CN104300569B - 基于混合型mmc的hvdc直流侧短路故障穿越和恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法。能在不闭锁换流器的前提下，通过换流器自身控制完成直流侧短路故障的穿越和恢复，无需机械设备动作，恢复过程不需要重启换流器，因而故障响应与恢复速度快，对输电线路为架空线时经常出现的非永久性短路故障特别有效，在隔离直流侧故障的同时为交直流系统提供无功和有功支撑，并有利于提高所连接的交直流系统的暂态稳定性。

Description

基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法

技术领域

本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，更具体地，涉及一种基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器的高压直流输电(ModularMultilevelConverterBasedHighVoltageDirectCurrent,MMC-HVDC)系统因其在系统损耗，容量升级，电磁兼容，故障管理等方面的优势，已经在柔性直流输电中取得了一席之地。但是，不论是采用海底电缆的海上MMC-HVDC工程，还是采用架空线的陆上MMC-HVDC工程，直流故障都是其设计运行必须考虑的一种严重故障类型，特别是对输电线路为架空线的HVDC工程，直流故障发生的概率比输电线为电缆的HVDC工程高很多。

目前处理直流故障的手段有三种：

1)利用交流侧设备(如交流断路器或交流熔断器)断开与交流系统的连接，此方法多用在由半桥子模块构成的MMC-HVDC系统中。在发生直流故障时，由半桥子模块构成的MMC中全控型器件的反并联续流二极管会使交流系统与直流侧故障点构成一条通路，其效果相当于交流侧系统短路，所以必须断开交流系统的连接。但该方法响应速度较慢，重启动配合动作时序复杂，系统恢复时间较长，同时对交流系统造成很大影响。

2)利用换流器完全闭锁隔绝直流故障，此方法多用在由全桥子模块或者钳位双子模块构成的MMC-HVDC系统中。但该方法重新启动过程缓慢复杂，无法单纯依靠换流器动作完成直流故障恢复，无法应对输电线路为架空线时经常出现的非永久性短路故障，在故障中无法为交流系统提供无功支持也无法在恢复过程中传输有功功率，故障时的突然闭锁会降低所连接交流系统的稳定性，且由全桥型子模块或者钳位双子模块构成的MMC-HVDC造价高昂，运行损耗大。

3)利用直流侧设备(如直流断路器)隔离故障点，但直流断路器存在灭弧非常困难、线路能量不易耗散、造价昂贵、技术不成熟等缺点，在高压大容量场合很少应用。

以上三种故障处理手段，虽然能保护换流站，但都无法为所连接的交流系统提供安全保障，也无法为直流故障恢复提供支援。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法，故障响应与恢复速度快，能在隔离直流侧故障的同时为交直流系统提供无功和有功支撑，并有利于提高所连接的交直流系统的暂态稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法，所述混合型MMC由全桥子模块和半桥子模块组成，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)检测判断直流侧是否发生短路故障，是则顺序执行步骤(2)；否则继续检测判断直流侧是否发生短路故障；

(2)依次执行步骤(A)和步骤(B)，实现MMC直流侧短路故障的穿越；

(3)检测直流侧残余电压是否升高，是则顺序执行步骤(4)；否则继续检测直流侧残余电压是否升高；

(4)依次执行步骤(A)和步骤(B)，实现MMC直流侧短路故障的恢复；

所述步骤(A)为：检测直流侧残余电压以及交流侧电压和电流，结合故障期间MMC需向电网注入的无功功率和直流线路所需传输的有功功率，得到MMC每相所需输出的交流电压参考值；

所述步骤(B)为：根据MMC每相所需输出的交流电压参考值e_{iv_ref}，计算得到每相中上桥臂全桥子模块等效电压源参考电压u_{if_p}、上桥臂半桥子模块等效电压源参考电压u_{ih_p}、下桥臂全桥子模块等效电压源参考电压u_{if_n}和下桥臂半桥子模块等效电压源参考电压u_{ih_n}，结合当前各子模块电压，得到各子模块的投切信号；其中，下标i＝a，b，c，分别表示a、b、c三相。

优选地，所述步骤(B)中，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}(1-\frac{1}{2}m)+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}\frac{1}{2}m+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}(1-\frac{1}{2}m)+U_{dc}\frac{1}{4}m$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}\frac{1}{2}m+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

