模块化多电平换流器直流故障穿越能力评价方法及系统

摘要

本发明涉及一种模块化多电平换流器直流故障穿越能力评价方法及系统，属直流输电技术领域。本发明首先计算待考察拓扑MMC的故障电流积分和故障后最大子模块电压偏差；然后以与待考察拓扑MMC相同电容个数下的半桥式MMC的故障电流积分和故障后最大子模块电压偏差为基准，对待考察拓扑MMC的故障电流积分和故障后最大子模块电压偏差进行标幺处理；最后对标幺处理后的量分别乘以对应权重系数后相加，得到的值即为待考察拓扑MMC的直流故障穿越能力评价结果。本发明能够从故障电流抑制能力和故障后子模块过压程度两个方面对各类拓扑MMC的直流故障穿越能力进行量化评价，实现了对MMC的综合评价。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流器直流故障穿越能力评价方法及系统，属 直流输电技术领域。

背景技术

直流故障是MMC柔性直流输电系统运行中的一种常见故障，传统的半桥式 子模块MMC在直流短路故障发生时无法通过自身特性迅速抑制故障电流，必须 依靠交流断路器或直流断路器才能清楚故障电流。一方面由于交流断路器的响应 时间较长，有可能导致保护不及时而造成换流器过流损坏；一方面配置直流断路 器提高了对设备的技术要求，增加了系统成本。为解决MMC柔性直流输电系统 的直流故障穿越问题，2010年德国学者RainerMarquardt提出了采用全桥子模块 的MMC和采用箝位双子模块的MMC，如图1所示。该类MMC在直流短路故 障发生后，能够通过闭锁换流器的方式迅速抑制故障电流，达到保护换流器自身 不受损害的目的。此后，国内外学者又提出了多种具有直流故障穿越能力的MMC 拓扑结构，如混合式子模块MMC、自阻式子模块MMC等。

多种具有直流故障穿越能力拓扑的出现，极大的丰富了柔性直流输电系统 设计人员的选择，因此需要一个量化评价指标对各类拓扑统一考核。有国内学者 提出了一种叫做DFRTI的评价指标，将需评价拓扑故障电流对时间的积分与半桥 式子模块MMC故障电流对时间的积分两者相比，以表征该类拓扑的故障电流抑 制能力。但对于直流故障穿越能力的评价应该是多方面的，除故障电流抑制能力 外还应考虑故障后子模块过电压水平和实现该能力所付出的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化多电平换流器直流故障穿越能力评价方 法及系统，以解决目前仅采用故障电流抑制能力来评价故障穿越能力所导致评 价结果比较片面的问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种模块化多电平换流器直流故障穿越 能力评价方法，该评价方法包括以下步骤：

1)计算待考察拓扑MMC的故障电流积分和故障后最大子模块电压偏差；

2)以与待考察拓扑MMC相同电容个数下的半桥式MMC的故障电流积分和故 障后最大子模块电压偏差为基准，对步骤1)中待考察拓扑MMC的故障电流积分 和故障后最大子模块电压偏差进行标幺处理；

3)对标幺处理后的量分别乘以对应权重系数后相加，得到的值即为待考察 拓扑MMC的直流故障穿越能力评价结果。

该方法包括利用考察拓扑MMC所包含IGBT个数作为成本因数对步骤3)中的 评价结果进行修正。

所述修正后的评价结果k为：

$k=(D\frac{S_{I\_H}}{S_{I\_T}}+(1-D)\frac{U_{diff\_{\max }_{-}H}}{U_{diff\_max\_T}})\frac{n_{IGBT\_H}}{n_{IGBT\_T}}$

其中S_{I_T}为被考察MMC在标准仿真工况下故障电流对时间的积分；S_{I_H}为相同 工况下半桥式MMC仿真中故障电流对时间的积分；U_{diff_max_T}与U_{diff_max_H}分别表示 被考察拓扑MMC和对应的半桥式MMC在直流故障穿越动作后的最大子模块电压 偏差值；n_{IGBT_H}为半桥式MMC中IGBT个数；n_{IGBT_T}为被考察MMC中IGBT个数； D为权重系数，D取值范围为[0,1]。

