CN114204789A - 一种电压源型ac-dc变流器及其直流侧故障穿越方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电压源型AC‑DC变流器及其直流侧故障穿越方法。针对传统三相桥式AC‑DC变流器在发生直流短路故障时无法限制短路电流的问题，本发明在AC‑DC变流器的直流端口串联故障穿越模块。正常运行时，AC‑DC变流器控制直流电压，故障穿越模块全导通；当直流侧发生故障导致变流器过流时，故障穿越模块闭锁，隔离故障，同时保持内部电压稳定。待短路电流衰减后，故障穿越模块启动电流闭环控制，主动向直流系统注入额定电流。当故障清除后，直流电压抬升，故障穿越模块自动转为电压控制模式，将系统内电压重新恢复到额定值。本发明能够在故障发生时快速限制短路电流，并向系统提供稳定的故障电流，在故障清除后能自动快速恢复系统供电。

Description

一种电压源型AC-DC变流器及其直流侧故障穿越方法
技术领域
本发明属于变流器领域，涉及一种电压源型AC-DC变流器及其直流侧故障穿越方法。
背景技术
近年来，分布式电源和直流负荷的大量接入导致中低压配电网的形态发生巨大变化。低压直流系统以其运行效率高、转化环节少、便于新能源接入等优势，引起了国内外学者的广泛关注。然而，由于直流系统内的电力电子设备耐受冲击能力较弱，且故障发生后直流电流上升迅猛，导致故障特征持续时间短，给直流保护的准确动作带来巨大挑战。因此，为了保证直流系统的安全可靠运行，AC-DC变流器作为直流系统的重要组成单元，需要具备直流侧故障穿越能力。
当前，对于AC-DC变流器故障穿越策略的研究，多是针对模块化多电平((ModularMultilevel Converter，MMC))的全桥结构或者隔离型结构，避免了传统桥式结构无法限制短路电流的问题。
文献[1](宋国兵，王婷，张晨浩等.利用全桥MMC注入特征信号的直流自适应重合闸方法[J].电网技术，2019，43(1)：149-156.)通过在MMC全桥型变流器电流控制中注入方波信号，并进一步改变MMC上下桥臂子模块的投入数量，使得变流器在故障穿越过程中输出特征信号。
文献[2](罗永捷，李耀华，李子欣等.全桥型MMC-HVDC直流短路故障穿越控制保护策略[J].中国电机工程学报，2016，36(7)：1933-1943.)在MMC全桥型变流器故障穿越时，主动调节上下桥臂能量和电容电压均衡，使得故障消除后变流器能够立即恢复。
文献[3](王聪博，贾科，毕天姝等.基于控保协同的多端柔性直流配电系统线路保护[J].中国电机工程学报，2020，40(8)：2559-2567.)利用隔离型变流器隔离故障，并能产生特定频率的谐波信号，从而准确定位故障线路。
文献[4](薛士敏，刘存甲，李蒸等.基于控保协同的环形直流微网单端测距保护技术[J].电力系统自动化，2020，44(5)：122-129.)对传统三相桥式AC-DC变流器进行改造，使得故障后变流器能切换为单相整流电路，从而输出周期性半波变化的故障电流。
上述文献主要关注的是变流器在故障发生时隔离故障，并向系统提供特征信号的问题，对故障过程中变流器主动支撑和故障清除后快速恢复供电的研究较少。
发明内容
针对传统三相桥式AC-DC变流器在发生直流短路故障时无法限制短路电流的问题，本发明提供一种改进的电压源型AC-DC变流器及其直流侧故障穿越方法，其在直流电网发生短路故障时，进行故障穿越控制，为直流电网的保护提供稳定可控的故障电流。
为此，本发明采用的技术方案如下：一种电压源型AC-DC变流器，用于低压交直流混合微电网和直流微电网，所述AC-DC变流器的直流端口处串联故障穿越模块；
所述的故障穿越模块包括全控型IGBT管T、反并联二极管D以及滤波限流电感L，所述的全控型IGBT管T和滤波限流电感L串联在AC-DC变流器的直流正极端口处，反并联二极管D的负极连接在全控型IGBT管T和滤波限流电感L之间的电路上，反并联二极管D的正极连接在AC-DC变流器的直流负极端口处。
优选的，所述的AC-DC变流器为传统三相桥式AC-DC变流器。