其中，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

优选地，所述步骤(B)中，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}-\frac{1}{4}{U}_{dc}+\frac{1}{2}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{U}_{dc},$

$u_{if\_n}=\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}-\frac{1}{4}{U}_{dc}+\frac{1}{2}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{U}_{dc},$

其中，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

优选地，所述步骤(B)中，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}(1-x-\frac{1}{2}m+xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m+\frac{xm}{2}-\frac{x}{2}),$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}(x+\frac{1}{2}m-xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m-\frac{xm}{2}+\frac{x}{2}),$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}(1-x-\frac{1}{2}m+xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m+\frac{xm}{2}-\frac{x}{2})$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}(x+\frac{1}{2}m-xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m-\frac{xm}{2}+\frac{x}{2}),$

其中，x＝0～0.5为常数，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

优选地，所述步骤(B)中，在e_{iv_ref}≥0时，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}+\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{if\_n}=\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc};$

在e_{iv_ref}<0时，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}+\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc};$

其中，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：能在不闭锁换流器的前提下，通过换流器自身控制完成直流侧短路故障的穿越和恢复，无需机械设备动作，恢复过程不需要重启换流器，因而故障响应与恢复速度快，对输电线路为架空线时经常出现的非永久性短路故障特别有效，在隔离直流侧故障的同时为交直流系统提供无功和有功支撑，并有利于提高所连接的交直流系统的暂态稳定性。

附图说明

图1是由全桥子模块和半桥子模块组成的混合型MMC结构图；

图2是本发明实施例的基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法流程图；

图3是将混合型MMC中的每相上下桥臂中的半桥子模块和全桥子模块等效为电压源后的结构图；

图4是本发明实施例1故障穿越期间的仿真效果图，其中，(a)换流器传输的有功功率随时间的变化图，(b)换流器传输的无功功率随时间的变化图，(c)换流器交流侧三相电压随时间的变化图；

图5是本发明实施例1故障恢复期间的仿真效果图，其中，(a)换流器传输的有功功率随时间的变化图，(b)换流器传输的无功功率随时间的变化图，(c)换流器交流侧三相电压随时间的变化图；

图6是本发明实施例2故障穿越期间的仿真效果图，其中，(a)换流器传输的有功功率随时间的变化图，(b)换流器传输的无功功率随时间的变化图，(c)换流器交流侧三相电压随时间的变化图；

图7是本发明实施例2故障恢复期间的仿真效果图，其中，(a)换流器传输的有功功率随时间的变化图，(b)换流器传输的无功功率随时间的变化图，(c)换流器交流侧三相电压随时间的变化图；

图8是本发明实施例3故障穿越期间的仿真效果图，其中，(a)换流器传输的有功功率随时间的变化图，(b)换流器传输的无功功率随时间的变化图，(c)换流器交流侧三相电压随时间的变化图；

图9是本发明实施例3故障恢复期间的仿真效果图，其中，(a)换流器传输的有功功率随时间的变化图，(b)换流器传输的无功功率随时间的变化图，(c)换流器交流侧三相电压随时间的变化图；

图10是本发明实施例4故障穿越期间的仿真效果图，其中，(a)换流器传输的有功功率随时间的变化图，(b)换流器传输的无功功率随时间的变化图，(c)换流器交流侧三相电压随时间的变化图；

图11是本发明实施例4故障恢复期间的仿真效果图，其中，(a)换流器传输的有功功率随时间的变化图，(b)换流器传输的无功功率随时间的变化图，(c)换流器交流侧三相电压随时间的变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

混合型MMC的特征是每相桥臂由两种子模块构成，分别为第一子模块和第二子模块，第一子模块能够输出两种电平：正电平和零电平；第二子模块能够输出3种电平：正电平、负电平和零电平。例如，图1所示的混合型MMC中，第一子模块为全桥子模块，第二子模块为半桥子模块。

本发明实施例的基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法中，混合型MMC由全桥子模块和半桥子模块组成，如图2所示，该方法包括如下步骤：

