CN114024294A - 适用于半桥型mmc的虚拟-实体综合限流***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力***及自动化技术，具体涉及适用于半桥型MMC的虚拟‑实体综合限流***及方法，该***包括实体限流器、半桥型MMC、断路器及虚拟电阻限流控制器和虚拟电感限流控制器；该方法的直流侧虚拟电感限流控制通过直流电流变化率，对MMC投入的子模块进行修正；交流侧虚拟电阻控制根据交流侧电流，对内环控制器的参考电压值进行修正；通过时序配合协调方法，虚拟电感/电阻、实体电阻限流器、断路器依次投入，共同完成故障隔离；采用虚拟电感/电阻和实体限流器电阻的容量配合协调；采用纵联保护，基于两端电流相关性引入皮尔逊相关系数，并构造动作判据r(x,y)＜Δ。)该方法能有效抑制直流故障电流，降低了安装成本，加速了故障隔离过程。

Description

适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***及方法

技术领域

本发明属于电力***及自动化技术领域，特别涉及适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***及方法。

背景技术

柔性直流输电技术以全控型电力电子开关为核心换流器件，现阶段投运的柔直工程均采用半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的换流设备，其功率变换器件模块化程度高、开关损耗低。直流故障产生的故障电流严重危害柔直***的安全稳定运行，造成巨大经济损失，通常采用直流断路器对故障进行有效隔离。为保证断路器的有效动作，研究可靠的故障限流技术将短路电流限制在断路器的开断能力内显得尤为重要。

柔直***的故障限流技术在电力***领域受到学术与工程界的广泛重视，开展了大量相关研究。其中实体限流技术以物理限流硬件为实施对象，能够快速有效地降低短路电流，加速故障隔离，限流能力强。虚拟限流技术能够挖掘柔直输电控制器潜能，通过改进控制策略，实现抑制直流放电电流和降低桥臂电流，经济性好。

基于半桥型MMC的柔性直流***是一个“低惯量”、“低阻尼”***，故障产生的短路电流幅值大、陡度高，实体限流器限流效果优异但所需容量大，投资成本高；虚拟限流器受制于过载功率，调制比等约束限流效果有限。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提出一种适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***及方法，以提高限流器的故障限流效果与经济性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***，包括实体限流器、半桥型MMC和断路器及控制***；半桥型MMC直流侧经换流平波电抗器L_sm与直流线缆相连，交流侧经网侧电阻R_s、电感L_s和交流***相连接；两个电阻型限流器FCL分别安装在半桥型MMC的直流双极出口处；两个混合式直流断路器DCCB装设在电阻型限流器FCL的下游处，通过限流器和直流断路器之间的协调配合，共同完成故障隔离操作；控制***包含外环控制器、内环电流控制器、虚拟电阻限流控制器、调制波计算模块、环流抑制控制器、最近电平逼近调制模块、虚拟电感限流控制器和均压控制与底层调制模块。

在上述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***中，半桥型MMC的MMC换流器由3个相单元组成，每个相单元包含上、下两个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电感L₀和N个子模块SM串联构成。

一种适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

步骤1、直流侧虚拟电感限流控制通过直流电流变化率，对半桥型MMC投入的子模块进行修正；

步骤2、交流侧虚拟电阻限流控制根据交流侧电流，对内环电流控制器的参考电压值进行修正；

步骤3、通过时序配合协调虚拟电感限流控制器、虚拟电阻限流控制器、实体电阻型限流器、混合型直流断路器依次投入，完成故障隔离；

步骤4、匹配虚拟电感电流控制器、虚拟电阻限流控制器的容量和实体电阻型限流器的电阻；

步骤5、采用纵联保护，基于两端电流相关性引入皮尔逊相关系数r(x,y)，构造动作判据r(x,y)＜Δ。

在上述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法中，步骤1所述直流侧虚拟电感限流控制，根据直流电流变化率，对来自最近电平逼近调制NLM所计算的投入子模块数目进行修正，得到新的投入子模块数目从而实现直流侧虚拟电感限流控制；具体步骤如下：

