CN108336750A - 换流器、基于半vsc三极直流系统及其故障转移控制方法 - Google Patents

换流器、基于半vsc三极直流系统及其故障转移控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种换流器、基于半VSC三极直流系统及其故障转移控制方法，由3个1/2 VSC构成的交流侧接地三极直流系统，每个1/2 VSC采用具有输出全电平数组合的高效率全电平子模块级联而成。这种三极结构直流系统有正常双极运行模式、单极(正极或负极)运行模式、两单极并联运行模式，而每个1/2 VSC有功率传输和动态无功补偿两种运行状态。通过对1/2 VSC的控制和运行模式的灵活转换，将直流侧故障瞬态能量逆变转移到交流电网，消除故障极的1/2 VSC对其他极的影响，确保故障期间通过其他1/2 VSC进行正常的功率传输，保障了供电的连续性和稳定性，较大程度提升现有交流线路的输电容量，以缓解输电网输电能力的欠缺，潮流拥塞等问题，有利于交直流系统长期稳定运行。

Description

换流器、基于半VSC三极直流系统及其故障转移控制方法
技术领域
本发明属于电力系统直流输配电领域，具体涉及到一种换流器、基于半VSC三极直流系统及其故障转移控制方法。
背景技术
在电力系统输配电领域，随着光伏、风电等新能源并网和储能接入以及电动汽车等间歇性负荷的规模越来越大，需要采用灵活的方式接入传统交流输配电网中。基于电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)的高压直流输配电技术具备有功功率、无功功率可独立灵活控制，可向无源系统供电，波形质量好，潮流翻转时电压极性不需要改变等特点，为大规模可再生能源接入提供了有效解决方案。其中，最具代表性的是采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为换流器的柔性直流电网技术，该技术可以有效的综合各种新能源、负荷的分布特性进行多元互补，是实现大规模新能源消纳的有效手段。
直流电网具有“低惯量、低阻抗”的特性，在发生直流侧短路故障后，故障电流上升快、幅值大，严重危害系统设备的安全运行，需要在几个毫秒内完成对故障的检测和隔离。由于直流电流不存在自然过零点，需要高压大容量直流断路器。常见的直流侧故障处理方法主要有三种：(1)利用交流断路器切断交直流系统的连接，然而开断交流断路器属于机械动作，响应速度慢，无法满足要求；(2)跳开直流断路器以隔离直流侧短路故障点，但直流断路器装置成本高，且目前尚无实用可靠的高压直流断路器装置；(3)借助MMC自身控制实现直流侧短路故障的自清除，但仍需要闭锁子模块和换流器，导致直流电网功率传输的中断，待故障清除后才能重新恢复。由此可见，目前的直流侧短路故障处理技术尚不成熟，阻碍了柔性直流电网技术的大规模应用。
若直流故障电流上升越快，则故障处理执行部分动作时的故障电流越大，开断难度也就越大，因此，采用合理的接地方式和限流参数配置，能够抑制直流故障电流的上升速度，有助于降低对装置的直流开断速度和容量的要求。例如：通过配置直流平波电抗器和接地电阻能够分别降低直流故障电流的上升速度和稳态值，然而为了不影响换流器的控制特性这两个参数不宜过大，因此这种措施是受限的。由于交流电网接地方式和换流变压器接线方式的不同，根据需要直流电网有交流侧接地和直流侧接地两种接地方式，这两种接地方式下都可以适当的配置接地电阻，在一定程度上能够增大直流单极接地故障的回路阻抗从而减小故障电流的瞬态值和稳态值，但对直流电网极间短路故障不起作用。
受限于现行的直流故障电流限流和开断技术，直流电网的故障穿越能力不足，其供电的连续性和可靠性无法达到传统交流电网的水平。为了降低故障率，提高供电可靠性，现行柔性直流电网中多采用电力电缆，而未来将不可避免的需要应用于采用架空线的场合，这将对直流电网的故障穿越能力和可靠连续供电提出了更高的要求。