所述权重系数D可根据实际情况调整，若设置为1，则说明仅考察故障电流抑 制能力；若设置为0则表示仅考察拓扑故障后的过电压水平。

所述步骤1)在计算待考察MMC故障电流积分时将直流电流降低至0的时刻作 为积分结束时刻。

本发明还提供了一种模块化多电平换流器直流故障穿越能力评价系统，该评 价系统包括计算模块、比较模块和综合处理模块，

所述计算模块用于计算待考察拓扑MMC的故障电流积分和故障后最大子模 块电压偏差；

所述比较模块用于以与待考察拓扑MMC相同电容个数下的半桥式MMC的故 障电流积分和故障后最大子模块电压偏差为基准，对步骤1)中待考察拓扑MMC 的故障电流积分和故障后最大子模块电压偏差进行标幺处理；

所述综合处理模块用于对标幺处理后的量分别乘以对应权重系数后相加，得 到的值即为待考察拓扑MMC的直流故障穿越能力评价结果。

所述的评价系统还包括修正模块，该修正模块用于根据考察拓扑MMC所包含 IGBT个数对综合处理模块评价结果进行修正。

所述修正模块修正后的评价结果k为：

$k=(D\frac{S_{I\_H}}{S_{I\_T}}+(1-D\left)\frac{U_{diff\_{\max }_{-}H}}{U_{diff\_{\max }_{-}T}}\right)\frac{n_{IGBT\_H}}{n_{IGBT\_T}}$

其中S_{I_T}为被考察MMC在标准仿真工况下故障电流对时间的积分；S_{I_H}为相同 工况下半桥式MMC仿真中故障电流对时间的积分；U_{diff_max_T}与U_{diff_max_H}分别表示 被考察拓扑MMC和对应的半桥式MMC在直流故障穿越动作后的最大子模块电压 偏差值；n_{IGBT_H}为半桥式MMC中IGBT个数；n_{IGBT_T}为被考察MMC中IGBT个数； D为权重系数，D取值范围为[0,1]。

所述权重系数D可根据实际情况调整，若设置为1，则说明仅考察故障电流抑 制能力；若设置为0则表示仅考察拓扑故障后的过电压水平。

所述计算模块在计算待考察MMC故障电流积分时将直流电流降低至0的时 刻作为积分结束时刻。

本发明的有益效果是:本发明首先计算待考察拓扑MMC的故障电流积分和 故障后最大子模块电压偏差；然后以与待考察拓扑MMC相同电容个数下的半桥式 MMC的故障电流积分和故障后最大子模块电压偏差为基准，对待考察拓扑MMC 的故障电流积分和故障后最大子模块电压偏差进行标幺处理；最后对标幺处理后 的量分别乘以对应权重系数后相加，得到的值即为待考察拓扑MMC的直流故障穿 越能力评价结果。本发明能够从故障电流抑制能力和故障后子模块过压程度两个 方面对各类拓扑MMC的直流故障穿越能力进行量化评价，实现了对MMC的综合 评价。

此外，本发明还将成本因素考虑在内，通过MMC中IGBT的个数对结果进行 进一步修正，使得到评价结果更加全面，能够为柔性直流输电换流器拓扑选择提 供准确的参考，有助于直流故障率较高场合中MMC拓扑的选取。

附图说明

图1是模块化多电平换流器的结构示意图；

图2-a是被考察MMC故障电流积分计算原理示意图；

图2-b是半桥式MMC故障电流积分计算原理示意图；

图3是半桥式MMC直流故障电流、故障电流积分S_{I_H}及最大最小子模块电 压仿真结果；

图4全桥式MMC直流故障电流、故障电流积分S_{I_H}及最大最小子模块电压 仿真结果；

图5是箝位双子模块MMC直流故障电流、故障电流积分S_{I_H}及最大最小子 模块电压仿真结果；

图6是混合式子模块MMC直流故障电流、故障电流积分S_{I_H}及最大最小子 模块电压仿真结果；

图7是优化混合式子模块MMC直流故障电流、故障电流积分S_{I_H}及最大最 小子模块电压仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明的模块化多电平换流器直流故障穿越能力评价方法的实施例