直流母线电流i_dc经过微分环节得到直流电流变化率di_dc/dt，再乘以限流系数k_FCL，再依次经过低通滤波器、滞环比较器和加法器得到子模块投入比例系数k_M；当比例系数不超过1，且不低于其允许最小值k_min，引入限幅器；稳态运行状态下，滞环比较器输入值为零，k_M＝1，虚拟电感未投入***；发生直流短路故障后，滞环比较器的输入值超过其上门限，使得k_M<1，减小投入***的子模块数目；故障后虚拟电感自动投入，从而延缓子模块电容放电过程，抑制直流侧故障电流。

在上述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法中，步骤2所述交流侧虚拟电阻限流控制，根据交流电流，对来自内环电流控制器所计算的参考电压值进行修正，得到新的参考电压，输出至调制波计算模块中，实现交流侧虚拟电阻限流控制；具体步骤如下：

交流电流i_d,q经过低通滤波器和滞环比较器，乘以虚拟电阻R_v，计算得到参考电压增量Δv’_{d,q_ref}，然后经过加法器对原参考电压v_{d,q_ref}进行修正，得到新的参考电压v’_{d,q_ref}，输出至后续的调制模块，生成驱动信号；合理设置滞环比较器的上门限保证正常运行状态下虚拟电阻不投入，故障发生后快速投入，从而抑制交流侧故障电流。

在上述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法中，步骤3所述时序配合协调虚拟电感限流控制器、虚拟电阻限流控制器、实体电阻型限流器、混合型直流断路器依次投入，完成故障隔离具体步骤如下：

正常工况下，半桥型MMC换流器采用常规的定功率/定直流电压控制，依次通过外环控制器、内环电流控制器和调制波计算模块，生成各个IGBT的驱动信号；

t＝t₀时刻发生直流故障，虚拟电阻限流控制器和虚拟电感限流控制器经过一定延时后率先切换投入运行；

t＝t₁时刻，电阻型直流限流器因失超投入运行；

t＝t₂时刻，直流电网线路保护向混合式直流断路器发出跳闸信号，故障检测时间为2～3ms；

t＝t₃时刻，混合式直流断路器的超快速开关拉开至额定开距，随后故障电流转移至避雷器，直至电流过零。

在上述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法中，步骤4所述匹配虚拟电感电流控制、虚拟电阻限流控制的容量和实体电阻型限流器的电阻，参数选择如下：

a.虚拟电感限流控制的参数选择：保证换流器冲击功率小于其两倍额定功率；

b.虚拟电阻限流控制的参数选择：限制换流器调制比在1以内；

c.实体电阻限流器的参数选择：满足直流侧故障电流峰值小于断路器最大开断电流。

在上述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法中，步骤5所述采用纵联保护，具体实现包括：

在区内故障发生前，皮尔逊相关系数r(x,y)等于1；故障发生后，皮尔逊相关系数r(x,y)不断下降，并且在极短时间内降至-1，由此判断区内、区外故障，进而构造保护动作的判据r(x,y)＜Δ，Δ为设定阈值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：1)发挥换流器自身限流潜能，有效抑制直流故障电流；2)降低实体限流器的安装成本，节省投资；3)加速故障隔离过程；4)降低桥臂平均电流峰值、桥臂产热系数，缓解换流器电气应力与热应力。5)减小直流断路器耗散能量，降低避雷器选型要求。

