CN107359605A - 一种抑制模块化多电平换流器直流侧故障过电流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制模块化多电平换流器直流侧故障过电流方法，其特点是，包括的步骤有：采用桥臂电抗器耦合的MMC拓扑，阐明桥臂电抗器耦合原理；对该系统直流侧故障过电流进行分析；继而选取最佳的耦合系数。且通过仿真验证了该方法的有效性。在故障发生后，基于桥臂电抗器耦合的MMC故障回路电抗值较大，阻碍了故障电流增长，为保护动作赢得时间，使系统稳态运行。具有科学合理，适用性强，效果佳等优点。

Description

一种抑制模块化多电平换流器直流侧故障过电流方法

技术领域

本发明涉及一种抑制模块化多电平换流器(MMC)直流侧故障过电流方法，属于柔性直流输电领域。

背景技术

模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)作为一种新型输电技术，采用半桥子模块级联的形式，具有模块化程度高、谐波畸变小、开关损耗低、拓展性好等诸多优点，逐渐成为高、中压直流电力系统的重要组成部分。

模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流侧短路故障导致换流站桥臂严重过电流，致使电力电子器件发生损坏，威胁系统的安全运行。目前的保护措施是在毫秒级延时后闭锁换流站，再断开交流断路器。然而在闭锁前，故障电流已经达到很高数值。现有方法多采用新型MMC拓扑结构来阻断故障电流，例如全桥子模块拓扑、箝位双子模块拓扑等。基于全桥子模块的MMC对直流侧故障电流阻断能力最强，控制技术简单成熟，但器件过多，极大地增加了换流器的损耗和投入成本。箝位双子模块与全桥子模块相比，所需器件数量有所减少，但其结构上呈现一定的耦合性，增加了控制与均压的复杂度。而基于虚拟阻抗的过电流抑制策略，通过将实际电路元件特性映射入控制系统来抑制故障过电流，抑制效果并不显著。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种科学合理，适用性强，效果佳的抑制模块化多电平换流器直流侧故障过电流方法，能够通过基于桥臂电抗器耦合的MMC在发生直流侧故障时较大的桥臂电抗抑制换流站闭锁前的过电流。

实现上述发明目的采用的技术方案是：一种抑制模块化多电平换流器直流侧故障过电流方法，其特征是，它包括如下步骤：

(1)将同相上、下两个桥臂电抗耦合，建立桥臂电抗器耦合的MMC拓扑：耦合电抗器采用同轴并绕的方式，使得两线圈间存在较高的耦合系数k，两个线圈的匝数相同，绕向相同，异侧并联接到MMC中，在系统正常运行时，两个线圈上的实际基波电流流向相反，其电流产生磁场相互去磁，桥臂电感为适当的桥臂电抗值，不影响系统的稳态运行；在系统发生双极短路故障时，各相单元与接地电阻构成回路，子模块电容迅速放电，交流短路电流影响很小，上、下两个桥臂电流变化趋势相近，其电流产生的磁场相互励磁，此时桥臂电感为很大的电抗值，阻碍短路电流上升；

(2)分析系统直流侧双极短路故障过电流：直流母线发生双极短路故障后，系统状态分为换流站闭锁前和闭锁后两个阶段，换流站闭锁前，桥臂电流是交流短路电流和子模块电容放电电流的叠加，而电容放电是造成过电流的主要原因，子模块电容通过IGBT1放电，可等效成一个二阶RLC放电电路，其中，R_L和L_L为线路阻抗，L₀为桥臂电抗自感，M为桥臂电抗互感，C为子模块电容，R_f为短路电阻，若故障瞬间直流线路电流为I₀，电容电压为U₀，则故障后，故障回路总电阻R＝R_L+R_f，故障回路总电感L＝2L₀+2M+L_L，故障电流的计算公式为其中，衰减系数无阻尼振荡频率衰减振荡频率令故障电流初相角故障电流峰值则故障电流的计算公式可写为可以看出，故障回路总电感L越大，ω越小，电流震荡周期越大，电流达到峰值的速度就越慢，为保护动作赢取时间；同时，L越大，故障电流峰值I_peak越小，降低桥臂过电流水平；故障回路总电感L＝2(1-k)L₀+4kL₀+L_L，而(1-k)L₀为系统稳态运行时的桥臂电抗，为不影响系统的稳态运行，保持该值不变，通过适当增大4kL₀项来增大L，使得故障过电流减小；

