CN111313407A - 一种基于附加阻尼电阻的upfc故障渡越装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置及方法，通过在直流正极母线串联反并联双晶闸管组、在串联侧MMC桥臂增加阻尼模块，实现MMC‑UPFC故障渡越。当交流系统发生短路故障时，故障电流通过串联变压器耦合至阀侧，串联侧MMC闭锁，当UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧时，闭锁串联侧MMC阻尼模块IGBT，投入阻尼电阻，抑制串联侧MMC馈入直流母线的故障电流，并联侧MMC不会过流闭锁；当UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧时，反并联双晶闸管组自行截断直流母线反向故障电流，并联侧MMC与串联侧MMC隔离，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后的系统母线电压提供无功功率支撑，有利于故障后电力系统的安全运行。

Description

一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置及方法
技术领域
本发明涉及交流输电技术领域，特别是涉及一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置及方法。
背景技术
UPFC(Unified Power Flow Controller，统一潮流控制器)作为FACTS(FlexibleAlternating Current Transmission Systems，灵活交流输电技术)装置的典型代表，可以实现并联补偿、串联补偿、移相、电压调节等功能，可以灵活控制线路潮流，提高电力系统运行的稳定性与灵活性。MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)具有模块化程度高、谐波含量少、故障处理能力强等优点，其在实际工程中得到了越来越广泛的应用。交流系统发生短路故障时，故障电流通过串联变压器耦合至串联侧MMC，流经直流母线与并联侧MMC形成回路，通常导致串、并联侧MMC过流闭锁，UPFC完全退出运行。若此时能实现并联侧MMC不闭锁，继续为系统母线电压提供无功功率支撑，则更有利于故障后电力系统的安全运行。因此有必要研究交流系统短路UPFC故障渡越方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置及方法，以解决现有UPFC在交流系统发生短路故障时往往导致串、并联侧MMC过流闭锁，UPFC无法运行的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置，所述装置包括：并联变压器、并联侧MMC、串联变压器、串联侧MMC、反并联双晶闸管组以及阻尼模块；
所述并联侧MMC通过所述并联变压器接入交流母线；所述串联侧MMC通过所述串联变压器串入交流线路；所述并联侧MMC通过直流母线与所述串联侧MMC背靠背连接；所述并联侧MMC各桥臂由n个半桥子模块组成；所述串联侧MMC各桥臂在n个半桥子模块的基础上串联m个阻尼模块；所述阻尼模块由一个IGBT、一个反并联二极管和一个阻尼电阻并联组成；直流正极母线上串联所述反并联双晶闸管组；所述反并联双晶闸管组由第一晶闸管和第二晶闸管反向并联连接构成。
可选的，所述串联侧MMC三相六桥臂中单桥臂上串联的m个所述阻尼模块的总阻值为12Ω。
可选的，所述装置还包括晶闸管旁路开关；所述晶闸管旁路开关串联在所述串联侧MMC的交流入口处，用于紧急情况下旁路所述串联侧MMC。
一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越方法，所述方法基于所述基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置，所述方法包括：
正常运行时，反并联晶闸管组单向导通，串联侧MMC桥臂的阻尼模块处于旁路状态，IGBT与反并联二极管保证桥臂电流的双向导通；
当交流系统发生短路故障时，故障电流通过串联变压器耦合至阀侧，串联侧MMC过流闭锁；
当UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧时，闭锁所述串联侧MMC桥臂上所述阻尼模块的IGBT，所述阻尼模块处于阻尼状态，所述串联侧MMC三相六桥臂中处于短路状态的桥臂串入阻尼电阻，故障回路中等效电阻增大，抑制所述串联侧MMC馈入直流母线的故障电流，并联侧MMC不会过流闭锁；
当UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧时，所述反并联双晶闸管组自行截断直流母线的反向故障电流，所述并联侧MMC与所述串联侧MMC实现隔离，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后交流母线提供无功功率支撑。
可选的，所述正常运行时，反并联晶闸管组单向导通，具体包括：
