CN109787205B - 基于附加虚拟电感系数的换流器直流侧故障电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于附加虚拟电感系数的换流器直流侧故障电流抑制方法，属于柔性直流输电技术领域。首先提出了换流器出口短路故障后子模块部分切除对交流***影响的计算方法，综合考虑IGBT器件的通流容量和直流断路器的开断能力，提出一种减少故障后子模块的投入比例的换流器直流侧短路故障故障电流的抑制方法，同时提出一种通过虚拟电感系数映射入控制***中自适应改变故障后又子模块投入比例的故障电流抑制方法，并给出了虚拟电感系数的整定方法。本发明在MMC换流器上应用能够有效的降低故障电流的上升速率，减少直流断路器切断故障器件的过电流应力，与附加限流设备进行故障电流抑制的方法相比具有良好的经济性和实用性。

Description

基于附加虚拟电感系数的换流器直流侧故障电流抑制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及一种MMC换流器的直流故障电流抑制方法，尤指一种基于附加虚拟电感系数的换流器直流侧故障电流抑制方法。

背景技术

2001年，德国学者R.Marquardt和A.Lesnicar提出模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)，推动了高压直流输电(high voltage direct currenttransmission，HVDC)技术的发展。迄今为止，国内已投运的MMC-HVDC工程有：上海南汇示范工程、南澳工程、舟山工程和厦门工程等。这些工程都采用电缆输电，但与架空线相比，电缆造价高，故障多为永久性，不便于检修和维护。所以，将柔性直流输电技术扩展到架空线输电场合是电网未来发展的一个趋势。

相对于电缆而言，架空线发生短路故障的机率较大，因此，故障清除和故障保护问题尤为重要。现有的故障清除方式中，直流断路器能够在很短的时间内切断故障电流，但在实际情况中，故障电流往往很大，而由于技术的限制，直流断路器开断电流的能力又有限。此外，由于采用了大量的电力电子器件，导致直流断路器成本很高。另一种方式是采用带有故障自清除能力的子模块，如全桥型子模块、箝位双子模块等。这类子模块能够通过自身产生一个反向电压，在短时间内阻断故障电流。但与半桥型子模块相比，这类子模块的电力电子器件数量和损耗均有所增加，经济性很大程度上限制了它们在实际工程中的应用。目前为止，针对换流器的直流侧故障，采用的故障电流抑制方法都还是依赖于改变子模块的拓扑结构以及附加外在的限流设备进行故障限流，这些限流措施都存在着通态损耗过高和控制***附加的缺点，尚没有对通过改变换流器故障后的控制措施来进行MMC换流器故障电流限制的做法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于附加虚拟电感系数的换流器直流侧故障电流抑制方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明提出了在换流器故障后根据交流***对电压跌落的承受能力和直流断路器的开断容量综合考虑的子模块最低投入比例的选取方法，并根据IGBT期间的通流容量在保证换流器不闭锁的条件下介绍了故障后子模块投入比例的安全区间的计算方法，此外，引入一个虚拟电感系数，将电感系数映射入控***进行直流侧故障电流抑制，最终形成了一套完成的MMC直流侧故障电流抑制方法，此方法可以应用于柔性直流电网的直流侧故障电流抑制。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于附加虚拟电感系数的换流器直流侧故障电流抑制方法，包括以下步骤：

步骤(1)换流器故障放电回路的等效；

步骤(2)子模块部分切除后交流电流的计算；

步骤(3)故障后子模块投入比例计算；

步骤(4)虚拟电感系数的整定。

步骤(1)所述的换流器故障放电回路的等效，采用MMC换流器直流侧发生极间短路故障后的放电回路等效的方法。

步骤(2)所述的子模块部分切除后交流电流的计算，具体步骤如下：

故障后因切除子模块产生的直流电压跌落ΔU_dc、交流电压跌落ΔU_diff、交流电流分量ΔI_ac分别为：

ΔU_dc＝(1-k_min)U_dc (1)

其中：k_min为设定子模块投入比例的最小值，U_dc为换流阀输出直流电压值，m为调制比，L_eq为交流***等效电感，R_eq为交流***等效电阻，R₀为桥臂电阻，L₀为桥臂电感。

步骤(3)所述的故障后子模块投入比例计算，采用子模块投入比例的计算方法。

步骤(4)所述的虚拟电感系数的整定，依照子模块投入比例的虚拟电感系数整定方法。

本发明的有益效果在于：在MMC换流器上应用能够有效的降低故障电流的上升速率，减少直流断路器切断故障器件的过电流应力，与附加限流设备进行故障电流抑制的方法相比具有良好的经济性和实用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的MMC换流器拓扑结构图；

