CN110247566B - 一种基于mmc不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于MMC不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法，涉及电力系统技术领域。本发明步骤如下：步骤1：针对模块化多电平储能系统，建立具有模块化多电平直流变换器储能系统直流侧不对称全桥子模块网络拓扑模型；步骤2：通过检测模块化多电平储能系统中不对称全桥子模块输出的电压判断直流侧是否发生故障，若是则执行步骤3，若否则重复本步骤；步骤3：模块化多电平储能系统中当直流侧发生故障时，直流侧不对称全桥子模块网络拓扑模型阻断了桥臂电容放电路径，使得直流故障点电弧快速熄灭，阻断直流故障。本方法清除故障的速度可以达到毫秒级清除直流故障电流，本方法中的拓扑结构应用性更加广泛。

Description

一种基于MMC不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于MMC不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法。
背景技术
近年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)因其优越的性能、灵活的组合模式以及高耐压等特点被广泛应用于高电压、大功率等场合。模块化多电平变换器作为能量传递的桥梁，在系统中起着至关重要的作用，其安全性及可靠性影响着系统的安全运行。但是，当储能系统的直流侧发生故障时，一方面储能电容会迅速放电，引起较大冲击电流；另一方面，交流侧的电源通过全控器件的反并联二极管持续向故障点馈入电流，增加故障清楚难度。因此能快速阻断直流故障一直受到学者的广泛关注。
储能系的直流故障穿越相比于交流系统故障来说，直流系统由于阻尼过低且直流电流没有过零点，故障时电流上升率较高，因而故障过电流的清除难度较大。目前，工程中MMC子模块一般采用半桥型子模块(HBSM)，HBSM闭锁后，其结构中的反并联二极管为能量馈入提供了续流通路，导致直流故障电流不能实现自清除。目前吃力方案主要有2种，分别为采取限流、分流等辅助措施减小故障电流对MMC的伤害和采用具有故障清除能力的换流器。但是上述2种方法的共同点是故障期间MMC未完全退出，短路冲击电流对MMC构成威胁，并且仍通过交流侧断路器清除故障。基于此，本专利提出采用具有故障清除能力的换流器拓扑进而阻断直流故障。可以减少回路中投入的功率器件数量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于MMC不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法，本方法在清除故障的速度上可以达到毫秒级清除直流故障电流，本方法的拓扑结构应用性更广泛。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
本发明提供一种基于MMC不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法，包括如下步骤：
步骤1：针对模块化多电平储能系统，建立具有模块化多电平直流变换器储能系统直流侧不对称全桥子模块网络拓扑模型；所述拓扑模型包括5个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T1-T5，每个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管D1-D5、2个单向二极管D6和D7、2个直流电容器C1和C2组成，其中5个绝缘栅双极型晶体管T1～T5分别并联5个反向二极管D1～D5，T1与T2之间通路为直流信号输入端，T1与T2串联后两端并联稳压电容C1，T2的另一端与T4相连接，二极管D6的一端分别与T1和电容C1相连接，其另一端与D7串联，二极管D7的另一端分别与T5和T3相连接，T4与T5串联在一条支路上，电容C2与T3串联，电容C2的另一端分别与电容C1和T4相连接；
步骤2：在模块化多电平储能系统中，储能系统包括正常工作和故障两种模式，通过检测模块化多电平储能系统中不对称全桥子模块输出的电压判断直流侧是否发生故障，若是，则执行步骤3，若否，则重复本步骤；
步骤3：在模块化多电平储能系统中，当直流侧发生故障时，故障过程分为换流阀闭锁前和换流阀闭锁两个阶段；
换流阀闭锁前：故障发生时刻为t0，闭锁时刻为t1，建立t0～t1时MMC对应等效电路,在换流阀闭锁前几毫秒过程中,等效电路中6个桥臂的输出电压对称，认为6桥臂所有电容都均匀放电，此时，交流馈入电流平衡，并不会流向直流故障点；因此，闭锁前几毫秒过程中直流故障电流主要来自桥臂电容放电电流；闭锁前几毫秒内直流故障电流呈直线上升；
