CN112886550A - 基于源网配合的mmc柔性直流电网自适应故障清除方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案，在MMC柔性直流电网的每条直流线路上两端分别安装一个网侧断路器拓扑结构，在直流线路发生故障时与源侧控制策略互相配合，共同隔离故障；系统稳定运行时，调压控制器不动作，故障发生后，调压控制器启动，输出的调压系数值减小，使换流器出口电压相应降低，并与网侧断路器拓扑结构的预充电电容电压配合，实现源网配合隔离故障。本发明大大提高了故障隔离的速度。

Description

基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案

技术领域

本发明涉及柔性直流电网保护与控制技术领域，特别是涉及一种基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案。

背景技术

作为新一代电力传输技术，柔性直流输电(voltage source converter basedhigh voltage direct current transmission，VSC-HVDC)具有有功功率和无功功率独立控制、无直流滤波器和无换相失败等优点，可用于电网互联和可再生能源大规模传输，是未来电网发展和改革的重要方向之一。模块化多电平换流器(modular multilevelconverters，MMC)的出现使柔性直流输电不断向高电压、大容量方向发展，MMC已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑，在世界范围内取得了广泛的应用。

在远距离直流输电工程中，架空线路是主要的输电方式，然而架空线路暴露于外界，故障风险高。当直流电网发生故障时，故障电流迅速上升，由于直流电网的弱阻尼特性和全控型器件的低承受极限，使其耐受直流故障的能力较差，因此要求直流电网必须在几毫秒内快速切除故障线路，从而避免故障电流对全网设备造成危害，确保直流电网的安全可靠运行。

直流电网的故障清除方案可分为源侧方案和网侧方案。以直流母线为界，如果故障清除方案需要换流器的配合并且短时影响换流站对外功率传输，则可以称为源侧清除方案；如果故障清除方案仅隔离故障线路，不影响非故障线路的功率传输，则可以称为网侧清除方案。源侧方案通过降低源侧电压或源侧提供反压实现故障电流的抑制或关断，网侧方案通过增大线路阻抗或降低线路电压实现故障电流的抑制或关断。

源侧方案利用了换流站强可控性，但在故障清除过程中通过换流站控制故障电流的方式会阻断故障线路近端换流站功率传输，对选择性造成不利影响；网侧方案中利用直流断路器清除故障具有绝对是选择性，但高速大开断容量直流断路器的研制仍有困难，其成本昂贵且协调控制难度大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案，结合源侧控制策略和网侧断路器拓扑结构，通过源网配合实现故障清除；直流故障期间通过控制策略降低换流器投入的子模块数量，使换流器出口直流电压降低，并且与网侧预充电电容电压自适应配合，达到清除故障的目的。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案，包括：

所述MMC柔性直流电网具有两个源侧换流站MMC1和MMC3，两个电网侧换流站MMC2和MMC4，四个换流站的换流器通过双回直流架空线形成口字形连接，每个换流站有两个换流器；连接换流器的每条直流线路上两端分别安装网侧断路器，用于在直流线路发生故障时与源侧控制策略互相配合，共同隔离故障；所述网侧断路器的拓扑结构包括：

稳态低损耗支路，包括依次串联的隔离开关UFD₁、IGBT器件、隔离开关UFD₂；

转移支路，包括晶体管T₀，该晶体管T₀并联布置，该晶体管T₀的一端与隔离开关UFD₁的前端连接、另一端接在IGBT器件与隔离开关UFD₂间的线路上；

充电电路，设在稳态低损耗支路以及转移支路的后端，由预充电电容C、开关RCB、充电电阻R_C和充电电感L_C依次串联形成；预充电电容C的一端与隔离开关UFD₂的后端连接，充电电感L_C的一端接地；

放电支路，包括与充电电路并联的晶体管T₁，所述晶体管T₁的一端接充电电感L_C的接地端、另一端接在所述预充电电容C、开关RCB间的线路上；

续流耗能支路，与充电电路并联，设在充电电路以及放电电路的后端，包括串联的续流二极管D和耗能电阻R_e；耗能电阻R_e的另一端接地，续流二极管D 的另一端与隔离开关UFD₂的后端连接，并与布置在末端的限流电感L_dc的前端连接；

