CN105119477A - 模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法，该方法依据调制度裕量计算得到用于抑制故障电流的电压值U_sup，并对故障电流进行判断：①当故障电流大于电流上限值I_lim时，将直流电压控制为-U_sup；②当故障电流小于电流下限值-I_lim时，将直流电压控制为U_sup；③当故障电流位于电流上限值、下限值之间时，将直流电压控制为零，此时系统等效为两个并联的无功补偿器，可以为电网提供无功支撑。该方法能够将故障电流抑制在给定的范围内，算法简单、容易实现。

Description

模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法

技术领域

本发明涉及电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域，具体涉及一种基于全桥与半桥混联的模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法。

背景技术

随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。模块化多电平换流器是柔性直流输电系统应用中电压源换流器的一种，它由多个子模块按照一定的方式连接而成，通过分别控制各个子模块IGBT组件的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。

直流双极短路故障是模块化多电平柔性直流输电系统运行中的一种常见故障。基于半桥级联拓扑换流器的系统仅能依靠交流断路器或者直流断路器清除故障电流，降低了系统投运率，减慢了故障恢复速度。

德国学者RainerMarquardt介绍了具有穿越严重直流故障能力的全桥子模块MMC拓扑，当发生直流短路故障时，可以通过闭锁换流器来抑制故障电流，但是系统闭锁后无法为电网提供无功支撑，而且故障恢复时间较长，同时由于全桥子模块所需开关器件为半桥子模块的两倍，增加了换流器的建造成本。

论文“子模块混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略”中指出，桥臂中半桥子模块个数与全桥子模块个数相等时，可以通过引入虚拟电阻的方法抑制故障电流，整个过程无需闭锁，还能持续保证交流系统对无功的需求，但是文中所示虚拟电阻的确定比较繁琐，同时电流波动较大且不可控。

为在系统发生直流双极短路故障时能够为交流电网提供持续的无功支撑，且能够将故障电流抑制在给定的较小范围内，亟待提出一种更简单、更容易实现的故障电流抑制方法。

发明内容

本发明的目的就是解决上述问题，提供了一种模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法，该方法不仅能够在直流双极短路故障发生时为交流电网持续提供无功支撑，而且算法简单、容易实现，同时能够将故障电流抑制在较小的范围内。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案，包括：

一种模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法，包括以下步骤：

(1)根据系统额定运行时的直流母线电压以及额定无功、有功为零时调制度，计算每相能够提供的直流电压裕量，以此作为抑制故障电流的直流电压；

(2)确定故障电流限值上限值I_lim及下限值-I_lim；

(3)检测直流双极短路故障电流I_fault的值；

(4)根据故障电流I_fault与故障电流限值上、下限值的大小关系，控制每相直流电压的输出，从而抑制故障电流的大小。

所述步骤(1)中确定抑制故障电流的直流电压的方法为：

U_sup＝U_dc·(1-m)；

其中，U_dc为额定直流母线电压，m是有功为零、额定无功时的调制度，U_sup为抑制故障电流的直流电压。

所述步骤(3)中故障电流I_fault的直接由电流互感器检测得到。

所述步骤(4)中控制每相输出直流电压的策略为：

①当故障电流I_fault大于直流电流上限值I_lim时，控制每相输出的直流电压为-U_sup；

②当故障电流I_fault小于直流电流下限值-I_lim时，控制每相输出的直流电压为U_sup；

③当故障电流I_fault位于直流电流上限值、下限值之间时，控制每相输出的直流电压为零，此时换流器等效为两个并联的无功发生器，通过修改无功指令值，为交流电网提供持续的无功支撑。

本发明有益效果：

本发明基于全桥与半桥混联的模块化多电平换流器系统，算法简单、容易实现，不仅能够在系统发生直流双极短路故障时为交流电网持续提供无功支撑，而且能够将故障电流抑制在给定的较小范围内。

附图说明

图1是本发明提供的故障电流抑制方法流程框图；

图2是本发明提供的故障发生期间系统的功率波形；

图3是本发明提供的故障电流波形。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

本发明所述故障电流抑制方法流程框图如图1所示。

首先需要确定用于抑制故障电流的直流电压值。根据式(1)所示，由系统额定运行时的直流母线电压以及额定无功、有功为零时调制度，即可计算得到每相可提供的直流电压裕量，以此作为抑制故障电流的直流电压，可以保证每相输出电压能够跟随上上层控制指令。

