CN106953347B - 混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法及装置，本发明将需要恢复的换流站控制模式分为主站模式和从站模式，当选择一个换流站作为主站时，其他换流站作为从站，主站逐渐抬升直流电压至额定值时，从站通过直流电流反馈值与直流电流参考值之差，跟踪主站的直流电压，实现直流电压的同步提升。本发明在整个恢复过程中不需要进行站间通讯，不需要断路器配合，换流站在直流短路故障结束后能够快速、稳定的恢复直流电压，能根据预设流程与自身电气量检测恢复至直流故障前的正常运行状态，恢复过程中无冲击电流，并能持续维持并网状态。

Description

混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法及装置

技术领域

本发明属于直流输电技术领域，具体涉及混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法及装置。

背景技术

目前，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(Modularmultilevel converter，MMC)是柔性直流输电系统应用电压源换流器中的一种，它由多个子模块按照一定的方式连接而成，通过控制各个子模块IGBT组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。

传统的模块化多电平换流器中，通常采用半桥式子模块作为基础单元，以降低换流器的建设成本。传统半桥式子模块MMC在直流短路故障发生时无法通过自身特性迅速抑制故障电流，必须依靠交流断路器或直流断路器才能清除故障电流。该方法的缺点在于：由于交流断路器的响应时间较长，可能导致保护不及时而造成换流器的过流损坏；此外，配置直流断路器会提高对设备的技术要求，增加系统成本。

为了解决上述问题，有学者提出采用全桥子模块或箝位双子模块MMC来解决换流器过流损坏的问题：在短路故障后，通过迅速闭锁换流器，利用全桥子模块中二极管的反向阻断能力迅速抑制故障电流，实现直流故障的清除。但是换流器闭锁后，子模块电压会随着自身损耗而逐渐降低，最终由于电压不足而被旁路，换流器跳闸，导致柔性直流输电系统不能从故障中快速恢复，增加柔性直流输电系统从故障中恢复的时间。因此，又有学者提出采用在传统半桥子模块MMC中加入足够数量的全桥子模块，如图1所示，利用全桥子模块输出负电平的能力，在维持交流侧并网的情况下将直流电压降低至0，从而迅速抑制故障电流，不闭锁状态下实现直流故障穿越。

但该方法在实现故障穿越后重新建立直流电压的过程中，需要在并联的换流站之间进行高速通讯，从而同步提升直流电压。而对于直流输电应用场合中，不同换流站间距离通常很远，在两者之间建立远距离高速通信无疑将会大大增加建设成本；此外，当站间通信异常时，并联的换流站之间将无法同步提升直流电压，站间通信的不可靠性对直流故障产生不利影响。

因此，非常有必要提出一种不依赖站间通讯的控制策略，使得发生直流短路故障的双端或多端子模块混合式柔性直流输电系统，在不需要站间高速通讯的情况下仍能够快速、稳定、可靠的实现直流电压的重新建立和传输功率的恢复。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法及装置，用于解决半桥与全桥子模块混合式模块化多电平换流器在短路故障恢复过程中，站间通讯异常时无法同步提升直流电压的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法，包括六个方法方案：

方法方案一，包括以下步骤：

一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；所述主站将直流电压从零提升至额定值；所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪所述直流电压，直至所述直流电压提升至额定值。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述主站根据设定的第一直流偏置，将所述直流电压从零提升至额定值；所述第一直流偏置用于结合三相调制波生成主站换流器的桥臂电压。

方法方案三，在方法方案一的基础上，所述从站将直流电流反馈值与直流电流参考值作差后，经过比例控制器或比例积分控制器，生成桥臂调制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于结合三相调制波生成从站换流器的桥臂电压。

方法方案四、五，分别在方法方案二、三的基础上，所述主站换流器或从站换流器的桥臂电压计算式如下：

式中，当v_arm为主站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第一直流偏置，e_abc为三相调制波；当v_arm为从站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第二直流偏置，e_abc为三相调制波。

方法方案六，在方法方案一的基础上，还包括判断短路故障是否清除的步骤：当短路故障已经清除时，再选择作为主站的换流站、作为从站的换流站。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复装置，包括六个装置方案：

装置方案一，包括以下单元：

选择单元：用于选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；

执行单元：用于所述主站将直流电压从零提升至额定值；所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪所述直流电压，直至所述直流电压提升至额定值。

装置方案二，在装置方案一的基础上，还包括第一直流偏置单元：用于所述主站根据设定的第一直流偏置，将所述直流电压从零提升至额定值；所述第一直流偏置用于结合三相调制波生成主站换流器的桥臂电压。

装置方案三，在装置方案一的基础上，还包括第二直流偏置单元：用于所述从站将直流电流反馈值与直流电流参考值作差后，经过比例控制器或比例积分控制器，生成桥臂调制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于结合三相调制波生成从站换流器的桥臂电压。

