CN111711348A - 具有故障阻断能力的改进型混合半桥mmc - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，属于柔性直流输电技术领域。步骤包括M‑HBSM型子模块拓扑结构设计；MH‑HB‑MMC主电路拓扑结构设计；MH‑HB‑MMC子模块混合比例设计；MH‑HB‑MMC转移支路电阻参数设计；MH‑HB‑MMC吸收支路电阻参数设计。借助桥臂辅助电路和电流能量耗散支路，配合相应的协调控制策略，实现直流侧故障电流阻断。依靠M‑HBSM故障阻断期间承受电压的最大值确定子模块的混合比例，把从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于t _s作为转移支路电阻参数的选择原则，把从故障阻断到限流电感续流衰减为零所需时间小于t _k作为能量耗散支路电阻参数的选择原则，分析了MH‑HB‑MMC故障阻断动态过程。

Description

具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥 MMC。

背景技术

2001年，德国学者R.Marquardt和A.Lesnicar提出模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)，推动了高压直流输电(high voltage direct currenttransmission，HVDC)技术的发展。基于MMC的柔性直流电网是实现大规模可再生能源汇集与远距离外送的必要手段。同时，随着大容量、远距离直流输电发展的迫切需要，运行过程中故障率更高的架空线输电方案成为未来发展的重要方向。然而，目前工程上常用的半桥型MMC具有无法阻断直流故障的固有缺陷，在应对直流故障时形成的不控整流效应成为其在架空线直流输配电方案中应用的主要障碍，因此，采取有效的方法实现直流故障阻断对架空线柔性直流输电的发展具有重要意义。应对MMC直流短路故障，最理想的故障阻断方法是加装直流断路器。但由于直流系统具有低阻尼特性，直流故障发展快，故障电流上升迅速，故障时要求直流断路器能够在数毫秒内开断故障电流，避免故障阻断期间换流器因过电流损坏。然而，目前能够满足大容量快速开断的直流断路器研制困难，且造价十分昂贵，限制了其大规模应用。

针对直流侧故障阻断，国内外相关学者和研究机构提出了大量新型具有直流阻断能力的子模块及换流器拓扑。有学者提出一种具有故障阻断能力的不对称型全桥子模块，依靠二极管续流使半数子模块电容反向来抑制故障电流，也有人提出一种具备直流故障清除能力的电流转移型MMC，借助电流开断和辅助支路转移并阻断故障电流。上述方法所提子模块及换流器拓扑充分利用了电力电子开关器件动作速度快的特点实现了直流故障电流阻断和系统快速恢复，提高了柔性直流输电系统处理直流故障的能力，但所提到的新型子模块或换流器在设计过程中都增加了IGBT器件的使用，造成了系统建造成本的增加且提高了控制系统的复杂性。因此，低损耗、造价低、控制方式简单且具有直流故障阻断能力的换流器拓扑结构成为了研究的热点方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，解决了现有技术存在的上述问题。本发明在半桥型MMC基础上提出一种具有故障阻断能力的HBSM与M-HBSM混合的MMC，借助桥臂辅助电路和电流能量耗散支路，配合相应的协调控制策略，实现直流侧故障电流阻断。建立了改进混合半桥MMC拓扑结构，设计了辅助电路动作时序及参数选择方法，分析了MH-HB-MMC故障阻断动态过程，求取了M-HBSM与HBSM的混合比例。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，包括以下步骤：

步骤(1)M-HBSM型子模块拓扑结构设计；

步骤(2)MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计；

步骤(3)MH-HB-MMC子模块混合比例设计；

步骤(4)MH-HB-MMC转移支路电阻参数设计；

步骤(5)MH-HB-MMC吸收支路电阻参数设计。

步骤(1)所述的M-HBSM型子模块拓扑结构设计，采用4个二极管和1个IGBT构成的H桥型结构，代替HBSM下桥中的IGBT和1个二极管反并联结构。

步骤(2)所述的MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计，采用在传统半桥型MMC的基础上，MH-HB-MMC型拓扑增加了少量的M-HBSM、快速机械开关、桥臂转移支路和直流能量耗散支路。

步骤(3)所述的MH-HB-MMC子模块混合比例设计，利用M-HBSM在故障阻断期间承受电压的最大值来计算MH-HB-MMC所需M-HBSM个数，具体方法是：设M-HBSM中二极管额定电压为U_e，由U_T,max可求得MH-HB-MMC所需M-HBSM个数n，其可以表示为：

n＝(3U_T,max)/U_e (3-1)