本发明还采用如下的技术方案：上述电压源型AC-DC变流器的直流侧故障穿越方法，其包括以下步骤：
步骤1：根据AC-DC变流器的直流输出电流Io，判断AC-DC变流器是否进入故障穿越状态：
若直流输出电流Io小于等于过流保护动作值Ith时，则AC-DC变流器正常运行，采用电压控制模式，维持直流侧稳压电容C上的电压Udc＝额定电压Urate，故障穿越模块的IGBT管导通；
若直流输出电流Io大于过流保护动作值Ith时，进入步骤2；
步骤2：AC-DC变流器切换到故障穿越状态，故障穿越模块的IGBT管立即闭锁，隔离故障，AC-DC变流器内部继续维持电容C上的电压Udc＝额定电压Urate，待输出电流Io衰减到小于额定电流Irate后，故障穿越模块采用电流闭环控制，电流参考值Iref取额定电流Irate；
步骤3：AC-DC变流器以电流参考值Iref为基准主动向直流系统注入电流，从而为发生故障的直流电网提供稳定的故障电流特征；
步骤4：根据AC-DC变流器的直流端口电压Uo，判断直流故障是否清除：
若直流端口电压Uo小于等于Uth，Uth取额定电压Urate的50％，则直流故障尚未清除，继续维持步骤3中的电流控制模式(通过控制IGBT管T的通断，实现Io＝Iref＝Irate，即AC-DC变流器或者说是故障穿越模块向直流系统输出稳定的电流)；
若直流端口电压Uo大于Uth，则直流短路故障清除，AC-DC变流器的故障穿越模块转为电压电流双闭环控制，电压参考值Uref取额定电压Urate，进入步骤5；
步骤5：AC-DC变流器以电压参考值Uref调节直流系统电压，直至故障穿越模块的IGBT管全导通，退出故障穿越状态，进入正常运行。
正常运行时，AC-DC变流器控制直流电压，故障穿越模块全导通；当直流侧发生故障导致变流器过流时，故障穿越模块闭锁，隔离故障，同时保持内部电压稳定。待短路电流衰减后，故障穿越模块启动电流闭环控制，主动向直流系统注入额定电流。当故障清除后，直流电压抬升，故障穿越模块自动转为电压控制模式，将系统电压重新恢复到额定值。
本发明能够在故障发生时快速限制短路电流，并向系统提供稳定的故障电流，在故障清除后能自动快速恢复系统供电，在一定程度上解决了直流故障短路电流大、故障特征持续时间短、故障恢复慢的问题。
进一步地，所述的直流侧故障穿越方法还包括：步骤6：整个故障穿越状态持续时间需小于200ms，超时后AC-DC变流器故障停机。
进一步地，在变流器进入到故障穿越状态，故障穿越模块采用电流闭环控制时，输出到IGBT管T上的占空比信号d按如下公式计算：
d＝kpi(Iref-Io)+kii∫(Iref-Io)dt，
式中：kpi/kii为电流内环控制器比例积分参数。
进一步地，在变流器进入到故障穿越状态，故障穿越模块采用电压电流双闭环控制时，输出到IGBT管T上的占空比信号d按如下公式计算：
Figure BDA0002690065590000031
式中：kpu/kiu为电压外环控制器比例积分参数；
当占空比信号d＝1，IGBT管全导通，Uo＝Udc＝Urate，AC-DC变流器退出故障穿越状态，进入正常运行。
优选的，所述的过流保护动作值Ith为额定电流Irate的1.2倍。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明的电压源型AC-DC变流器及其直流侧故障穿越方法是在直流电网发生短路故障时，进行故障穿越控制，为直流电网的保护提供稳定可控的故障电流，提高保护识别的准确性和快速性，对电网安全稳定运行具有重要意义。
本发明的直流侧故障穿越方法在直流电网故障清除后，继续向电网注入故障电流，实现直流电压抬升，并根据电压幅值，能够自动转为电压控制模式，实现系统电压的快速恢复，有利于保障负荷供电。
本发明以现有AC-DC变流器拓扑为基础，便于改造，故障穿越方法控制简单，具有一定的工程推广价值。
附图说明
图1是本发明电压源型AC-DC变流器的拓扑结构图；
图2是本发明电压源型AC-DC变流器直流侧故障穿越控制逻辑图；
图3是本发明电压源型AC-DC变流器故障穿越模块控制框图；