所述源侧控制策略，通过调压控制器实现；系统稳定运行时，调压控制器不动作，输出的调压系数K值保持为1；故障发生后，调压控制器启动，输出的调压系数K值在[0，1]范围内减小，使换流器出口电压相应降低，并与网侧断路器拓扑结构的预充电电容电压配合，实现源网配合隔离故障；

所述调压控制器在故障发生后的不同阶段给出相应的调压系数K，所述调压控制器具有初步限流环节和自适应调压环节；初步限流环节在系统检测到故障前一直投入，而自适应调压环节仅在统检测到故障后投入；故障发生后，初步限流环节立刻启动，初步限制故障电流发展；直流电网保护系统监测到故障后，切换为自适应调压环节，与网侧预充电电容进行电压自适应配合共同隔离故障。

其中，在直流电网正常运行时，需要对预充电电容充电，使预充电电容在充电结束后具有直流额定电压，以便在故障隔离阶段，通过调节换流器投入子模块数量降低输出电压，与预充电电容电压互相配合，使故障电流减小并关断。

其中，在直流电网故障时，在不同过渡电阻下，预充电电容电压的衰减速度不同，调压系数K与不同的过渡电阻互相匹配，达到自适应调节子模块的切除数量，以同时应对金属性短路故障和高阻短路故障。

在直流电网正常运行时，需要对预充电电容C充电，使预充电电容C在充电结束后具有直流额定电压，以便在故障隔离阶段，通过调节换流器投入子模块数量降低输出电压，与预充电电容C电压互相配合，使故障电流减小并关断。

其中，在直流电网故障时，在不同过渡电阻下，预充电电容C电压的衰减速度不同，调压系数K与不同的过渡电阻互相匹配，达到自适应调节子模块的切除数量，以同时应对金属性短路故障和高阻短路故障。

其中，在直流电网故障时，具体通过以下步骤实现故障清除：

t₀时刻故障发生，故障电流由换流站经稳态低损耗支路流向故障点,此时初步限流环节立即启动，初步限制故障电流上升，同时发出指令闭锁IGBT器件，导通晶闸管T₀，稳态低损耗支路上的故障电流迅速转移到转移支路中；当流经隔离开关UFD₁的电流降为0时，关断隔离开关UFD₁；

t₁时刻确定检测到故障，并且隔离开关UFD₁已经完全关断，这时触发晶闸管T₁导通，将预充电电容C接入故障电流回路，同时源侧换流器控制子模块数量降低，使换流器上下桥臂投入子模块电压之和小于预充电电容电压u_Cflt；在此过程中，转移支路中的故障电流以较大的速度下降至零使晶闸管T₀关断，晶闸管T₀关断后故障点得以隔离；

t₂时刻，晶闸管T₀关断，预充电电容C的能量向限流电感L_dc转移，此时将隔离开关UFD₂关断以隔离故障线路；故障被隔离后，MMC从自适应调压控制模式切换为常规控制模式，使直流电网恢复正常运行；

t₃时刻，预充电电容C开始被反向充电，充电回路电流i_C和限流电感L_dc的的电流i_L开始下降，此时续流耗能支路中的二极管D开始导通，二极管D的电流i_D从零开始上升，限流电感L_dc的能量向续流耗能支路释放，并给预充电电容反向C充电；

t₄时刻，充电回路电流i_C下降至零，晶闸管T₁关断，二极管D的电流i_D达到最大值并开始下降；限流电感L_dc的剩余能量逐渐向续流耗能支路释放；

t₅时刻耗能结束，故障清除完成。

与现有技术相比，本发明所能产生的积极效果是：

首先，实现了故障隔离和故障耗能的解耦，先隔离后耗能，快隔离慢耗能，大大提高了故障隔离的速度，能够适用于要求快速性的一些工况，具备一定的工程指导意义。

其次，网侧预充电电容在抑制故障电流同时可减小MMC子模块电容能量释放速度，可防止MMC因深度放电而无法在故障清除后立即完全恢复直流电压，增强直流电网的故障穿越能力。

此外，调压控制还降低了故障期间故障电流的峰值，降低了换流器因过流而闭锁的风险。

最后，在不同过渡电阻下，预充电电容电压的衰减速度不同，调压系数可以与不同的过渡电阻匹配，达到自适应调节子模块的切除数量，可以同时应对金属性短路故障和高阻短路故障。