M-HBSM故障阻断期间承受电压最大值U_T,max可以由以下方法计算：

U_T＝U_Rx+U_Rs (3-2)

U_Rx＝i_dcR_x (3-3)

U_Rs＝(i_bu,max+i_bn,max)R_s (3-4)

式中，U_Rx为能量耗散支路中R_x两端电压，U_Rs为转移支路中R_s两端电压，i_bu,max、i_bn,max分别为M-HBSM阻断电流瞬间上下桥臂电流最大值；

式中：U_T,max为M-HBSM故障阻断期间承受电压最大值，I_m为换流器稳态运行时的交流相电流幅值，I_0,max为M-HBSM阻断故障时直流电流的最大值。

步骤(4)所述的MH-HB-MMC转移支路电阻参数设计，转移支路电阻参数的选择应该满足从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于t_s，具体方法是：换流器闭锁后，桥臂中故障电流被M-HBSM阻断强迫换流至转移支路上构成闭合回路，三相交流电流经L₀和 R_s流入接地点；

设交流系统电压为

ω为交流系统角频率，则交流电流幅值I_m的计算公式为：

式中：L_eq为交流系统等效电感，R_eq为交流系统等效电阻；

设故障阻断时刻桥臂电感中初始电流值为I_b0，则故障阻断后桥臂电感续流的表达式为：

其中τ₁＝L₀/R_s为RL振荡电路的时间常数；

由以上各式可以看出，转移支路中R_s除可加速桥臂电感续流衰减外还具有限制交流电流大小的作用；R_s取值越大，桥臂电感续流衰减速度越快，交流系统承受过电流也越小；对于RL振荡电路，零输入响应下，一般需3～5倍时间常数的时间电流能衰减至零，若设定从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于t_s，则R_s需满足：

R_s≥5L₀/t_s (4-3)

随旁路电阻R_s增大，桥臂电感续流衰减时间减小，但M-HBSM阻断故障电流时所承受的电压会增加。

步骤(5)所述的MH-HB-MMC吸收支路电阻参数设计，吸收支路电阻参数的选择应该满足从故障阻断到限流电感续流衰减为零的时间小于t_k，具体方法是：换流器闭锁后限流电感及线路中电感续流通过二极管和泄能电阻R_x构成回路；可见，限流电感续流衰减过程与桥臂电感续流衰减过程一致，若设定从故障阻断到电流衰减为零所需时间小于t_k，则R_x需满足：

R_x≥5(L_s+L_L)/t_k (5-1)。

本发明的有益效果在于：

通过本发明设计的一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC拓扑，能够克服半桥型MMC不具备直流侧故障电流阻断能力的缺点，提高了柔性直流输电系统直流侧故障穿越能力，同时满足经济性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为单个MMC子模块拓扑结构图；

图2为MH-HB-MMC拓扑结构图；

图3为故障阻断时序图；

图4为子模块切除后交直流电流回路图；

图5为桥臂电流衰减回路图；

图6为MH-HB-MMC直流阻断过程原理图；

图7为直流故障阻断后交流电流回路图；

图8为直流故障阻断后耗能支路回路图；

图9为具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图9所示，本发明设计了一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，在半桥型MMC拓扑结构的基础之上，提出一种具有故障阻断能力的HBSM与M-HBSM混合的MMC，借助桥臂辅助电路和电流能量耗散支路，配合相应的协调控制策略，实现直流侧故障电流阻断。建立了改进混合半桥MMC拓扑结构，依靠M-HBSM故障阻断期间承受电压的最大值确定子模块的混合比例，把从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于t_s作为转移支路电阻参数的选择原则，把从故障阻断到限流电感续流衰减为零所需时间小于t_k作为能量耗散支路电阻参数的选择原则，分析了MH-HB-MMC故障阻断动态过程。

1.M-HBSM型子模块拓扑结构设计方法

为克服传统半桥型MMC不具有故障阻断能力的缺点，本发明提出在半桥型MMC中加入如图1中(b)部分所示的M-HBSM，其半桥下管采用了4个二极管和1个IGBT构成的 H桥型结构，代替HBSM中的IGBT和1个二极管反并联结构，使得改进后子模块具有直流故障阻断能力。正常运行时M-HBSM工作模式与HBSM完全相同，通过控制VT₁和VT₂开通/关断使子模块输出电压在0和+U_c之间切换，因此与半桥型MMC相比，MH-HB-MMC 不增加控制和均压程序的复杂度。系统直流侧发生短路故障后，关断M-HBSM中的VT₂即可阻断故障电流。