图2为本发明的稳态运行条件下的***调制原理图；

图3为本发明的子模块放电回路图；

图4为本发明的采取控制措施前子模块放电等效电路图；

图5为本发明的采取控措施后子模块放电回路图；

图6为本发明的改进控制措施后***调制原理图；

图7为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图7所示，本发明的基于附加虚拟电感系数的换流器直流侧故障电流抑制方法，解决柔性直流电网短路电流抑制方法，首先提出了换流器出口短路故障后子模块部分切除对交流***影响的计算方法，综合考虑IGBT器件的通流容量和直流断路器的开断能力，提出一种减少故障后子模块的投入比例的换流器直流侧短路故障故障电流的抑制方法，同时提出一种通过虚拟电感系数映射入控制***中自适应改变故障后又子模块投入比例的故障电流抑制方法，并给出了虚拟电感系数的整定方法。本发明在MMC换流器上应用能够有效的降低故障电流的上升速率，减少直流断路器切断故障器件的过电流应力，与附加限流设备进行故障电流抑制的方法相比具有良好的经济性和实用性。

1、换流器故障放电回路的等效，采用MMC换流器直流侧发生极间短路故障后的放电回路等效的方法。

MMC换流器拓扑结构如图1所示，正常工作状态下，通过功率器件VT1、VT2的开通/关断使得子模块处于投入或切除的工作状态。子模块处于投入状态，电容充电或放电由当前时刻桥臂电流方向决定，当流向子模块的电流的瞬时值大于0时，子模块电容充电，相反则处于放电状态。当子模块处于切除状态，桥臂电流通过VD1、VT2构成回路。三相桥臂一直处于对称状态，每一相上、下桥臂投入的子模块之和相同，用于维持换流器直流电压的稳定，上、下桥臂的子模块投入数量由站控***产生的参考电压决定，通过调制产生期望的交流侧电压，稳态工作下的调制原理如图2所示。

MMC换流器直流侧发生极间短路，子模块电容放电回路示意图如图3所示。故障后投入状态的子模块和处于切除状态的子模块数量相同。子模块处于投入状态时，子模块电容通过VT₁放电，并通过处于切除状态的子模块VD₂构成闭合回路，由于回路阻尼很小，导致直流故障电流迅速增加。

直流侧发生短路，控制策略不改变的情况下，可认为每个桥臂投入的子模块数量仍为N，另外N个子模块处于切除状态。由于均压环节的作用，每个子模块都会参与到故障后的放电过程，假设初始状态下子模块电压为Uc，基于电容器储能不变和承受电压不变的原则有：

式中：C_ph为放电回路的等效电容，C₀为单个子模块电容，U_dc为换流器稳态运行下的直流电压，U₀为单个子模块的额定电压，N为子模块的个数。

直流侧发生双极短路故障且换流器不闭锁，子模块电容通过短路点经桥臂电感构成的回路放电，其等值电路如图4所示。

2、子模块部分切除后交流电流的计算

降低换流器直流侧出口电压能够抑制直流短路电流上升率，但子模块的切除数量受到各方面限制。需要综合考虑交流侧电压跌落的承受能力、直流断路器配置容量要求等因素，设定子模块投入比例的最小值k_min。

定义***的调制比：

其中：U_diffm为交流基波电压幅值，U_dc为换流阀输出直流电压值。

故障后因切除子模块产生的直流电压跌落ΔU_dc、交流电压跌落ΔU_diff、交流电流分量ΔI_ac分别为：

ΔU_dc＝(1-k_min)U_dc (2-2)

其中：k_min为设定子模块投入比例的最小值，U_dc为换流阀输出直流电压值，m为调制比，L_eq为交流***等效电感，R_eq为交流***等效电阻，R₀为桥臂电阻，L₀为桥臂电感。

忽略切除故障前子模块电容放电引起的直流电压降落，设交流侧电流由切除子模块引起的电压降落产生交流电流分量和正常工作分量组成，稳态运行状态下的交流电流幅值I_ac可以表示为：

P、Q分别为稳态工作下***传输的有功和无功功率，U_N为交流***额定运行电压。

则交流侧的交流电流为：

I_{ac_max}＝ΔI_ac+I_ac (2-6)

3、子模块部分切除后桥臂电流的计算

求解图4所示的二阶电路可回路电流如式(3-1)。

式中：1/δ为放电电流衰减时间常数；ω₀为放电回路的固有角频率，即谐振角频率；ω为放电电路电流的角频率；β为初始电流引起的电流初相角。以上四个参数由电路参数决定，

其中，

一般情况下Rst远小于

故ω≈ω₀，可对i(t)进行简化得：

令：

有：

i(t)＝i′(t)+i″(t) (3-4)

