CN102880750A - 一种衡量不同多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输配电技术领域的一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法。其技术方案是，通过在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中建立实际工程的MMC-HVDC的***模型，并设置不同的时刻；通过仿真得到不同条件下注入故障点的电流曲线；分别对得到的电流曲线进行积分，得到对应的积分面积；计算不同积分面积的比值，即可得到换流器直流故障穿越能力。本发明的有益效果是，提出了一种衡量不同多电平换流器MMC的直流故障穿越能力的计算方法，能够精确计算模块化多电平换流器MMC中直流短路抑制能力。

Description

一种衡量不同多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法。

背景技术

模块化多电平换流器MMC已经成功地应用于大功率换流器中,目前主要是应用在高压直流HVDC输电***。与传统基于电压源换流器的VSC-HVDC相比而言，基于模块化多电平换流器的高压直流输电***MMC-HVDC有诸多优点：交流侧和直流侧的完全控制，直流母线无需电容器，电力电子设备故障时的冗余运行能力，无需滤波器等等。2010年，第一个商业化的MMC-HVDC工程“Trans Bay Cable Project(TBC)”在美国投运，其最高运行的直流电压为±200kV、输送容量最大400MW。此外，世界各地有超过4个基于模块化多电平换流器的高压直流输电***MMC-HVDC工程将在2013年投运。其中，从法国到西班牙的工程“INELFE”能传输2×1000MW的额定功率。但是，几乎所有的MMC-HVDC工程都是采用半桥子模块HBSM拓扑结构。除了半桥子模块HBSM外，部分文献还提出了两种可供选择的模块化多电平换流器MMC的内部子模块SM结构：全桥子模块FBSM和双嵌位子模块CDSM。

直流故障是MMC-HVDC***最为常见的一种故障，其影响和危害程度也最为严重。同时，模块化多电平换流器MMC又有多种可选择不同子模块SM结构，但对于不同子模块SM的模块化多电平换流器MMC的直流故障穿越能力，目前还没有很好的衡量比较的计算方法。

针对这一问题，部分文献分析了换流器闭锁前后的直流故障机制，探讨了对于子模块SM过电流分析的电路模型。然而，这些文献仅考虑了基于模块化多电平换流器MMC中的半桥子模块HBSM，特别是在对比不同的子模块SM结构的直流故障穿越能力时，并没有给出了一个明确的评价指标。尽管不同模块化多电平换流器MMC的等效电路和换流器模型在模块化多电平换流器MMC闭锁前后是不同的，但是其也可以用类似分析方法进行探讨。此外，从工程的角度来看，闭锁后电路的理论分析是非常复杂的，且这种理论分析在工程中也是没有必要的，工程仿真能够考虑到更多更全面的影响因素，是解决此类问题更好的方法。

发明方法

本发明针对背景技术中所述的不同子模块结构的模块化多电平换流器MMC直流故障穿越能力无法定量比较评价的问题，提出了一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法。

一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：建立实际工程的MMC-HVDC的***模型；

步骤2：对***设置不同的时刻；

步骤3：直流故障发生后，人为强制设置换流器不闭锁的条件下，仿真得到注入故障点的第一电流曲线F(t)；

步骤4:直流故障后换流器闭锁，仿真得到注入故障点的第二电流曲线G(t)；

步骤5：计算第一积分面积S₁；

步骤6：计算第二积分面积S₂；

步骤7：计算第一面积S₁与第二面积S₂的比值表示换流器直流故障穿越能力。

步骤1中：MMC-HVDC***建模

在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中建立实际工程的MMC***模型，若仅比较不同子模块的MMC，并使MMC-HVDC***参数、变压器的参数和比例积分PI参数保持一致；

步骤2中：对***设置不同的时刻

根据工程需要设置不同的时刻，包括直流故障时刻t_F，MMC闭锁时刻t_B以及直流故障发生后人为设置换流器不采取任何保护措施，即人为强制设置换流器不闭锁条件下交流断路器动作的时刻t_T，取决于测量***的延时以及保护装置的反应时间，一般t_T＝t_F+60ms；

步骤3中：求取第一电流曲线F(t)

直流故障发生后人为设置换流器不采取任何保护措施，即人为强制设置换流器不闭锁，仿真得到注入故障点的第一电流曲线F(t)，即直流故障发生后人为设置换流器不采取任何保护措施，即人为强制设置换流器不闭锁的条件下，MMC-HVDC***直流故障下故障点注入的故障电流I_short的曲线；

步骤4中:求取第二电流曲线G(t)