附图说明

图1为±500kV的MMC四端直流电网系统拓扑结构图；

图2为源网配合自适应故障清除的实现方式和网侧断路器拓扑结构；

图3为初步限流环节和自适应调压环节控制方式；

图4为网侧断路器拓扑结构；

图5为初步限流阶段故障等值电路；

图6为自适应调压阶段的故障等值电路；

图7a-7c分别为t2～t3、t3～t4、以及t4～t5时刻的耗能阶段等效电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案，在直流故障期间通过控制策略减少MMC投入的子模块数量，使换流器出口直流电压降低，并且与网侧预充电电容电压自适应配合，达到关断故障电流并清除故障的目的。

图1是±500kV的四端MMC直流电网系统拓扑图。其中在每条直流线路上都安装了网侧断路器，如图2所示。图2所示的网侧断路器拓扑，用于在直流线路发生故障时与源侧控制策略互相配合实现故障清除。该网侧断路器拓扑可划分为5个支路，分别为稳态低损耗支路、转移支路、充电支路、放电支路和耗能支路；其中，稳态低损耗支路，包括依次串联的隔离开关UFD₁、IGBT器件、隔离开关UFD₂；转移支路，包括晶体管T₀，该晶体管T₀并联布置，该晶体管T₀的一端与隔离开关UFD₁的前端连接、另一端接在IGBT器件与隔离开关UFD₂间的线路上；充电电路，设在稳态低损耗支路以及转移支路的后端，由预充电电容C、开关RCB、充电电阻R_C和充电电感L_C依次串联形成；预充电电容C的一端与隔离开关UFD₂的后端连接，充电电感L_C的一端接地；放电支路，包括与充电电路并联的晶体管T₁，所述晶体管T₁的一端接充电电感L_C的接地端、另一端接在所述预充电电容C、开关RCB间的线路上；续流耗能支路，与充电电路并联，设在充电电路以及放电电路的后端，包括串联的续流二极管D和耗能电阻R_e；耗能电阻R_e的另一端接地，续流二极管D的另一端与隔离开关UFD₂的后端连接，并与布置在末端的限流电感L_dc的前端连接。

因为电力电子器件有耐压限流的约束，当一个电力电子器件不满足时，就需要多个晶闸管、二极管串联或者并联了，因此上述的技术方案中，所述的晶体管T₀可以是一个晶体管，或是一个以上晶体管串联或并联在一起形成所述的转移支路，所述的晶体管T₁可以是一个晶体管，或是一个以上晶体管串联或并联在一起形成所述的放电支路，所述的续流二极管D可以是一个续流二极管，或是一个以上续流二极管串联或并联在一起形成所述的续流耗能支路，具体根据情况设定。

上述的网侧断路器拓扑结构，如图2所示，其输入侧接MMC调压控制模块的电压输出侧，MMC调压控制模块输出电流i_dc，输出电压KU_dc，包括三相U_a、U_b、 U_c，每相均包括上桥臂、下桥臂，上桥臂、下桥臂均包括串联连接的KN个相同的子模块SM_1-N和桥臂电感L_arm，桥臂电阻R_arm,桥臂电感L_arm，桥臂电阻R_arm,串联于 N个相同的子模块SM₁-N。每相上桥臂、下桥臂的桥臂电阻R_arm的连接点与三相U_a、 U_b、U_c相连，其中，每个子模块包括一个电容C_SM,以及两个大功率可控电力电子开关T1和T2、两个二极管D1和D2，如图2所示，开关器件T1和T2分别反并联一个二极管D1和D2，然后串联，再与电容C_SM并联。

下面首先给出不同故障阶段换流器的调压控制策略，然后分析MMC直流电网线路从故障发生到故障清除全过程的工作原理，最后给出元件参数设计方法。

由于将MMC调压控制器输出的桥臂单元投入的子模块数乘以调压系数K，可使得换流器直流侧出口的直流电压为K倍的直流额定电压，其中，调压系数K 由调压控制器给出，其运行范围为[0，1]。因此，本发明中，通过MMC调压控制器给出以下的源侧控制策略：

当系统稳定运行时，调压控制器不动作，调压系数K值保持为1；故障发生后，调压控制器启动，调压系数K值减小，使换流器出口电压相应降低，并与网侧预充电电容C电压配合，实现故障电流的关断。

