一种电流转移型多电平换流器拓扑的清除直流故障方法

摘要

一种电流转移型多电平换流器拓扑的清除直流故障方法，属于柔性直流输电技术领域，在半桥型多电平换流器拓扑基础上增加断流支路、能量吸收支路和桥臂转移支路三部分支路，建立电流转移型模块化多电平换流器拓扑，通过断流支路迅速断开换流器与故障线路的连接，再通过桥臂转移支路和能量吸收支路吸收故障电流，从而快速清除直流故障。本发明通过电流转移型模块化多电平换流器拓扑中各支路的配合，转移并清除换流器直流侧短路故障电流，并且经济性良好，实用性较强。

说明书

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，特别是涉及到一种具备直流故障清除能力的电流转移型模块化多电平换流器拓扑及方法。

背景技术

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)是由德国学者R.Marquardt和A.Lesnicar提出的一种新型输电技术，采用子模块级联形式，具有模块化程度高、谐波畸变小、开关损耗低、拓展性好等优势，自2002年提出以来在柔性直流输电领域得到迅速发展。然而，目前在实际工程中普遍采用的半桥型MMC不具备阻断直流故障电流的能力，当直流侧发生双极短路时，即便闭锁换流器，与IGBT反并联的续流二极管仍与交流系统、故障点构成三相不控整流桥，短路电流不能被清除，严重威胁系统的安全运行。

利用交流断路器几乎是目前已建MMC-HVDC中唯一经济可行的手段。但该方法响应速度慢、故障清除与系统再恢复时间长，巨大的故障电流极可能损坏子模块中的续流二极管。采用新型子模块(如全桥子模块、箝位双子模块等)自清除直流故障是一种行之有效的手段。基于全桥子模块的MMC对直流故障清除能力最强，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。采用直流断路器快速清除故障是较为理想的手段。兼具通态损耗低和分断速度快特性的混合式直流断路器最具有应用前景。然而，由于直流断路器存在成本十分昂贵、技术不成熟、开断电流的能力有限等缺点，在高压大容量场合鲜有应用。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于电流转移型多电平换流器拓扑的清除直流故障方法，通过电流转移型模块化多电平换流器拓扑中各支路的配合，转移并清除换流器直流侧短路故障电流，并且经济性良好，实用性较强。

一种电流转移型多电平换流器拓扑的清除直流故障方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一、电流转移型模块化多电平换流器拓扑的建立

电流转移型模块化多电平换流器拓扑包括换流器、断流支路、能量吸收支路以及桥臂转移支路，所述断流支路包括超快速机械开关K和断流开关T，且超快速机械开关K和断流开关T串联，断流支路串联设置在换流器的直流出口处；所述能量吸收支路包括续流二极管D_c和吸收电阻R_c，且续流二极管D_c和吸收电阻R_c串联，能量吸收支路的高压端与断流支路连接，低压端与直流负极线路连接；所述桥臂转移支路包括旁路开关T_b、地开关T_d和两个大小均为R_b旁路电阻，且旁路开关T_b和两个大小均为R_b旁路电阻串联，并在两电阻间引出线经接地开关T_d接地，桥臂转移支路串联设置在换流器各相上、下桥臂电感之间；

步骤二、分析电流转移型模块化多电平换流器拓扑清除直流故障过程

直流线路在t₀时刻发生双极短路，短路电流上升，系统在t₁时刻检测到故障并闭锁换流站，经过延迟，保证全部子模块已经闭锁完成，在t₂时刻触发导通桥臂转移支路的旁路开关T_b和接地开关T_d，使得交流电网通过桥臂电感、旁路电阻与大地连通，为断流开关T的关断做准备；

经过延迟，在t₃时刻关断断流开关T，使断流支路电流向其它支路转移，断流支路电流下降到0，交流电流流过桥臂电感后，向桥臂转移支路转移，经旁路电阻流入大地，直流故障线路电流向能量吸收支路转移，通过吸收电阻R_c吸收直流线路剩余能量，断流支路电流转移结束后，流过桥臂子模块的电流为零；

断流支路电流下降至零后，关断超快速机械开关K，超快速机械开关K无弧分断断流支路，在t₄时刻动作完成；经过延迟，在t₅时刻，撤除接地开关T_d中晶闸管的触发脉冲，接地开关T_d在电流过零点自然关断，交流电网三相短路状态结束，当桥臂电感电流、能量吸收支路电流都衰减到零时，直流故障完全清除，直流故障清除完成后立即准备下一次故障电流分断。