正常运行时，若UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧，第一晶闸管截止，第二晶闸管导通；所述第二晶闸管导通后撤销其触发脉冲。
可选的，所述正常运行时，反并联晶闸管组单向导通，具体包括：
正常运行时，若UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧，第一晶闸管导通，第二晶闸管截止；所述第一晶闸管导通后撤销其触发脉冲。
可选的，所述串联侧MMC桥臂的阻尼模块处于旁路状态，具体为：
所述阻尼模块中的IGBT导通，阻尼电阻被旁路。
可选的，在所述串联侧MMC三相六桥臂中处于短路状态的桥臂串入阻尼电阻之后，还包括：
导通晶闸管旁路开关，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后交流母线提供无功功率支撑。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置及方法，通过在直流正极母线串联反并联双晶闸管组、在串联侧MMC桥臂上增加阻尼模块，实现MMC-UPFC故障渡越。当交流系统发生严重短路故障时，故障电流通过串联变压器耦合至阀侧，串联侧MMC闭锁，当UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧时，闭锁串联侧MMC阻尼模块IGBT，投入阻尼电阻，增大故障回路等效电阻，抑制串联侧MMC馈入直流母线的故障电流，并联侧MMC不会过流闭锁；当UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧时，反并联双晶闸管组可以自行截断直流母线反向故障电流，并联侧MMC与串联侧MMC隔离，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后的系统母线电压提供无功功率支撑。因此在交流系统发生短路故障时，采用本发明装置及方法可以抑制馈入并联侧MMC的故障电流，并联侧MMC不会出现过流闭锁，UPFC可以切换至STATCOM模式，继续为故障后的系统母线电压提供无功功率支撑，有利于故障后电力系统的安全运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置的结构示意图；
图2为本发明提供的UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧时，图1中k点发生三相故障时的仿真波形图；图2(a)为无故障渡越时和采用本发明UPFC故障渡越方案时并联侧MMC出口直流电流曲线的比较示意图；图2(b)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC上桥臂三相电流示意图；图2(c)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC下桥臂三相电流示意图；图2(d)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC吸收的无功功率示意图；
图3为本发明提供的UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧时，图1中k点发生三相故障时的仿真波形图；图3(a)为无故障渡越时和采用本发明UPFC故障渡越方案时并联侧MMC出口直流电流曲线的比较示意图；图3(b)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC上桥臂三相电流示意图；图3(c)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC下桥臂三相电流示意图；图3(d)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC吸收的无功功率示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置及方法，以解决现有UPFC在交流系统发生短路故障时往往导致串、并联侧MMC过流闭锁，UPFC无法运行的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
图1为本发明提供的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置的结构示意图。现有UPFC(Unified PowerFlow Controller，统一潮流控制器)中，通常包括：并联变压器、并联侧MMC、串联变压器以及串联侧MMC。如图1所示，UPFC并联侧MMC通过所述并联变压器接入交流母线；所述串联侧MMC通过所述串联变压器串入交流线路。所述并联侧MMC通过直流母线与所述串联侧MMC背靠背连接。TBS为晶闸管旁路开关，用于紧急情况下旁路串联侧MMC。所述并联侧MMC各桥臂由n个半桥子模块组成，如图1中并联侧SM1到SMn所示。所述串联侧MMC各桥臂也由n个半桥子模块组成，如图1中串联侧SM1到SMn所示。