附图说明

图1为本发明实施例中实体限流器、断路器在半桥型MMC的柔性直流***换流站的装设位置示意图；

图2为本发明实施例中半桥型MMC的基本控制方法示意图；

图3为本发明实施例中直流侧虚拟电感限流控制框图；

图4为本发明实施例中交流侧虚拟电阻限流控制框图；

图5为本发明实施例中虚拟-实体综合限流法的时序配合协调策略；

图6(a)为本发明实施例中阶段1直流侧故障简化等效回路；

图6(b)为本发明实施例中阶段1虚拟电感作用下的直流侧故障等效回路；

图6(c)为本发明实施例中阶段1虚拟电阻作用下的交流侧故障等效回路；

图6(d)为本发明实施例中阶段2实体限流器串入的直流侧故障等效回路；

图6(e)为本发明实施例中阶段3直流侧断路器动作等效回路；

图7为本发明实施例中虚拟-实体综合限流方法综合性能评价体系；

图8为本发明实施例中两端柔性直流输电***电磁暂态仿真模型示意图；

图9(a)为本发明实施例中MMC1侧实体限流器限流电阻R_FCL对直流电流峰值I_peak的影响；

图9(b)为本发明实施例中MMC2侧实体限流器限流电阻R_FCL对直流电流峰值I_peak的影响；

图10(a)为本发明实施例中MMC1侧直流电流i_dc-t时域曲线；

图10(b)为本发明实施例中MMC2侧直流电流i_dc-t时域曲线；

图11(a)为本发明实施例中MMC1侧桥臂平均电流i_arm-ave-t时域曲线；

图11(b)为本发明实施例中MMC2侧桥臂平均电流i_arm-ave-t时域曲线；

图12(a)为本发明实施例中MMC1侧桥臂电流产热系数G_h-t时域曲线；

图12(b)为本发明实施例中MMC2侧桥臂电流产热系数G_h-t时域曲线；

图13(a)为本发明实施例中MMC1侧直流断路器耗散能量E_DCCB-t时域曲线；

图13(b)为本发明实施例中MMC2侧直流断路器耗散能量E_DCCB-t时域曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例引入虚拟-实体综合限流方法，兼顾了实体限流的限流能力和虚拟限流的成本优势，在达到与仅采用实体限流措施的实体限流法相近的限流效果的同时，降低了实体限流装置的成本。

本实施例提供一种针对柔性直流***的半桥型MMC限流***及控制方法，融合了实体限流器与虚拟限流器，具有低成本与高可靠性的优势，以期提高限流器的故障限流效果与经济性。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，适用于半桥型MMC(Modular MultilevelConverter)的虚拟-实体综合限流***，限流器在柔直***中的安装位置及如下：单MMC换流站由3个相单元组成，每个相单元包含上、下两个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电感L₀和N个子模块(Sub Module，SM)串联构成。MMC直流侧经换流平波电抗器L_sm和直流线缆相连，交流侧与换流变压器和交流***相连接；两个实体电阻型限流器(Fault Current Limiter,FCL)，安装在MMC的直流双极出口处；两个混合式直流断路器(Direct Current CircuitBreaker,DCCB)，装设在电阻限流器的下游处，通过限流器和直流断路器之间的协调配合，共同完成故障隔离操作。

半桥型MMC基本控制***包括：外环控制器、内环电流控制器、调制波计算模块、环流抑制控制器、最近电平逼近调制模块(Nearest Level Modulation,NLM)和均压控制与底层调制模块。

适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***控制方法，包括以下步骤：

1)直流侧虚拟电感限流控制通过直流电流变化率，对MMC投入的子模块进行修正；

2)交流侧虚拟电阻控制根据交流侧电流，对内环控制器的参考电压值进行修正；

3)通过时序配合协调方法，虚拟电感限流控制器、虚拟电阻限流控制器、实体电阻型限流器、混合型直流断路器依次投入，共同完成故障隔离；

4)设计了虚拟电感限流控制器、虚拟电阻限流控制器和实体电阻型限流器电阻的容量配合协调方法；

5)保护策略采用纵联保护，基于两端电流相关性引入皮尔逊相关系数，并构造动作判据r(x,y)＜Δ；

6)在电气应力、热应力、时间3个维度上构建限流方法的综合性能评价体系。

并且，根据直流电流变化率，对来自最近电平逼近调制模块(Nearest LevelModulation,NLM)所计算的投入子模块数目进行修正，得到新的投入子模块数目，实现直流侧虚拟电感限流控制。该策略的控制效果可等效为在MMC直流出口处安装电感型限流器，能够有效抑制直流侧故障电流。

并且，根据交流电流，对来自内环电流控制器所计算的参考电压值进行修正，得到新的参考电压，输出至调制波计算模块中，实现交流侧虚拟电阻限流。该策略的控制效果可等效为在MMC交流出口处安装电阻型限流器，能够有效限制交流侧故障电流。

并且，虚拟限流器采用虚拟电阻限流控制器和虚拟电感限流控制器，实体限流器采用电阻型直流限流器，通过虚拟-实体限流和混合型断路器的时序配合协调方法，为直流断路器的动作争取足够的反应时间，共同完成故障隔离操作。