本发明中，在直流电网正常运行时，需要对预充电电容C充电，使预充电电容C在充电结束后具有直流额定电压，以便在故障清除阶段，与预充电电容电压互相配合，给桥臂电感施加反压，使故障电流减小并关断。

本发明中，在故障时，在不同过渡电阻下，预充电电容电压C的衰减速度不同，调压系数K可以与不同的过渡电阻互相匹配，达到自适应调节子模块的切除数量，可以同时应对金属性短路故障和高阻短路故障。

进一步的，为了实现上述的调压控制，本发明进一步的提出了实现上述功能的调压控制器，其能在故障发生后的不同阶段给出相应的调压系数。具体的，所述的调压控制器如图3所示，在常规半桥型MMC调压控制器的基础上增加两个控制环节：初步限流环节和自适应调压环节。初步限流环节在系统检测到故障之前一直投入，而自适应调压环节仅在统检测到故障之后投入。故障发生后，初步限流环节立刻发挥作用，初步限制故障电流发展；直流电网保护系统检测到故障后，切换为自适应调压环节，与网侧预充电电容进行电压自适应配合关断故障电流，共同清除故障。

1)初步限流环节

该环节仅在线路疑似发生故障时投入，其原理为：

MMC直流侧出口电流i_dc经微分环节S得到直流电流变化率di_dc/dt，将di_dc/dt 通过滞环比较器得到动作信号，再将di_dc/dt乘以微分系数K_I和动作信号得到Δ K_lim，最后由上限幅值1减去ΔK_lim并经过一个0到1的限幅环节，得到初步限流环节的输出K_lim，将K_lim作为初步限流环节的调压系数。其中，滞环比较器在输入大于动作值时输出为1，在输入小于返回值时输出为0；当滞环比较器输出为 1时，初步限流环节启动发挥限流作用，当滞环比较器输出为0时，初步限流环节不启动。

系统正常运行时，直流线路电流基本保持恒定，并且在非故障扰动下直流电流变化率不会超过滞环比较器的动作值，因此调压系数K＝1，初步限流环节不会影响换流器的正常运行。故障发生后，直流线路电流立刻上升，调压系数K 值减小，使得换流器直流侧出口的电压相应降低，初步抑制故障电流的发展。

2)自适应调压环节

该环节选取故障线路的网侧预充电电容电压u_Cflt作为控制信号，将控制信号除以直流系统电压的额定值U_dc，再乘以可靠系数K_rel并经过一个0到1限幅环节得到该环节的输出K_flt。将K_flt作为调压系数K，使得MMC桥臂单元投入子模块电压之和小于u_Cflt。由于调压系数K自适应于u_Cflt的变化，因此故障电流会以较大速率下降并关断。

如图4所示，下面分三个阶段介绍该故障清除方案的工作原理。

1)充电阶段

充电开始时，闭合开关RCB将充电电阻R_C和充电电感L_C接入充电回路，此时直流线路开始向预充电电容C充电，当电容电压上升到直流额定电压后，充电电流将至零，此时关断开关RCB隔离充电支路，充电过程结束。

其中，充电电阻和充电电感的目的是抑制预充电电容的充电速度，避免对直流系统产生较大冲击。

对充电过程进行解析计算，设MMC直流电压为U_dc，预充电电容C的电压为 u_C，充电回路电流为i_C。可得：

解得：

i_C＝D₁e^αtcos(βt)+D₂e^αtsin(βt) (2)

其中：

由式(2)和(3)可知，充电电流i_C的大小受到充电电阻和充电电感的影响。

2)故障隔离阶段

故障隔离阶段是指故障从产生到隔离的整个过程，其具体过程介绍如下：

①t₀时刻故障发生，故障电流由换流站经低损耗支路流向故障点。此时初步限流环节立即启动，初步限制故障电流上升，同时发出指令闭锁IGBT，导通晶闸管T₀，稳态低损耗支路上的故障电流迅速转移到转移支路中。当流经隔离开关UFD₁的电流降为0时，可关断隔离开关UFD₁。

图5为故障情况下初步限流阶段的等效电路，R_eq，L_eq分别为换流站等效电阻和等效电感，其中R_eq＝2R_arm/3，L_eq＝2L_arm/3，L_dc为线路上安装配置的限流电感， R_L和L_L分别为故障点到限流电感之间直流线路的等效电阻和等效电感。