当交流系统发生短路故障时，现有UPFC串、并联侧MMC(Modular MultilevelConverter，模块化多电平换流器，本发明简称换流器)故障特性为：
交流系统故障电流通过串联变压器耦合至阀侧，串联侧MMC迅速过流闭锁，串联侧MMC在闭锁后处于不控充电状态；
对于正常运行状态换流器间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧的UPFC，直流母线故障电流迅速增大，并联侧MMC桥臂将过流闭锁，UPFC退出运行；
对于正常运行状态换流器间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧的UPFC，直流母线电流反向，故障电流通过直流母线流入并联侧MMC，并联侧MMC桥臂过流闭锁，UPFC退出运行。
为了避免现有UPFC上述故障情况下并联侧MMC过流闭锁，本发明提出了基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置。参见图1，本发明装置在直流正极母线上串联反并联双晶闸管组；所述反并联双晶闸管组由第一晶闸管T1和第二晶闸管T2反向并联连接构成。同时所述串联侧MMC各桥臂在n个半桥子模块SM1到SMn的基础上串联m个阻尼模块，如图中DM1到DMm所示。
具体的，所述阻尼模块由一个IGBT、一个反并联二极管和一个阻尼电阻并联组成；图1中S表示IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，R表示阻尼电阻，D表示反并联二极管。
本发明装置中，反向并联双晶闸管组串联在直流正极母线上，串联侧MMC三相六桥臂单桥臂阻尼模块总阻值为12Ω，即所述串联侧MMC三相六桥臂中单桥臂上串联的m个所述阻尼模块的总阻值为12Ω。
所述装置还包括晶闸管旁路开关TBS；所述晶闸管旁路开关TBS串联在所述串联侧MMC的交流入口处，用于紧急情况下旁路所述串联侧MMC。
正常运行时，反并联晶闸管组单向导通，串联侧MMC桥臂阻尼模块处于旁路状态，即阻尼模块中IGBT导通，阻尼电阻被旁路，IGBT与二极管保证桥臂电流的双向导通。
当交流系统发生短路故障时，故障电流通过串联变压器耦合至阀侧(串联变压器二次侧)，串联侧MMC过流闭锁。
当UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧时，闭锁串联侧MMC桥臂阻尼模块IGBT，阻尼模块处于阻尼状态，串联侧MMC三相六桥臂中处于短路状态的桥臂串入阻尼电阻，故障回路中等效电阻增大，抑制串联侧MMC馈入直流母线的故障电流，并联侧MMC不会过流闭锁。
当UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧时，反并联双晶闸管组可以自行截断直流母线反向故障电流，并联侧MMC与串联侧MMC实现隔离，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后的系统母线电压提供无功功率支撑。
可见本发明所述基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置，在交流系统发生短路故障时，并联侧MMC不会过流闭锁，UPFC可以切换至STATCOM(STATic synchronousCOMpensator，静止同步补偿器)模式，继续为并联侧接入母线电压提供无功功率支撑，有利于故障后电力系统的安全运行。
基于本发明所述的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置，本发明还提供一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越方法。其中，所述装置在UPFC串联侧MMC桥臂增加阻尼电阻，在直流正极母线串联反并联双晶闸管组；串联侧MMC三相六桥臂增加的阻尼电阻由多个阻尼模块串联构成，阻尼模块由一个IGBT、一个反并联二极管和一个阻尼电阻并联组成。所述方法包括：
正常运行时，反并联晶闸管组单向导通，串联侧MMC桥臂的阻尼模块处于旁路状态，即阻尼模块中IGBT导通，阻尼电阻被旁路，IGBT与反并联二极管保证桥臂电流的双向导通；
当交流系统发生短路故障时，故障电流通过串联变压器耦合至阀侧，串联侧MMC过流闭锁；
当UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧时，闭锁所述串联侧MMC桥臂上所述阻尼模块的IGBT，所述阻尼模块处于阻尼状态，所述串联侧MMC三相六桥臂中处于短路状态的桥臂串入阻尼电阻，故障回路中等效电阻增大，抑制所述串联侧MMC馈入直流母线的故障电流，并联侧MMC不会过流闭锁；
当UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧时，所述反并联双晶闸管组自行截断直流母线的反向故障电流，所述并联侧MMC与所述串联侧MMC实现隔离，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后交流母线提供无功功率支撑。