(1)检测判断直流侧是否发生短路故障，是则顺序执行步骤(2)；否则继续检测判断直流侧是否发生短路故障。

(2)依次执行下述步骤(A)和步骤(B)，实现MMC直流侧短路故障的穿越。

(A)检测直流侧残余电压以及交流侧电压和电流，结合故障期间MMC需向电网注入的无功功率和直流线路所需传输的有功功率，得到MMC每相所需输出的交流电压参考值。

(B)如图3所示，根据MMC每相所需输出的交流电压参考值e_{iv_ref}，计算得到每相中上桥臂全桥子模块等效电压源参考电压u_{if_p}、上桥臂半桥子模块等效电压源参考电压u_{ih_p}、下桥臂全桥子模块等效电压源参考电压u_{if_n}和下桥臂半桥子模块等效电压源参考电压u_{ih_n}，结合当前各子模块电压，得到各子模块的投切信号；其中，下标i＝a，b，c，分别表示a、b、c三相。

(3)检测直流侧残余电压是否升高，是则顺序执行步骤(4)；否则继续检测直流侧残余电压是否升高。

(4)依次执行上述步骤(A)和步骤(B)，实现MMC直流侧短路故障的恢复。

在本发明的第一个实施例中，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}(1-\frac{1}{2}m)+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}\frac{1}{2}m+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}(1-\frac{1}{2}m)+U_{dc}\frac{1}{4}m$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}\frac{1}{2}m+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

其中，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

在本发明的第二个实施例中，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}-\frac{1}{4}{U}_{dc}+\frac{1}{2}{\mathrm{mu}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{U}_{dc},$

$u_{if\_n}=\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}-\frac{1}{4}{U}_{dc}+\frac{1}{2}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{U}_{dc},$

其中，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

在本发明的第三个实施例中，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}(1-x-\frac{1}{2}m+xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m+\frac{xm}{2}-\frac{x}{2}),$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}(x+\frac{1}{2}m-xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m-\frac{xm}{2}+\frac{x}{2}),$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}(1-x-\frac{1}{2}m+xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m+\frac{xm}{2}-\frac{x}{2})$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}(x+\frac{1}{2}m-xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m-\frac{xm}{2}+\frac{x}{2}),$

其中，x＝0～0.5为常数，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

在本发明的第四个实施例中，在e_{iv_ref}≥0时，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}+\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{if\_n}=\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc};$

在e_{iv_ref}<0时，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}+\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc};$

其中，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法进行详细说明。

下述各实施例中，每相上桥臂或每相下桥臂中，全桥子模块和半桥子模块的个数比为1:1，均为5个，子模块电容电压比为1:1，均为2kV。基于混合型MMC的HVDC系统正常运行时的直流侧额定电压U_dc＝20kV，传输有功功率为10MW，无功功率为1MVAR。

实施例1

检测到直流侧发生短路故障，直流电压变为0kV；根据所连交流系统和直流线路稳定性需求，设置混合型MMC所需传输的有功功率参考值为0MW，需向交流系统注入的无功功率参考值为1MVAR，得到直流侧短路故障穿越时MMC每相所需输出的交流电压参考值e_{iv_ref}；计算u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}(1-\frac{1}{2}m)+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}\frac{1}{2}m+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}(1-\frac{1}{2}m)+U_{dc}\frac{1}{4}m$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}\frac{1}{2}m+U_{dc}\frac{1}{4}m;$

结合当前各子模块电压，得到各子模块的投切信号；检测到直流电压恢复到额定值；将混合型MMC的所需传输的有功功率和无功功率设置成正常运行值，即传输有功功率10MW，无功功率1MVAR，重新计算u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}。

直流故障期间，换流器传输的有功功率随时间的变化如图4(a)所示，结果表明故障期间换流器能够控制有功功率的传输；换流器传输的无功功率随时间的变化如图4(b)所示，结果表明故障期间换流器能够向电网提供无功支持；换流器交流侧三相电压随时间的变化如图4(c)所示，结果表明故障期间换流器在不闭锁的同时能够隔离直流侧故障，保持交流侧电压的稳定。

故障恢复期间，换流器传输的有功功率随时间的变化如图5(a)所示，结果表明在不重启换流器的情况下，换流器能够快速恢复有功功率的传输；换流器传输的无功功率随时间的变化如图5(b)所示，结果表明在不重启换流器的情况下，换流器能够快速恢复无功功率的传输；换流器交流侧三相电压随时间的变化如图5(c)所示，结果表明换流器在故障恢复期间能保持交流侧电压的稳定。

