CN111327216A - 一种电阻型子模块混合mmc及其直流故障处理策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电阻型子模块混合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对地短路，阻止故障电流从交流侧进入直流系统，相比起子模块混合型MMC，能够减少所需的电力电子器件数量；同时，该混合型MMC的直流故障处理速度较快，故障处理过程中人为制造的三相对地短路故障持续时间不超过60ms，不会对交流系统产生较大影响。本发明MMC所需电阻型子模块比例仅为半桥子模块的30％，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

一种电阻型子模块混合MMC及其直流故障处理策略
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电阻型子模块混合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。MMC具有以下几个优势：①采用模块化设计，开关器件动态均压以及触发一致性要求较低，运行维护较为方便；②可扩展性好，理论上通过增加级联子模块数量就可以提高电压等级；③损耗低，已经接近传统直流输电的水平(约等于1％)；④输出波形谐波含量低，不需要装设滤波装置。目前MMC已成为高压直流输电场合最具发展前景的换流器拓扑。
MMC凭借其相对于两电平和三电平换流器的技术优势，展现出了应用于多端直流输电系统的巨大潜力。然而到目前为止，直流侧故障的快速清除等关键问题依旧没有得到很好的解决，这极大限制了MMC技术在架空线场合的应用。针对目前MMC-HVDC工程中通过跳开交流断路器来处理直流侧故障方法的不足，目前主要存在两种技术成熟度较高的改进措施：(1)仍然采用基于半桥型子模块的换流器，同时在直流线路两端装设高压直流断路器，通过高压直流断路器来快速开断故障线路。ABB公司在2013年底发布了一款额定电压为320kV高压直流断路器，可以在5ms之内开断最大值为9kA的直流电流。目前SIEMENS公司，ALSTOM公司和国网智研院等单位也都在开发自己的高压直流断路器；(2)使用具有直流故障自清除能力的换流器可以快速处理直流线路故障。
第一种方式采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器(MMC)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，本发明提出了一种电阻型子模块混合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仅为所有半桥子模块的30％，且可以在50ms之内隔离直流故障，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。
一种电阻型子模块混合MMC，为三相六桥臂结构，每相包含上下两个桥臂，对于上桥臂，其从高压端至低压端依次由N1个半桥子模块、N2个电阻型子模块以及一个桥臂电抗器串联构成；对于下桥臂，其从高压端至低压端依次由一个桥臂电抗器、N2个电阻型子模块以及N1个半桥子模块串联构成，N1和N2均为大于1的自然数；
A相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR1，交流断路器BR1的另一端接地；B相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR2，交流断路器BR2的另一端接地；C相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR3，交流断路器BR3的另一端接地。
进一步地，每个桥臂中电阻型子模块的数量N2小于等于30％N1。
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快速机械开关与直流线路相连接。
进一步地，所述电阻型子模块包括两个带反并联二极管的IGBT管T1～T2以及一个电阻R0，其中IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并作为子模块的高压端，IGBT管T1的集电极与电阻R0的一端相连，电阻R0的另一端与IGBT管T2的发射极相连并作为子模块的低压端。
上述电阻型子模块混合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、BR2和BR3保持开断状态，快速机械开关保持闭合状态，所有电阻型子模块保持旁路状态，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中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，同时闭合交流断路器BR1、BR2和BR3，进而向MMC所连的另一端换流站发出直流故障处理指令；
(3)另一端换流站接收到直流故障处理指令或检测到自身MMC桥臂电流超过阈值，同样立刻闭锁MMC中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，并闭合交流断路器BR1、BR2和BR3；
(4)经过一定时长t3之后，当故障线路两端的快速机械开关流经电流降低到一定大小，两端换流站向各自的快速机械开关发出开断信号，快速机械开关完成开断，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、BR2和BR3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、BR2和BR3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，向故障线路两端的快速机械开关发出闭合信号，同时向两端MMC发出解锁半桥子模块且旁路电阻型子模块的指令，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，向故障线路两端的快速机械开关发出闭合信号，同时向两端MMC发出解锁半桥子模块且旁路电阻型子模块的指令；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中的半桥子模块闭锁且电阻型子模块投入后，电阻型子模块中的电阻与平波电抗器、桥臂电抗器和直流线路共同构成一个LC振荡衰减回路，使直流故障电流在半桥子模块闭锁且电阻型子模块投入后的t3时间内迅速下降到快速机械开关能够断开的电流范围之内，最终使得快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、BR2和BR3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，加快故障电流振荡衰减的过程，t3+t4的总时长不超过60ms。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明提出的电阻型子模块混合MMC，所需电阻型子模块比例仅为所有半桥子模块的30％，相比起子模块混合型MMC，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.本发明提出的电阻型子模块混合MMC，电阻型子模块在正常工作状态下处于旁路状态，相比已有的子模块混合型MMC，可以大大降低运行损耗。
附图说明
图1为本发明电阻型子模块混合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快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，本发明电阻型子模块混合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个电阻型子模块即N＝N1+N2，N、N1、N2均为大于1的自然数。换流器直流侧出口处通过一个平波电抗器Ldc和一个快速机械开关K与直流线路相连接。MMC所有上桥臂中，按照从高压端到低压端的顺序，分别布置N1个串联半桥子模块，N2个串联电阻型子模块和桥臂电抗器；MMC所有下桥臂中，按照从高压端到低压端的顺序，分别布置桥臂电抗器，N2个串联电阻型子模块和N1个串联半桥子模块。A相上下桥臂的连接点通过交流断路器BR1接地，B相上下桥臂的连接点通过交流断路器BR2相连，C相上下桥臂的连接点通过交流断路器BR3接地。每个桥臂中电阻型子模块的数量N2小于等于30％N1。电阻型子模块的结构与常规的半桥子模块类似，即子模块的高压端和低压端有两个并联支路，其中一个支路为IGBT和反并联二极管构成，另一个并联支路由IGBT和反并联二极管与子模块电阻串联构成。