所述旁路电阻R_b的确定条件为，设t＝t_b前桥臂电感初始电流衰减至零，L₀为桥臂电感，R_b为旁路电阻，则旁路电阻的大小需满足

所述吸收电阻R_c的确定条件为，设能量吸收支路电流在t＝t_c前衰减至零，吸收电阻为R_c，直流线路电阻为R_L、电感为L_L，则吸收电阻的大小需满足

所述断流开关T的额定电压确定条件为，电流转移型模块化多电平换流器拓扑直流侧出口处发生金属故障，断流开关分断瞬间桥臂电流满足断流开关T承受电压最大值为式中，I_{bp0_max}、I_{bn0_max}分别表示在断流开关断开瞬间流过换流器上、下桥臂旁路电阻电流最大值，I_m为稳态时交流相电流幅值，I_{0_max}为断流开关分断时直流最大故障电流。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种基于电流转移型多电平换流器拓扑的清除直流故障方法，在发生直流双极短路故障后，利用电流转移型模块化多电平换流器拓扑中断流支路迅速断开换流器与故障线路的连接，桥臂转移支路和能量吸收支路吸收故障电流，从而快速清除直流故障。具有方法科学，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明电流转移型模块化多电平换流器主电路拓扑结构示意图。

图2为本发明故障电流转移后的电流通路结构示意图。

图3为本发明桥臂电感放电通路示意图。

图4为本发明故障电流转移后的交流回路示意图。

图5为本发明零初始状态的交流通路示意图。

图6为本发明能量吸收回路等效电路示意图。

图7为本发明实施例换流站1的部分参数仿真波形图1。

图8为本发明实施例换流站1的部分参数仿真波形图2。

图9为本发明实施例换流站2的部分参数仿真波形图1。

图10为本发明实施例换流站2的部分参数仿真波形图2。

具体实施方式

一种电流转移型多电平换流器拓扑的清除直流故障方法，如图1至图6所示，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一、在半桥型多电平换流器拓扑基础上增加断流支路、能量吸收支路和桥臂转移支路三部分支路，建立电流转移型模块化多电平换流器拓扑：由超快速机械开关K和断流开关T组成的断流支路串联在模块化多电平换流器拓扑直流出口处，它在故障清除中的作用为转移注入故障点的电流，隔离换流器和直流故障线路；在直流线路侧设置一个由续流二极管D_c和吸收电阻R_c构成的能量吸收支路，该支路的高压端与断流支路相连，低压端接直流负极线路，在系统正常运行时，二极管承受反向直流电压，该支路处于断路状态，不影响系统的稳定运行，在故障清除过程中，该支路为直流线路上故障电流提供放电回路，泄放故障线路中存有的能量；在换流器各相上、下桥臂电感之间均设置一个桥臂转移支路，该支路是将旁路开关T_b和两个大小均为R_b旁路电阻串联，并在两电阻间引出线经接地开关T_d接地，正常运行时，开关T_b、T_d均处于关断状态，桥臂转移支路不起作用，一旦发生直流故障，桥臂转移支路迅速导通，为交流电流提供通路，交流电流经桥臂电感、旁路电阻流入大地，使得桥臂子模块无电流流过，以保护子模块中的电力电子器件不受损坏；

步骤二、分析电流转移型模块化多电平换流器拓扑清除直流故障过程：直流线路在t₀时刻发生双极短路，子模块电容迅速放电，短路电流开始急剧上升，系统在t₁时刻检测到故障并立即闭锁换流站，经过短时延迟，保证全部子模块已经闭锁完成后，在t₂时刻触发导通桥臂转移支路的旁路开关T_b和接地开关T_d，使得交流电网通过桥臂电感、旁路电阻与大地连通，为断流开关的关断做准备；

经过短暂延时，在t₃时刻关断断流开关T，强迫断流支路电流向其它支路转移，断流支路电流快速下降到0，此时，交流电流流过桥臂电感后，向桥臂转移支路转移，经旁路电阻流入大地，直流故障线路电流向能量吸收支路转移，通过吸收电阻发热消散直流线路存有的能量，断流支路电流转移结束后，流过桥臂子模块的电流为零，保障了子模块中电力电子器件的安全；

断流支路电流下降至零后，关断超快速机械开关K，机械开关K需约2ms无弧分断断流支路，在t₄时刻动作完成。经过短暂延时，在t₅时刻，撤除接地开关T_d中晶闸管的触发脉冲，此后，接地开关T_d将在电流过零点自然关断，所造成的交流电网三相短路状态结束，当桥臂电感电流、能量吸收支路电流都衰减到零时，直流故障被彻底清除，故障清除完成后立即为下一次故障电流分断做准备。

本发明中旁路电阻的选取方法为：当断流开关断开后，交流电网电流经桥臂电感、旁路电阻流入大地，且三相相互独立，以A相为例，设u_sa为A相交流电压，I_b0为A相桥臂电感初始电流，R_eq、L_eq分别为交流侧电阻、电感，L₀为桥臂电感，R_b为旁路电阻，i_bpa为A相上桥臂电感电流，则A相上桥臂电感电流的计算公式为式中，相角时间常数对于桥臂电感放电回路，电流一般需要衰减时间常数的5倍时间才能衰减到近似于0，设t＝t_b前桥臂电感初始电流衰减至零，则旁路电阻的大小需满足在超快速机械开关断开前的2ms时间里，旁路电阻和吸收电阻的阻值共同影响断流开关所承受的电压，旁路电阻R_b越大，断流开关所承受的电压越大，因此适当选择阻值决定了断流开关所需器件数量和成本；