并且，针对虚拟限流措施、实体限流措施的容量配合协调方法，设计不同的关键限流参数选取原则，分别为：

(1)在虚拟电感限流控制的参数选择过程中，保证换流器冲击功率小于其两倍额定功率；

(2)在虚拟电阻限流控制的参数选择过程中，限制换流器调制比在1以内；

(3)在实体电阻型限流器的参数选择过程中，满足直流侧故障电流峰值小于断路器最大开断电流。

并且，采用基于两端电流相关性的纵联保护为故障保护策略的主保护，引入皮尔逊相关系数r(x,y)。在区内故障发生前，皮尔逊相关系数r(x,y)等于1；故障发生后，皮尔逊相关系数r(x,y)不断下降，并且在极短时间内降至-1，由此判断区内、区外故障，进而构造保护动作的判据r(x,y)＜Δ，Δ为设定阈值。

并且，从电气应力、热应力和时间3个维度出发，采用直流电流峰值、桥臂平均电流峰值、桥臂电流产热系数、直流断路器耗散能量、故障隔离时间5个指标，构成柔性直流***的限流措施综合性能评价体系。

具体实施时，如图1所示，为本实施例应用中实体限流器、断路器在半桥型MMC的柔性直流***换流站的装设位置示意图。图中半桥型MMC直流侧经换流平波电抗器L_sm和直流线缆相连，交流侧经网侧电阻R_s、电感L_s和交流***相连接；两个实体电阻型限流器(FCL)，安装在半桥型MMC的直流双极出口处；两个混合式直流断路器(DCCB)，装设在电阻限流器的下游处，通过限流器和直流断路器之间的协调配合，共同完成故障隔离操作。

图2为本实施例半桥型MMC的基本控制方法示意图，不包括虚拟电感/电阻控制。图中，外环控制器分为有功类控制和无功类控制两类，换流器在上述两类控制中任意选择一种，分别用以生成交流电流参考值i_{d_ref}、i_{q_ref}。有功类控制中受控电气量包括有功功率Q、直流电压V_dc；无功类控制中受控电气量包括无功功率Q、交流电压V_s。内环电流控制器根据i_{d_ref}、i_{q_ref}经过PI等环节生成半桥型MMC机侧交流分量参考值v_{d_ref}、v_{q_ref}。机侧交流分量参考值经过调制波计算模块生成上下桥臂的电压参考值u_{pi_ref}和u_{ni_ref}，也即调制波。调制波计算模块与环流抑制控制器生成的电压修正值相减后送入最近电平逼近调制模块，得到上、下桥臂在某一时刻需要投入的子模块数量，进而通过底层的子模块均压控制与调制得到IGBT的驱动信号。

如图1、图2所示，适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***控制方法，直流侧虚拟电感限流控制所处环节如图2中所示，图3为直流侧虚拟电感限流控制框图。图中直流母线电流i_dc经过微分环节得到直流电流变化率di_dc/dt，再乘以限流系数k_FCL，再依次经过低通滤波器、滞环比较器和加法器得到子模块投入比例系数k_M。为了保证比例系数不超过1，且不低于其允许最小值k_min，引入限幅器。在稳态运行状态下，直流电流在额定值附近稳定运行，其纹波较小，滞环比较器输入值为零，k_M＝1，虚拟电感未投入***；发生直流短路故障后，直流故障电流以大斜率快速上升，因而滞环比较器的输入值超过其上门限，从而使得k_M<1，减小投入***的子模块数目。虚拟电感的故障后能自动投入，进而延缓了子模块电容放电过程，抑制直流侧故障电流。

交流侧虚拟电阻限流控制所处环节如图2中所示，图4为交流侧虚拟电感限流控制框图。图中，交流电流i_d,q经过低通滤波器和滞环比较器，乘以虚拟电阻R_v，计算得到参考电压增量Δv’_{d,q_ref}，然后经过加法器对原参考电压v_{d,q_ref}进行修正，得到新的参考电压v’_{d,q_ref}，输出至后续的调制模块，生成驱动信号。合理设置滞环比较器的上门限即可保证正常运行状态下虚拟电阻不投入，故障发生后可靠、快速投入，抑制交流侧故障电流。

图5为本实施例中虚拟-实体综合限流法的时序配合协调策略。本实施例的虚拟限流部分采用直流侧虚拟电感限流和交流侧虚拟电阻限流控制，分别抑制直流故障电流和交流故障电流，实体限流部分采用电阻型直流限流器。正常工况下，半桥型MMC换流器采用常规的定功率/定直流电压控制，依次通过外环控制器、内环电流控制器和调制模块，生成各个IGBT的驱动信号。假设在t＝t₀时刻发生直流故障，虚拟电阻限流控制器和虚拟电感限流控制器经过一定延时后率先切换投入运行。t＝t₁时刻，电阻型限流器因失超投入运行。t＝t₂时刻，直流电网线路保护向混合式直流断路器发出跳闸信号(故障检测时间一般为2～3ms)。t＝t₃时刻，混合式直流断路器的超快速开关拉开至额定开距，随后故障电流转移至避雷器，直至电流过零。

