CN111224569A - 一种低全桥比例子模块混合型mmc及其直流故障处理策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低全桥比例子模块混合型MMC及其直流故障处理策略，该混合型MMC通过在直流故障处理过程中在换流器交流侧人为制造三相相间短路，阻止交流侧能量进入直流系统，大大降低了处理直流故障所需要的全桥子模块比例，且与高全桥比例的子模块混合型MMC拥有相同的直流故障处理速度，故障处理过程中人为制造的三相相间短路故障持续时间不超过30ms，不会对交流系统产生较大影响。本发明MMC相比已有的子模块混合型MMC，在使用更少的全桥子模块情况下同样能够处理直流故障，能够减少所需的电力电子器件数量，大大降低了建设架空线高压柔性直流输电系统的成本，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种低全桥比例子模块混合型MMC及其直流故障处理策略。
背景技术
随着电力电子技术的蓬勃发展，基于模块化多电平换流器(modular multilevelconverter，MMC)的高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)技术正受到越来越多的关注。和其他电压源型换流器拓扑相比，模块化多电平换流器具有显著优势，由于采用基本运行单元级联的形式，该拓扑避免了大量开关器件直接串联，不存在一致触发等问题；该拓扑可在保证经济性的同时输出高品质电压波形，因此近年来被迅速应用到新能源并网、海上风电送出等场合。
采用架空线输电线路的MMC-HVDC面临的主要问题是如何处理直流线路故障，目前可行的直流故障处理方案主要分为两种：1.使用直流断路器；2.使用具有直流故障自清除能力的子模块(如全桥子模块、钳位双子模块或其他变型子模块)。第一种方式采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器加直流断路器方案，这种构网方式适用于端数任意多的直流电网；第二种构网方式采用具有直流故障自清除能力的MMC，例如采用基于全桥子模块的MMC，但无需直流断路器，这种构网方式适用于端数小于10的小规模直流电网。采用半桥子模块MMC加直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间通常要求换流站继续运行，不能闭锁，故障线路由直流断路器快速切除，其故障处理原则与交流电网类似。采用无直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间网内相关换流器闭锁，闭锁后10ms左右故障电流到零并稳定于零值，再通过隔离开关隔离故障线路，然后相关换流器解锁重新恢复送电，从故障开始到恢复送电的时间一般在20ms左右，通常对交流电网的冲击在可以承受的范围之内。
当采用半桥子模块MMC加直流断路器的方式来构成直流电网时，直流断路器就成为直流电网的关键性元件。目前高压直流断路器构造方案主要集中于3种类型，分别是基于常规开关的传统机械型断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于二者结合的混合型断路器；虽然目前已开发出技术上可行的高压直流断路器，但其成本高昂，体积巨大，难以像交流断路器那样在电网中广泛使用。
而当采用具有直流故障自清除能力的MMC来构成直流电网时，以全桥子模块为例，与相同容量和电压等级的半桥子模块MMC相比，全桥MMC使用的电力电子器件个数几乎为其两倍，不仅增加投资成本，而且引入了更多的运行损耗。
因此有文献提出了由半桥子模块和全桥子模块共同构成的子模块混合型MMC换流站，不仅拥有直流故障处理的能力，同时相比全桥MMC一定程度上减少了电力电子器件个数和运行损耗。然而为了满足直流故障处理速度的需求，通常要求子模块混合型中的全桥子模块数量占所有子模块的50％以上，而在现有实际工程中甚至达到了75％，这大大减弱了子模块混合型MMC相对于全桥MMC的优势，增加了建造成本和运行损耗。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种低全桥比例子模块混合型MMC及其直流故障处理策略，该混合型MMC所需全桥子模块比例较低，且与高全桥比例的子模块混合型MMC拥有相同的直流故障处理速度，大大降低了建设架空线高压柔性直流输电系统的成本，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。