(3)耦合系数的选取：保持L-M不变，即系统稳态运行时桥臂电感值不变，改变耦合系数k，随着耦合系数k增大，桥臂电流减小，耦合系数k值过大时，自感、互感会达到很大的数值，使得实际设备过大或无法满足，而且过大的耦合系数k值引起子模块电容电压波动较大、系统达到稳态的时间较长，需综合考虑选取耦合系数k值。

本发明提出一种抑制模块化多电平换流器直流侧故障过电流方法，在发生直流双极短路故障后，利用桥臂耦合电抗值很大，阻碍了故障电流增长，抑制换流站闭锁前的过电流，为保护动作赢得时间。具有方法科学，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

图1是采用桥臂电抗器耦合的MMC拓扑图；

图2是上、下桥臂耦合电抗中轴面图；

图3是子模块电容放电单相去耦等值电路图；

图4是线圈自感、互感与耦合系数的关系示意图；

图5是在故障5ms后桥臂平均峰值电流曲线示意图；

图6是在故障5ms后A相上桥臂瞬时电流曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见附图1-6，本发明提出的一种抑制模块化多电平换流器直流侧故障过电流方法，具体实施步骤如下：

参见图1，将同相上、下两个桥臂电抗耦合，建立桥臂电抗器耦合的MMC拓扑。图中u_si、i_si(i＝a,b,c)分别表示换流器交流侧各相电压、电流，U_dc、I_dc分别表示换流器直流侧电压、电流。换流器有三个相单元，每个相单元的上、下桥臂均由n个子模块和自感为L₀的桥臂电抗串联构成。同相上、下两个桥臂电抗存在耦合，互感为M，且为异侧并联。

参见图2，1-2、3-4为耦合电抗器的2个包封线圈。两个线圈的匝数相同，绕向相同，自感均为L₀。耦合电抗器采用同轴并绕的方式，使得两线圈间存在较高的耦合系数k。在各相单元中，耦合电抗器1、4端分别与第n、n+1个子模块连接，2、3端互相连接并引出输出端连接到交流侧，即MMC同相上、下两个桥臂电流分别从1、3端口流入，从2、4端口流出。在系统正常运行时，两个线圈上的实际基波电流流向相反，其电流产生磁场相互去磁，桥臂电感(1-k)L₀为适当的桥臂电抗值，不影响系统的稳态运行；在系统发生双极短路故障时，各相单元与接地电阻构成回路，子模块电容迅速放电，交流短路电流影响很小，上、下两个桥臂电流变化趋势相近，其电流产生的磁场相互励磁，此时桥臂电感变成(1+k)L₀，为很大的电抗值，阻碍短路电流上升。

(2)分析系统直流侧双极短路故障过电流。直流母线发生双极短路故障后，系统状态分为换流站闭锁前和闭锁后两个阶段。换流站闭锁前，桥臂电流是交流短路电流和子模块电容放电电流的叠加，而电容放电是造成过电流的主要原因。子模块电容通过IGBT1放电，可等效成一个二阶RLC放电电路，参见图3。其中，R_L和L_L为线路阻抗，L₀为桥臂电抗自感，M为桥臂电抗互感，C为子模块电容，R_f为短路电阻。若故障瞬间直流线路电流为I₀，电容电压为U₀，则故障后，故障回路总电阻R＝R_L+R_f，故障回路总电感L＝2L₀+2M+L_L，故障电流的计算公式为其中衰减系数无阻尼振荡频率衰减振荡频率令故障电流初相角故障电流峰值则故障电流的计算公式可写为可以看出，故障回路总电感L越大，ω越小，电流震荡周期越大，电流达到峰值的速度就越慢，为保护动作赢取时间；同时，L越大，故障电流峰值I_peak越小，降低桥臂过电流水平。故障回路总电感可写成L＝2(1-k)L₀+4kL₀+L_L，而(1-k)L₀为系统稳态运行时的桥臂电抗，为不影响系统的稳态运行，保持该值不变，通过适当增大4kL₀项来增大L，使得故障过电流减小。

(3)选取耦合系数。保持L-M不变，即系统稳态运行时桥臂电感值不变，改变耦合系数k，随着耦合系数k增大，桥臂电流减小。参见图4，耦合系数k值过大时，自感、互感会达到很大的数值，使得实际设备过大或无法满足，而且过大的耦合系数k值引起子模块电容电压波动较大、系统达到稳态的时间较长，需综合考虑选取k值。

仿真分析

实例：

在MATLAB中搭建了双端MMC-HVDC系统，其详细参数如表1所示。系统控制周期为100μs，整流侧采用定直流电压配合定无功功率控制，逆变侧采用定有功功率配合定无功功率控制。MMC-HVDC系统稳态运行3.0s后，在整流侧直流出口处设置永久性双极短路故障，故障电阻为0.01Ω。在t＝3.005s，即故障发生5ms后实施闭锁。