发明内容
本公开一方面的目的在于提供一种换流器，换流器的直流电极包括正极、负极和第3极，其中每个直流电极均包括平波电抗器Ldc和1个MMC型1/2VSC；每个1/2VSC为三相三桥臂结构，每个桥臂由桥臂电感Larm与若干具有直流电压和直流电流双向充放电能力的子模块(SM1～SMn)串联构成，每个桥臂的一端对应一个交流接点、另一端并接形成一个直流端；3个1/2VSC的三个桥臂的所述交流接点分别接入三个公共接点a、b和c，由所述公共接点a、b和c接换流变压器的三相，同时所述公共接点a、b和c通过星型连接的电抗器Lg构成中性点，再经电阻Rg接地；每个1/2VSC的所述直流端经过所述平波电抗器Ldc后作为直流级接入直流线路。
在上述的换流器，所述子模块采用全电平子模块。
本公开另一方面的目的在于提供一种三级结构柔性直流系统，所述柔性直流系统为两端结构，一端为送端另一端为受端，每一端均包括换流变压器和上述技术方案中所述换流器，交流电网经过所述换流变压器与所述换流器连接。
在上述的三级结构柔性直流系统，所述换流变压器采用三相双绕组结构，一个交流绕组端子AC1接交流电网，阀侧绕组端子ac1同时接3个1/2VSC的交流端。
本公开又一目的在于提供一种三级结构柔性直流系统故障转移控制方法，包括上述技术方案中所述柔性直流系统；
当正极直流线路发生接地故障时，对正极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，快速阻断故障电流使其降为0，同时启动热备用的第3极1/2VSC作为“临时正极”，由第3极和负极传输功率；
当负极直流线路发生接地故障时，对负极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，快速阻断故障电流使其降为0，同时启动热备用的第3极1/2VSC作为“临时负极”，由正极和第3极传输功率；
当正极和负极直流线路之间发生极间短路故障时，柔性直流系统转换到两正极并联或两负极并联运行模式；
两负极并联运行转换过程如下：启动处于热备用的第3极1/2VSC作为“临时正极”，同时对正极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，快速减小故障电流并降低极间电压；随后正极1/2VSC的电压翻转运行于负极性，使故障电流和极间电压降为0，由第3极和两个负极(负极和“临时负极”)传输功率；
两正极并联运行转换过程如下：启动处于热备用的第3极1/2VSC作为“临时负极”，同时对负极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，快速减小故障电流并降低极间电压；随后负极1/2VSC的电压翻转运行于正极性，使故障电流和极间电压降为0，由第3极和两个正极(正极和“临时正极”)传输功率；
故障清除后恢复到通过正负两极传输功率的双极运行模式。
本公开基于半VSC的三极直流系统是在传统MMC型VSC双极结构柔性直流系统的基础上，增加了1个1/2VSC作为第3极(又称辅助极)，形成由3个1/2VSC构成的三极结构。这种三极结构直流系统有正常双极运行模式、单极(正极或负极)运行模式、两单极并联运行模式，而每个1/2VSC有功率传输和动态无功补偿两种运行状态。通过对1/2VSC的控制和运行模式的灵活转换，将直流侧故障瞬态能量逆变转移到交流电网，消除故障极的1/2VSC对其他极的影响，确保故障期间通过其他1/2VSC进行正常的功率传输，保障了供电的连续性和稳定性。
附图说明
图1为根据一示例性实施例示出的基于半VSC的三极结构换流器。
图2为根据一示例性实施例示出的交流侧接地三极柔性直流系统的双极运行模式。
图3为根据一示例性实施例示出的交流侧接地三级柔性直流系统的暂态运行模式；其中(a)为単极(负极)运行模式，(b)为単极(正极)运行模式，(c)为两単极并联运行模式。