一种低全桥比例子模块混合型MMC，为三相六桥臂结构，每相包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块以及一个桥臂电抗器串联构成，这N个子模块包括了N1个半桥子模块和N2个全桥子模块即N＝N1+N2；A相上下桥臂的连接点与B相上下桥臂的连接点通过交流断路器BR1相连，B相上下桥臂的连接点与C相上下桥臂的连接点通过交流断路器BR2相连，N、N1、N2均为大于1的自然数。
进一步地，每个桥臂中全桥子模块的数量N2为10％N至N(优选为小于等于20％N)。
进一步地，所述MMC直流侧的高压端依次通过平波电抗器以及超高速机械开关与直流线路相连接。
上述低全桥比例子模块混合型MMC的直流故障处理策略，包括如下步骤：
(1)正常运行过程中，使MMC的交流断路器BR1和BR2保持开断状态，超高速机械开关保持闭合状态，同时监测MMC每个桥臂的桥臂电流；
(2)直流故障发生后，若MMC所在换流站首先检测到桥臂电流超过阈值，立刻闭锁MMC所有子模块，同时闭合交流断路器BR1和BR2并向超高速机械开关发出开断信号，进而向MMC所连的另一端换流站发出闭锁指令；
(3)另一端换流站接收到闭锁指令或检测到自身MMC桥臂电流超过阈值，同样立刻闭锁MMC所有子模块，闭合交流断路器BR1和BR2并向超高速机械开关发出开断信号；
(4)两端换流站闭锁后经过一定时长t3，故障线路两端的超高速机械开关在流经电流降低到0之后完成开断，实现故障线路的物理隔离，与此同时两端换流站向各自MMC的交流断路器BR1和BR2发出开断信号；
(5)经过一定时间长t4后，两端MMC的交流断路器BR1和BR2恢复到开断状态，至此直流故障处理完成。
进一步地，所述步骤(2)和步骤(3)中当以下关系式成立则判定MMC桥臂电流超过阈值；
max(Ipa,Ina,Ipb,Inb,Ipc,Inc)＞2Irate
其中：Ipa为MMC的A相上桥臂电流，Ina为MMC的A相下桥臂电流，Ipb为MMC的B相上桥臂电流，Inb为MMC的B相下桥臂电流，Ipc为MMC的C相上桥臂电流，Inc为MMC的C相下桥臂电流，Irate为子模块内IGBT的额定电流。
进一步地，所述步骤(5)在完成直流故障处理后需进行重合闸操作，具体实现方式如下：
对于暂时性直流故障，经过一定的去游离时间后，向故障线路两端的超高速机械开关发出闭合信号，同时向两端MMC发出解除闭锁的指令，使系统恢复到稳态运行状态；
对于永久性直流故障，经过一定的去游离时间后，向故障线路两端的超高速机械开关发出闭合信号，同时向两端MMC发出解除闭锁的指令；由于是永久性直流故障，若经过一定时间再次检测到某一端换流站MMC桥臂电流超过阈值，则重新根据步骤(2)～(5)进行直流故障处理。
进一步地，当MMC中的全桥子模块闭锁后，子模块电容反向接入直流故障线路，与平波电抗器、桥臂电抗器和直流线路共同构成一个LC振荡回路，使直流故障电流在子模块闭锁后的t3时间内降低至0，最终使得超高速机械开关完成开断。
进一步地，在故障处理的t3+t4时间段内，通过闭合交流断路器BR1和BR2在MMC阀侧主动制造三相相间短路，阻止交流系统电流流入直流系统，加快故障电流振荡至0的过程，t3+t4的总时长不超过30ms。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明提出的低全桥比例子模块混合型MMC，相比已有的子模块混合型MMC，在使用更少的全桥子模块情况下同样能够处理直流故障，能够减少所需的电力电子器件数量，大大降低了换流站的建设成本。
2.本发明提出的低全桥比例子模块混合型MMC，相比已有的子模块混合型MMC，运行损耗大大降低。
附图说明
图1为本发明低全桥比例子模块混合型MMC的拓扑结构示意图。
图2为本发明具体实施方式中所采用的测试系统结构示意图。