图4是本发明电压源型AC-DC变流器直流侧故障穿越仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种电压源型AC-DC变流器及其直流侧故障穿越方法，可为直流电网的保护提供稳定可控的故障电流，在故障清除后能快速实现直流电压恢复，具有重要的工程价值。
一种电压源型AC-DC变流器，用于低压交直流混合微电网和直流微电网，如图1所示，在传统三相桥式AC-DC变流器的直流端口处串联故障穿越模块，该模块包括全控型IGBT管T、反并联二极管D以及滤波限流电感L。
所述的全控型IGBT管T和滤波限流电感L串联在AC-DC变流器的直流正极端口处，反并联二极管D的负极连接在全控型IGBT管T和滤波限流电感L之间的电路上，反并联二极管D的正极连接在AC-DC变流器的直流负极端口处。
本发明的直流侧故障穿越方法，其包括以下步骤(如图2所示)：
步骤1：根据AC-DC变流器的直流输出电流Io，判断AC-DC变流器是否进入故障穿越状态：
若直流输出电流Io小于等于过流保护动作值Ith(一般为额定电流Irate的1.2倍)时，则AC-DC变流器正常运行，采用电压控制模式，维持直流侧稳压电容C上的电压Udc＝Urate，故障穿越模块的IGBT管导通；
若直流输出电流Io大于过流保护动作值Ith时，则AC-DC变流器切换到故障穿越状态，进入步骤2。
步骤2：AC-DC变流器切换到故障穿越状态，故障穿越模块的IGBT管立即闭锁，隔离故障，AC-DC变流器内部继续维持电容C上的电压Udc＝Urate。待输出电流Io衰减到小于额定值Irate后，故障穿越模块采用电流闭环控制，电流参考值Iref取Irate。
步骤3：AC-DC变流器以电流参考值为基准主动向直流系统注入电流，从而为发生故障的直流电网提供稳定的故障电流特征。
步骤4：根据AC-DC变流器的直流端口电压Uo，判断直流故障是否清除：
若直流端口电压Uo小于等于Uth(取额定电压Urate的50％)，则直流故障尚未清除，继续维持步骤3中的电流控制模式(通过控制IGBT管T的通断，实现Io＝Iref＝Irate，即AC-DC变流器或者说是故障穿越模块向直流系统输出稳定的电流)；
若直流端口电压Uo大于Uth，则直流短路故障清除，AC-DC变流器的故障穿越模块转为电压电流双闭环控制，电压参考值Uref取Urate，进入步骤5。
步骤5：AC-DC变流器以电压参考值调节直流系统电压，直至故障穿越模块的IGBT管全导通，退出故障穿越状态，进入正常运行。
步骤6：整个故障穿越状态持续时间需小于200ms，超时后AC-DC变流器故障停机。
本发明的电压源型AC-DC变流器拓扑结构及其直流侧故障穿越方法是在直流电网发生短路故障时，进行故障穿越控制，为直流电网的保护提供稳定可控的故障电流；在直流电网故障清除后，继续向电网注入故障电流，实现直流电压抬升，并根据电压幅值，能够自动转为电压控制模式，以实现系统电压的快速恢复，对电网安全稳定运行具有重要意义。
本实施例中，如图3所示，在变流器进入到故障穿越状态，故障穿越模块采用电流闭环控制时，输出到IGBT管T上的占空比信号d按如下公式计算：
d＝kpi(Iref-Io)+kii∫(Iref-Io)dt (1)
式中：kpi/kii为电流内环控制器比例积分参数。
在变流器进入到故障穿越状态，故障穿越模块采用电压电流双闭环控制时，输出到IGBT管T上的占空比信号d按如下公式计算：
Figure BDA0002690065590000051
式中：kpu/kiu为电压外环控制器比例积分参数。当占空比信号d＝1，IGBT管全导通，Uo＝Udc＝Urate，AC-DC变流器退出故障穿越状态，进入正常运行。
图4为AC-DC变流器直流侧故障穿越仿真波形图。AC-DC变流器的直流额定电压Urate和额定电流Irate分别为400V、400A。t＝0.05s时刻，短路故障发生，变流器检测到输出过流，故障穿越模块闭锁，自动切换到故障穿越状态，待电流Io小于额定值后，故障穿越模块采用电流闭环控制向直流系统注入额定电流。t＝0.15s时刻，直流故障清除，母线电压抬升。AC-DC变流器检测到电压超过200V后，故障穿越模块转为电压电流双闭环控制，主动调节直流系统电压。最后直流电压重新恢复到400V，系统正常运行。
