CN115808646B

CN115808646B - 基于改进半桥型mmc的柔性直流系统线路故障性质识别方法

Info

Publication number: CN115808646B
Application number: CN202310055647.3A
Authority: CN
Inventors: 刘海金; 王金浩; 李胜文; 刘翼肇; 杨洋
Original assignee: State Grid Electric Power Research Institute Of Sepc
Current assignee: State Grid Electric Power Research Institute Of Sepc
Priority date: 2023-01-17
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2043-01-17
Also published as: CN115808646A

Abstract

本发明提供了基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，属于电力电子技术领域；解决了目前直流故障性质识别和系统恢复过程会给系统造成二次冲击的问题；包括如下步骤：判断发生的直流故障是直流线路极间故障还是直流线路单级接地故障；根据不同故障类型对故障电流进行清除，并恢复线路绝缘；选择重合电流导通路径和重合角并向晶闸管发送导通脉冲信号；判断重合电流是否大于等于阈值，当重合电流大于等于阈值时，判断为永久性故障，当重合电流小于阈值时，重新选择二次重合电流导通路径和重合角并向晶闸管发送导通脉冲信号；重新判断二次重合电流是否大于等于阈值；本发明应用于柔性直流系统线路故障性质识别。

Description

基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法

技术领域

本发明提供了一种基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

直流输电在我国跨区域电力传输、资源优化配置方面发挥了重要作用。全控型电力半导体器件及其控制技术的发展使基于电压源型换流器的柔性直流技术日渐成熟，这将进一步促进新能源的消纳、提高系统柔性控制能力和供电可靠性，同时解决常规直流输电技术和交流电网面临的技术难题。模块化多电平变流器（MMC）以其较好的电能质量、较高的可靠性等优越性能，已经在柔性直流输电领域得到广泛应用，同时在中压直流配电领域也具有良好的应用前景。

直流输配电系统中多采用架空线路以降低成本，架空线暴露在复杂的外界环境中因而易发生各种类型的故障，且以瞬时性故障居多。因此，对于采用架空线路输配电的系统要求故障隔离设备具有故障性质识别功能，以检测故障是否为永久性故障。传统的直流系统故障性质识别方法往往是在故障性质未知的情况下直接重启换流器，通过换流站出口电流判断故障是否为永久性故障。在这种情况下，若故障点不存在则换流器可以直接启动，恢复系统供电。

架空线路成本较低，因此利用架空线路输电的柔性直流输配电仍是未来大容量直流输配电的有效实现方式之一。架空线路输电情况下，直流故障率大大提高。此外，架空线路瞬时性故障概率较大，需设计合适的故障重合闸策略。因此，对于采用架空线路输配电的系统要求故障隔离设备具有故障性质识别功能，以检测故障是否为永久性故障。

故障隔离方式不同，重合闸方式不同。对于利用直流段断路器进行故障隔离的系统，一般直接闭合直流断路器并解锁换流器；对于利用具有故障自清除能力子模块的MMC，可直接解锁换流器。但是一方面这两种故障隔离方式投资成本高，经济性差，另一方面若直接重合与永久性故障将对系统造成二次冲击。

针对以上问题，提出了一种基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，可有效减小系统重启过程对系统的二次冲击。

发明内容

针对目前直流故障性质识别和系统恢复过程会给系统造成二次冲击的问题，本发明提出了一种基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，采用改进半桥型MMC，所述改进半桥型MMC将直流系统连接到相的上部p和下部n，三相交流系统连接到每相a，b，c的中点，桥臂上串联有电感、电阻和由N个改进半桥子模块串联组成的MMC，在MMC出口直流系统处接有保护装置，同时线路两端接有快速隔离开关SW；包括如下步骤：

S1：判断发生的直流故障是直流线路极间故障还是直流线路单级接地故障；

S2：根据不同故障类型对故障电流进行清除，并恢复线路绝缘；

S3：选择重合电流导通路径和重合角并向晶闸管发送导通脉冲信号；

S4：判断重合电流是否大于等于阈值，当重合电流大于等于阈值时，判断为永久性故障，同时切除故障线路，重启MMC，当重合电流小于阈值时，重新选择二次重合电流导通路径和重合角并向晶闸管发送导通脉冲信号；