装置方案四、五，分别在装置方案二、三的基础上，所述主站换流器或从站换流器的桥臂电压计算式如下：

式中，当v_arm为主站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第一直流偏置，e_abc为三相调制波；当v_arm为从站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第二直流偏置，e_abc为三相调制波。

装置方案六，装置方案一的基础上，还包括判断短路故障是否清除的单元：用于当短路故障已经清除时，再选择作为主站的换流站、作为从站的换流站。

本发明的有益效果是：本发明将需要恢复的换流站分为主站模式和从站模式，当选择一个换流站作为主站时；其他换流站作为从站，主站逐渐抬升直流电压至额定值时，从站通过直流电流反馈值与直流电流参考值之差，跟踪主站的直流电压，实现直流电压的同步提升。本发明在整个恢复过程中不需要进行站间通讯，不需要断路器配合，换流站在直流短路故障结束后能够快速、稳定的恢复直流电压，能根据预设流程与自身电气量检测恢复至直流故障前的正常运行状态，恢复过程中无冲击电流，并能持续维持并网状态。

附图说明

图1是半桥、全桥子模块混合式MMC的拓扑结构示意图；

图2是子模块混合式MMC直流短路故障恢复方法流程图；

图3是主站换流器控制框图；

图4是从站换流器控制框图；

图5是恢复过程中恢复主站的电气量波形；

图6是恢复过程中恢复从站的电气量波形。

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说明。

本发明的一种混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法的实施例：

如图1所示的半桥、全桥子模块混合式模块化多电平换流器构成的双端或多端柔性直流输电系统，系统中全桥与半桥子模块数量分别为N、M，其中N≥2、M≥2；图1中：u_sm为子模块电压，U_dc为直流电压，HBSM(half-bridge sub-module)为半桥子模块，FBSM(full-bridge sub-module)为全桥子模块。当检测到直流双极短路故障发生后，全桥子模块可以输出负电压，利用这一特性可以使系统在维持交流电压幅值不变的前提下，更加灵活地控制系统直流电压U_dc。利用全桥子模块能够输出负电平的能力，换流器采用不闭锁换流器的方式进行直流故障穿越，故障电流被限制为0，此过程中子模块电压u_sm一直维持在额定值。

在直流电流被限制为0后，短路故障即被清除，直流输电系统开始恢复流程，如图2所示。持续判断短路故障是否已经完全清除，若判断为已经清除，在各换流站中指定正常运行时采用定直流电压控制的换流站作为主站，其余作为从站。主站根据设定的斜率控制其直流偏置，使直流偏置的标幺值从0上升至1，将直流电压从零提升至额定值；其余换流站作为从站，通过直流电流负反馈控制从站的直流偏置，根据直流电流反馈值与直流电流参考值控制其直流偏置，同步跟踪直流电压，直至直流电压提升至额定值。各换流站在判断直流电压达到额定值并稳定后，切换回原有的正常运行状态，主站和从站均恢复为故障前的工作模式，主站为定直流电压控制站、从站为定功率控制站，并恢复功率输送。

主站与从站的控制采用以下所述的换流器控制器：

控制器内环仍然采用传统的dq旋转坐标系下的电流PI控制器；d轴电流指令值由子模块电压控制外环生成，通过将子模块电压平均值与指令值相比较送入PI控制器得到；q轴电流指令值由无功功率控制外环生成，通过将无功功率反馈值与指令值相比较送入PI控制器得到。控制内环得到的三相调制波e_abc，需要按照下式进行处理后得到6个桥臂的输出电压：

式中，当v_arm为主站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为设定的第一直流偏置的标幺值，e_abc为三相调制波；当v_arm为从站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为设定的第二直流偏置的标幺值，e_abc为三相调制波。正常运行时k＝1，主站控制器中的k(第一直流偏置)按照设定斜率从0逐渐上升至额定值，从站控制器中的k(第二直流偏置)通过直流电流负反馈经比例控制器或比例积分控制器得到；上式中正负号的取值和各桥臂的位置有关，例如图1中计算上桥臂的输出电压时上式取负号，计算下桥臂的输出电压时上式取正号。

作为主站的换流站的控制框图如图3所示，在传统的电流内环的基础上，采用子模块电压控制器作为有功电流外环，用于稳定换流器子模块电压；同时，采用无功功率控制器作为无功电流外环，使换流器在整个故障恢复过程中都能为连接的电网提供无功功率支撑。

作为从站的换流站的控制框图如图4所示，在与主站一样，在传统的电流内环的基础上，采用子模块电压控制器作为有功电流外环，用于稳定换流器子模块电压；采用无功功率控制器作为无功电流外环，使换流器能电网提供无功功率支撑。