其中：i′(t)为子模块电容放电引起的故障电流分量，i″(t)为直流电流初值产生的故障电流分量。

则桥臂电流i_arm可以表示为

其在故障切除时刻的桥臂电流峰值i_{arm_max}可表示为

式中：

为故障切除时刻(如故障发生6ms后)的直流换流器出口直流故障电流大小，

为切除时刻故障桥臂中基频电流大小。

由式(3-1)可见，减小换流器故障后子模块的投入个数可以降低换流器故障后的放电电压从而降低故障电流的上升速率。故障后在换流器投入子模块的个数发生改变的情况下，由式(1-2)可知，等效放电回路中的等效电容值也发生改变。设采取调控措施后投入子模块个数变为正常工作状态下的k(k≤1)倍，其放电等效电路图如图5所示。

由式(3-4)可见，故障电流由子模块电容放电引起故障分量i′(t)和电感上得初始电流分量i″(t)两部分组成，只计及子模块电容放电故障电流分量，且由于在放电回路中串入限流电抗器后放电回路的振荡频率很低，即ω₀很小，因此故障后的几个ms内存在：sin(ω₀t)＝ω₀t，可对i′(t)简化：

对i′(t)进行求导：

由于δ≈0，故障发生后的几个ms内电流上升速率可简化为

采取控制措施之前的故障电流上升速率为

当U₀＝kU_dc时，故障电流的上升速率为

由式(3-11)可以看出，将故障后换流器的出口电压变为正常运行状态下的k倍，子模块电容放电引起的故障电流为传统调控策略的k(k≤1)倍。

桥臂电流则可以表示为：

4、故障后子模块投入比例的计算

设IGBT的额定工作电流为I_N，根据IGBT器件的安全工作区，其最大的可靠闭锁电流为2倍的额定电流值即2I_N，当桥臂电流超过2I_N时，换流器将无法可靠闭锁，电力电子器件将烧毁。

为保证IGBT器件的安全，故障切除期间换流器不闭锁条件下有：

I_{arm_max}≤2I_N (4-1)

联立式(3-6)，则有：

令：

由直流电流初始值和直流故障电流上升率可得：

式中：I_dc0为稳态工作情况下的直流电流值。

联立式(4-3)、(4-4)，可求得为保证故障切除器件为保证换流器不闭锁条件下的子模块投入比例最大值k_max。

此时上、下桥臂投入的子模块数量为

N_up＝round[(0.5+0.5V_ref)*k_max*N] (4-5)

N_down＝round[(0.5-0.5V_ref)*k_max*N] (4-6)

5、虚拟电感系数的整定，依照子模块投入比例的虚拟电感系数整定方法。

在控制***中引入虚拟电感系数L_C，令

控制***的调制环节控制框图如图6所示。

由图6可以看出，控制***中的虚拟电感系数在稳态运行状态下不发挥作用，只有在直流侧发生故障，随着直流电流i_dc快速增加的，调制环节会自动减少故障期间子模块的投入个数从而降低故障发生后换流器出口电压来抑制故障电流。在换流器出口处发生极间短路属于最严重的故障条件，在此故障条件下对故障后子模块投入比例k进行整定。由于故障发生后到断路器切除故障期间时间很短，在此期间可以认为故障电流的上升斜率为常数，即电流变化率为常数，故可通过整定值k对虚拟电感系数L_c进行整定。

令：

则虚拟电感参数为

其中，L为换流器出口处短路时直流放电回路中总的电感值。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于附加虚拟电感系数的换流器直流侧故障电流抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)换流器故障放电回路的等效；

步骤(2)子模块部分切除后交流电流的计算；

步骤(3)故障后子模块投入比例计算；

步骤(4)虚拟电感系数的整定；

步骤(1)所述的换流器故障放电回路的等效，采用MMC换流器直流侧发生极间短路故障后的放电回路等效的方法；

步骤(2)所述的子模块部分切除后交流电流的计算，具体步骤如下：

故障后因切除子模块产生的直流电压跌落ΔU_dc、交流电压跌落ΔU_diff、交流电流分量ΔI_ac分别为：

ΔU_dc＝(1-k_min)U_dc (1)

其中：k_min为设定子模块投入比例的最小值，U_dc为换流阀输出直流电压值，m为调制比，L_eq为交流***等效电感，R_eq为交流***等效电阻，R₀为桥臂电阻，L₀为桥臂电感；

步骤(3)所述的故障后子模块投入比例计算，采用子模块投入比例的计算方法；

步骤(4)所述的虚拟电感系数的整定，依照子模块投入比例的虚拟电感系数整定方法。

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