S5：重新判断二次重合电流是否大于等于阈值，当二次重合电流大于等于阈值时，判断为永久性故障，同时切除故障线路，重启MMC，当二次重合电流小于阈值时，则判断为瞬时性故障，重启MMC结束本次判断。

对于直流线路极间故障，选择送端或受端一侧换流器进行重合；

首先选择一个重合角进行重合，选择相角最接近重合角的线电压，触发对应桥臂的晶闸管；

当故障为永久性故障时，重合过程将在直流侧产生浪涌电流，浪涌电流大于阈值则判定为永久性故障；

若重合电流小于阈值时，减小重合角，选择相角最接近重合角的线电压对应的桥臂，再次触发桥臂晶闸管，若二次重合电流大于阈值则判定为永久性故障，若二次重合电流小于阈值则判定为瞬时性故障。

对于直流线路单极接地故障，选择送端或受端一侧换流器进行重合；

首先选择一个重合角进行重合，选择相角最接近重合角的相电压，触发对应桥臂的晶闸管；

当故障为永久性故障时，重合过程将在故障极产生浪涌电流，浪涌电流大于一定阈值则判定为永久性故障；

若重合电流小于阈值时，减小重合角，增大极对地电压，选择相角最接近重合角的相电压对应的桥臂，再次触发对应的桥臂晶闸管；

若二次重合电流大于阈值则判定为永久性故障，若二次重合电流小于阈值，则该故障判定为瞬时性故障。

所述改进半桥子模块包括一组由IGBT VT1与二极管VD1组成的反并联结构，VT1与VD1反并联后与子模块电容C串联，然后与由逆阻型IGBT VT2与晶闸管T2组成的反并联结构并联，VT1的发射极与VT2的集电极连接，VT2的集电极与发射极分别接子模块的输入端和输出端；

所述逆阻型IGBT VT2具有反向阻断功能，同时与并联的晶闸管具有关断能力。

所述逆阻型IGBT VT2还能够串联二极管VD2后与晶闸管T2组成反并联结构。

所述逆阻型IGBT VT2还能够与二极管VD3反并联后与二极管VD2串联，然后与晶闸管T2反并联。

所述改进半桥型MMC的桥臂上还能够串联逆阻型IGBT与晶闸管的反并联结构。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：

（1）可在故障后快速识别故障性质，区分永久性故障和瞬时性故障，加快故障线路隔离以及系统恢复；

（2）故障性质识别过程中对变流器造成的冲击电流较小，不会对电力电子器件造成二次危害；

（3）故障性质识别过程对交直流侧造成的冲击有限，不影响系统健全部分的可靠运行。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明实施例示出的一种改进半桥子模块的电路结构示意图；

图2为本发明实施例示出的一种基于常规半桥子模块的改进半桥型子模块的电路结构示意图；

图3为本发明实施例示出的一种基于常规IGBT的改进半桥型子模块的电路结构示意图；

图4为本发明实施例示出的一种基于改进半桥型子模块的MMC结构以及直流侧两种典型故障示意图；

图5为本发明实施例示出的一种桥臂采用桥臂串联逆阻型IGBT和晶闸管反并联结构的改进半桥型MMC结构示意图；

图6为本发明故障性质识别方法的流程图；

图7为本发明实施例中示出的以第一次、第二次分别触发B相上桥臂和C相桥臂、C相上桥臂和A相下桥臂为例的极间故障性质识别过程两次重合电流通路以及潜在馈流通路的示意图；

图8为本发明实施例中示出的极间故障性质识别重合角控制示意图；

图9为本发明实施例中示出的以第一次、第二次分别触发A相上桥臂、B相下桥臂为例的正极接地故障性质识别过程两次重合电流通路示意图；

图10为本发明实施例中示出的正极接地故障性质识别重合角控制示意图。

具体实施方式

如图1至图10所示，本发明提出了一种基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，改进半桥型MMC基于的半桥子模块与常规半桥子模块有明显区别，该子模块中利用晶闸管取代了常规半桥子模块中电容并联支路的二极管，同时采用具有逆阻型IGBT或常规IGBT与二极管的串联结构取代了该支路的常规IGBT，使得该支路可以关断，且正反方向均可以承受电压。在系统检测到故障后，闭锁IGBT，此后在直流故障电流在交流侧馈流的作用下被快速清除，此后对故障性质进行识别，进而实现系统的快速重启。在故障性质识别阶段，通过选择性触发MMC桥臂晶闸管，从而控制直流侧的极间电压，从而减小MMC重合至永久性故障时对变流器和交直流系统的二次冲击。对MMC桥臂晶闸管的选择性触发主要考虑两个方面，首先选择合适的重合角，在有效识别永久性故障的同时降低故障性质识别的冲击，其次选择相角最接近重合角的线电压或相电压对应的桥臂进行触发，减少故障性质识别过程的时间。本发明在改进半桥型MMC快速清除故障的基础上进一步提出了快速故障性质识别方法，快速识别永久性故障和瞬时性故障的同时减小该过程对变流器和交直流系统的二次冲击，从而加速系统重启。