图4为根据一示例性实施例示出的正极接地故障时，强制能量转移过程的参量变化。
图5为根据一示例性实施例示出的极间短路时，强制能量转移过程的参量变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本公开针对交流侧接地柔性直流系统，首次提出半VSC概念和基于半VSC三极直流系统的直流故障强制转移控制方法。若将MMC型VSC分为的上半部分(三个上桥臂)和下半部分(三个下桥臂)，每个部分称为半VSC(或1/2VSC)，每个1/2VSC对应于一个直流极(正极或负极)。MMC型VSC双极结构柔性直流系统发生単极接地故障时，故障电流会流经故障极对应1/2VSC的三个桥臂，引起整个MMC中交流电流和直流电流上下不平衡，乃至MMC闭锁等保护动作，导致整个换流器停运和功率传输中断。
本公开基于半VSC的三极直流系统是在传统MMC型VSC双极结构柔性直流系统的基础上，增加了1个1/2VSC作为第3极(又称辅助极)，形成由3个1/2VSC构成的三极结构。这种三极结构直流系统有正常双极运行模式、单极(正极或负极)运行模式、两单极并联运行模式，而每个1/2VSC有功率传输和动态无功补偿两种运行状态。通过对1/2VSC的控制和运行模式的灵活转换，将直流侧故障瞬态能量逆变转移到交流电网，消除故障极的1/2VSC对其他极的影响，确保故障期间通过其他1/2VSC进行正常的功率传输，保障了供电的连续性和稳定性。
如图1为换流器的一个实施例，可应用在基于半VSC三极结构柔性直流系统中。该换流器的三个直流极有正极、负极和第3极，每个直流极包括1个MMC型1/2VSC和1个平波电抗器(Ldc)。每个1/2VSC为三相三桥臂结构，每个桥臂由1个桥臂电感Larm和若干子模块(SM1～SMn)串联构成，每个桥臂的一端对应1个交流接点，另一个端并接形成1个直流端。3个1/2VSC的3个桥臂分别并接入3个公共接点a、b和c，由公共接点a、b和c接换流变压器的三相(相间电压分别为vab、vbc和vac)，同时a、b、c三端通过星型连接的电抗器Lg构成中性点，再经电阻Rg接地。每个1/2VSC的直流端经过平波电抗器Ldc后作为直流极接入直流线路，其中正极、负极和第3极的输出端的输出端对公共接地端的电压分别为Udcp、Udcn和Udc3。
由于3个1/2VSC的三相桥臂都接于相同的三相电源，需按相同的绝缘水平和电压电流应力来配置，可见3个1/2VSC基本相同，添加第3极会必然增加装置成本。然而，可以把第3极看作换流器的冗余配置，在冗余设计时可以视具体情况，在不影响系统可靠性的前提下适当减少其他方面的配置，可以降低装置成本。
利用换流器短时间的过负荷能力，通常过负荷水平为额定电压的1.1倍和额定电流的1.3倍(具体过负荷水平按工程冗余度需要来设计)，对应正负极1/2VSC的过电压系数Ku1和Ku2以及过电流系数Ki1和Ki2都大于1。由于第3极1/2VSC是辅助极，故障期运行时间短，为降低装置成本，可以降低或不预留其过负荷能力，对应第3极1/2VSC的过电压系数Ku3和过电流系数Ku3都等于1。
柔性直流系统的运行特性主要取决于所采用的换流器，三极结构柔性直流系统的运行模式要求每一极1/2VSC的子模块都具有直流电压和直流电流双向充放电能力。模块化多电平变换器的工作特性与子模块密切相关，要求子模块能够输出全部可能的电平数组合(-NUC～NUC,N为子模块中直流电容的数目)。这类子模块称为全电平子模块，能够双极性运行，通常具有对称结构，包括但不限于全桥子模块。
下面以两端手拉手的三极结构柔性直流系统为例，说明本公开所述三极柔性直流系统的运行模式和控制方法。如图2所示交流侧接地的三极结构柔性直流系统为两端结构，一端为送端另一端为受端，送端和受端可以根据运行工况相互切换，每一端包括1个换流变压器、1个星接电抗器串入电阻的接地支路、3个由全电平子模块构成的MMC型1/2VSC和3个平波电抗器。如图2采用三相双绕组结构的换流变压器，一个交流绕组端子AC1接交流电网，阀侧绕组的端子ac1同时接3个1/2VSC的交流端，三个直流极之间没有电气隔离。