因此，本发明所提出的一种电压源型AC-DC变流器及其直流侧故障穿越方法切实可行，能在直流故障发生时快速抑制短路电流，并主动为直流系统提供稳定可控的短路特征，在故障清除后能立即恢复系统电压，大幅降低短路故障对负荷供电的影响，具有一定工程应用价值。

Claims (7)

1.一种电压源型AC-DC变流器，用于低压交直流混合微电网和直流微电网，其特征在于：
所述AC-DC变流器的直流端口处串联故障穿越模块；
所述的故障穿越模块包括全控型IGBT管T、反并联二极管D以及滤波限流电感L，所述的全控型IGBT管T和滤波限流电感L串联在AC-DC变流器的直流正极端口处，反并联二极管D的负极连接在全控型IGBT管T和滤波限流电感L之间的电路上，反并联二极管D的正极连接在AC-DC变流器的直流负极端口处。
2.根据权利要求1所述的一种电压源型AC-DC变流器，其特征在于，所述的AC-DC变流器为传统三相桥式AC-DC变流器。
3.权利要求1或2所述电压源型AC-DC变流器的直流侧故障穿越方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据AC-DC变流器的直流输出电流Io，判断AC-DC变流器是否进入故障穿越状态：
若直流输出电流Io小于等于过流保护动作值Ith时，则AC-DC变流器正常运行，采用电压控制模式，维持直流侧稳压电容C上的电压Udc＝额定电压Urate，故障穿越模块的IGBT管导通；
若直流输出电流Io大于过流保护动作值Ith时，进入步骤2；
步骤2：AC-DC变流器切换到故障穿越状态，故障穿越模块的IGBT管立即闭锁，隔离故障，AC-DC变流器内部继续维持电容C上的电压Udc＝额定电压Urate，待输出电流Io衰减到小于额定电流Irate后，故障穿越模块采用电流闭环控制，电流参考值Iref取额定电流Irate；
步骤3：AC-DC变流器以电流参考值Iref为基准主动向直流系统注入电流，从而为发生故障的直流电网提供稳定的故障电流特征；
步骤4：根据AC-DC变流器的直流端口电压Uo，判断直流故障是否清除：
若直流端口电压Uo小于等于Uth，Uth取额定电压Urate的50％，则直流故障尚未清除，继续维持步骤3中的电流控制模式；
若直流端口电压Uo大于Uth，则直流短路故障清除，AC-DC变流器的故障穿越模块转为电压电流双闭环控制，电压参考值Uref取额定电压Urate，进入步骤5；
步骤5：AC-DC变流器以电压参考值Uref调节直流系统电压，直至故障穿越模块的IGBT管全导通，退出故障穿越状态，进入正常运行。
4.根据权利要求3所述的直流侧故障穿越方法，其特征在于：还包括：
步骤6：整个故障穿越状态持续时间需小于200ms，超时后AC-DC变流器故障停机。
5.根据权利要求3所述的直流侧故障穿越方法，其特征在于：
在变流器进入到故障穿越状态，故障穿越模块采用电流闭环控制时，输出到IGBT管T上的占空比信号d按如下公式计算：
d＝kpi(Iref-Io)+kii∫(Iref-Io)dt，
式中：kpi/kii为电流内环控制器比例积分参数。
6.根据权利要求5所述的直流侧故障穿越方法，其特征在于：
在变流器进入到故障穿越状态，故障穿越模块采用电压电流双闭环控制时，输出到IGBT管T上的占空比信号d按如下公式计算：
Figure FDA0002690065580000021
式中：kpu/kiu为电压外环控制器比例积分参数；
当占空比信号d＝1，IGBT管全导通，Uo＝Udc＝Urate，AC-DC变流器退出故障穿越状态，进入正常运行。
7.根据权利要求3所述的直流侧故障穿越方法，其特征在于：所述的过流保护动作值Ith为额定电流Irate的1.2倍。
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