图1~图3为适用本发明的改进半桥型MMC结构的半桥子模块。图1所示为改进半桥子模块结构。基于常规半桥子模块的MMC无法清除和隔离直流侧故障，其原因在于常规IGBT无法承受反向电压，故将二极管与其反向串联，一方面可以提供电流通路，另一方面可以保护常规IGBT的安全。针对该问题，改进半桥型子模块在电容并联支路采用逆阻型IGBT（VT2）取代常规IGBT，并采用晶闸管（T2）取代二极管。因此，该支路具有关断能力，且可以承受正反向电压。直流故障发生后，撤销晶闸管的导通信号，当桥臂电流过零时可以实现故障电流的双向阻断，隔离直流故障。图2所示为基于常规半桥子模块的改进半桥型子模块。在该支路IGBT方向串联二极管，从而具有反向耐压能力，然后与晶闸管并联，从而具有改进半桥型子模块的特征。图3所示为基于常规IGBT的改进半桥型子模块。采用常规IGBT与二极管串联实现反向耐压，然后该支路与晶闸管并联，从而具有改进半桥型子模块的特征。

图4所示为本发明实施例示出的一种基于改进半桥型子模块的MMC结构以及直流侧两种典型故障示意图。故障性质识别的基础建立在线路故障可靠清除的基础上，同时，系统具有切除故障线路的能力。如图所示，在MMC出口处接有保护装置，同时线路两端接有快速隔离开关SW。在故障性质识别为永久性故障并清除重合电流后，立即触发快速隔离开关切除故障线路，此后系统健全部分即可快速重启，保证健全系统的可靠供电。

图5所示为本发明实施例示出的一种桥臂采用桥臂串联逆阻型IGBT和晶闸管反并联结构的改进半桥型MMC结构示意图，其具有故障自清除功能。该MMC基于常规半桥子模块，在桥臂串联逆阻型IGBT与晶闸管的反并联结构。故障后撤销逆阻型IGBT和晶闸管的导通信号，当桥臂电流过零可以实现桥臂的关断和交流侧馈流的阻断。因此，具有上述改进半桥型MMC的故障清除特征。该类型的MMC拓扑具有如下特征：闭锁子模块并撤销所有电力电子器件导通信号时，MMC可以利用交流侧的馈流进行故障自清除；闭锁所有子模块，通过导通晶闸管，可以向直流线路进行馈流，利用该馈流特征即可进行故障性质识别。

图6所示为本发明提出基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法的流程图。当保护系统检测到直流线路发生故障时，首先利用交流侧馈流的交变特征进行直流侧故障电流清除。在完成直流故障电流清除并顺利闭锁MMC后需等待100~300ms左右以待线路中故障能量衰减至零且线路绝缘恢复，在该过程中始终闭锁所有子模块。然后选择性触发桥臂晶闸管，根据直流侧馈流进行故障性质识别。对于极间故障和单极接地故障，故障电流通路不同，因此触发的桥臂和重合角设置有所不同。

图7所示为极间故障性质识别过程两次重合电流通路以及潜在馈流通路，其中图(7a)为第一次重合触发B相上桥臂和C相桥臂时的重合电流通路，图(7b)为第二次重合触发C相上桥臂和A相桥臂时的重合电流通路，图(7c)为故障性质识别过程中的潜在馈流通路。

