CN113629680A - 一种主动限流与电容换流相结合的mmc-hvdc双极短路故障限流方法 - Google Patents

一种主动限流与电容换流相结合的mmc-hvdc双极短路故障限流方法 Download PDF

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Abstract

一种主动限流与电容换流相结合的MMC‑HVDC双极短路故障限流方法，所述方法在半桥型MMC的控制过程中增加如下的主动限流控制环节，减小双极短路故障发生后故障电流上升速率。在换流器正负极之间并接限流器，所述限流器包括两个电容、两个充电晶闸管、限流晶闸管和两个充电电阻，限流器通过电容换流实现对故障电流的抑制与电能的耗散，限制了换流站侧故障电流的峰值，同时减轻直流断路器负担。本发明可以有效限制柔性直流电网发生双极短路故障后的故障电流峰值和上升速率，提高柔性直流电网安全稳定性，降低换流站闭锁风险。

Description

一种主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限 流方法
技术领域
本发明涉及一种可在柔性直流电网直流侧发生双极短路故障时，对电网中故障电流上升速率和峰值进行有效限制的方法，属于输配电技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，基于模块化多电平换流器的柔性直流电网(MMC-HVDC)逐渐成为国内外科研人员的研究热点。柔性直流电网可以有效地消纳各类型的新型能源，并根据各地区不同的负荷特性进行优势互补，是实现新型能源并网及远距离传输的最有效的解决办法。
柔性直流电网高效地发挥作用的前提是直流电网自身保持安全、可靠、连续运行。模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)是柔性直流输电系统的常用换流器(参看图1)，当柔性直流电网直流侧发生双极短路故障时，换流器和直流侧的储能元件通过故障回路快速放电，导致流过电力电子器件的电流迅速上升，即出现过电流现象，如果不能迅速清除故障或者将换流器与电网断开，换流器的电力电子器件很容易被严重的过电流击穿，使系统失稳并造成严重的经济损失。
为了快速隔离直流故障，在直流电网中会配置直流断路器(Direct CurrentCircuit Breaker，DCCB)，在柔性直流电网发生双击短路故障后，直流断路器动作，将故障与直流电网隔离，从而防止故障对电网进一步危害(参看图2)。但由于故障电流上升速度快且直流断路器的分断需要一定的时间，故障电流在直流断路器开断前就能迅速上升到很高的峰值，单独的直流断路器往往起不到理想的故障隔离效果，仍可能造成电网中电力电子器件损坏、影响电网安全稳定等问题。因此如何在直流断路器动作之前有效限制故障电流上升速率和峰值，就成为有关技术人员面临的难题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，以限制直流断路器动作前的故障电流峰值，保护直流电网中设备，降低换流站因过电流而闭锁风险。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，所述方法为抑制MMC直流侧故障电流的上升速率，在半桥型MMC的控制过程中增加如下的主动限流控制环节：
直流母线电流idc经过微分环节得到直流电流变化率didc/dt，将直流电流变化率didc/dt输入到滞环比较器，直流电流变化率didc/dt大于动作值时滞环比较器输出为1，直流电流变化率didc/dt小于返回值时滞环比较器输出为0，滞环比较器的输出乘以电流变化率的主动限流系数K得到调制系数变化量ΔKD，上限幅值1.0减去调制系数变化量ΔKD并经过限幅环节处理后得到主动限流控制后的调制系数KD，用主动限流控制后的调制系数KD控制投入运行子模块和总数的比值，从而抑制故障电流的增大。
上述主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，换流站出口经过DCCB并接限流器，所述限流器包括两个电容、两个充电晶闸管、限流晶闸管和两个充电电阻，第一电容的正极与正极直流线路连接，负极依次经第一充电晶闸管和第一充电电阻与负极直流线路连接，第二电容的负极与负极直流线路连接，正极依次经第二充电电阻和第二充电晶闸管与正极直流线路连接，所述限流晶闸管接于第一电容的负极与第二电容的正极之间，系统正常情况下通过触发两个充电晶闸管对两个电容充电至系统电压，直流电网发生短路故障时，通过触发限流晶闸管使两个电容串联连接后抬高MMC直流侧电压，从而在直流断路器开断之前抑制MMC直流侧电流的增大。