柔性直流系统正常时运行于双极运行模式，如图2所示，在双极运行模式下正极和负极1/2VSC输出端之间的电压为(Udcp-Udcn)，两端输出电流满足Idcp＝Idcn；第3端1/2VSC通过换流变对交流系统AC1进行动态无功补偿，对于直流系统呈热备用状态，即电压Udc3为额定值且电流Idc3＝0；直流系统的两端通过正负两极传输功率，功率大小为(Udcp-Udcn)×Idcp。
当正极直流线路发生单极接地故障时，柔性直流系统转换到如图3(a)的单极(正极)运行模式。此时，正极1/2VSC处于动态无功补偿状态，第3极1/2VSC从热备用状态启动作为“临时正极”，即Udc3>0、Idc3>0，且有Udcp＝0和Idcp＝0；直流系统由第3极和负极传输功率，两端电压为(Udc3-Udcn)，两端电流满足Idc3＝Idcn，传输功率大小为(Udc3-Udcn)×Idc3。运行模式转换过程中的电压和电流参量变化曲线如图4所示，当检测到正极为故障极后，对正极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，可快速阻断故障电流使其降为0；同时启动热备用的第3极1/2VSC，使其从动态无功补偿状态转换到功率传输状态。此时，正极电压Udcp和电流Idcp都降为0，而第3极输出电流Idc3≠0，负极电压和第3极电压均为额定电压。待故障清除后，柔性直流系统可恢复到正常的双极运行模式。
当负极直流线路发生单极接地故障时，柔性直流系统转换到如图3(b)的单极(负极)运行模式。此时，负极1/2VSC处于动态无功补偿状态，第3极1/2VSC从热备用状态启动作为“临时负极”，即Udc3<0、Idc3<0，且有Udcn＝0和Idcn＝0；直流系统由正极和第3极传输功率，两端电压为(Udcp-Udc3)，两端电流满足Idcp＝Idc3，传输功率大小为(Udcp-Udc3)×Idc3。状态转换过程中的电压和电流参量变化曲线与图4所示正极接地故障时的类似，不再赘述。
当正极和负极直流线路之间发生极间短路故障时，柔性直流系统转换到两单极并联运行模式，分为两正极并联或两负极并联运行模式。如图3(c)所示为两负极并联运行模式，正极1/2VSC输出电压和电流都翻转作为“临时负极”，第3极从热备用状态启动作为“临时正极”，即Udc3>0、Idc3>0，且有Udcp＝Udcn<0和Idcp＝Idcn<0；直流系统由第3极和两个负极(负极和“临时负极”)传输功率，第3极对上下两个负极的电压分别为(Udc3-Udcp)和(Udc3-Udcn)，三个直流端的电流满足Idc3＝Idcp+Idcn，传输功率大小为(Udc3-Udcn)×Idc3或(Udc3-Udcp)×Idc3。运行模式转换过程中的电压和电流参量变化曲线如图5所示，当检测到极间短路故障后，启动处于热备用的第3极1/2VSC，使其从动态无功补偿状态转换到功率传输状态；同时对正极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，快速减小故障电流并降低极间电压；随后正极1/2VSC的电压翻转运行于负极性，使故障电流和极间电压降为0，达到阻断故障电流的目的。此时，正极电压Udcp和电流Idcp先降为0后翻转，而第3极输出电流Idc3≠0，正极电压反转后增至额定电压，负极电压和第3极电压均为额定电压；第3极电流增至额定电流。待故障清除后，柔性直流系统可恢复到正常的双极运行模式。两正极并联运行模式原理类似两负极并联运行模式，不再赘述。
综上所述，本公开提出三极结构柔性直流系统中故障强制转移控制和运行模式的转换，能够快速抑制故障电流，同时维持正常功率传输不受影响。具体有以下几种暂态过程：