本发明的模块化多电平换流器直流故障穿越能力评价方法是以半桥式子模 块MMC的直流故障穿越能力为基准，从故障电流抑制能力和故障后子模块过压程 度两个方面对各类拓扑MMC的直流故障穿越能力进行量化评价，实现了对MMC 的综合评价，该方法的具体实现过程如下：

1.计算待考察拓扑MMC的故障电流积分和故障后最大子模块电压偏差。

MMC的故障电流积分指的是MMC在故障穿越时电流曲线与时间轴构成的面 积，本实施例中用S_{I_T}表示考察拓扑在故障穿越时电流曲线与时间轴构成的面积， 其计算原理如图2-a所示，S_{I_H}表示相同子模块数(电容数)的半桥式MMC在直流 故障穿越时电流曲线与时间轴构成的面积，其计算原理如图2-b所示。U_{diff_max_T}与 U_{diff_max_H}分别表示考察拓扑MMC和对应的半桥式MMC在直流故障穿越动作(闭 锁或直流电压翻转)后的最大子模块电压偏差值(取绝对值)。

采用不闭锁穿越策略产生的直流侧电流会有差异，例如半桥加全桥混合式 MMC采用不闭锁方式穿越直流短路故障时，直流电流降低后，会在0附近持续波 动一段时间，该波动电流仅与系统控制有关，不能再算作故障电流。因此为了增 强该指标的通用性，统一将直流电流降低至0的时刻作为积分结束时刻。而由于 半桥子模块在故障闭锁后电流降低很慢，因此计算S_{I_H}时，令积分结束时刻为断 路器跳闸时刻。

2.以与待考察拓扑MMC相同电容个数下的半桥式MMC的故障电流积分和故 障后最大子模块电压偏差为基准，对待考察拓扑MMC的故障电流积分和故障后最 大子模块电压偏差进行标幺处理。

本实施例中标幺处理指的是将基准值与待考察拓扑MMC进行比较，故障电流 积分的标幺处理结果为S_{I_H}/S_{I_T}，两者的比值关系表征了系统的过电流抑制能力， 比值越大抑制能力越强；故障后最大子模块电压偏差的标幺处理结果为 U_{diff_max_H}/U_{diff_max_T}，两者比值表征了拓扑的过电压程度，比值越大过电压程度越 低，在故障穿越过程中表现越好，恢复速度也越快。

3.将标幺处理后得到的拓扑的故障电流抑制能力、故障后过电压水平进行综 合，即对得到的S_{I_H}/S_{I_T}和U_{diff_max_H}/U_{diff_max_T}分别乘以对应权重系数后相加。

$k1=D\frac{S_{I\_H}}{S_{I\_T}}+(1-D)\frac{U_{diff\_{\max }_{-}H}}{U_{diff\_{\max }_{-}T}}$

其中D为权重系数，改变该权重系数D的大小，能够灵活调节故障电流抑制 能力和故障后过电压水平两者在评价指标中所占的比重，可根据实际情况调整， 若设置为1，则说明仅考察故障电流抑制能力；若设置为0则表示仅考察拓扑故 障后的过电压水平。

4.利用成本因数步骤3中的结果进行修正。

本实施例中的成本因数用MMC桥臂中IGBT的数目来衡量，表示该拓扑的 换流器在单位成本下得到的直流故障穿越能力，修正后的评价结果k为：

$k=(D\frac{S_{I\_H}}{S_{I\_T}}+(1-D\left)\frac{U_{diff\_{\max }_{-}H}}{U_{diff\_{\max }_{-}T}}\right)\frac{n_{IGBT\_H}}{n_{IGBT\_T}}$

其中S_{I_T}为被考察MMC在标准仿真工况下故障电流对时间的积分；S_{I_H}为相同 工况下半桥式MMC仿真中故障电流对时间的积分；U_{diff_max_T}与U_{diff_max_H}分别表示 被考察拓扑MMC和对应的半桥式MMC在直流故障穿越动作后的最大子模块电压 偏差值；n_{IGBT_H}为半桥式MMC中IGBT个数；n_{IGBT_T}为被考察MMC中IGBT个数； D为权重系数，D取值范围为[0,1]。