图8为极间故障性质识别过程重合角控制示意图，根据三相电压相角对故障性质识别过程中重合角的控制进行说明。

下面根据图7和图8对本发明提出的基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法进行说明。

1. 直流线路极间故障性质识别过程

首先定义极间故障重合角，以 u _ab为例，将 u _ab能触发a相上桥臂和b相下桥臂导通的最早时刻作为计算 u _ab重合角α的起点，此后随时间增大。

对于极间故障，在进行故障性质识别时，仅需选择性导通线路一侧变流器即可。故障电流清除完成后，MMC桥臂电力电子器件均处于关断状态。为了减小故障性质识别过程对直流系统和交流系统的冲击，必须减小重合闸过程极间电压。因此，选择电压幅值相差较小的两相桥臂导通。此处通过控制重合角控制电压幅值，且为了准确识别金属性故障和高阻故障，进行重合角不同的两次重合。为了减小对系统的冲击，第一次重合选择较小的极间电压，并选择较大的重合角 α ₁。若重合时刻 u _ab相角满足 α ₁-π/3≤ θ _ab≤ α ₁，则在 θ _ab= α ₁时触发A相上桥臂和B相下桥臂晶闸管合时刻 u _ba相角满足 α ₁-π/3≤ θ _ba≤ α ₁，则 θ _ba= α ₁时触发B相上桥臂和A相下桥臂晶闸管，以此类推。

对于永久性两极短路故障，故障性质识别过程中可以忽略回路中电阻的影响。直流侧馈流最大值与重合角的关系可以表示为：

（1）；

上式中L_eq为回路中电感等效值，U_s为交流侧相电压幅值，ω为交流侧系统电压频率。根据电流判据要求即可选定重合角。

直流侧电流幅值满足式（2）时，则认为该故障为永久性故障；

（2）；

上式中 I _{U_dc}为直流侧额定电流， k为比例系数，0.5≤k≤0.8。

如图8所示，以故障性质识别初始时刻为 t=0时刻，此时仅 u _bc相角满足重合角要求。当 u _bc相角 θ _bc= α ₁时触发B相上桥臂和C相下桥臂，重合电流通路如图(7a)所示。对于永久性两极短路故障，直流侧电流将快速增大。随着B相电压减小，C相电压增大，直流侧在 u _bc<0后快速减小。因此，在准确识别故障性质后可快速清除直流侧电流，进而切除故障线路。对于过渡电阻较大的极间故障，直流侧电流不满足式（2），此后减小重合角进行二次重合。需要注意的是，为了保证系统的安全性，二次重合时重合区域不可与第一次重合的重合电流清除区域相重叠。根据图8，第二次重合选择C相上桥臂和A相下桥臂，重合电流通路如图(7b)所示。此后，当直流侧电流幅值满足式（2）时，则该故障为永久性故障，否则该故障为瞬时性故障。当故障为永久性故障时，在A相电压和C相电压的作用下重合电流将迅速减小为零，此后采用直流侧快速隔离开关隔离故障线路。当故障为瞬时性故障时，进行系统重启。

在故障性质识别过程中，送端MMC导通的桥臂和受端MMC之间形成潜在馈流通路，以送端MMC的B向上桥臂为例，潜在馈流通路如图(7c)所示。当潜在馈流通路中电气关系满足下式（3）时，在故障性质识别过程中将在直流线路中产生一定的馈流。

（3）；

上式中式中， N表示子模块个数； U _cap表示子模块电容平均电压； u _p1和 u _p2分别表示送端交流系统和受端交流系统的相电压，二者差值的最大值为相电压峰值的二倍，即直流侧电压 U _dc与调制比 M的乘积，通常 M取0.816。

根据上式，重合过程中潜在馈流通路产生馈流的条件为受端MMC子模块平均电压降低至其额定电压的0.816倍以下。通常直流侧故障后保护系统将在1~3ms内检测到直流线路故障，桥臂子模块放电时间较短，桥臂子模块电容电压平均值将大于其额定电压的0.816倍。因此，在故障性质识别过程中，潜在馈流通路不会产生馈流而影响故障性质判断的准确性。对于受端为无源网络的直流输电系统，根据式（3），输电线路中同样不会产生馈流。

2. 直流线路单极接地故障性质识别过程

单极接地故障性质识别过程选择性导通某相一侧桥臂即可，对于正极接地故障，选择MMC上桥臂晶闸管导通；对于负极接地故障，选择MMC下桥臂晶闸管导通。以正极接地故障为例，重合电流通路和重合角控制分别如图9和图10所示。

图9所示为正极接地故障性质识别过程两次重合电流通路，其中图(9a)为第一次重合触发A相上桥臂时的重合电流通路，图(9b)为第二次重合触发B相上桥臂时的重合电流通路。图10为正极接地故障性质识别过程重合角控制示意图，根据三相电压相角特征对故障性质识别过程中重合角的控制进行说明。