换流阀闭锁阶段：建立闭锁时t1时段MMC等效电路，所有开关器件处于关断状态，不对称全桥子模块网络拓扑模型内部由续流二极管构成的电流通路；故障时电流正负对应有2种工况：当桥臂电流i<0时，桥臂电流从输入端经过续流二极管D1和D3给电容C1和C2充电，C1和C2电容电压持续升高，直到桥臂电流非振荡降低到零，当桥臂电流为零时，二极管D1和D3处于反向截止状态，阻断了桥臂电容放电路径，使得直流故障点电弧快速熄灭，不会重燃；当桥臂电流i>0时，桥臂电流从输入端经过续流二极管D2、D6和D7只给电容C1充电；电容C1电压持续升高，直到桥臂电流非振荡降低到零；当桥臂电流为零时，二极管D2、D6和D7处于反向截止状态，阻断了桥臂电容放电路径，使得直流故障点电弧快速熄灭，不会重燃，阻断直流故障。
所述步骤2中模块化多电平储能系统中不对称全桥子模块输出的电压与开关状态之间有如下关系：正常工作时，不对称全桥子模块输出电压0、Uc1或Uc2、Uc1+Uc2，3种电平中的一种；故障时，不对称全桥子模块输出电压为Uc1+Uc2或者-Uc1；Uc1与Uc2分别为电容C1和电容C2的电压值。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于MMC不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法，本方法可以根据端口输出电压的变化迅速检测系统是否出现直流故障并阻断换流阀闭锁前、后直流故障，并针对该故障支路电流的流向导通不同回路，分别对回路中的电容进行充电，使回路电流值逐渐减小到0，从而起到抑制作用，进而阻断直流故障；本装置使用IGBT的数量与常规半桥型MMC接近，但是在清除故障的速度上可以达到毫秒级清除直流故障电流，相比较于无故障自清除能力的换流器拓扑而言，该拓扑结构应用性更广泛。
附图说明
图1为本发明实施例提供的模块化多电平储能系统直流侧不对称型全桥子模块拓扑结构图；
图2为本发明实施例提供的模块化多电平储能系统不对称型全桥子模块在故障闭锁时的电流通路，其中，a为桥臂电流i<0时的电流通路，b为桥臂电流i>0时的电流通路；
图3为本发明实施例提供的闭锁前t0～t1时段MMC等效电路；
图4为本发明实施例提供的闭锁时t1时段MMC等效电路；
图5为本发明实施例提供的t0～t1时段直流故障等效电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例的方法如下所述。
本发明提供一种基于MMC不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法，包括如下步骤：
步骤1：针对模块化多电平储能系统，建立具有模块化多电平直流变换器储能系统直流侧不对称全桥子模块网络拓扑模型；所述拓扑模型包括5个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T1-T5，每个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管D1-D5、2个单向二极管D6和D7、2个直流电容器C1和C2组成，其中5个绝缘栅双极型晶体管T1～T5分别并联5个反向二极管D1～D5，T1与T2之间通路为直流信号输入端，T1与T2串联后两端并联稳压电容C1，T2的另一端与T4相连接，二极管D6的一端分别与T1和电容C1相连接，其另一端与D7串联，二极管D7的另一端分别与T5和T3相连接，T4与T5串联在一条支路上，电容C2与T3串联，电容C2的另一端分别与电容C1和T4相连接；具体不对称全桥子模块拓扑图如图1所示。
步骤2：在模块化多电平储能系统中，储能系统包括正常工作和故障两种模式，通过检测模块化多电平储能系统中不对称全桥子模块输出的电压判断直流侧是否发生故障，若是，则执行步骤3，若否，则重复本步骤；
在模块化多电平储能系统中不对称全桥子模块输出的电压与开关状态之间有如下关系：正常工作时，不对称全桥子模块输出电压0、Uc1或Uc2、Uc1+Uc2，3种电平中的一种；故障时，不对称全桥子模块输出电压为Uc1+Uc2或者-Uc1；Uc1与Uc2分别为电容C1和电容C2的电压值；通过输出的电压判断模块化多电平储能系统是否出现故障；输出的电压与开关状态之间的关系如表1所示：
表1不对称型全桥子模块的开关状态
Figure BDA0002119861330000041
步骤3：在模块化多电平储能系统中，当直流侧发生故障时，直流侧出现故障到换流阀闭锁会有几个毫秒的时间差，因而故障过程分为换流阀闭锁前和换流阀闭锁两个阶段；
换流阀闭锁前：故障发生时刻为t0，闭锁时刻为t1，t0～t1时MMC对应等效电路方程。在换流阀闭锁前几毫秒过程中，虽然交流电流作用会造成上下桥臂电容电压一个增大而另一个下降的趋势，但短时间作用引起的电容电压偏差可忽略。该过程6个桥臂输出电压近似对称，近似认为6桥臂所有电容都均匀放电，此时，交流馈入电流平衡，并不会流向直流故障点；因此，闭锁前几毫秒过程中直流故障电流主要来自桥臂电容放电电流；电容放电路径与电流流向如图3中虚线所示；其中R0和L0分别为每个桥臂电阻和电感；Rdc和Ldc分别为直流线路电阻和电感；Rf为故障点过渡电阻，idc为对应故障回路电流。闭锁前几毫秒内直流故障电流近似呈直线上升；