采用初步限流控制后，各桥臂电压均需乘以调压系数K，故此时的桥臂单元投入子模块电压之和为：

u_p＝KU_dc (4)

对t₀～t₁期间初步限流阶段的故障电流进行理论计算，采用如图3中所示的初步限流时，调压系数为：

令L＝L_eq+L_dc+L_L，R＝R_eq+R_L，初始条件i_dc(t₀)＝I_dc，由图7可得方程：

解得：

式中，τ_dif＝(L+K_IU_dc)/R为初步限流下的时间常数。

另外，在t₁时刻，令i_dc(t₁)＝I₁。

②t₁时刻保护确定检测到故障，并且隔离开关UFD₁已经完全关断，这时触发晶闸管T₁导通，将预充电电容接入故障电流回路，同时源侧换流器控制子模块数量降低，使换流器上下桥臂投入子模块电压之和小于预充电电容电压u_Cflt。

在此过程中，转移支路中的故障电流以较大的速度下降至零使晶闸管T₀关断。晶闸管T₀关断后故障点得以隔离。之后换流器立即从调压控制切换为常规控制模式，使直流电网恢复正常运行。

图6为故障隔离阶段的等效电路。换流器采用如图3中所示的自适应调压环节时，调压系数K满足下式：

结合式(8)，则桥臂单元投入子模块电压之和为：

u_p＝K_mU_dc＝K_relu_Cflt (9)

对t₁～t₂期间源网配合阶段的故障电流及电容电压进行理论计算，其初始条件i_dc1(t₁)＝i_dc2(t₁)＝I₁、u_Cflt(t₁)＝U_dc，则由图6可得如下方程：

对式(10)直接求解较难得到其解析解，但利用Runge-Kutta法可以找到u_Cflt、i_dc1和i_dc2的数值解。

分析式(10)数值解结果可知，故障电流i_dc1受到预充电电容电压u_Cflt以及桥臂等效电感L_eq和等效电阻R_eq的影响；预充电电容电压u_Cflt主要受L_L、R_L以及L_dc的影响，u_Cflt的降低主要由预充电电容向故障点放电引起；故障电流i_dc2受电容值C的影响。t₂时刻，i_dc1下降为零，此时令i_dc2(t₂)＝I₂，u_Cflt(t₂)＝U₂。

③t₂时刻，晶闸管T₀关断，预充电电容的能量向限流电感转移，此时将UFD₂关断以隔离故障线路。故障被隔离后，MMC立即从自适应调压控制模式切换为常规控制模式，使直流电网恢复正常运行。

对t₂～t₃期间的故障电流及电容电压进行理论计算，其初始条件为u_C(t₂)＝U₂， i_C(t₂)＝i_L(t₂)＝I₂，由图7a可得方程：

解得：

i_C＝D₁cos(βt)+D₂sin(βt) (12)

其中：

t₃时刻，u_Cflt下降为零，i_C和i_L达到最大值，并令i_C(t₃)＝i_L(t₃)＝I₃。

3)耗能阶段

耗能阶段是指预充电电容和线路限流电感剩余能量的耗散过程，该过程与限流隔离阶段共同组成故障清除的完整过程。

①t₃时刻，预充电电容开始被反向充电，i_C和i_L开始下降，此时耗能支路中的二极管开始导通，i_D从零开始上升，限流电感L_dc的能量向耗能支路释放，并给预充电电容反向充电。

对t₃～t₄期间的故障电流及电容电压进行理论计算，其初始条件为u_C(t₃)＝0、 i_C(t₃)＝i_L(t₃)＝I₃、i_D(t₃)＝0，由图7b可得方程：

解得：

其中：

限流电感中耗散的能量为：

预充电电容吸收的的总能量为：

t₄时刻，电流i_C下降至零，令i_L(t₄)＝i_D(t₄)＝I₄。

②t₄时刻，i_C下降至零，晶闸管T₁关断，i_D达到最大值并开始下降。限流电感L_dc的剩余能量逐渐向耗能支路释放。

对t₄～t₅期间的电感电流进行理论计算，其初始条件为i_L(t₄)＝i_D(t₄)＝I₄，由图7c可得方程：

解得：

限流电抗中耗散的能量为：

③t₅时刻耗能结束，故障清除完成。

本发明中所涉及的元件参数设计说明如下：

1)源侧调压控制器系数选取

①微分系数K_I

由式(5)可知，在初步限流阶段，调压系数K由故障电流变化率和微分系数所共同确定。因为初步限流环节作用时保护装置还未确定是否检测到故障，所以初步限流环节作用时的调压系数应大于或等于自适应调压环节作用时的调压系数。源网配合阶段投入的瞬间，满足K＝K_rel，故初步限流阶段调压系数的最小值取为K_rel，即在初步限流阶段，K的取值范围为[K_rel，1]。考虑最严重故障下的故障电流变化率最大值(di_dc/dt)_max，可按下式进行整定计算：

