根据模块化多电平换流器第一种实施例的桥臂并联保护开关的一种实施例；其中：300表示包括反并联的晶闸管的桥臂并联保护开关；
图4是根据模块化多电平换流器第二种实施例的桥臂并联保护开关的一种实施例；其中：400表示包括串联晶闸管的桥臂并联保护开关；
图5是本发明实施例中模块化多电平换流器桥臂短路故障保护的实施步骤；
图6(a)是桥臂短路故障下模块化多电平换流器的交流端对地a相电压的波形图(无本发明保护)；
图6(b)是桥臂短路故障下模块化多电平换流器的交流端对地b相电压的波形图(无本发明保护)；
图6(c)是桥臂短路故障下模块化多电平换流器的交流端对地c相电压的波形图(无本发明保护)；
图7(a)是桥臂短路故障下模块化多电平换流器的交流端对地a相电压的波形图(采用本发明的实施步骤)；
图7(b)是桥臂短路故障下模块化多电平换流器的交流端对地b相电压的波形图(采用本发明的实施步骤)；
图7(c)是桥臂短路故障下模块化多电平换流器的交流端对地c相电压的波形图(采用本发明的实施步骤)；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供一种模块化多电平换流器桥臂短路故障的保护方法，其流程图如图5所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：设置模块化多电平换流器桥臂并联保护开关的故障检测时间间隔Δt：
所述模块化多电平换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；
其模块化多电平换流器的一种实施例如图1，上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块1和2；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器3或4与模块化多电平换流器的交流端5连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述模块化多电平换流器直流端6和7的正负极母线；
其模块化多电平换流器的另一种实施例如图2，上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块1和2；每个桥臂的子模块级联后一端与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端串联电抗器3后与另两相桥臂的电抗器4连接，形成所述模块化多电平换流器直流端6和7的正负极母线。
其并联保护开关包括大功率电力电子器件和缓冲电路。其并联保护开关的一种实施例如图3所示，包括反并联的晶闸管300，反并联的晶闸管300与模块化多电平换流器桥臂中级联的子模块并联，但不应包括电抗器，其优势在于通过电抗器降低流过并联保护开关故障电流的幅值和上升率。
其并联保护开关的另一种实施例如图4所示，包括串联的晶闸管400，串联的晶闸管与模块化多电平换流器桥臂中级联的子模块并联，但不应包括电抗器，其优势在于通过电抗器降低流过并联保护开关故障电流的幅值和上升率。
步骤2：设置故障动作阈值Q，该故障动作阈值Q为预设的正数，单位为kV
步骤3：设置放电电压阈值Ulim.ac和Ulim.arm；放电电压阈值Ulim.ac用于根据模块化多电平换流器的交流端对地输出电压判断是否发生桥臂短路故障，单位为kV，放电电压阈值Ulim.ac的优选值为：Ulim.ac=1.5×换流器交流端对地输出电压。
其放电电压阈值Ulim.arm用于根据模块化多电平换流器的桥臂电压判断是否发生桥臂短路故障，单位为kV，放电电压阈值Ulim.arm的优选值为：Ulim.arm=1.5×换流器桥臂电压。
步骤4：检测模块化多电平换流器的交流端对地电压Uac(t)，为判定是否发生桥臂短路故障计算Q1=abs(aveage(Uac(Δt)))-Ulim.ac，其中abs(aveage(Uac(Δt)))表示对电压Uac(t)的平均值求绝对值。
步骤5：检测模块化多电平换流器的桥臂电压Uarm(t)，为判定是否发生桥臂短路故障计算Q2=abs(aveage(Uarm(Δt)))-Ulim.arm。其中abs(aveage(Uarm(Δt)))表示对电压Uarm(t)的平均值求绝对值。
步骤6：根据步骤4的计算结果Q1和步骤5的计算结果Q2，计算Q1×Q2，如果Q2×Q1>Q，则判断模块化多电平换流器发生桥臂短路故障：根据换流器交流端对地电压和桥臂电压的乘积判断桥臂短路故障的优势在于可以避免由于换流器内外其他故障造成的误动，提高保护的准确性。
步骤7：当判断模块化多电平换流器发生桥臂短路故障，触发健全相桥臂并联保护开关。
桥臂短路故障下模块化多电平换流器的交流端对地三相电压的波形图如图6(a)、(b)和(c)以及7(a)、(b)和(c)所示，其中，图6(a)、(b)和(c)中未采用本发明的方法，图7(a)、(b)和(c)中采用本发明的方法，由图可知，采用本发明的方法交流端对地三相电压明显降低。
本发明提供的一种模块化多电平换流器桥臂短路故障的保护方法，采用桥臂并联保护开关，降低了模块化多电平换流器的桥臂短路故障持续时间，从而使变压器承受的直流偏执电压和换流器桥臂承受的过电压降低，减少了设备要求和造价，提高了经济性和安全性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种模块化多电平换流器桥臂短路故障的保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 
步骤1：设置模块化多电平换流器桥臂并联保护开关的故障检测时间间隔Δt； 
步骤2：设置故障动作阈值Q； 
步骤3：设置放电电压阈值Ulim.ac和Ulim.arm； 
步骤4：检测模块化多电平换流器的交流端对地电压Uac(t)，确定Q1=abs(aveage(Uac(Δt)))-Ulim.ac； 
步骤5：检测模块化多电平换流器的桥臂电压Uarm(t)，确定Q2=abs(aveage(Uarm(Δt)))-Ulim.arm； 
步骤6：根据步骤4的计算结果Q1和步骤5的计算结果Q2，确定Q1×Q2，如果Q2×Q1>Q，则判断模块化多电平换流器发生桥臂短路故障； 
步骤7：当模块化多电平换流器发生桥臂短路故障时，触发健全相桥臂的并联保护开关。 
2.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述步骤1中，所述模块化多电平换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端； 
所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述模块化多电平换流器直流端的正负极母线；或 
所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端串联电抗器后与另两相桥臂的电抗器连接，形成所述模块化多电平换流器直流端的正负极母线。 
3.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述步骤1中，所述模块化多电平换流器桥臂并联保护开关包括反并联的晶闸管，所述反并联的晶闸管与每相上下两桥臂中级联的子模块并联；或 
所述模块化多电平换流器桥臂并联保护开关包括晶闸管串联支路；所述晶闸管串联支路与每相上下两桥臂中级联的子模块并联；所述晶闸管串联支路由串联的晶闸管组成。 
4.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述步骤1中，故障检测时间间隔Δt的为5～20ms。 
5.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述步骤2中，故障动作阈值Q为预 设的正数，单位为kV。 
6.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述步骤3中，所述放电电压阈值Ulim.ac根据模块化多电平换流器的交流端对地输出电压计算，用于判断是否发生桥臂短路故障，单位为kV；其中，所述放电电压阈值Ulim.ac的值满足以下关系： 
Figure FDA0000421044620000021
所述放电电压阈值Ulim.arm根据模块化多电平换流器的桥臂电压计算，用于判断是否发生桥臂短路故障，单位为kV；其中，所述放电电压阈值Ulim.arm的值满足以下关系： 
Figure FDA0000421044620000022
。
7.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述步骤4中，确定Q1时所述的abs(aveage(Uac(Δt)))表示对电压Uac(t)的平均值求绝对值。 
8.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述步骤5中，确定Q2时所述的abs(aveage(Uarm(Δt)))表示对电压Uarm(t)的平均值求绝对值。 
9.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述步骤6中，根据模块化多电平换流器交流端对地电压和桥臂电压的乘积判断桥臂是否发生短路故障，用于避免由于换流器内外其他故障造成的误动。 
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