从站中在计算各桥臂输出电压时，直流偏置标幺值的确定如图4所示，通过直流电流反馈与直流电流参考值比较后经比例控制器或比例积分控制器计算得到(通常直流电流参考值可以设置为0，电流正方向选择为流入换流器方向)。此时，当主站输出的直流电压提升时，会使从站侧采样得到的直流电流增大，与参考值比较后经比例积分控制器(或者比例控制器)放大后，使从站的直流偏置上升，从站侧的直流电压将随之上升，从而达到跟随主站直流电压的作用。当换流站检测出各自的直流电压已经到达额定值后，转入正常运行状态，主站和从站均恢复为故障前的工作模式。

以双端柔性直流输电系统为例，采用MATLAB/SIMULINK仿真对本发明的模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法进行验证。经仿真，主站直流电压、直流电流、有功功率、无功功率及子模块电压的仿真波形如图5所示，在0.1s时，系统检测到直流短路故障已经完全清除，因此开始按照设定斜率提升直流偏置，波形中表现为直流电压的稳步提升；在0.45s时，系统判断直流电压达到额定值，因此恢复为稳态定直流电压控制策略，即正常运行的定电压控制模式。

从站直流电压、直流电流、有功功率、无功功率及子模块电压的仿真波形如图6所示，其直流电压自始至终能够较好的跟踪主站，在跟踪过程中，由于检测延时及控制器特性的影响会出现约0.25pu的直流电流，电流幅值远小于额定值，不影响恢复过程；在达到额定值后，从站切换为稳态的定功率控制模式，整个恢复阶段结束。

本实施例中，正常运行时采用定直流电压控制的换流站既可以作为恢复的主站，也可以作为恢复的从站，当正常运行时采用定直流电压控制的换流站作为从站时，在其他换流站中指定主站。

本发明的混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法，在全桥、半桥子模块MMC不闭锁状态下实现直流短路故障穿越后，在故障恢复过程中不依赖站间通讯，使得发生直流短路故障的双端或多端子模块混合式柔性直流输电系统，在不需要站间通讯的情况下，各换流站均能够根据预先设定好的主从角色、凭借对自身电气量的检测结果进行直流升压、电压跟踪等动作，快速、稳定使直流输电系统恢复至正常运行状态。并且采用了子模块电压控制器和无功功率控制器分别作为有功电流外环和无功电流外环，使在故障恢复过程中各子模块电压稳定，无功功率输出正常，电气量均维持稳定，没有电流或电压冲击，所有换流站均能同时维持自身子模块电压稳定、且为交流系统提供无功功率支撑。

本发明一种混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复装置的实施例，该装置包括以下单元：

选择单元：用于选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；

执行单元：用于所述主站将直流电压从零提升至额定值；所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪所述直流电压，直至所述直流电压提升至额定值。

上述实施例中所指的混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复装置，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，可以应用到换流站中，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，而本实施例声称的装置实际上是一种软件构架，故不再详细进行描述。

Claims (8)

1.一种混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：

一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；所述主站将直流电压从零提升至额定值；所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪所述直流电压，直至所述直流电压提升至额定值；

所述从站将直流电流反馈值与直流电流参考值作差后，经过比例控制器或比例积分控制器，生成桥臂调制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于结合三相调制波生成从站换流器的桥臂电压。

2.根据权利要求1所述的混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法，其特征在于，所述主站根据设定的第一直流偏置，将所述直流电压从零提升至额定值；所述第一直流偏置用于结合三相调制波生成主站换流器的桥臂电压。

3.根据权利要求1或2所述的混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法，其特征在于，所述主站换流器或从站换流器的桥臂电压计算式如下：

式中，当v_arm为主站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第一直流偏置，e_abc为三相调制波；当v_arm为从站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第二直流偏置，e_abc为三相调制波。

4.根据权利要求1所述的混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法，其特征在于，还包括判断短路故障是否清除的步骤：当短路故障已经清除时，再选择作为主站的换流站、作为从站的换流站。

5.一种混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复装置，其特征在于，包括以下单元：

选择单元：用于选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；

执行单元：用于所述主站将直流电压从零提升至额定值；所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪所述直流电压，直至所述直流电压提升至额定值；

还包括第二直流偏置单元：用于所述从站将直流电流反馈值与直流电流参考值作差后，经过比例控制器或比例积分控制器，生成桥臂调制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于结合三相调制波生成从站换流器的桥臂电压。

6.根据权利要求5所述的混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复装置，其特征在于，还包括第一直流偏置单元：用于所述主站根据设定的第一直流偏置，将所述直流电压从零提升至额定值；所述第一直流偏置用于结合三相调制波生成主站换流器的桥臂电压。

7.根据权利要求5或6所述的混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复装置，其特征在于，所述主站换流器或从站换流器的桥臂电压计算式如下：

式中，当v_arm为主站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第一直流偏置，e_abc为三相调制波；当v_arm为从站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第二直流偏置，e_abc为三相调制波。

8.根据权利要求5所述的混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复装置，其特征在于，还包括判断短路故障是否清除的单元：用于当短路故障已经清除时，再选择作为主站的换流站、作为从站的换流站。

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