在上式中，故障电流变化率di_dc/dt在短路发生瞬间达到最大，设此时的MMC 直流电压为U_dc，由图2可得方程：

由式(23)可以解得故障电流变化率最大值为：

②可靠系数K_rel

由式(8)可知，在源网配合阶段调压系数K由预充电电容电压和可靠系数决定。忽略桥臂电阻，桥臂电感上承受的电压为：

u_L＝u_Cflt-u_p＝(1-K_rel)u_Cflt (25)

则故障线路首端电流下降速度为：

故障线路首端电流大小为：

由式(26)和式(27)可知，故障电流的下降速度与下降时间均与可靠系数K_rel和预充电电容电压u_Cflt有关，而可靠系数应保证故障电流具有足够的下降速度，故障电流的下降速度决定了故障发生到故障电流被关断所用的时间。

综合考虑上述因素，在500kV直流电网中，可靠系数K_rel可以选取为0.8。

2)转移支路元件参数

在系统故障检测阶段，晶闸管T₀处于导通状态，用I_{T0_max}表示流过晶闸管T₀的最大故障电流。在系统检测到故障并关断晶闸管T₀后，在隔离开关UFD₂打开之前，晶闸管T₀需要承受一定的反压。设晶闸管T₀分断后承受的最大反压为U_{T0_max}，U_T0和I_T0分别表示转移支路中晶闸管的额定电压和额定电流，则转移支路中所需晶闸管的个数可由式(28)计算得到。

3)放电支路元件参数

故障被隔离后，线路侧故障电流持续增大，由式(10)可知，故障电流的最大值与预充电电容容值密切相关，通过设计该电容参数可以调节故障被隔离后线路故障电流最大值。考虑耗能阶段线路上允许通过的最大电流，结合式(12) 可得下式：

式中，I_{dc_max}表示线路上允许通过的最大电流。

另外，在源网配合阶段，预充电电容上的电压下降速度过快会相应导致子模块切除数量过多，不利于系统的稳定，故预充电电容C需要设定一个下限值。

设故障期间单相桥臂允许投入的子模块数量最少为N_{SM_min}，与之对应的调压系数为K_min，结合(8)式可得：

故电容值的取值范围由式(29)和式(30)所确定。

晶闸管T₁关断后需要承受的最大电压为预充电电容被反向充电后所提供的最大反压U_{T1_max}，用U_T1表示放电支路中晶闸管T₁的额定电压，I_T1表示转移支路中晶闸管T₁的额定电流，则放电支路中所需晶闸管个数可由式(31)计算得到。

4)续流耗能支路元件参数

用I_{D_max}表示续流耗能支路的最大电流，续流耗能支路中续流二极管D所承受的最大反向电压为直流额定电压U_dc，U_D和I_D分别表示续流耗能支路中二极管 D的额定电压和额定电流，故续流耗能支路中所需二极管个数可由式(32)计算得到。

耗能电阻的大小决定了L_dc的剩余能量向耗能支路释放的持续时间，τ_max表示限流电感剩余能量消耗所允许的最大时间常数，则耗能电阻R_e的取值范围由式(31)所确定。

本发明实现了故障隔离和故障耗能的解耦，先隔离后耗能，快隔离慢耗能大大提高了故障隔离的速度，能够适用于要求快速性的一些工况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案，其特征在于，所述MMC柔性直流电网具有两个源侧换流站MMC1和MMC3，两个电网侧换流站MMC2和MMC4，四个换流站的换流器通过双回直流架空线形成口字形连接，每个换流站有两个换流器；连接换流器的每条直流线路上两端分别安装网侧断路器，用于在直流线路发生故障时与源侧控制策略互相配合，共同隔离故障；所述网侧断路器的拓扑结构包括：

