CN104362616A - 全桥子模块模块化多电平换流器直流短路故障穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全桥子模块模块化多电平换流器直流短路故障穿越方法。本发明通过将直流母线电压控制为零，达到在换流器受控且换流系统不脱网的状态下穿越直流短路故障的目的，尤其适合于直流架空线路传输等直流故障率较高的场合。基本原理为检测到直流短路电流后迅速翻转直流母线电压以抑制短路电流，待电流降落到正常范围内后，控制直流母线电压为0，维持交流侧无功功率输出；直流短路故障消除后，提升直流母线电压至额定值，恢复有功传输。控制结构上，加入电容电压控制闭环，以保证直流短路故障期间的电容电压稳定。

Description

全桥子模块模块化多电平换流器直流短路故障穿越方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电领域，特别是一种全桥子模块新型MMC直流短路故障穿越方法。

背景技术

直流短路故障是MMC柔性直流输电系统运行中的一种常见故障，目前工程上使用的半桥子模块MMC在直流短路故障发生时无法通过换流阀控制来切断交流系统向直流故障短路点的馈能回路，必须依靠交流断路器或直流隔离开关才能清除故障电流。一方面由于交流断路器的响应时间较长，有可能导致保护不及时而造成换流器过流损坏，一方面配置此类设备提高了对设备的技术要求，增加了系统成本，另一方面也降低了系统投运率，减慢了故障恢复速度。

目前工程上大多采用制造难度大、成本高的直流电缆敷设线路以降低直流故障发生率，但并不能从根本解决半桥子模块MMC对直流故障的处理失效问题。2010年德国学者Rainer Marquardt介绍了具有穿越严重直流故障能力的全桥子模块MMC结构，每个全桥子模块可以输出3种电平，当直流短路故障发生时可以通过闭锁换流器来减小短路电流，达到保护换流器自身不受损害的目的。

将全桥子模块MMC直接闭锁的方法实现起来较为简单，而缺点在于闭锁后换流器事实上处于停机状态，不能再对电网输出无功功率，并且直流短路故障恢复需要MMC重新投入时，需要经过解锁、并网等多个步骤，严重增加了系统运行的时间成本。因此，需要寻找一种新型直流短路故障穿越方法，能够做到故障期间快速抑制和清除短路电流、对电网进行动态电压支撑、故障清除后快速恢复正常控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种全桥子模块MMC新型直流短路故障穿越方法，目的是确保全桥子模块MMC在不闭锁的状态下安全穿越直流短路故障，并在直流短路故障修复后快速恢复有功传输。本发明适用于如图1所示的全桥子模块MMC单端或双端输电系统。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

全桥子模块模块化多电平换流器直流短路故障穿越方法，步骤如下：检测到系统发生直流短路故障时，通过设定直流母线电压参考值，将直流母线电压翻转，在检测到直流电流降低后，将直流母线电压参考值设置为零，从而不再向故障点溃入短路电流。

当直流短路故障消失后，定直流电压端改为使用定直流电压控制器，控制直流母线电压恢复额定值，定功率端改为使用定有功功率控制器，直流母线电压恢复之前控制传输有功功率为零，等待直流母线电压达到额定值后，恢复有功功率传输。

本发明通过电容电压控制器，将直流母线电压控制为零，达到了不闭锁换流阀穿越直流短路故障的目的。直流短路故障期间使用子模块电容电压控制器输出作为有功电流控制器的给定值，替换原先的定直流电压控制器或者定有功功率控制器，维持所有子模块电容电压稳定。

直流短路故障期间不需要闭锁换流器，可以一直处于并网状态，并向电网提供所需的无功支撑，与换流阀闭锁进行直流故障穿越相比其输出无功功率的能力大幅提高。

附图说明

图1为全桥子模块模块化多电平换流器结构图；图中：U_dc——直流母线电压；SM——子模块；u_sa,u_sb,u_sc——三相电网电压；L_u,L_d——上、下桥臂电抗；