以下就虚拟-实体限流器对故障电流的限流效果进行理论分析。

图6为本实施例中半桥型MMC直流侧故障的等效模型。半桥型MMC的直流故障过程可划分为直流电容放电、续流二极管自然换向导通和二极管同时导通三个阶段，故障初期以直流电容放电电流为主。若混合式直流断路器能在故障发生的15ms内及时动作并顺利完成开断，便可采用电容放电简化模型进行分析，忽略杂散电感、电阻及换流过程，可将故障隔离过程分为3个阶段，并作出如下假设：

1)交流电网的网侧电压和电流均为纯正弦波并且严格三相对称；

2)在发生直流故障前，半桥型MMC换流器已运行于正常工况，此时直流电流保持在其额定值I_dc，直流电压为V_dc；

3)各个桥臂的桥臂电感、桥臂电阻均相等，分别为L₀和R₀，网侧电流i_si在各相上、下桥臂中平均分配；

4)主电路开关器件均被视为理想开关元件，无压降也无损耗。

5)虚拟电感和虚拟电阻在故障发生瞬间投入。

A.阶段1(t₀<t≤t₁)

根据假设，首先对虚拟电感控制的作用效果进行分析。图6(a)为直流侧电容放电简化等效电路，v_ph为单相子模块电容电压之和，故障初期可等效为恒压源。虚拟电感使得投入状态的子模块减少，单相电容电压和降为v_ph'，系数k_M＝v_ph'/v_ph＝v_ph'/V_dc。由直流侧虚拟电感限流的基本原理，有：

代入图6(a)的电路方程得：

回路等效电感从L_eq1增大至L_eq1+k_FCLV_dc，可见虚拟电感控制与引入实体电感型限流器效果一致。

图6(b)为虚拟电感作用下的直流侧故障等效回路，C_eq1＝3C₀/N，等效电感在虚拟电感控制下增至L’_eq1＝L_eq1+k_FCLV_dc，求解回路方程可得直流侧故障电流为：

式中，衰减常数τ₁和角频率分别为ω：

V_cm为机侧电压幅值，直流侧虚拟电感限流使得机侧电压幅值修正为k_MV_cm。与上述分析同理，交流侧虚拟电阻限流使得机侧参考电压增大Δv’_{d,q_ref}，可等效为在交流侧回路中引入实体电阻型限流器R_v。

图6(c)为虚拟电阻作用下的交流侧故障等效回路，桥臂电感L₀、桥臂电阻R₀折算至交流网侧时，均减小为原来的一半，R_eq2＝R_s+R₀/2，L_eq2＝L_s+L₀/2。求解回路方程可得交流侧故障电流为：

其中，

观察上式可以发现，交流等效电阻从R_eq2增加到R_eq2+R_v，交流故障电流得到有效抑制。根据假设3)可知，上、下桥臂故障电流i_pi、i_ni由交流分量和直流分量构成，可表示为：

B.阶段2(t₁<t≤t₃)

t＝t₁时刻，直流侧故障电流为：

电阻型限流器因失超投入运行，电阻型限流器串入故障回路如图6(d)所示。为保证限流效果，设置R_FCL>2[(L’_eq1)/C_eq1]^1/2–R_eq1，从而电容放电从振荡过程转变为非振荡放电过程。该放电过程解得2个特征根分别为：

式中，ω_R＝1/(L’_eq1C_eq1)，δ_R＝(R_FCL+R_eq1)/L’_eq1/2。

求解回路方程可得，直流电流i_dc、直流电压v_ph分别为：

在t＝t₃时，直流电流达到其峰值I_peak：

C.阶段3(t₃<t≤t₄)

在实际工程应用中，避雷器额定电压U_MOA设计遵循如下原则：

U_MOA＝1.2～2V_dc (8)