上述主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，换流站正极经直流断路器与直流电网的正极母线连接，所述第二充电晶闸管和第一电容的正极接于直流断路器出口处。
上述主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，所述限流器还包括二极管耗能支路，所述二极管耗能支路包括两个二极管和两个耗能电阻，第一二极管的正极接第一电容的负极，第一二极管的负极通过第一耗能电阻与第一电容的正极连接；第二二极管的正极接第二电容的负极，第二二极管的负极通过第二耗能电阻与第二电容的正极连接。
本发明利用并接在系统中限流器的电容换流来抑制换流站侧直流电流，可以有效限制直流断路器开断前的故障电流的上升速率和峰值，保护直流防止柔性直流电网中电力电子器件被过电流击穿，阻止电网故障的进一步蔓延。
本发明利用柔性直流电网发生双极短路故障时的电流变化特性，通过主动限流控制环节来抑制故障电流的上升速率，初步地对故障的发展进行限制，待故障电流达到设定的阈值后，由主动限流控制环节和限流器共同抑制故障电流的增加，大大提高了抑流效果，在直流断路器开断之前能够显著降低故障电流峰值，缩短故障隔离时间，并减小换流器闭锁风险，提高柔性直流电网运行的安全稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)的等效电路图；
图2为MMC发生双极短路故障后故障回路的等效电路图；
图3为主动限流控制框图；
图4为电容换流限流器原理图。
图中和文中所用符号清单为：
MMC-HVDC：模块化多电平换流器的柔性直流电网；MMC：模块化多电平变换器；ia，ib，ic：交流电网各相电流；ua，ub，uc：MMC交流侧输出电压；idc：直流电流；Udc：直流电压；Rac：交流系统电阻；Lac：交流系统电感；ipa，ipb，ipc：上桥臂电流；ina，inb，inc:下桥臂电流；upa，upb，upc：上桥臂子模块电压；una，unb，unc：下桥臂子模块电压；uph：单相桥臂电压和；Larm：单相桥臂等效电感；Ldc：直流线路等效电感；Rarm：单相桥臂等效电阻；Rf：故障点等效电阻；Req：为故障回路等效电阻；τdc：直流故障回路的时间常数；τD：主动限流控制后故障回路的时间常数；Rdc：直流线路等效电阻；U0：稳态运行时直流电压；I0：稳态运行时直流电流；K：主动限流系数；KM：MMC调制系数；ΔKD：调制系数变化量；KD：主动限流控制后MMC调制系数；C1：第一电容；C2：第二电容；T1：限流晶闸管；TC1：第一充电晶闸管；TC2：第二充电晶闸管；D1：第一二极管；D2：第二二极管；R1：第一耗能电阻；R2：第二耗能电阻；RC1：第一充电电阻，R2：第二充电电阻；DCCB：直流断路器。
具体实施方式
本发明针对柔性直流系统直流侧发生短路故障后故障过电流上升速度快的问题，提供了一种主动限流与电容换流限流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，在直流电网发生双极短路故障后，限制直流断路器开断之前故障电流的上升速度和大小，保护直流电网的安全。
本发明在半桥型MMC的控制过程中增加了主动限流控制环节，同时在半桥型MMC的直流侧增加了基于电容换流的限流器，主动限流控制环节减慢了故障电流的上升速度，防止故障电流在直流断路器延时动作过程中上升过快，限流器进一步限制了故障电流的大小，保护了MMC不被过电流损害，减轻了系统中直流断路器等设备的负担，延长了设备寿命。
图1为MMC的拓扑结构图，p和n分别表示MMC直流侧的正负极。图2为直流侧线路发生双极短路故障后，MMC故障回路的等效电路图，其中DCCB是为隔离直流故障而设置的直流断路器，Ldc是直流线路等效电感，Rdc是直流线路中等效电阻，Rf是故障点等效电阻，图3为电容换流限流器的原理图，电容换流限流器通过直流断路器DCCB并接在MMC直流侧的输电线路上，即图1中直流断路器DCCB的右侧，其两侧分别连接换流站的正极和负极；图4为直流侧线路发生双极故障后，主动限流控制环节的控制策略框图。
参见图2，双极故障发生后，MMC子模块中的电容开始放电，此时子模块电容的放电电流经由较小阻抗的线路、桥臂电抗、故障点构成一个放电回路。
主动限流原理如下：
根据基尔霍夫电压定律可以得到桥臂电流的微分方程：
Figure BDA0003218657590000041
式中idc为直流电流，Rarm为单相桥臂等效电阻，uph为单相桥臂电压和，Larm为单相桥臂等效电感。
设故障发生在t＝0时刻，方程的解为：
Figure BDA0003218657590000042
其中，U0和I0分别为稳态运行时系统直流电压和电流；τdc为直流故障回路的时间常数，
