一種模塊化多電平變流器的直流雙極短路故障穿越方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種模塊化多電平變流器的直流雙極短路故障穿越方法，屬于電力電 子技術(shù)和電力輸配電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)相比，柔性高壓直流輸電技術(shù)采用全控半導(dǎo)體開關(guān)器 件實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器的控制，因而具有控制靈活、無(wú)功可自由補(bǔ)償及不依賴交流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)換相 等優(yōu)點(diǎn)，在近年來(lái)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。尤其是基于模塊化多電平變流器結(jié)構(gòu)的柔性 高壓直流輸電系統(tǒng)，W其高度模塊化的結(jié)構(gòu)、顯著降低的開關(guān)頻率和損耗、省去了笨重的多 重化變壓器、較小的交流和直流側(cè)的濾波器體量等優(yōu)點(diǎn)，成為柔性高壓直流輸電的主流結(jié) 構(gòu)，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多處工程投運(yùn)或正在建設(shè)。
[0003] 考慮到高壓直流斷路器的工藝技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，而傳統(tǒng)基于半橋結(jié)構(gòu)子模塊的模塊 化多電平變流器由于開關(guān)器件內(nèi)部反并聯(lián)二極管的存在，當(dāng)直流側(cè)雙極性短路故障發(fā)生 后，即便將所有全控半導(dǎo)體開關(guān)器件閉鎖，交流電源會(huì)經(jīng)反并聯(lián)二極管與直流故障點(diǎn)形成 =相短路回路，同時(shí)子模塊電容迅速放電，從而造成裝置直流短路電流嚴(yán)重過(guò)流，形成器件 損壞。而利用斷開交流斷路器來(lái)配合清除直流電流，故障電流清零較慢，且不利于保存電容 能量并進(jìn)行重啟動(dòng)。因此，解決直流短路故障問(wèn)題是柔性高壓直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004] 由于上述原因，現(xiàn)有的基于模塊化多電平變流器的柔性高壓直流輸電工程多采用 直流故障發(fā)生概率較小的直流電纜，但線路造價(jià)較高；而如果采用架空線，雖可大幅節(jié)省 線路成本，但卻容易出現(xiàn)閃絡(luò)等直流短路故障問(wèn)題。此外已有文獻(xiàn)分析，當(dāng)換流站發(fā)生直 流雙極性短路故障時(shí)，換流站不但應(yīng)具備直流短路電流的閉鎖能力，使故障電流能夠快速 清零；同時(shí)還應(yīng)能夠?yàn)樗B接的交流電網(wǎng)提供一定的無(wú)功支撐，W實(shí)現(xiàn)直流故障的穿越。 (G.Tang,Z.Xu,andY.Zhou,"ImpactsofThreeMMC-HVDCConfigurationsonACSystem StabilityUnderDCLineFaults,"IEEETrans.PowerSystems,vol. 29,no. 6,pp. 3030-3 040,Nov. 2014.)
[0005] 為解決上述問(wèn)題，已有文獻(xiàn)報(bào)道了多種技術(shù)方案。文獻(xiàn)化Li,Q.Song，W. Liu,H.Rao,S.Xu,andL.Li,"ProtectionofnonpermanentfaultsonDCoverhead linesinMMC-BasedHVDCsystems, "IEEETrans.PowerDel.,vol. 28,no. 1,pp. 483 -490,Jan. 2013.)通過(guò)在子模塊中增加雙向晶闡管，可臥實(shí)現(xiàn)短路電流清零，但該方 法電流清零速度較慢，子模塊增加的成本和體積較大，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)直流故障穿越。文 獻(xiàn)（民.Marquardt,"Modularmultilevelconverter:Anuniversalconceptfor HVDC-networksandextendeddc-bus-applications,''inProc.Int.PowerElectron. Conf.，2010,pp. 502 - 507.)和（J.Qin,M.Saeedifard,A.Rocldiill,andR?化ou,"Hybrid DesignofModularMultilevelConvertersforHVDCSystemsBasedonVarious SubmoduleCircuits,"I邸Ehans.PowerDel.，tobepublished.)提出的采用新型子模 塊結(jié)構(gòu)，如全橋子模塊、單極性子模塊（包括錯(cuò)位雙子模塊和錯(cuò)位單子模塊）來(lái)限制短路 故障電流的方案更具有可行性。其中，采用全橋子模塊結(jié)構(gòu)的MMC需要額外增加一倍的開 關(guān)器件，裝置成本增加顯著，但在直流短路故障發(fā)生后，不但可W閉鎖直流故障，而且可W 運(yùn)行為靜止同步補(bǔ)償裝置下簡(jiǎn)稱為STATCOM)，為交流電網(wǎng)提供無(wú)功支撐。相比于采 用全橋子模塊結(jié)構(gòu)的MMC，采用單極性子模塊（包括猜位雙子模塊和猜位單子模塊）結(jié)構(gòu) 的MMC增加的器件數(shù)目較少，成本相對(duì)較低，具有更好的經(jīng)濟(jì)性，且具有閉鎖直流故障的能 力。