式中，V_dc为直流额定电压。

避雷器将直流断路器的端电压钳制在U_MOA，根据图6(e)所示直流侧断路器动作等效回路，可推导出直流电流i_dc表达式为：

式中，V_peak为峰值电流对应的直流电压。

忽略电阻，避雷器耗散能量E_MOA表示为：

式中，(di_dc/dt)_avg为故障电流平均下降速率。

进而，直流***的故障隔离时间表示为：

本实施例中虚拟-实体综合限流法的容量配合协调策略，需根据各限流措施的特点进行参数选择。

在虚拟电感的容量选择上，随着直流侧虚拟电感限流控制中限流系数的增大，在无虚拟电阻投入的情况下，将进一步降低机侧电压，出现交流过电流现象，对交流***造成巨大冲击。以功率来衡量交流***受到的冲击，虚拟电感容量选择原则为：冲击功率小于其交流***两倍额定功率。视在功率的最大值出现在直流断路器开断时刻，因此必须把功率的暂态分量考虑进来。以相量的方法分析视在功率，设源侧电压相量为

机侧电压相量为

则源侧电流相量可表示为：

有功功率和无功功率可计算为：

其中，

式中，I_sm0和θ_si0为正常运行时交流电流的幅值和相位。

在限流系数k_FCL取值选择上，需满足下式：

在虚拟电阻的容量选择上，交流侧虚拟电阻限流控制的作用相当于抬高了桥臂参考电压交流分量，抬高机端电压。容量选择原则为：保证MMC换流器不触发过调制控制，需保证调制比在1以内，即：

在实体电阻型限流器的电阻容量选择上，主要关注直流断路器动作前，直流故障电流的发展过程，容量选择原则为：直流故障峰值电流小于直流断路器的最大开断电流，如式(16)所示：

本发明的故障保护策略设计均基于柔性直流***区内外故障特性的差异性。考虑线路两侧直流故障电流的相关性特征，对两侧电流i₁(j)和i₂(j)进行重新构造，得到新的电流序列x(j)和y(j)：

式中，j表示第j个采样时刻，|·|表示求绝对值，i₁和i₂分别表示送端和受端两侧直流故障电流。当发生区内故障时，由于线路两侧直流故障电流方向相同，因此电流序列x(j)和y(j)的波形相同，两者相关度很高；当发生区外故障时，由于线路两侧直流故障电流方向相反，因此电流序列x(j)和y(j)的波形相反，两者相关度将大幅降低。

引入皮尔逊相关系数：

式中，N_w为数据窗内采样点数。

如果上述相关系数r(x,y)等于1，代表电流序列x(j)和y(j)完全正相关；如果皮尔逊关系数等于-1，代表电流序列x(j)和y(j)完全负相关。将皮尔逊相关系数r(x,y)与阈值Δ相比，可判断电流序列的相关性，进而判断区内、区外故障。由此可以提出本发明实例应用中一种基于两端电流相关性的纵联保护，该保护的动作判据为：

r(x,y)＜Δ (19)

在区内故障发生前，皮尔逊相关系数r(x,y)等于1，而故障发生后，皮尔逊相关系数r(x,y)不断下降，并且在极短时间内降至-1。不考虑测量、采样、数据传输所需时间，皮尔逊相关系数r(x,y)从1下降到-1所用的时间即为故障检测时间。

图7为本实施例中虚拟-实体综合限流措施综合性能评价体系。电气应力指标包括直流电流峰值、桥臂平均电流峰值；热应力指标包括桥臂电流产热系数和直流断路器耗散能量；时间指标包括故障隔离时间。

各个指标的具体计算方法描述如下：

①直流电流峰值

直流电流峰值与直流断路器开断容量相关。直流电流的峰值越小，直流断路器开断容量越低，构成直流断路器的电力电子开关数目也越小，直流断路器投资成本也越低。直流电流峰值计算如下：

I_peak＝i_dc(t₃) (20)

②桥臂电流平均峰值

流过每个桥臂的电流由交流分量和直流分量两部分构成。其中，交流分量为交流侧故障电流的一半，而直流分量为直流侧故障电流的三分之一。桥臂电流呈现周期性变化的规律，如果能找出周期变化的峰值，就能求出6个桥臂电流峰值包络线。这种直观的过电流指标定义为桥臂平均电流，在一定程度上体现6个桥臂瞬时电流的电气特征，因而桥臂电流峰值指标可从6个缩减至1个，其表达式如下：