具体的，如图1所示，若UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧，正常运行时，反向并联双晶闸管组T1截止、T2导通，T2导通后撤销其触发脉冲；当交流系统发生短路后，串联侧MMC闭锁的同时桥臂阻尼模块IGBT闭锁，处于短路状态的桥臂投入阻尼电阻，故障回路中等效电阻增大，因此馈入并联侧MMC的直流母线故障电流减小，并联侧MMC不会过流闭锁；TBS导通后，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后交流母线提供无功功率支撑。
当UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧，正常运行时，反向并联双晶闸管组T1导通、T2截止，T1导通后撤销其触发脉冲；当交流系统发生短路后，直流正极母线上串联的反并联双晶闸管组单向导通，串联侧MMC馈入直流母线的故障电流无法通过单向导通的晶闸管T1流入并联侧MMC，并联侧MMC与串联侧MMC实现隔离，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后的系统母线电压提供无功功率支撑。
为了说明本发明提出的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置及方法的效果，进行了以下验证。
图2为本发明提供的UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧时，图1中k点发生三相故障时的仿真波形图。若UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧，在图1中UPFC接入线路出口首端k点设置三相故障，故障发生时刻为1.5s，故障持续时间为0.5s。
其中图2(a)为无故障渡越时和采用本发明UPFC故障渡越方案时并联侧MMC出口直流电流曲线的比较示意图。图2(a)横坐标为时间t，单位为秒(s)；纵坐标为馈入并联侧MMC出口的直流电流大小，单位为kA。由图2(a)可以看出，未采取故障渡越时，故障发生后，馈入并联侧MMC的直流母线故障电流不断增大，并联侧MMC桥臂过流闭锁；而采取本发明提出的故障渡越方案时，串联侧MMC闭锁后，桥臂阻尼电阻同时投入，馈入并联侧MMC的直流母线故障电流减小，并联侧MMC桥臂不会过流闭锁，故障后的并联侧MMC可以为系统母线提供无功功率支撑。
图2(b)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC上桥臂三相电流示意图，图2(c)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC下桥臂三相电流示意图，图2(d)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC吸收的无功功率示意图。图2(b)-(d)的实验结果表明，系统线路发生严重短路故障时，采用本发明提出的故障渡越方案，并联侧MMC不会过流闭锁。
图3为本发明提供的UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧时，图1中k点发生三相故障时的仿真波形图。若UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧，在图1中UPFC接入线路出口首端k点设置三相故障，故障发生时刻为1.5s，故障持续时间为0.5s。
其中图3(a)为无故障渡越时和采用本发明UPFC故障渡越方案时并联侧MMC出口直流电流曲线的比较示意图。图3(a)横坐标为时间t，单位为秒(s)；纵坐标为馈入并联侧MMC出口的直流电流大小，单位为kA。由图3(a)可以看出，未采取故障渡越方案时，故障发生后，馈入并联侧MMC的直流母线电流过零然后再反向增大，并联侧MMC桥臂过流闭锁；而采取本发明提出的故障渡越方案时，馈入并联侧MMC的直流母线故障电流在故障后过零截止，并联侧MMC桥臂不会过流闭锁，故障后的并联侧MMC可以为系统母线提供无功功率支撑。
图3(b)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC上桥臂三相电流示意图，图3(c)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC下桥臂三相电流示意图，图3(d)为采用本发明UPFC故障渡越方案后并联侧MMC吸收的无功功率示意图。图3(b)-(d)的实验结果表明，系统线路发生严重短路故障时，本发明提出的故障渡越方案可以隔离串、并联侧MMC，并联侧MMC不会过流闭锁。
验证结果表明，本发明提出的故障渡越方案(装置及方法)在MMC-UPFC运行于不同工作状态下时都可以快速实现系统线路严重短路的故障渡越。