但目前尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道采用單極性子模塊的模塊化多電平變流器在直流故障后運(yùn)行為 STATCOM，從而為電網(wǎng)提供無(wú)功支撐，實(shí)現(xiàn)直流雙極短路故障穿越的運(yùn)行控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提出一種模塊化多電平變流器的直流雙極短路故障穿越方法，W 解決模塊化多電平變流器結(jié)構(gòu)的柔性直流輸配電系統(tǒng)（MMC-basedHVDC)采用架空線方式 時(shí)存在的直流雙極短路故障問(wèn)題，在直流短路故障期間抑制直流側(cè)短路電流并為交流電網(wǎng) 提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐的運(yùn)行控制，即實(shí)現(xiàn)其直流故障穿越。
[0007] 本發(fā)明提出的模塊化多電平變流器的直流雙極短路故障穿越方法，包括如下步 驟：
[000引（1)設(shè)定模塊化多電平變流器的故障電流動(dòng)作闊值Let，實(shí)時(shí)測(cè)量模塊化多電平變 流器的直流母線電流瞬時(shí)值Id。，并將絕對(duì)值IId」與闊值Iwt比較，若滿足11則判 定直流母線發(fā)生雙極短路故障，并將模塊化多電平變流器切換至故障穿越運(yùn)行模式；
[0009] (2)在故障穿越運(yùn)行模式下，實(shí)時(shí)測(cè)量t時(shí)刻模塊化多電平變流器交流電網(wǎng)側(cè)的 S相電流瞬時(shí)值iy(t) (W從模塊化多電平變流器流入電網(wǎng)的方向?yàn)檎较颍┖蚐相電壓 瞬時(shí)值U, (t)，其中X=a,b，C分別代表S相，對(duì)S相電壓瞬時(shí)值U, (t)進(jìn)行鎖相處理，得到 t時(shí)刻交流電網(wǎng)的電壓相角0 ;
[0010] 實(shí)時(shí)測(cè)量t時(shí)刻模塊化多電平變流器注入交流電網(wǎng)交換的無(wú)功功率Q(t)，實(shí)時(shí) 測(cè)量模塊化多電平變流器X相的上橋臂第i個(gè)子模塊電容的電壓(t)和下橋臂第i個(gè) 子模塊電容的電壓Ut,w(t)，其中i= 1，2,…，N，N為模塊化多電平變流器一個(gè)橋臂中所有 子模塊所包含的電容的個(gè)數(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)量模塊化多電平變流器的正、負(fù)極直流母線間的電壓 Udc(t);
[0011] 做根據(jù)下式，計(jì)算模塊化多電平變流器的q軸電流參考值iqt(t):
[0012]
[0013] 其中，kpi和TU分別為模塊化多電平變流器無(wú)功比例積分計(jì)算中的比例系數(shù)和積 分時(shí)間常數(shù)，1^。1的取值范圍為0<1^。1《1000，1\1的取值范圍為0<1'?！?00,9,(*)為根據(jù)交 流電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償需要設(shè)定的模塊化多電平變流器無(wú)功功率參考值；
[0014] (4)根據(jù)上述測(cè)量值，利用下式計(jì)算模塊化多電平變流器中所有電容的平均電壓 UE(t);
[0015]
[0016] 根據(jù)下式，計(jì)算模塊化多電平變流器的d軸電流參考值i&(t);
[0017]
[001引其中，kp2和T。分別為模塊化多電平變流器中電容平均電壓比例積分計(jì)算中的比 例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，kp2的取值范圍為0<kp2《 1000,T。的取值范圍為0<T 100 ;
[0019] (5)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，利用下式計(jì)算模塊化多電平變流器的交流電網(wǎng)側(cè)abcS 相電流參考值(t);
[0020]
[0021] 其中，0為t時(shí)刻交流電網(wǎng)的電壓相角；
[0022] 根據(jù)下式計(jì)算t時(shí)刻模塊化多電平變流器的d軸電流實(shí)際值id(t)和q軸電流實(shí) 際值iq(t):
[0023]
[0024] 根據(jù)下式計(jì)算t時(shí)刻模塊化多電平變流器的d軸電壓實(shí)際值Ud(t)和q軸電壓實(shí) 際值Uq(t):
[00 巧]
[0026] (6)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，利用下式計(jì)算模塊化多電平變流器的d軸調(diào)制電壓參考 值IW(t)和q軸調(diào)制電壓參考值IV,U);
[0027]
[002引其中，《= 231f，f為交流電網(wǎng)的頻率，L。為模塊化多電平變流器橋臂電抗的電感 值，kp3和T。分別為模塊化多電平變流器的d軸電流比例積分計(jì)算中的比例系數(shù)和積分時(shí) 間常數(shù)，kp3的取值范圍為0<kp3《 1000,TU的取值范圍為0<T100,kp4和T14分別為模 塊化多電平變流器的q軸電流比例積分計(jì)算中的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，kp4的取值范圍 為0<kp4《 1000,T14的取值范圍為0<T 100 ;
[0029] (7)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，利用下式判斷模塊化多電平變流器六個(gè)橋臂的工作狀 態(tài)：
[0030]
[0031] 其中，S^(t)為X相上橋臂的工作狀態(tài)，S,"(t)為X相下橋臂的工作狀態(tài)，橋臂