式中，i_sd和i_sq分别为网侧电流的d轴和q轴分量。

桥臂电流平均峰值表示为：

i_arm-ave-peak＝max(i_arm-ave) (22)

③桥臂电流产热系数

IGBT不可逆损坏根本原因为热量聚集，引起IGBT热量聚集的阶段主要集中于故障发展初期。为了量化IGBT热累积效应，引入桥臂电流产热系数。t＝t₀到t＝t_h内，桥臂电流产热系数计算如下：

式中，t_h为桥臂平均电流过零时刻。

④直流断路器耗散能量

直流断路器上的耗散能量影响到其避雷器的选型和设计，直流断路器耗散能量越大，对避雷器的要求越高。直流断路器耗散能量取决于故障隔离时间和直流断路器避雷器电流，计算如下：

式中，u_DCCB为直流断路器端电压。

⑤故障隔离时间

故障隔离时间指的是从故障发生到直流电流过零所需时间，即t＝t₀到t＝t₄这段时间，表示如下：

t_isolation＝t₄-t₀ (25)

本实施例适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流方法，具备以下预期效果：1)发挥换流器自身限流潜能，有效抑制直流故障电流；2)降低实体限流器的安装成本，节省投资；3)加速故障隔离过程；4)降低桥臂平均电流峰值、断路器耗散能量、桥臂产热系数，缓解换流器电气应力与热应力。

为验证本实施例涉控制方法的有效性，搭建了如图8所示的两端柔性直流输电***电磁暂态仿真模型，其仿真参数见表1。考虑最为极端的直流双极短路故障，设置t＝1.0s在电缆末端设置金属性接地故障。为对各指标动态特性进行比较，设置如下三种限流方案：方案1不采取任何限流措施；方案2采取实体限流法；方案3采取虚拟-实体综合限流法。表2说明了实施例具体实施中限流器控制参数与容量，由容量协调配合原则为依据计算得到。表3说明了各方案的限流评价指标仿真结果。

附表1实施例中的***仿真参数

表2实施例中限流器的设计参数

表3实施例各方案的限流评价指标

图9为本实施例中实体限流器限流电阻R_FCL对直流电流峰值I_peak的影响。可见，当限流电阻相等时，综合限流的曲线始终在实体限流曲线下方，也即安装相同容量的电阻型限流器情况下，综合限流法对于直流峰值电流的抑制效果更好；同时，在相同的限流效果下，综合限流相较于实体限流安装的电阻容量更小，在两侧可节约32.96％和61.88％的投资成本。

根据容量配合原则，对实体限流电阻和综合限流参数进行选择，使得直流电流峰值都限制在9.97kA，在此条件下进行仿真对比实验。图10为本发明实例应用中直流电流i_dc-t曲线。图11为本实施例中桥臂平均电流i_arm-ave-t曲线。图12为本实施例中桥臂电流产热系数G_h-t曲线。图13为本实施例中直流断路器耗散能量E_DCCB-t曲线。由图9-13可见，引入本实施例的虚拟-实体综合限流方法，可以1)发挥换流器自身限流潜能，有效抑制直流故障电流；2)降低实体限流器的安装成本，节省投资；3)加速故障隔离过程；4)降低桥臂平均电流峰值、桥臂产热系数，缓解换流器电气应力与热应力。5)减小直流断路器耗散能量，降低避雷器选型要求。综上，在双极短路故障下的仿真结果，验证了本实施一会儿一种适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流方法的有效性。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***，包括实体限流器、半桥型MMC和断路器及控制***；半桥型MMC直流侧经换流平波电抗器L_sm与直流线缆相连，交流侧经网侧电阻R_s、电感L_s和交流***相连接；两个电阻型限流器FCL分别安装在半桥型MMC的直流双极出口处；两个混合式直流断路器DCCB装设在电阻型限流器FCL的下游处，通过限流器和直流断路器之间的协调配合，共同完成故障隔离操作；其特征在于：控制***包含外环控制器、内环电流控制器、虚拟电阻限流控制器、调制波计算模块、环流抑制控制器、最近电平逼近调制模块、虚拟电感限流控制器和均压控制与底层调制模块。

2.根据权利要求1所述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***，其特征在于：半桥型MMC的MMC换流器由3个相单元组成，每个相单元包含上、下两个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电感L₀和N个子模块SM串联构成。