图3为本发明故障处理过程中流经超高速机械开关的电流波形示意图。
图4为本发明故障处理过程中MMC1的直流电压波形示意图。
图5为本发明故障处理过程中MMC1的直流电流波形示意图。
图6为本发明故障处理过程中MMC1的有功功率波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明低全桥比例子模块混合型MMC为三相六桥臂结构，包含三个相单元，每个相单元包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块以及一个桥臂电抗器L0串联构成，其中包括NH个半桥子模块和NF个全桥子模块；A相和B相上下桥臂连接处通过交流断路器BR1相连接，B相和C相上下桥臂连接处通过交流断路器BR2相连接；换流器直流侧出口处通过一个平波电抗器Ldc和一个超高速机械开关K与直流线路相连接；每个桥臂中全桥子模块数量NF占所有子模块数量N的20％。
对于上述混合型MMC，其直流故障处理策略的步骤如下：
(1)正常运行过程中，BR1和BR2保持断开状态，K保持闭合状态；同时，监测每个桥臂的桥臂电流，分别为A相上桥臂电流Ipa、A相下桥臂电流Ina、B相上桥臂电流Ipb、B相下桥臂电流Inb、C相上桥臂电流Ipc、C相下桥臂电流Inc。
(2)直流故障发生后，经过t1时间后某换流站首先检测到各桥臂电流满足下述关系式，立刻闭锁所有子模块，闭合交流开关BR1和BR2，向K发出开断信号，同时向其它换流站发出闭锁命令。
max(Ipa,Ina,Ipb,Inb,Ipc,Inc)＞2Irate
其中：Irate为所用子模块内IGBT的额定直流电流。
(3)其它换流站接收到闭锁信号或检测到自身桥臂电流超过限值后，同样对所有子模块发出闭锁命令并闭合交流开关BR1和BR2，从第一个换流站闭锁到直流网络内所有换流站完成闭锁经过t2时间。
(4)所有换流站闭锁后经过t3时间，故障线路两侧超高速机械开关K在流经电流降低到0之后完成开断，实现故障线路的物理隔离，同时向BR1和BR2发出开断信号。
全桥子模块闭锁后，子模块电容反向接入直流故障回路，与平波电抗器、桥臂电抗和直流线路共同构成一个LC振荡回路，使直流故障电流在闭锁后t3时间内振荡至零，最终使得超高速机械开关K能够开断故障。
(5)经过t4时间(最长为半个周期，即10ms)，BR1和BR2恢复到开断状态，至此直流故障处理完成；故障处理期间即t3+t4时间段内，通过闭合BR1和BR2在换流站阀侧主动制造三相相间短路，阻止交流系统电流流入直流系统，加快了故障电流振荡至0的过程，其中t3+t4总时长不超过30ms。
当故障处理完成后需进行重合闸操作，具体实现方式如下：
对于暂时性直流故障，经过t5的去游离时间后，向超高速机械开关K发出闭合信号，向两侧MMC发出接触闭锁的指令，最终系统恢复到稳态运行状态。
对于永久性直流故障，经过t5的去游离时间后，向超高速机械开关K发出闭合信号，向两侧MMC发出接触闭锁的指令；由于故障为永久性故障，经过t6时间将再次检测到某个换流站桥臂电流值超过阈值，重新按照上述步骤对故障进行处理。
在图2所示的两端直流输电测试系统直流故障处理过程具体实施，两侧换流站均采用本发明所提出的低全桥比例子模块混合型MMC，具体参数如表1所示：
表1
仿真场景：稳态运行状态下，MMC1控制直流电压，MMC2控制传输功率，MMC1向MMC2传输1500MW有功功率；在1.5s时，直流线路中点发生暂时性接地短路故障，故障持续时间0.1s。
(1)经过t1＝2ms后，MMC1检测到桥臂电流超过阈值6kA，立刻闭锁所有子模块，闭合交流开关BR1和BR2，向线路两侧机械开关K发出开断信号，同时向MMC2发出闭锁命令。
(2)经过t2＝1ms后，MMC2收到闭锁命令，闭锁所有子模块并闭合交流开关BR1和BR2，此时所有换流站完成闭锁。
(3)经过t3＝11ms后，流经线路两侧机械开关K的故障电流均降低到0，两侧开关完成开断，故障线路被隔离，同时向两侧换流站发出开断BR1和BR2的信号。
(4)经过t4＝9ms后，两侧换流站的BR1和BR2均恢复到开断状态，至此直流故障处理完成。
上述过程总共花费23ms，在1.522s时故障线路被顺利隔离，其中两侧换流站BR1和BR2闭合持续时间为10ms，对交流系统产生冲击较小，该过程中流过线路两侧机械开关K的电流波形如图3所示。