本发明中吸收电阻的选取方法为：当断流开关断开后，能量吸收支路与直流故障线路、短路点构成直流线路故障电流的续流回路，设直流线路电阻为R_L、电感为L_L，R_c为吸收电阻，I_c0为能量吸收支路初始电流，则能量吸收支路电流计算公式为式中，时间常数设能量吸收支路电流在t＝t_c前衰减至零，则吸收电阻的大小需满足可以看出直流线路故障电流的衰减速度与吸收电阻、线路的长度及阻抗参数有关，且直流线路越长，其电感值越大，故障电流衰减所用时间越长，在对吸收电阻的阻值进行设计时，应按直流线路最严峻的情况考虑，也就是考虑整个线路的等效阻抗，R_c阻值的增大能够缩短故障电流清除时间，但随R_c的增大，吸收电阻两端的压降增加，在超快速机械开关没有断开前，断流开关所承受的电压也相应增大，需权衡考虑；

本发明中断流开关额定电压选取方法为：当MMC直流侧出口处发生金属故障，断流开关分断瞬间桥臂电流满足时，断流开关承受电压最大，值为其中，Ibp0_max、Ibn0_max分别表示在断流开关断开瞬间流过换流器上、下桥臂旁路电阻电流最大值，Im为稳态时交流相电流幅值，I0_max为断流开关分断时直流最大故障电流，对于交流电流而言，从故障发生到断流开关断开时间很短(只有几毫秒)，可认为交流电流与稳态工作一样。

仿真分析：本发明其中一个实施方式基于RT-LAB OP5600仿真平台，搭建了的51电平双端MMC-HVDC系统模型，主要参数如表1所示。

表1 51电平MMC-HVDC系统主要参数

系统在t₀＝2.0s时发生直流双极短路故障，故障电阻为0.01Ω，短路点距换流站1为1km，距换流站2为100km。故障发生0.1ms后，闭锁换流站。旁路电阻取6Ω、吸收电阻取6Ω。换流站1的各参数仿真波形参见图7、图8，换流站2的各参数仿真波形参见图9、图10。

从图7(a)可以看出，故障发生后，直流电流迅速上升。在t₁时刻换流站闭锁，子模块电容停止放电，经短暂延迟后，在t₂时刻对桥臂转移支路上的旁路开关和接地开关施加导通信号，开关迅速闭合。此时故障电流同时流经桥臂旁路支路、能量吸收支路电流以及故障点，各支路电流的分配与各支路电阻成反比。在本算例中，由于旁路电阻(或吸收电阻)的阻值是短路点阻值的600倍，因此，在桥臂旁路支路和能量吸收支路中只有很小的电流流过。

断流开关在t₃时刻打开，如图7(a)所示，断流支路电流迅速下降为0，此后，断流开关承受较大的电压，观察图7(b)和图9(b)可知，换流站1和换流站2的断流开关峰值电压分别约为28kV、35kV。与此同时，从图7(c)可以看出，桥臂子模块电流也迅速下降到0，保障了子模块中电力电子器件的安全。从图8(c)和图8(d)可以观察到，MMC桥臂上的故障电流被转移到桥臂转移支路中，即交流电流经桥臂电感、旁路电阻流入大地，相当于三相短路。而从图8(a)可以观察到直流线路侧故障电流被转移到能量吸收支路中，通过吸收电阻消散直流线路存有的能量。断流支路电流下降到零后，关断超快速机械开关，约2ms后实现了故障线路与换流器的物理隔离。

接地开关的触发脉冲在t₅时刻关断，如图7(d)所示，晶闸管在MMC交流侧端口电流过零时刻自然关断，持续约13ms的交流电网三相短路状态结束。交流三相短路结束后，桥臂电感仍存有电流，如图8(c)和图8(d)所示，该能量由旁路电阻发热逐渐消散，可通过公式计算出换流站1和换流站2的桥臂电感电流衰减到0所需的时间均约为50ms。为此，整个故障清除过程约为51ms。

对换流站2的各参数仿真分析与换流站1相同，差异在于能量吸收支路电流的衰减速度。由于故障点距离换流站1仅1km，如图8(a)所示，故障电流迅速衰减到0，而故障点距离换流站2为100km，如图10(a)所示，故障电流衰减速度相对较慢，通过公式可以计算出换流站1和换流站2的直流故障电流衰减时间分别为0.67ms和50ms。

显然，上述实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。