图2为全桥子模块MMC直流短路故障穿越控制框图；id_ref、iq_ref——有功电流指令值和无功电流指令值；K1——有功外环控制器切换开关；Vsm_ref——子模块电压指令值；vsm_average——换流器中所有子模块电压平均值；v_arm——上下桥臂输出电压指令，其中上桥臂取减号，下桥臂取加号；U_arm——桥臂最大电压，即额定子模块电压与桥臂子模块个数的乘积；e——三相调制波；U_{dc_ref}——直流母线电压指令值；

图3为两种状态下的桥臂电压及相电压运行范围；U_arm——桥臂最大电压，即额定子模块电压与桥臂子模块个数的乘积；U_m——桥臂电压波动幅值；U_相——输出相电压运行范围；

图4为直流短路故障处理流程与恢复流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示三相全桥子模块MMC拓扑结构，本发明适用于全部采用全桥子模块的单端、双端以及多端MMC柔直输电系统。

如图2所示三相全桥子模块MMC的控制框图，其中电流内环采用同步旋转坐标系下的PI控制器，无功电流给定值iq_ref由无功功率控制器生成，有功电流给定id_ref由子模块电压控制器、直流母线电压控制器、有功功率控制器三者之一给出，具体选择哪路控制信号由故障穿越顺控流程决定。为了穿越直流短路故障，本发明加入了子模块电压控制器，并通过子模块投切指令生成环节中的U_{dc_ref}控制直流母线电压。

对于运行在正常状态下的双端系统，最外层一般一端采用直流电压控制器，另一端采用有功功率控制器，以生成有功电流指令id_ref和无功电流指令iq_ref。

当系统出现直流短路故障后，直流电压被箝位为零、有功不能继续通过直流母线进行传输，因此外层的直流电压控制器和有功功率控制器均失去控制效果，本发明提出采用的子模块电压控制器来维持子模块电压稳定。

在子模块电压被控制在额定值时，可以通过修改子模块投切指令生成环节中的Udc_ref直接调节MMC的输出直流母线电压，随着根据直流短路故障处理和恢复流程，迅速实现直流母线电压翻转、降零或者恢复至额定值，达到了在直流母线短路故障下需闭锁换流器的目的。

如图3所示直流母线电压降为零前后的交流电压示意图。正常运行时桥臂电压范围是[0,Uarm]，相电压范围[-Uarm/2,Uarm/2]，其中Uarm表示子模块电压正常时，桥臂最大输出电压，即子模块电压额定值与桥臂子模块数的乘积；当直流母线电压降为零后，桥臂电压范围[-Uarm,Uarm]，相电压范围[-Uarm,Uarm]。相电压范围提升为原来的二倍，意味着本发明在直流母线降为零的条件下可以大幅提升无功功率输出。

如图4所示直流短路故障处理和恢复流程，当检测到直流短路故障发生时，迅速调节Udc_ref使得直流母线电压翻转以减小故障电流，并同时有功外环切换为子模块电压控制器。检测到故障电流降低到可接受水平时，调节Udc_ref使直流母线电压降为0，转入直流短路故障穿越状态，此时可以根据系统电压支撑要求考虑是否增大无功输出。

恢复流程中，在确定直流短路故障已清除后，首先需要降低两端的无功输出至额定运行范围内，将定直流电压端的U_{dc_ref}恢复至额定值，同时有功外环切换回直流母线控制器；同时，定有功功率端的U_{dc_ref}需及时跟踪直流母线电压，等待直流母线电压恢复后，切换为有功功率控制器，恢复有功传输。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.全桥子模块模块化多电平换流器直流短路故障穿越方法，其特征在于，步骤如下：检测到系统发生直流短路故障时，通过设定直流母线电压参考值，将直流母线电压翻转，在检测到直流电流降低后，将直流母线电压参考值设置为零，从而不再向故障点溃入短路电流。

2.根据权利要求1所述的全桥子模块模块化多电平换流器直流短路故障穿越方法，其特征在于，当直流短路故障消失后，定直流电压端改为使用定直流电压控制器，控制直流母线电压恢复额定值，定功率端改为使用定有功功率控制器，直流母线电压恢复之前控制传输有功功率为零，等待直流母线电压达到额定值后，恢复有功功率传输。