故障处理结束后，等待t5＝300ms的去游离时间，向超高速机械开关K发出闭合信号，向两侧MMC发出接触闭锁的指令，最终系统恢复到稳态运行状态。从故障发生到恢复到稳态运行状态过程中，MMC1的直流电压波形如图4所示，直流电流波形如图5所示，向MMC2传输有功功率波形如图6所示。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种低全桥比例子模块混合型MMC，为三相六桥臂结构，每相包含上下两个桥臂，其特征在于：每个桥臂由N个子模块以及一个桥臂电抗器串联构成，这N个子模块包括了N1个半桥子模块和N2个全桥子模块即N＝N1+N2；A相上下桥臂的连接点与B相上下桥臂的连接点通过交流断路器BR1相连，B相上下桥臂的连接点与C相上下桥臂的连接点通过交流断路器BR2相连，N、N1、N2均为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的低全桥比例子模块混合型MMC，其特征在于：每个桥臂中全桥子模块的数量N2为10％N至N。
3.根据权利要求1所述的低全桥比例子模块混合型MMC，其特征在于：所述MMC直流侧的高压端依次通过平波电抗器以及超高速机械开关与直流线路相连接。
4.如权利要求3所述MMC的直流故障处理策略，包括如下步骤：
(1)正常运行过程中，使MMC的交流断路器BR1和BR2保持开断状态，超高速机械开关保持闭合状态，同时监测MMC每个桥臂的桥臂电流；
(2)直流故障发生后，若MMC所在换流站首先检测到桥臂电流超过阈值，立刻闭锁MMC所有子模块，同时闭合交流断路器BR1和BR2并向超高速机械开关发出开断信号，进而向MMC所连的另一端换流站发出闭锁指令；
(3)另一端换流站接收到闭锁指令或检测到自身MMC桥臂电流超过阈值，同样立刻闭锁MMC所有子模块，闭合交流断路器BR1和BR2并向超高速机械开关发出开断信号；
(4)两端换流站闭锁后经过一定时长t3，故障线路两端的超高速机械开关在流经电流降低到0之后完成开断，实现故障线路的物理隔离，与此同时两端换流站向各自MMC的交流断路器BR1和BR2发出开断信号；
(5)经过一定时间长t4后，两端MMC的交流断路器BR1和BR2恢复到开断状态，至此直流故障处理完成。
5.根据权利要求4所述的直流故障处理策略，其特征在于：所述步骤(2)和步骤(3)中当以下关系式成立则判定MMC桥臂电流超过阈值；
max(Ipa,Ina,Ipb,Inb,Ipc,Inc)＞2Irate
其中：Ipa为MMC的A相上桥臂电流，Ina为MMC的A相下桥臂电流，Ipb为MMC的B相上桥臂电流，Inb为MMC的B相下桥臂电流，Ipc为MMC的C相上桥臂电流，Inc为MMC的C相下桥臂电流，Irate为子模块内IGBT的额定电流。
6.根据权利要求4所述的直流故障处理策略，其特征在于：所述步骤(5)在完成直流故障处理后需进行重合闸操作，具体实现方式如下：
对于暂时性直流故障，经过一定的去游离时间后，向故障线路两端的超高速机械开关发出闭合信号，同时向两端MMC发出解除闭锁的指令，使系统恢复到稳态运行状态；
对于永久性直流故障，经过一定的去游离时间后，向故障线路两端的超高速机械开关发出闭合信号，同时向两端MMC发出解除闭锁的指令；由于是永久性直流故障，若经过一定时间再次检测到某一端换流站MMC桥臂电流超过阈值，则重新根据步骤(2)～(5)进行直流故障处理。
7.根据权利要求4所述的直流故障处理策略，其特征在于：当MMC中的全桥子模块闭锁后，子模块电容反向接入直流故障线路，与平波电抗器、桥臂电抗器和直流线路共同构成一个LC振荡回路，使直流故障电流在子模块闭锁后的t3时间内降低至0，最终使得超高速机械开关完成开断。
8.根据权利要求4所述的直流故障处理策略，其特征在于：在故障处理的t3+t4时间段内，通过闭合交流断路器BR1和BR2在MMC阀侧主动制造三相相间短路，阻止交流系统电流流入直流系统，加快故障电流振荡至0的过程，t3+t4的总时长不超过30ms。
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