实施例2

检测到直流侧发生短路故障，直流电压变为0kV；根据所连交流系统和直流线路稳定性需求，设置混合型MMC所需传输的有功功率参考值为0MW，需向交流系统注入的无功功率参考值为1MVAR，得到直流侧短路故障穿越时MMC每相所需输出的交流电压参考值e_{iv_ref}；计算u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}-\frac{1}{4}{U}_{dc}+\frac{1}{2}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{U}_{dc},$

$u_{if\_n}=\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}-\frac{1}{4}{U}_{dc}+\frac{1}{2}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{U}_{dc};$

结合当前各子模块电压，得到各子模块的投切信号；检测到直流电压恢复到额定值；将混合型MMC的所需传输的有功功率和无功功率设置成正常运行值，即传输有功功率10MW，无功功率1MVAR，重新计算u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}。

直流故障期间，换流器传输的有功功率随时间的变化如图6(a)所示，结果表明故障期间换流器能够控制有功功率的传输；换流器传输的无功功率随时间的变化如图6(b)所示，结果表明故障期间换流器能够向电网提供无功支持；换流器交流侧三相电压随时间的变化如图6(c)所示，结果表明故障期间换流器在不闭锁的同时能够隔离直流侧故障，保持交流侧电压的稳定。

故障恢复期间，换流器传输的有功功率随时间的变化如图7(a)所示，结果表明在不重启换流器的情况下，换流器能够快速恢复有功功率的传输；换流器传输的无功功率随时间的变化如图7(b)所示，结果表明在不重启换流器的情况下，换流器能够快速恢复无功功率的传输；换流器交流侧三相电压随时间的变化如图7(c)所示，结果表明换流器在故障恢复期间能保持交流侧电压的稳定。

实施例3

检测到直流侧发生短路故障，直流电压变为0kV；根据所连交流系统和直流线路稳定性需求，设置混合型MMC所需传输的有功功率参考值为0MW，需向交流系统注入的无功功率参考值为1MVAR，得到直流侧短路故障穿越时MMC每相所需输出的交流电压参考值e_{iv_ref}；计算u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=e_{iv\_ref}(1-x-\frac{1}{2}m+xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m+\frac{xm}{2}-\frac{x}{2}),$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}(x+\frac{1}{2}m-xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m-\frac{xm}{2}+\frac{x}{2}),$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}(1-x-\frac{1}{2}m+xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m+\frac{xm}{2}-\frac{x}{2})$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}(x+\frac{1}{2}m-xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m-\frac{xm}{2}+\frac{x}{2});$

其中，x＝0.2；结合当前各子模块电压，得到各子模块的投切信号；检测到直流电压恢复到额定值；将混合型MMC的所需传输的有功功率和无功功率设置成正常运行值，即传输有功功率10MW，无功功率1MVAR，重新计算u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}。

直流故障期间，换流器传输的有功功率随时间的变化如图8(a)所示，结果表明故障期间换流器能够控制有功功率的传输；换流器传输的无功功率随时间的变化如图8(b)所示，结果表明故障期间换流器能够向电网提供无功支持；换流器交流侧三相电压随时间的变化如图8(c)所示，结果表明故障期间换流器在不闭锁的同时能够隔离直流侧故障，保持交流侧电压的稳定。

故障恢复期间，换流器传输的有功功率随时间的变化如图9(a)所示，结果表明在不重启换流器的情况下，换流器能够快速恢复有功功率的传输；换流器传输的无功功率随时间的变化如图9(b)所示，结果表明在不重启换流器的情况下，换流器能够快速恢复无功功率的传输；换流器交流侧三相电压随时间的变化如图9(c)所示，结果表明换流器在故障恢复期间能保持交流侧电压的稳定。

实施例4

检测到直流侧发生短路故障，直流电压变为0kV；根据所连交流系统和直流线路稳定性需求，设置混合型MMC所需传输的有功功率参考值为0MW，需向交流系统注入的无功功率参考值为1MVAR，得到直流侧短路故障穿越时MMC每相所需输出的交流电压参考值e_{iv_ref}；在e_{iv_ref}≥0时，计算u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}+\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{if\_n}=\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc};$

在e_{iv_ref}<0时，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}+\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc};$

结合当前各子模块电压，得到各子模块的投切信号；检测到直流电压恢复到额定值；将混合型MMC的所需传输的有功功率和无功功率设置成正常运行值，即传输有功功率10MW，无功功率1MVAR，重新计算u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}。