首先定义单极接地故障重合角，以 u _a为例，对于正极接地故障，将 u _a能触发a相上桥臂对地导通的最早时刻作为计算 u _a重合角α的起点，此后随时间增大；对于负极接地故障，将 u _a能触发a相下桥臂对地导通的最早时刻作为计算 u _a重合角α的起点，此后随时间增大。

故障性质识别过程与极间故障相同，以正极接地故障为例，首先选择较小的正极对地电压，并选择较大的重合角α₁。若重合时刻 u _a相角满足 α ₁-2π/3≤ θ _a≤ α ₁，则选择在 θ _a= α ₁时触发A相上桥臂晶闸管，以此类推。重合角度和故障性质判据参考式（1）和式（2）。

如图10所示，以故障性质识别初始时刻为 t=0时刻，此时仅 u _a相角满足重合角要求。当 u _a相角 θ _a= α ₁时触发A相上桥臂，重合电流通路如图9(a)所示。对于正极金属性接地故障，直流侧电流将快速增大。随着A相电压减小，直流侧电流在 u _a过零后快速减小。因此，在准确识别故障性质后可快速清除直流侧电流，进而切除故障线路。对于过渡电阻较大的正极接地故障，直流侧电流不满足式（2），此后减小重合角进行二次重合。由图10可知，选择触发相邻相B相上桥臂即可保证A相上桥臂快速关断，重合电流通路如图9(b)所示。此后，当直流侧电流幅值满足式（2）时，则该故障为永久性故障，否则该故障为瞬时性故障。当故障为永久性故障时，在相电压的作用下重合电流将迅速减小为零，此后采用直流侧快速隔离开关隔离故障线路，此后进行系统重启。

单极接地故障性质识别过程中同样存在如图7(c)所示的潜在馈流通路。由于受端MMC桥臂子模块电容电压的作用，潜在馈流通路将不会产生馈流，同样不会对故障性质识别过程造成干扰。

本发明提出的基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，主要用于采用架空线路的柔性直流输配电系统，与基于直流断路器和直接重启MMC的故障性质识别方法相比，本发明在快速识别故障性质的同时，不会对交直流系统和变流器造成二次冲击，有利于系统快速重启。此外，本发明提出的故障性质识别方法同样适用于MMC桥臂串联晶闸管和逆阻型IGBT串联结构故障性质识别。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，其特征在于：采用改进半桥型MMC，所述改进半桥型MMC将直流系统连接到相的上部p和下部n，三相交流系统连接到每相a，b，c的中点，桥臂上串联有电感、电阻和由N个改进半桥子模块串联组成的MMC，在MMC出口直流系统处接有保护装置，同时线路两端接有快速隔离开关SW；包括如下步骤：

S5：重新判断二次重合电流是否大于等于阈值，当二次重合电流大于等于阈值时，判断为永久性故障，同时切除故障线路，重启MMC，当二次重合电流小于阈值时，则判断为瞬时性故障，重启MMC结束本次判断；

若重合电流小于阈值时，减小重合角，选择相角最接近重合角的线电压对应的桥臂，再次触发对应的桥臂晶闸管，若二次重合电流大于阈值则判定为永久性故障，若二次重合电流小于阈值则判定为瞬时性故障；

2.根据权利要求1所述的基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，其特征在于：所述改进半桥子模块包括一组由IGBT VT1与二极管VD1组成的反并联结构，VT1与VD1反并联后与子模块电容C串联，然后与由逆阻型IGBT VT2与晶闸管T2组成的反并联结构并联，VT1的发射极与VT2的集电极连接，VT2的集电极与发射极分别接子模块的输入端和输出端；

3.根据权利要求2所述的基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，其特征在于：所述逆阻型IGBT VT2还能够串联二极管VD2后与晶闸管T2组成反并联结构。

4.根据权利要求3所述的基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，其特征在于：所述逆阻型IGBT VT2还能够与二极管VD3反并联后与二极管VD2串联，然后与晶闸管T2反并联。

5.根据权利要求1所述的基于改进半桥型MMC的柔性直流系统线路故障性质识别方法，其特征在于：所述改进半桥型MMC的桥臂上还能够串联逆阻型IGBT与晶闸管的反并联结构。