换流阀闭锁阶段：换流阀闭锁瞬间，各桥臂电流实际方向如图4中标出的方向所示。闭锁后几毫秒内，根据故障支路电流的正负，等效电路中导通的单相二极管D6和D7，所有开关器件处于关断状态，不对称全桥子模块网络拓扑模型内部由续流二极管构成的电流通路；故障时电流正负对应有2种工况：当桥臂电流i<0时，桥臂电流从输入端经过续流二极管D1和D3给电容C1和C2充电，C1和C2电容电压持续升高，直到桥臂电流非振荡降低到零，当桥臂电流为零时，二极管D1和D3处于反向截止状态，阻断了桥臂电容放电路径，使得直流故障点电弧快速熄灭，不会重燃。；当桥臂电流i>0时，桥臂电流从输入端经过续流二极管D2、D6和D7只给电容C1充电；电容C1电压持续升高，直到桥臂电流非振荡降低到零；当桥臂电流为零时，二极管D2、D6和D7处于反向截止状态，阻断了桥臂电容放电路径，使得直流故障点电弧快速熄灭，不会重燃，从而起到抑制作用，进而阻断直流故障。具体电流走向如图2中实线部分所示。
其中如图5所示的t0～t1时段仅考虑电容放电的直流故障等效电路，可以求出电流表达式如下：
Figure BDA0002119861330000051
式中：τ＝2L/R；
Figure BDA0002119861330000052
其中e代表自然对数，Idc代表故障前直流母线电流，t代表时间，Udc代表故障前直流母线电压，R代表故障支路对应等效电阻，L代表故障支路对应等效电感，C代表故障支路对应等效电容
由上式表明闭锁前几毫秒内直流故障电流近似呈直线上升；当电容电压一定时，电流上升率近似与电感成反比。换流阀闭锁瞬间，各桥臂电流实际方向为图5中标出的方向。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于MMC不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：针对模块化多电平储能系统，建立具有模块化多电平直流变换器储能系统直流侧不对称全桥子模块网络拓扑模型；所述拓扑模型包括5个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T1-T5、二极管D1-D5、2个单向二极管D6和D7、2个直流电容器C1和C2，其中5个绝缘栅双极型晶体管T1～T5分别并联5个反向二极管D1～D5，T1与T2之间通路为直流信号输入端，T1与T2串联后两端并联稳压电容C1，T1的发射极与T2的集电极连接，二极管D1的阴极与T1的集电极连接、二极管D1的阳极与T1的发射极连接，二极管D2的阴极与T2的集电极连接、二极管D2的阳极与T2的发射极连接，电容C1的正极与T1的集电极连接、电容C1的负极与T2的发射极连接，T2的发射极与T4的发射极相连接，二极管D6的阴极分别与T1的集电极和电容C1的正极相连接，其另一端与D7串联，即二极管D6的阳极与二极管D7的阴极连接，二极管D7的阳极分别与T5的发射极和T3的集电极相连接，T4与T5串联在一条支路上，T4的集电极与T5的集电极连接，电容C2与T3串联，电容C2的负极与T3的发射极连接，电容C2的正极分别与电容C1的负极和T4的发射极相连接，二极管D3的阴极与T3的集电极连接、二极管D3的阳极与T3的发射极连接，二极管D4的阴极与T4的集电极连接、二极管D4的阳极与T4的发射极连接，二极管D5的阴极与T5的集电极连接、二极管D5的阳极与T5的发射极连接，二极管D7的阳极与T3的集电极之间通路为直流信号输出端；
步骤2：在模块化多电平储能系统中，储能系统包括正常工作和故障两种模式，通过检测模块化多电平储能系统中不对称全桥子模块输出的电压判断直流侧是否发生故障，若是，则执行步骤3，若否，则重复本步骤；
步骤3：在模块化多电平储能系统中，当直流侧发生故障时，故障过程分为换流阀闭锁前和换流阀闭锁两个阶段；
换流阀闭锁前：故障发生时刻为t0，闭锁时刻为t1，建立t0～t1时MMC对应等效电路,在换流阀闭锁前几毫秒过程中,等效电路中6个桥臂的输出电压对称，认为6桥臂所有电容都均匀放电，此时，交流馈入电流平衡，并不会流向直流故障点；因此，闭锁前几毫秒过程中直流故障电流主要来自桥臂电容放电电流；闭锁前几毫秒内直流故障电流呈直线上升；
换流阀闭锁阶段：建立闭锁时t1时段MMC等效电路，所有开关器件处于关断状态，不对称全桥子模块网络拓扑模型内部由续流二极管构成的电流通路；故障时电流正负对应有2种工况：当桥臂电流i＜0时，桥臂电流从输入端经过续流二极管D1和D3给电容C1和C2充电，C1和C2电容电压持续升高，直到桥臂电流非振荡降低到零，当桥臂电流为零时，二极管D1和D3处于反向截止状态，阻断了桥臂电容放电路径，使得直流故障点电弧快速熄灭，不会重燃；当桥臂电流i＞0时，桥臂电流从输入端经过续流二极管D2、D6和D7只给电容C1充电；电容C1电压持续升高，直到桥臂电流非振荡降低到零；当桥臂电流为零时，二极管D2、D6和D7处于反向截止状态，阻断了桥臂电容放电路径，使得直流故障点电弧快速熄灭，不会重燃，阻断直流故障。
2.根据权利要求1所述的一种基于MMC不对称网络的直流侧故障的检测和阻断方法，其特征在于：所述步骤2中模块化多电平储能系统中不对称全桥子模块输出的电压与开关状态之间有如下关系：正常工作时，不对称全桥子模块输出电压0、Uc1或Uc2、Uc1+Uc2，3种情形中的一种；故障时，不对称全桥子模块输出电压为Uc1+Uc2或者-Uc1；Uc1与Uc2分别为电容C1和电容C2的电压值。
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