Figure BDA0003218657590000043
Req为故障回路等效电阻，
Figure BDA0003218657590000044
通过计算得到直流电流变化率didc/dt，将电流变化率输入滞环比较器，滞环比较器的动作值根据MMC的直流电压和直流侧等效电感计算得到，滞环比较器的输出决定了主动限流控制是否发挥作用，在输入的电流变化率大于动作值时为1，小于返回值时输出为0。滞环比较器的输出与电流变化率还有主动限流系数K相乘得到调制系数变化量ΔKD，最后上限幅值1.0减去ΔKD并经过限幅环节后得到该限流环节的输出KD，此时的KD为主动限流环节后MMC的调制系数，输入到MMC的控制器中。
采用主动限流控制后，单相桥臂电压和与直流电流表达式为：
uph＝KMUdc
KM＝KD
Figure BDA0003218657590000051
其中，KM为调制系数；τD为主动限流控制下的时间常数，
Figure BDA0003218657590000052
图3为主动限流控制框图，直流母线电流idc经过微分环节s得到直流电流变化率didc/dt，将直流电流变化率输入滞环比较器，在稳态运行时电流变化速率为一变化量极小的值，小于滞环比较器的返回值，输出为0，不影响系统的正常运行；在发生故障后直流电流迅速增大，变化速率大于动作值时，动作信号输出为1。滞环比较器的输出乘以电流变化率与主动限流系数K得到ΔKD，上限幅值1.0减去ΔKD并经过限幅环节后得到该限流环节的输出KD，KD用于控制投入运行子模块和总数的比值。稳态运行时，MMC直流电流基本保持恒定，电流变化率不会超过滞环比较器的动作值，此状态下KM＝KD＝1.0，主动限流控制不会影响MMC的正常运行。故障发生后，MMC电流迅速上升，ΔKD升高，从而KD降低，使得MMC出口的电压KDUdc相应降低，抑制故障电流的发展。
图4为电容换流限流器结构，并接在MMC出口处的直流线路正负极之间。在系统正常运行时不工作，不会增加运行损耗。电容换流限流器的组成包括:第一电容C1、第二电容C2、限流晶闸管T1、第一充电晶闸管TC1、第二充电晶闸管TC2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一耗能电阻R1、第二耗能电阻R2、第一充电电阻RC1和第二充电电阻RC2。电容换流过程总结如下：
(1)第一充电晶闸管TC1、第一充电电阻RC1和第二充电晶闸管TC1、第二充电电阻RC2组成了器中的充电支路，在限流器投入系统之前，直流断路器DCCB为导通状态，第一充电晶闸管TC1、第二充电晶闸管TC2被触发，直流系统对第一电容C1、第二电容C2进行充电，第一电容C1、第二电容C2均被充电至系统电压后，充电电流降至零，第一充电晶闸管TC1、第二充电晶闸管TC1关断；
(2)直流侧发生双极短路故障后，故障电流的上升速度虽然受到主动控制环节的抑制，但故障电流仍然会逐渐上升，当电流达到设定的阈值时，直流断路器和电容换流限流器开始动作。限流器中的限流晶闸管T1被触发,此时第一电容C1和第二电容C2串联连接，二者串联后输出的电压是系统电压的两倍，由于该电压高于MMC直流侧输出电压，此时第一电容C1和第二电容C2与直流侧等效电感Ldc、故障点形成通路C2-T1-C1-Ldc-Rf-C2，第一电容C1和第二电容C2不断放电，对换流站侧直流电流起到限制作用；
(3)第一二极管D1、第一耗能电阻R1和第二二极管D2、第二耗能电阻R2组成了二极管耗能支路，用于吸收和耗散故障电流能量，防止出现震荡对电网造成不良影响。当第一电容C1和第二电容C2两端电压反向且达到第一二极管D1、第二二极管D2的导通电压时，与第一电容C1和第二电容C2并联的二极管耗能支路导通，大部分故障电流流过第一耗能电阻R1、第二耗能电阻R2，电能在第一耗能电阻R1、第二耗能电阻R2上转化为热能而耗散，当经过第一耗能电阻R1、第二耗能电阻R2电流过零时，第一二极管D1、第二二极管D2关断，其余少量电能被直流断路器的的避雷器所吸收，此时限流过程结束。
与现有技术相比较，本发明采用主动限流控制和电容换流限流器相结合的限流方法，是一种低成本、低损耗，且能够有效对故障电流进行限制的方法。能够有效保护直流设备，降低换流站闭锁风险，是一种经济高效的限流方法。系统正常运行时，主动限流控制不会影响系统正常运行，电容换流限流器也不工作，不会额外增加损耗。
本发明根据双极短路故障电流特性对故障电流的上升速率进行限制，当电流上升到设定的阈值后，电容换流限流器开始工作，通过电容换流实现对故障电流进一步的限制，降低故障电流峰值，减小故障对直流电网冲击，延长系统设备寿命。本发明能够在双极短路故障发生后，有效抑制故障电流的上升速率和峰值，减少双极短路故障对电网冲击，同时也能有效减轻系统中其他设备的负担。