2.MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计方法

如图2所示为MH-HB-MMC拓扑结构，与传统半桥型MMC相比增加了少量的M-HBSM、快速机械开关、桥臂转移支路和直流能量耗散支路。其中，桥臂中增加少量M-HBSM用于转移桥臂中的故障电流；桥臂转移支路由旁路开关T_p、接地开关T_d和两个大小一样的电阻 R_s组成，T_p和T_d由若干个开关单元串联而成，每个开关单元由两个晶闸管反向并联构成以满足交流电流双向流通。故障后通过M-HBSM将桥臂电流强迫换流至转移支路，利用晶闸管具有较高的过电流能力保护桥臂中电力电子器件不受损坏；直流线路能量吸收支路由续流二极管VD和吸收电阻R_x构成，稳态运行时二极管承受反向电压而无法导通，系统稳态运行状态不受影响，故障阻断期间，限流电感和直流线路上储存的能量通过吸收电阻R_x耗散。

MH-HB-MMC稳态运行时快速机械开关K处于闭合状态，T_p、T_d处于关断状态，耗能支路处于反向阻断状态，其稳态运行方式与传统半桥型MMC相同。

直流侧发生极间短路故障后，采用如图3所示故障阻断时序，MH-HB-MMC故障阻断过程如下：

1)t₀时刻直流侧发生极间短路故障，由于故障回路阻尼很小，直流电流迅速增加；

2)t₁时刻系统检测到故障发生，立即切除桥臂中所有子模块，即关断VT₁，开通VT₂，子模块停止放电，交流电流通过三相桥臂构成回路，限流电感续流通过三相桥臂与能量吸收支路形成的并联支路构成回路，其电流流通示意图如图4所示，经过0.2ms的延时，保证桥臂中所有子模块全部切除后，在t₂时刻触发T_p、T_d，为M-HBSM阻断直流电流做准备；

3)经过0.2ms延时保证T_p、T_d已经触发，在t₃时刻将换流器闭锁，即VT₁和VT₂同时关断，此时由于桥臂中存在M-HBSM，其在闭锁情况下具有电流的双向阻断能力，限流电感电流不再流过三相桥臂全部转移至耗能支路，桥臂电感续流通过桥臂转移支路构成回路并衰减为零，衰减回路如图5所示，同时，交流电流由于无法通过三相桥臂构成回路被强迫转移至桥臂转移支路中，经L₀和R_s流入大地；

4)经过0.2ms延时保证直流电流被阻断后，在t₄时刻拉开K同时将T_d的触发脉冲撤除， 2ms后在t₅时刻机械开关断开，约12ms左右T_d在电流过零点t₆时刻自动关断，交流系统三相短路状态结束。

3.MH-HB-MMC子模块混合比例设计方法

设M-HBSM中二极管额定电压为U_e，由U_T,max可求得MH-HB-MMC所需M-HBSM个数n，其可以表示为：

n＝(3U_T,max)/U_e (3-1)

M-HBSM故障阻断期间承受电压最大值U_T,max可以由以下方法计算：

U_T＝U_Rx+U_Rs (3-2)

U_Rx＝i_dcR_x (3-3)

U_Rs＝(i_bu,max+i_bn,max)R_s (3-4)

式中，U_Rx为能量耗散支路中R_x两端电压，U_Rs为转移支路中R_s两端电压，i_bu,max、i_bn,max分别为M-HBSM阻断电流瞬间上下桥臂电流最大值。

式中：U_T,max为M-HBSM故障阻断期间承受电压最大值，I_m为换流器稳态运行时的交流相电流幅值，I_0,max为M-HBSM阻断故障时直流电流的最大值。

4.MH-HB-MMC转移支路电阻参数设计方法

换流器闭锁后，桥臂中故障电流被M-HBSM阻断强迫换流至转移支路上构成闭合回路，三相交流电流经L₀和R_s流入接地点，如图7所示为桥臂电感续流和交流电流叠加后的电流回路。

设交流系统电压为

ω为交流系统角频率，则交流电流幅值I_m的计算公式为：

式中：L_eq为交流系统等效电感，R_eq为交流系统等效电阻。

设故障阻断时刻桥臂电感中初始电流值为I_b0，则故障阻断后桥臂电感续流的表达式为：

其中τ₁＝L₀/R_s为RL振荡电路的时间常数。

由以上各式可以看出，转移支路中R_s除可加速桥臂电感续流衰减外还具有限制交流电流大小的作用。R_s取值越大，桥臂电感续流衰减速度越快，交流系统承受过电流也越小。对于RL振荡电路，零输入响应下，一般需3～5倍时间常数的时间电流能衰减至零，若设定从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于t_s，则R_s需满足：