3.根据权利要求1-2任意一项所述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法，其特征在于：该控制方法包括以下步骤：

步骤1、直流侧虚拟电感限流控制通过直流电流变化率，对半桥型MMC投入的子模块进行修正；

步骤2、交流侧虚拟电阻限流控制根据交流侧电流，对内环电流控制器的参考电压值进行修正；

步骤3、通过时序配合协调虚拟电感限流控制器、虚拟电阻限流控制器、实体电阻型限流器、混合型直流断路器依次投入，完成故障隔离；

步骤4、匹配虚拟电感电流控制器、虚拟电阻限流控制器的容量和实体电阻型限流器的电阻；

步骤5、采用纵联保护，基于两端电流相关性引入皮尔逊相关系数r(x,y)，构造动作判据r(x,y)＜Δ。

4.根据权利要求3所述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法，其特征在于：步骤1所述直流侧虚拟电感限流控制，根据直流电流变化率，对来自最近电平逼近调制NLM所计算的投入子模块数目进行修正，得到新的投入子模块数目从而实现直流侧虚拟电感限流控制；具体步骤如下：

直流母线电流i_dc经过微分环节得到直流电流变化率di_dc/dt，再乘以限流系数k_FCL，再依次经过低通滤波器、滞环比较器和加法器得到子模块投入比例系数k_M；当比例系数不超过1，且不低于其允许最小值k_min，引入限幅器；稳态运行状态下，滞环比较器输入值为零，k_M＝1，虚拟电感未投入***；发生直流短路故障后，滞环比较器的输入值超过其上门限，使得k_M<1，减小投入***的子模块数目；故障后虚拟电感自动投入，从而延缓子模块电容放电过程，抑制直流侧故障电流。

5.根据权利要求3所述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法，其特征在于：步骤2所述交流侧虚拟电阻限流控制，根据交流电流，对来自内环电流控制器所计算的参考电压值进行修正，得到新的参考电压，输出至调制波计算模块中，实现交流侧虚拟电阻限流控制；具体步骤如下：

交流电流i_d,q经过低通滤波器和滞环比较器，乘以虚拟电阻R_v，计算得到参考电压增量Δv’_{d,q_ref}，然后经过加法器对原参考电压v_{d,q_ref}进行修正，得到新的参考电压v’_{d,q_ref}，输出至后续的调制模块，生成驱动信号；合理设置滞环比较器的上门限保证正常运行状态下虚拟电阻不投入，故障发生后快速投入，从而抑制交流侧故障电流。

6.根据权利要求3所述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法，其特征在于：步骤3所述时序配合协调虚拟电感限流控制器、虚拟电阻限流控制器、实体电阻型限流器、混合型直流断路器依次投入，完成故障隔离具体步骤如下：

正常工况下，半桥型MMC换流器采用常规的定功率/定直流电压控制，依次通过外环控制器、内环电流控制器和调制波计算模块，生成各个IGBT的驱动信号；

t＝t₀时刻发生直流故障，虚拟电阻限流控制器和虚拟电感限流控制器经过一定延时后率先切换投入运行；

t＝t₁时刻，电阻型直流限流器因失超投入运行；

t＝t₂时刻，直流电网线路保护向混合式直流断路器发出跳闸信号，故障检测时间为2～3ms；

t＝t₃时刻，混合式直流断路器的超快速开关拉开至额定开距，随后故障电流转移至避雷器，直至电流过零。

7.根据权利要求3所述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法，其特征在于：步骤4所述匹配虚拟电感电流控制、虚拟电阻限流控制的容量和实体电阻型限流器的电阻，参数选择如下：

a.虚拟电感限流控制的参数选择：保证换流器冲击功率小于其两倍额定功率；

b.虚拟电阻限流控制的参数选择：限制换流器调制比在1以内；

c.实体电阻限流器的参数选择：满足直流侧故障电流峰值小于断路器最大开断电流。

8.根据权利要求3所述适用于半桥型MMC的虚拟-实体综合限流***的控制方法，其特征在于：步骤5所述采用纵联保护，具体实现包括：

在区内故障发生前，皮尔逊相关系数r(x,y)等于1；故障发生后，皮尔逊相关系数r(x,y)不断下降，并且在极短时间内降至-1，由此判断区内、区外故障，进而构造保护动作的判据r(x,y)＜Δ，Δ为设定阈值。

Images