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、BR2和BR3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MMC中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，闭合交流开关BR1、BR2和BR3，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，同样对闭锁MMC中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，同时闭合交流开关BR1、BR2和BR3，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，故障线路两侧快速机械开关K在流经电流降低到0.2kA之后，对应的换流站向快速机械开关发出开断信号；快速机械开关完成开断，实现故障线路的物理隔离，同时向BR1、BR2和BR3发出开断信号。
当MMC中的半桥子模块闭锁且电阻型子模块接入后，电阻型子模块的等效电阻与平波电抗器、桥臂电抗器和直流线路共同构成一个RL振荡衰减回路，使直流故障电流在半桥子模块闭锁且电阻型子模块接入后的t3时间内迅速下降到快速机械开关能够断开的电流范围之内，最终使得快速机械开关K能够开断故障。
(5)经过t4时间(最长为半个周期，即10ms)，BR1、BR2和BR3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、BR2和BR3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60ms。
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，向快速机械开关K发出闭合信号，向两侧MMC发出解锁半桥子模块且旁路电阻型子模块的指令，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，向快速机械开关K发出闭合信号，向两侧MMC发出解锁半桥子模块且旁路电阻型子模块的指令；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例中，两侧换流站均采用本发明所提出的电阻型子模块混合MMC，具体参数如表1所示：
表1
Figure BDA0002435148500000071
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400MW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＝3ms后，MMC1检测到桥臂电流超过阈值3kA，立刻闭锁所有半桥子模块且导通所有电阻型子模块，闭合交流开关BR1、BR2和BR3，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检测到桥臂电流超过阈值3kA，立刻闭锁所有半桥子模块且导通所有电阻型子模块，闭合交流开关BR1、BR2和BR3。
(3)经过t3＝40ms后，流经线路两侧机械开关K的故障电流均降低到0.2kA，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、BR2和BR3的信号。
(4)经过t4＝10ms后，两侧换流站的BR1、BR2和BR3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54ms，在1.544s时故障线路被顺利隔离，其中两侧换流站BR1、BR2和BR3均闭合持续时间为54ms，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，向快速机械开关K发出闭合信号，向两侧MMC发出解锁半桥子模块且旁路电阻型子模块的指令，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 (9)

1.一种电阻型子模块混合MMC，为三相六桥臂结构，每相包含上下两个桥臂，其特征在于：对于上桥臂，其从高压端至低压端依次由N1个半桥子模块、N2个电阻型子模块以及一个桥臂电抗器串联构成；对于下桥臂，其从高压端至低压端依次由一个桥臂电抗器、N2个电阻型子模块以及N1个半桥子模块串联构成，N1和N2均为大于1的自然数；
A相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR1，交流断路器BR1的另一端接地；B相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR2，交流断路器BR2的另一端接地；C相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR3，交流断路器BR3的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的电阻型子模块混合MMC，其特征在于：每个桥臂中电阻型子模块的数量N2小于等于30％N1。
3.根据权利要求1所述的电阻型子模块混合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快速机械开关与直流线路相连接。
4.根据权利要求1所述的电阻型子模块混合MMC，其特征在于：所述电阻型子模块包括两个带反并联二极管的IGBT管T1～T2以及一个电阻R0，其中IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并作为子模块的高压端，IGBT管T1的集电极与电阻R0的一端相连，电阻R0的另一端与IGBT管T2的发射极相连并作为子模块的低压端。
5.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、BR2和BR3保持开断状态，快速机械开关保持闭合状态，所有电阻型子模块保持旁路状态，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中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，同时闭合交流断路器BR1、BR2和BR3，进而向MMC所连的另一端换流站发出直流故障处理指令；
(3)另一端换流站接收到直流故障处理指令或检测到自身MMC桥臂电流超过阈值，同样立刻闭锁MMC中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，并闭合交流断路器BR1、BR2和BR3；
(4)经过一定时长t3之后，当故障线路两端的快速机械开关流经电流降低到一定大小，两端换流站向各自的快速机械开关发出开断信号，快速机械开关完成开断，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、BR2和BR3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、BR2和BR3恢复到开断状态，至此直流故障处理完成。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求5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，向故障线路两端的快速机械开关发出闭合信号，同时向两端MMC发出解锁半桥子模块且旁路电阻型子模块的指令，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，向故障线路两端的快速机械开关发出闭合信号，同时向两端MMC发出解锁半桥子模块且旁路电阻型子模块的指令；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。
8.根据权利要求5所述的直流故障处理策略，其特征在于：当MMC中的半桥子模块闭锁且电阻型子模块投入后，电阻型子模块中的电阻与平波电抗器、桥臂电抗器和直流线路共同构成一个LC振荡衰减回路，使直流故障电流在半桥子模块闭锁且电阻型子模块投入后的t3时间内迅速下降到快速机械开关能够断开的电流范围之内，最终使得快速机械开关完成开断。
9.根据权利要求5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、BR2和BR3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，加快故障电流振荡衰减的过程，t3+t4的总时长不超过60ms。
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