(1)当正极发生接地故障时，柔性直流系统迅速转换为第3极为“临时正极”的单极运行模式，利用第3极配合健全极维持正常功率传输的同时将故障极电压和故障电流降为0，故障极将故障回路暂态能量馈入交流电网后，对交流电网进行动态无功补偿，待故障清除后恢复到双极运行模式；
(2)当负极发生接地故障时，柔性直流系统迅速转换为第3极为“临时负极”的单极运行模式，利用第3极配合健全极维持正常功率传输的同时将故障极电压和故障电流降为0，故障极将故障回路暂态能量馈入交流电网后，对交流电网进行动态无功补偿，待故障清除后恢复到双极运行模式；
(3)当正负极之间发生短路故障时，柔性直流系统迅速转换为第3极为“临时正极”(或“临时负极”)的两单极并联运行模式，利用第3极配合正极和负极维持正常功率传输的同时将极间电压和故障电流降为0，故障极将故障回路暂态能量馈入交流电网后，极性转换后继续传输功率，待故障清除后恢复到双极运行模式。

Claims (5)

1.一种换流器，其特征在于，换流器的直流电极包括正极、负极和第3极，其中每个直流电极均包括平波电抗器Ldc和1个MMC型1/2VSC；
每个1/2VSC为三相三桥臂结构，每个桥臂由桥臂电感Larm与若干具有直流电压和直流电流双向充放电能力的子模块(SM1～SMn)串联构成，每个桥臂的一端对应一个交流接点、另一端并接形成一个直流端；
3个1/2VSC的三个桥臂的所述交流接点分别接入三个公共接点a、b和c，由所述公共接点a、b和c接换流变压器的三相，同时所述公共接点a、b和c通过星型连接的电抗器Lg构成中性点，再经电阻Rg接地；
每个1/2VSC的所述直流端经过所述平波电抗器Ldc后作为直流级接入直流线路。
2.根据权利要求1所述的换流器，其特征在于，所述子模块采用全电平子模块。
3.一种三级结构柔性直流系统，其特征在于，所述柔性直流系统为两端结构，一端为送端另一端为受端，每一端均包括换流变压器和权利要求1-2之一的所述换流器，交流电网经过所述换流变压器与所述换流器连接。
4.根据权利要求3所述的三级结构柔性直流系统，其特征在于，所述换流变压器采用三相双绕组结构，一个交流绕组端子接交流电网，阀侧绕组端子同时接3个1/2VSC的交流端。
5.一种三级结构柔性直流系统故障转移控制方法，其特征在于，包括权利要求3-4之一的所述柔性直流系统；
当正极直流线路发生接地故障时，对正极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，快速阻断故障电流使其降为0，同时启动热备用的第3极1/2VSC作为“临时正极”，由第3极和负极传输功率；
当负极直流线路发生接地故障时，对负极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，快速阻断故障电流使其降为0，同时启动热备用的第3极1/2VSC作为“临时负极”，由正极和第3极传输功率；
当正极和负极直流线路之间发生极间短路故障时，柔性直流系统转换到两正极并联或两负极并联运行模式；
两负极并联运行转换过程如下：启动处于热备用的第3极1/2VSC作为“临时正极”，同时对正极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，快速减小故障电流并降低极间电压；随后正极1/2VSC的电压翻转运行于负极性，使故障电流和极间电压降为0，由第3极和两个负极(负极和“临时负极”)传输功率；
两正极并联运行转换过程如下：启动处于热备用的第3极1/2VSC作为“临时负极”，同时对负极1/2VSC进行逆变控制，将故障回路暂态能量反馈到交流电网，快速减小故障电流并降低极间电压；随后负极1/2VSC的电压翻转运行于正极性，使故障电流和极间电压降为0，由第3极和两个正极(正极和“临时正极”)传输功率；
故障清除后恢复到通过正负两极传输功率的双极运行模式。
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