表1 31电平MMC-HVDC系统主要参数

桥臂平均峰值电流i_armmax可以在一定程度上表示六个桥臂平均最大电流水平，表示为：其中I_dc为直流电流，i_sd、i_sq分别为d、q轴电流，故障侧换流站桥臂平均峰值电流参见图5。采用普通电抗器时的桥臂平均峰值电流在t＝3.000～3.002s、3.002～3.005s内电流增长率分别为3.232kA/ms、3.076kA/ms，故障发生后短时间电流增长迅速，闭锁时刻电流值已经非常大，这不仅要求电子器件有很强的耐受能力，还需要闭锁动作迅速；而采用耦合电抗器时的桥臂平均峰值电流在t＝3.000～3.002s、3.002～3.005s内电流增长率分别为0.850kA/ms、1.143kA/ms，电流增长缓慢，可见采用桥臂电抗器耦合抑制故障电流效果显著。

故障时各桥臂瞬时电流变化趋势相近，以故障侧换流站A相上桥臂瞬时电流为例，参见图6。在t＝3.005s时采用耦合电抗器的系统电流大小为7.56kA，仅是采用普通电抗器的系统电流大小16.72kA的45.22％，可见采用耦合电抗器的MMC桥臂故障电流比采用普通电抗器时的明显降低。在t＝3～3.02s内平均选取9个时间点分别设置双极短路故障，记录各桥臂电流在故障发生5ms后的大小，汇总于表2、表3。通过表2与表3的数据对比可以看出，采用耦合电抗器可明显降低故障电流；不同故障时刻桥臂平均峰值电流值波动很小，反映了上文桥臂平均峰值电流比较对于不同故障时刻的有效性。

表2 各桥臂在故障5ms后电流瞬时值(普通桥臂电抗器)

表3 各桥臂在故障5ms后电流瞬时值(耦合桥臂电抗器)

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种抑制模块化多电平换流器直流侧故障过电流方法，其特征是，它包括如下步骤：

(1)将同相上、下两个桥臂电抗耦合，建立桥臂电抗器耦合的MMC拓扑：耦合电抗器采用同轴并绕的方式，使得两线圈间存在较高的耦合系数k，两个线圈的匝数相同，绕向相同，异侧并联接到MMC中，在系统正常运行时，两个线圈上的实际基波电流流向相反，其电流产生磁场相互去磁，桥臂电感为适当的桥臂电抗值，不影响系统的稳态运行；在系统发生双极短路故障时，各相单元与接地电阻构成回路，子模块电容迅速放电，交流短路电流影响很小，上、下两个桥臂电流变化趋势相近，其电流产生的磁场相互励磁，此时桥臂电感为很大的电抗值，阻碍短路电流上升；

(2)分析系统直流侧双极短路故障过电流：直流母线发生双极短路故障后，系统状态分为换流站闭锁前和闭锁后两个阶段，换流站闭锁前，桥臂电流是交流短路电流和子模块电容放电电流的叠加，而电容放电是造成过电流的主要原因，子模块电容通过IGBT1放电，可等效成一个二阶RLC放电电路，其中，R_L和L_L为线路阻抗；L₀为桥臂电抗自感；M为桥臂电抗互感；C为子模块电容；R_f为短路电阻，若故障瞬间直流线路电流为I₀，电容电压为U₀，则故障后，故障回路总电阻R＝R_L+R_f，故障回路总电感L＝2L₀+2M+L_L，故障电流的计算公式为其中，衰减系数无阻尼振荡频率衰减振荡频率令故障电流初相角故障电流峰值则故障电流的计算公式可写为i＝e^-δt[I_peaksin(ωt+γ)]，可以看出，故障回路总电感L越大，ω越小，电流震荡周期越大，电流达到峰值的速度就越慢，为保护动作赢取时间；同时，L越大，故障电流峰值I_peak越小，降低桥臂过电流水平；故障回路总电感L＝2(1-k)L₀+4kL₀+L_L，而(1-k)L₀为系统稳态运行时的桥臂电抗，为不影响系统的稳态运行，保持该值不变，通过适当增大4kL₀项来增大L，使得故障过电流减小；

(3)耦合系数的选取：保持L-M不变，即系统稳态运行时桥臂电感值不变，改变耦合系数k，随着耦合系数k增大，桥臂电流减小，耦合系数k值过大时，自感、互感会达到很大的数值，使得实际设备过大或无法满足，而且过大的耦合系数k值引起子模块电容电压波动较大、系统达到稳态的时间较长，需综合考虑选取耦合系数k值。