本发明公开了一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置及方法，通过在串联侧MMC桥臂增加阻尼模块，在直流正极母线上串联反并联双击闸管组，实现MMC-UPFC的故障渡越。当UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧时，通过快速投入串联侧MMC桥臂阻尼电阻，增加故障回路等效电阻值，抑制馈入并联侧的直流母线故障电流，并联侧MMC不会过流闭锁。当UPFC正常运行换流器间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧，当交流系统发生严重短路故障时，反并联双晶闸管组可以自行截断直流母线反向故障电流，并联侧MMC与串联侧MMC自动隔离；UPFC切换至STATCOM模式，为故障后的系统母线电压提供无功功率支撑，有利于故障后电力系统的安全运行。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置，其特征在于，所述装置包括：并联变压器、并联侧MMC、串联变压器、串联侧MMC、反并联双晶闸管组以及阻尼模块；
所述并联侧MMC通过所述并联变压器接入交流母线；所述串联侧MMC通过所述串联变压器串入交流线路；所述并联侧MMC通过直流母线与所述串联侧MMC背靠背连接；所述并联侧MMC各桥臂由n个半桥子模块组成；所述串联侧MMC各桥臂在n个半桥子模块的基础上串联m个阻尼模块；所述阻尼模块由一个IGBT、一个反并联二极管和一个阻尼电阻并联组成；直流正极母线上串联所述反并联双晶闸管组；所述反并联双晶闸管组由第一晶闸管和第二晶闸管反向并联连接构成。
2.根据权利要求1所述的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置，其特征在于，所述串联侧MMC三相六桥臂中单桥臂上串联的m个所述阻尼模块的总阻值为12Ω。
3.根据权利要求1所述的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置，其特征在于，所述装置还包括晶闸管旁路开关；所述晶闸管旁路开关串联在所述串联侧MMC的交流入口处，用于紧急情况下旁路所述串联侧MMC。
4.一种基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1所述的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越装置，所述方法包括：
正常运行时，反并联晶闸管组单向导通，串联侧MMC桥臂的阻尼模块处于旁路状态，IGBT与反并联二极管保证桥臂电流的双向导通；
当交流系统发生短路故障时，故障电流通过串联变压器耦合至阀侧，串联侧MMC过流闭锁；
当UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧时，闭锁所述串联侧MMC桥臂上所述阻尼模块的IGBT，所述阻尼模块处于阻尼状态，所述串联侧MMC三相六桥臂中处于短路状态的桥臂串入阻尼电阻，故障回路中等效电阻增大，抑制所述串联侧MMC馈入直流母线的故障电流，并联侧MMC不会过流闭锁；
当UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧时，所述反并联双晶闸管组自行截断直流母线的反向故障电流，所述并联侧MMC与所述串联侧MMC实现隔离，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后交流母线提供无功功率支撑。
5.根据权利要求4所述的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越方法，其特征在于，所述正常运行时，反并联晶闸管组单向导通，具体包括：
正常运行时，若UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为串联侧流向并联侧，第一晶闸管截止，第二晶闸管导通；所述第二晶闸管导通后撤销其触发脉冲。
6.根据权利要求4所述的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越方法，其特征在于，所述正常运行时，反并联晶闸管组单向导通，具体包括：
正常运行时，若UPFC正常运行MMC间有功功率传输方向为并联侧流向串联侧，第一晶闸管导通，第二晶闸管截止；所述第一晶闸管导通后撤销其触发脉冲。
7.根据权利要求4所述的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越方法，其特征在于，所述串联侧MMC桥臂的阻尼模块处于旁路状态，具体为：
所述阻尼模块中的IGBT导通，阻尼电阻被旁路。
8.根据权利要求4所述的基于附加阻尼电阻的UPFC故障渡越方法，其特征在于，在所述串联侧MMC三相六桥臂中处于短路状态的桥臂串入阻尼电阻之后，还包括：
导通晶闸管旁路开关，UPFC切换至STATCOM模式，为故障后交流母线提供无功功率支撑。
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