R_s≥5L₀/t_s (4-3)

随旁路电阻R_s增大，桥臂电感续流衰减时间减小，但M-HBSM阻断故障电流时所承受的电压会增加，在进行系统设计时需综合考虑。

5.MH-HB-MMC吸收支路电阻参数设计方法

如图8所示，换流器闭锁后限流电感及线路中电感续流通过二极管和泄能电阻R_x构成回路。可见，限流电感续流衰减过程与桥臂电感续流衰减过程一致，若设定从故障阻断到电流衰减为零所需时间小于t_k，则R_x需满足：

R_x≥5(L_s+L_L)/t_k (5-1)。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)M-HBSM型子模块拓扑结构设计；

步骤(2)MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计；

步骤(3)MH-HB-MMC子模块混合比例设计；

步骤(4)MH-HB-MMC转移支路电阻参数设计；

步骤(5)MH-HB-MMC吸收支路电阻参数设计。

2.根据权利要求1所述的具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：步骤(1)所述的M-HBSM型子模块拓扑结构设计，采用4个二极管和1个IGBT构成的H桥型结构，代替HBSM下桥中的IGBT和1个二极管反并联结构。

3.根据权利要求1所述的具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：步骤(2)所述的MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计，采用在传统半桥型MMC的基础上，MH-HB-MMC型拓扑增加了少量的M-HBSM、快速机械开关、桥臂转移支路和直流能量耗散支路。

4.根据权利要求1所述的具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：步骤(3)所述的MH-HB-MMC子模块混合比例设计，利用M-HBSM在故障阻断期间承受电压的最大值来计算MH-HB-MMC所需M-HBSM个数，具体方法是：设M-HBSM中二极管额定电压为U_e，由U_T,max可求得MH-HB-MMC所需M-HBSM个数n，其可以表示为：

n＝(3U_T,max)/U_e (3-1)

M-HBSM故障阻断期间承受电压最大值U_T,max可以由以下方法计算：

U_T＝U_Rx+U_Rs (3-2)

U_Rx＝i_dcR_x (3-3)

U_Rs＝(i_bu,max+i_bn,max)R_s (3-4)

式中，U_Rx为能量耗散支路中R_x两端电压，U_Rs为转移支路中R_s两端电压，i_bu,max、i_bn,max分别为M-HBSM阻断电流瞬间上下桥臂电流最大值；

式中：U_T,max为M-HBSM故障阻断期间承受电压最大值，I_m为换流器稳态运行时的交流相电流幅值，I_0,max为M-HBSM阻断故障时直流电流的最大值。

5.根据权利要求1所述的具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：步骤(4)所述的MH-HB-MMC转移支路电阻参数设计，转移支路电阻参数的选择应该满足从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于t_s，具体方法是：换流器闭锁后，桥臂中故障电流被M-HBSM阻断强迫换流至转移支路上构成闭合回路，三相交流电流经L₀和R_s流入接地点；

设交流系统电压为

ω为交流系统角频率，则交流电流幅值I_m的计算公式为：

式中：L_eq为交流系统等效电感，R_eq为交流系统等效电阻；

设故障阻断时刻桥臂电感中初始电流值为I_b0，则故障阻断后桥臂电感续流的表达式为：

其中τ₁＝L₀/R_s为RL振荡电路的时间常数；

由以上各式可以看出，转移支路中R_s除可加速桥臂电感续流衰减外还具有限制交流电流大小的作用；R_s取值越大，桥臂电感续流衰减速度越快，交流系统承受过电流也越小；对于RL振荡电路，零输入响应下，一般需3～5倍时间常数的时间电流能衰减至零，若设定从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于t_s，则R_s需满足：

R_s≥5L₀/t_s (4-3)

随旁路电阻R_s增大，桥臂电感续流衰减时间减小，但M-HBSM阻断故障电流时所承受的电压会增加。

6.根据权利要求1所述的具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：步骤(5)所述的MH-HB-MMC吸收支路电阻参数设计，吸收支路电阻参数的选择应该满足从故障阻断到限流电感续流衰减为零的时间小于t_k，具体方法是：换流器闭锁后限流电感及线路中电感续流通过二极管和泄能电阻R_x构成回路；可见，限流电感续流衰减过程与桥臂电感续流衰减过程一致，若设定从故障阻断到电流衰减为零所需时间小于t_k，则R_x需满足：

R_x≥5(L_s+L_L)/t_k (5-1)。

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