计算用于抑制故障电流的直流电压U_sup：

U_sup＝U_dc·(1-m)(1)

其中U_dc为额定直流母线电压，m是有功为零、额定无功时的调制度。

然后确定故障电流限值。为保证故障电流被抑制之后波动不会太大，可以选择故障电流限值为0.006pu，并检测得到故障电流I_fault的值。

最后确定故障电流的抑制策略。本发明所示故障电流抑制方法，依据故障电流的大小来控制每相输出的直流电压，可以分为三种情况：

①当故障电流大于直流电流上限值I_lim时，控制每相输出的直流电压为-U_sup；

②当故障电流小于直流电流下限值-I_lim时，控制每相输出的直流电压为U_sup；

③当故障电流位于直流电流上限值、下限值之间时，控制每相输出的直流电压为零，此时换流器等效为两个并联的无功发生器，可以修改无功指令值，从而为交流电网提供持续的无功支撑。

为了证明本发明所示故障电流抑制方法的有效性，进行了仿真验证。

仿真模型使用参数如下：

仿真系统直流母线电压为2400V，额定有功为20kW，额定无功为6kvar，交流阀侧线电压有效值为1249V，每个桥臂10个半桥子模块、10个全桥子模块，电容值为1mF，电容额定工作电压为120V，桥臂电抗器为50mH，变压器容量25kVA，短路阻抗为0.06。

计算得到抑制故障电流的直流电压U_sup为262V，并设定故障电流限值I_lim为0.5A(0.005pu)；由于仿真模型模块数较少且子模块额定工作电压120V，因此将抑制故障电流的直流电压U_sup定为240V。

对本发明所示故障电流抑制方法的验证包括两个方面，即无功功率支撑能力的验证和故障电流抑制效果的验证。

为验证本发明所示故障电流抑制方法能够保证为交流电网提供持续的无功支撑，对故障发展过程中的功率波形进行了观察。仿真中设定有功指令为20kW，无功指令6kvar，0.4s时刻发生直流双极短路故障，且仿真结束之前故障不会被消除，仿真得到功率波形如图2所示。由图可知，故障过程中，换流器仍然能够为交流电网提供持续的无功支撑。

为验证本发明所示故障电流抑制方法能够将故障电流抑制在更低的水平，对故障发展过程中故障电流波形进行了观察。仿真中设定有功指令为20kW，无功指令6kvar，0.4s时刻发生直流双极短路故障，且仿真结束之前故障不会被消除，仿真得到故障电流波形如图3所示。由图可知，故障过程中，直流电流受控，且受给定直流电流限值限制，被抑制在0.5A以内。

本发明提供了一种基于全桥与半桥混联的模块化多点皮换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法，通过仿真对比验证了本发明所示故障电流抑制方法实现简单，不仅能够在直流双极短路故障发生时为交流电网持续提供无功支撑，同时能够将故障电流抑制在给定的电流限值范围内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)根据系统额定运行时的直流母线电压以及额定无功、有功为零时调制度，计算每相能够提供的直流电压裕量，以此作为抑制故障电流的直流电压；

(2)确定故障电流限值上限值I_lim及下限值-I_lim；

(3)检测直流双极短路故障电流I_fault的值；

(4)根据故障电流I_fault与故障电流限值上、下限值的大小关系，控制每相直流电压的输出，从而抑制故障电流的大小。

2.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法，其特征是，所述步骤(1)中确定抑制故障电流的直流电压的方法为：

U_sup＝U_dc·(1-m)；

其中，U_dc为额定直流母线电压，m是有功为零、额定无功时的调制度，U_sup为抑制故障电流的直流电压。

3.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法，其特征是，所述步骤(3)中所示故障电流I_fault由电流互感器直接检测得到。

4.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器系统直流双极短路故障电流抑制方法，其特征是，所述步骤(4)中控制每相输出直流电压的策略为：

①当故障电流I_fault大于直流电流上限值I_lim时，控制每相输出的直流电压为-U_sup；

②当故障电流I_fault小于直流电流下限值-I_lim时，控制每相输出的直流电压为U_sup；

③当故障电流I_fault位于直流电流上限值、下限值之间时，控制每相输出的直流电压为零，此时换流器等效为两个并联的无功发生器，通过修改无功指令值，为交流电网提供持续的无功支撑。