稳态低损耗支路，包括依次串联的隔离开关UFD₁、IGBT器件、隔离开关UFD₂；

转移支路，包括晶体管T₀，该晶体管T₀并联布置，该晶体管T₀的一端与隔离开关UFD₁的前端连接、另一端接在IGBT器件与隔离开关UFD₂间的线路上；

充电电路，设在稳态低损耗支路以及转移支路的后端，由预充电电容C、开关RCB、充电电阻R_C和充电电感L_C依次串联形成；预充电电容C的一端与隔离开关UFD₂的后端连接，充电电感L_C的一端接地；

放电支路，包括与充电电路并联的晶体管T₁，所述晶体管T₁的一端接充电电感L_C的接地端、另一端接在所述预充电电容C、开关RCB间的线路上；

续流耗能支路，与充电电路并联，设在充电电路以及放电电路的后端，包括串联的续流二极管D和耗能电阻R_e；耗能电阻R_e的另一端接地，续流二极管D的另一端与隔离开关UFD₂的后端连接，并与布置在末端的限流电感L_dc的前端连接；

所述源侧控制策略，通过调压控制器实现；系统稳定运行时，调压控制器不动作，输出的调压系数K值保持为1；故障发生后，调压控制器启动，输出的调压系数K值在[0，1]范围内减小，使换流器出口电压相应降低，并与网侧断路器拓扑结构的预充电电容电压配合，实现源网配合隔离故障；

所述调压控制器在故障发生后的不同阶段给出相应的调压系数K，所述调压控制器具有初步限流环节和自适应调压环节；初步限流环节在系统检测到故障前一直投入，而自适应调压环节仅在统检测到故障后投入；故障发生后，初步限流环节立刻启动，初步限制故障电流发展；直流电网保护系统监测到故障后，切换为自适应调压环节，与网侧预充电电容进行电压自适应配合共同隔离故障。

2.根据权利要求1所述基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案，其特征在于，在直流电网正常运行时，需要对预充电电容C充电，使预充电电容C在充电结束后具有直流额定电压，以便在故障隔离阶段，通过调节换流器投入子模块数量降低输出电压，与预充电电容C电压互相配合，使故障电流减小并关断。

3.根据权利要求1所述基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案，其特征在于，在直流电网故障时，在不同过渡电阻下，预充电电容C电压的衰减速度不同，调压系数K与不同的过渡电阻互相匹配，达到自适应调节子模块的切除数量，以同时应对金属性短路故障和高阻短路故障。

4.根据权利要求3所述基于源网配合的MMC柔性直流电网自适应故障清除方案，其特征在于，在直流电网故障时，具体通过以下步骤实现故障清除：

t₀时刻故障发生，故障电流由换流站经稳态低损耗支路流向故障点,此时初步限流环节立即启动，初步限制故障电流上升，同时发出指令闭锁IGBT器件，导通晶闸管T₀，稳态低损耗支路上的故障电流迅速转移到转移支路中；当流经隔离开关UFD₁的电流降为0时，关断隔离开关UFD₁；

t₁时刻确定检测到故障，并且隔离开关UFD₁已经完全关断，这时触发晶闸管T₁导通，将预充电电容C接入故障电流回路，同时源侧换流器控制子模块数量降低，使换流器上下桥臂投入子模块电压之和小于预充电电容电压u_Cflt；在此过程中，转移支路中的故障电流以较大的速度下降至零使晶闸管T₀关断，晶闸管T₀关断后故障点得以隔离；

t₂时刻，晶闸管T₀关断，预充电电容C的能量向限流电感L_dc转移，此时将隔离开关UFD₂关断以隔离故障线路；故障被隔离后，MMC从自适应调压控制模式切换为常规控制模式，使直流电网恢复正常运行；

t₃时刻，预充电电容C开始被反向充电，充电回路电流i_C和限流电感L_dc的的电流i_L开始下降，此时续流耗能支路中的二极管D开始导通，二极管D的电流i_D从零开始上升，限流电感L_dc的能量向续流耗能支路释放，并给预充电电容反向C充电；

t₄时刻，充电回路电流i_C下降至零，晶闸管T₁关断，二极管D的电流i_D达到最大值并开始下降；限流电感L_dc的剩余能量逐渐向续流耗能支路释放；

t₅时刻耗能结束，故障清除完成。

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