Claims (4)

1.一种主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，其特征是，为抑制MMC直流侧故障电流的上升速率，在半桥型MMC的控制过程中增加如下的主动限流控制环节：
直流母线电流idc经过微分环节得到直流电流变化率didc/dt，将直流电流变化率didc/dt输入到滞环比较器，直流电流变化率didc/dt大于动作值时滞环比较器输出为1，直流电流变化率didc/dt小于返回值时滞环比较器输出为0，滞环比较器的输出乘以电流变化率和主动限流系数K得到调制系数变化量ΔKD，上限幅值1.0减去调制系数变化量ΔKD并经过限幅环节处理后得到主动限流控制后的调制系数KD，用主动限流控制后的调制系数KD控制投入运行子模块和总数的比值，从而抑制故障电流的增大。
2.根据权利要求1所述的一种主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，其特征是，所述方法换流站出口经过直流断路器DCCB并接限流器，所述限流器包括两个电容、两个充电晶闸管、限流晶闸管(T1)和两个充电电阻，第一电容(C1)的正极与正极直流线路连接，负极依次经第一充电晶闸管(TC1)和第一充电电阻(RC1)与负极直流线路连接，第二电容(C2)的负极与负极直流线路连接，正极依次经第二充电电阻(RC2)和第二充电晶闸管(TC2)与正极直流线路连接，所述限流晶闸管(T1)接于第一电容(C1)的负极与第二电容(C2)的正极之间，系统正常情况下通过触发两个充电晶闸管对两个电容充电至系统电压，直流电网发生短路故障时，通过触发限流晶闸管(T1)使限流器中电容放电，通过限流器电容换流减小故障电流，从而在直流断路器(DCCB)开断之前抑制换流站侧直流电流的增大。
3.根据权利要求1或2所述的一种主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，其特征是，换流站的正极经直流断路器(DCCB)与直流电网的正极母线连接，第二充电晶闸管(TC2)和第一电容(C1)的正极接于直流断路器(DCCB)出口的直流线路。
4.根据权利要求3所述的一种主动限流与电容换流相结合的MMC-HVDC双极短路故障限流方法，其特征是，所述电容换流通过限流器实现，限流器包括二极管耗能支路，所述二极管耗能支路包括两个二极管和两个耗能电阻，第一二极管(D1)的正极接第一电容(C1)的负极，第一二极管(D1)的负极通过第一耗能电阻(R1)与第一电容(C1)的正极连接；第二二极管(D2)的正极接第二电容(C2)的负极，第二二极管(D2)的负极通过第二耗能电阻(R2)与第二电容(C2)的正极连接。
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