直流故障发生后，换流器闭锁，仿真得到注入故障点的第二电流曲线G(t)，即MMC-HVDC在直流故障下换流器闭锁的条件下，故障点注入的故障电流I_short的曲线，其中MMC在t_B时刻闭锁；

步骤5中：计算第一积分面积S₁

计算从时刻t_F到时刻t_T对第一电流曲线F(t)进行积分，计算得到第一面积S₁；

步骤6中：计算第二积分面积S₂

计算从时刻t_F到时刻t_T对第二电流曲线G(t)进行积分，计算得到第二面积S₂；

步骤7中：计算换流器直流故障穿越能力

求第一积分面积S₁与第二积分面积S₂的比值，本发明中记作DFRTI，即按如下定义式进行计算

$\mathrm{DFRTI}=\frac{S_1}{S_1}=\frac{{\∫}_{t_F}^{t_T}F\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_{t_F}^{t_T}G\left(t\right)\mathrm{dt}}$

其中，DFRTI即可表示MMC的直流故障穿越能力，t_T表示交流断路器动作的时刻，t_F表示直流故障时刻，并且本方法也适用于其它类型的多电平换流器。

本发明的有益效果是，提出了一种衡量不同多电平换流器的直流故障穿越能力的计算方法，它是一种行之有效的直流故障穿越能力计算方法，该方法能够精确计算模块化多电平换流器MMC中直流短路抑制能力，它能够评价任何基于带有变化参数的MMC-HVDC***中不同模块化多电平换流器MMC直流故障穿越能力的优劣。

附图说明

图1是本发明提供的模块化多电平换流器MMC拓扑结构图；

图2是本发明提供的半桥子模块HBSM拓扑结构图；

图3是本发明提供的全桥子模块FBSM子模块拓扑结构图；

图4是本发明提供的双嵌位子模块CDSM子模块拓扑结构图；

图5是本发明提供的两端MMC-HVDC直流双极故障电流I_short示意图；

图6是本发明提供的一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的模块化多电平换流器MMC拓扑结构图。图1中，A,B,C,表示MMC换流器交流侧三相；SM1，SM2，…，SMn,表示MMC某桥臂中第1,2，…，n个子模块；L表示桥臂电抗器；U_dc表示MMC正负极直流母线间的电压差。

图2是本发明提供的半桥子模块HBSM拓扑结构图。图2中，T₁和T₂分别表示半桥子模块HBSM上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT，D₁和D₂分别表示相应绝缘栅双极型晶体管IGBT的反并联二极管；C₀表示半桥子模块中电容器；U_C表示子模块电容电压；U_SM表示子模块端口输出电压。

图3是本发明提供的全桥子模块FBSM子模块拓扑结构图。图3中，T₁，T₂，T₃，T₄分别表示FBSM中四个IGBT，D₁，D₂，D₃，D₄分别表示相应绝缘栅双极型晶体管IGBT的反并联二极管；C₀表示全桥子模块中电容器；U_C表示子模块电容电压；U_SM表示子模块端口输出电压。

图4是本发明提供的双嵌位子模块CDSM子模块拓扑结构图。图4中，T₁，T₂，T₃，T₄，T₅分别表示双嵌位子模块CDSM子模块中五个绝缘栅双极型晶体管IGBT，D1，D2，D3，D4，D5分别表示相应绝缘栅双极型晶体管IGBT的反并联二极管；2个独立二极管D6和D7，C₀表示全桥子模块中电容器；Uc表示子模块电容电压；U_SM表示子模块端口输出电压。

图5是本发明提供的两端MMC-HVDC直流双极故障电流I_short示意图。图5中，MMC1和MMC2为两端MMC-HVDC***中的两端多电平换流器，I_short为直流双极故障点流入的电流，此处是以MMC-HVDC双端为例进行描述的，但本质上是对单个MMC而言的，单端或多端***也是同样适用的，故本发明的计算方法所要刻画的对象是MMC本身的直流故障穿越能力。

图6是本发明提供的一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法的示意图。图6中，I_short为直流双极故障点流入的电流（单端，双端或多端MMC-HVDC中）；S₁是从时刻t_F到时刻t_T曲线F(t)下的面积；S₂是从时刻t_F到时刻t_T曲线G(t)下的面积；F(t)为直流故障发生后人为设置换流器不采取任何保护措施（即人为强制设置换流器不闭锁）的条件下，MMC-HVDC***直流故障下故障点注入的故障电流I_short的曲线；G(t)为MMC-HVDC在直流故障下，换流器闭锁的条件下故障点注入的故障故障电流I_short的曲线；t_F为直流故障发生的时刻；t_B为MMC闭锁时刻；t_M为F(t)达到其最大值的时刻；t_T为直流故障发生后人为设置换流器不采取任何保护措施（即人为强制设置换流器不闭锁）条件下交流断路器动作的时刻；I_M为F(t)的最大值；I_B为在t_B时刻G(t)的值。