直流故障期间，换流器传输的有功功率随时间的变化如图10(a)所示，结果表明故障期间换流器能够控制有功功率的传输；换流器传输的无功功率随时间的变化如图10(b)所示，结果表明故障期间换流器能够向电网提供无功支持；换流器交流侧三相电压随时间的变化如图10(c)所示，结果表明故障期间换流器在不闭锁的同时能够隔离直流侧故障，保持交流侧电压的稳定。

故障恢复期间，换流器传输的有功功率随时间的变化如图11(a)所示，结果表明在不重启换流器的情况下，换流器能够快速恢复有功功率的传输；换流器传输的无功功率随时间的变化如图11(b)所示，结果表明在不重启换流器的情况下，换流器能够快速恢复无功功率的传输；换流器交流侧三相电压随时间的变化如图11(c)所示，结果表明换流器在故障恢复期间能保持交流侧电压的稳定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法，所述混合型MMC由全桥子模块和半桥子模块组成，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)检测判断直流侧是否发生短路故障，是则顺序执行步骤(2)；否则继续检测判断直流侧是否发生短路故障；

(2)依次执行步骤(A)和步骤(B)，实现MMC直流侧短路故障的穿越；

(3)检测直流侧残余电压是否升高，是则顺序执行步骤(4)；否则继续检测直流侧残余电压是否升高；

(4)依次执行步骤(A)和步骤(B)，实现MMC直流侧短路故障的恢复；

所述步骤(A)为：检测直流侧残余电压以及交流侧电压和电流，结合故障期间MMC需向电网注入的无功功率和直流线路所需传输的有功功率，得到MMC每相所需输出的交流电压参考值；

所述步骤(B)为：根据MMC每相所需输出的交流电压参考值e_{iv_ref}，计算得到每相中上桥臂全桥子模块等效电压源参考电压u_{if_p}、上桥臂半桥子模块等效电压源参考电压u_{ih_p}、下桥臂全桥子模块等效电压源参考电压u_{if_n}和下桥臂半桥子模块等效电压源参考电压u_{ih_n}，结合当前各子模块电压，得到各子模块的投切信号；其中，下标i＝a，b，c，分别表示a、b、c三相。

2.如权利要求1所述的基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法，其特征在于，所述步骤(B)中，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}(1-\frac{1}{2}m)+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}\frac{1}{2}m+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}(1-\frac{1}{2}m)+U_{dc}\frac{1}{4}m$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}\frac{1}{2}m+U_{dc}\frac{1}{4}m,$

其中，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

3.如权利要求1所述的基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法，其特征在于，所述步骤(B)中，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}-\frac{1}{4}{U}_{dc}+\frac{1}{2}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{U}_{dc},$

$u_{if\_n}=\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}-\frac{1}{4}{U}_{dc}+\frac{1}{2}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=\frac{1}{2}{e}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{U}_{dc},$

其中，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

4.如权利要求1所述的基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法，其特征在于，所述步骤(B)中，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}(1-x-\frac{1}{2}m+xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m+\frac{xm}{2}-\frac{x}{2}),$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}(x+\frac{1}{2}m-xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m-\frac{xm}{2}+\frac{x}{2}),$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}(1-x-\frac{1}{2}m+xm)+U_{dc}(\frac{1}{4}m+\frac{xm}{2}-\frac{x}{2})$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}\left(x+\frac{1}{2}m-xm\right)+U_{dc}(\frac{1}{4}m-\frac{xm}{2}+\frac{x}{2}),$

其中，x＝0～0.5为常数，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。

5.如权利要求1所述的基于混合型MMC的HVDC直流侧短路故障穿越和恢复方法，其特征在于，所述步骤(B)中，在e_{iv_ref}≥0时，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-e_{iv\_ref}+\frac{1}{2}{m}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{if\_n}=\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=e_{iv\_ref}-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc};$

在e_{iv_ref}<0时，u_{if_p}、u_{ih_p}、u_{if_n}和u_{ih_n}分别为：

$u_{if\_p}=-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{ih\_p}=-e_{iv\_ref}+\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc},$

$u_{if\_n}=e_{iv\_ref}-\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc}$ 和

$u_{ih\_n}=\frac{1}{2}{\mathrm{me}}_{iv\_ref}+\frac{1}{4}{\mathrm{mU}}_{dc};$

其中，m为直流侧残余电压和直流侧额定电压的比值，U_dc为直流侧额定电压。