实施例

步骤1：MMC-HVDC***建模

在PSCAD/EMTDC中建立实际工程的MMC***模型，若仅比较不同子模块的MMC，使其MMC-HVDC***其它参数保持一致，例如控制***及PI参数；

步骤2：设置不同时刻

根据工程需要设置不同的时刻，包括直流故障时刻t_F，MMC闭锁时刻t_B以及直流故障发生后人为设置换流器不采取任何保护措施，即人为强制设置换流器不闭锁条件下交流断路器动作的时刻t_T，取决于测量***的延时以及保护装置的反应时间，一般t_T=t_F+60ms；

步骤3：求取第一电流曲线F(t)

直流故障发生后人为设置换流器不采取任何保护措施，即人为强制设置换流器不闭锁，仿真得到注入故障点的第一电流曲线F(t)，即直流故障发生后人为设置换流器不采取任何保护措施，即人为强制设置换流器不闭锁的条件下，MMC-HVDC***直流故障下故障点注入的故障电流I_short的曲线；

步骤4:求取第二电流曲线G(t)

直流故障发生后，换流器闭锁，仿真得到注入故障点的第二电流曲线G(t)，即MMC-HVDC在直流故障下换流器闭锁的条件下，故障点注入的故障电流I_short的曲线，其中MMC在t_B时刻闭锁；

步骤5：计算第一面积S₁

计算从时刻t_F到时刻t_T对第一电流曲线F(t)进行积分，计算得到第一面积S₁；

步骤6：计算S₂

计算从时刻t_F到时刻t_T对第二电流曲线G(t)进行积分，计算得到第二面积S₂；

步骤7：计算换流器直流故障穿越能力

求第一面积S₁与第二面积S₂的比值，本发明中记作DFRTI，即按如下定义式进行计算

$\mathrm{DFRTI}=\frac{S_1}{S_1}=\frac{{\∫}_{t_F}^{t_T}F\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_{t_F}^{t_T}G\left(t\right)\mathrm{dt}}$

其中，DFRTI即可表示MMC的直流故障穿越能力，并且本方法也适用于其它类型的多电平换流器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：建立实际工程的MMC-HVDC的***模型；

步骤2：对***设置不同的时刻；

步骤3：直流故障发生后，设置换流器不闭锁的条件下，仿真得到注入故障点的第一电流曲线F(t)；

步骤4:直流故障发生后，换流器闭锁，仿真得到注入故障点的第二电流曲线G(t)；

步骤5：计算第一积分面积S₁；

步骤6：计算第二积分面积S₂；

步骤7：计算第一面积S₁与第二面积S₂的比值表示换流器直流故障穿越能力。

2.根据权利要求1所述的一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法，其特征在于，所述建立实际工程的MMC-HVDC的***模型过程为：在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中建立实际工程的MMC***模型，并使MMC-HVDC***参数、变压器的参数和比例积分PI参数保持一致。

3.根据权利要求1所述的一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法，其特征在于，所述时刻包括直流故障时刻t_F、MMC闭锁时刻t_B和交流断路器动作的时刻t_T；t_T＝t_F+60ms。

4.根据权利要求3所述的一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法，其特征在于，所述步骤5中，计算第一积分面积S₁的方法是计算从时刻t_F到时刻t_T对第一电流曲线F(t)进行积分。

5.根据权利要求3所述的一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法，其特征在于，所述步骤6中，计算第二积分面积S₂的方法是计算从时刻t_F到时刻t_T对第二电流曲线G(t)进行积分。

6.根据权利要求1所述的一种衡量多电平换流器直流故障穿越能力的计算方法，其特征在于，步骤7：计算换流器直流故障穿越能力的计算方法是：求第一面积S₁与第二面积S₂的比值记作DFRTI，即按如下定义式进行计算：

$\mathrm{DFRTI}=\frac{S_1}{S_1}=\frac{{\∫}_{t_F}^{t_T}F\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_{t_F}^{t_T}G\left(t\right)\mathrm{dt}}$

其中，DFRTI即可表示MMC的直流故障穿越能力，t_T表示交流断路器动作的时刻，t_F表示直流故障时刻。

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