本发明的多模块化多电平换流器直流故障穿越能力评价方法的实施例

该评价系统包括计算模块、比较模块、综合处理模块和修正模块。计算模块 用于计算待考察拓扑MMC的故障电流积分和故障后最大子模块电压偏差；比较模 块用于以与待考察拓扑MMC相同电容个数下的半桥式MMC的故障电流积分和故 障后最大子模块电压偏差为基准，对待考察拓扑MMC的故障电流积分和故障后最 大子模块电压偏差进行标幺处理；综合处理模块用于对标幺处理后的量分别乘以 对应权重系数后相加，得到的值即为待考察拓扑MMC的直流故障穿越能力评价结 果；修正模块用于根据考察拓扑MMC所包含IGBT个数对综合处理模块评价结果 进行修正。该系统中上述各个模块的具体实施方式已在方法的实施例中进行了详 细说明，这里不再赘述。

为了验证本发明的效果，下面以MATLABR2012bSimulink仿真环境下± 200kV，100MW双端柔性直流输电系统仿真模型为例，对半桥子模块MMC、全 桥子模块MMC和混合子模块MMC以及优化混合式子模块MMC的直流故障穿 越能力进行评价。所有上述待考察模型的各桥臂包含20个电容，电容容值相同， 额定子模块电容电压为20kV，桥臂电流I_arm设为179A，额定无功35MVar。其中 混合式子模块MMC中每个桥臂包括2个全桥子模块、6个箝位双子模块和6个 半桥子模块；优化混合式子模块MMC每个桥臂含有2个全桥子模块、7个箝位 双子模块和4个半桥子模块，并将全桥子模块电容容值变为原来的2倍。

为统一仿真工况，0.2s时系统出现直流双极短路故障，1ms后系统闭锁或进 行相关处理，0.25s交流侧跳闸，在计算直流故障穿越能力指标时将权重系数D 统一设置为0.3。

其中半桥式子模块MMC的仿真结果如图3所示，从中可以见看出故障电流 积分值为144，最大偏差电压由最小电压产生，为0.098pu，半桥式子模块MMC 每桥臂需40个IGBT，本发明是以半桥式MMC的故障穿越能力作为基准，故其 直流故障穿越能力为1。

全桥式子模块MMC的仿真结果如图4所示，故障电流积分值S_I＝1.34，最 大偏差电压U_{diff_max}由最高电压产生，为0.09pu，每桥臂所需IGBT个数为80个， 经过本发明故障穿越能力的计算，其故障穿越能力k_{FBSM_MMC}＝16.5。

箝位双子模块MMC的仿真结果如图5所示，故障电流积分值S_I＝2.1，最大 偏差电压U_{diff_max}由最高电压产生，为0.105pu，每桥臂所需IGBT个数为50个， 经过本发明故障穿越能力的计算，其故障穿越能力k_{CDSM_MMC}＝16.98。

混合式子模块MMC的仿真结果如图6所示，故障电流积分值S_I＝2.85，最 大偏差电压U_{diff_max}由最高电压产生，为0.445pu，每桥臂共需IGBT个数为50个。 经过本发明故障穿越能力的计算，其故障穿越能力k_{Hybrid_MMC}＝12.25。

优化混合式子模块MMC的仿真结果如图7所示，故障电流积分值S_I＝2.46， 最大偏差电压U_{diff_max}由最高电压产生，为0.15pu，每桥臂共需IGBT个数为51 个，经过本发明故障穿越能力的计算，其故障穿越能力k_{Optimize_Hybrid_MMC}＝14.13。

将上述仿真结果汇总后如表1所示。通过对比可以发现，尽管全桥式MMC 在故障穿越时各项指标均最优，但考虑到其达到该故障能力所花费的代价太大， 因此其综合的故障穿越能力k并不是最优的；而各项性能均处于中间水平的箝位 双子模块式MMC，由于所需IGBT个数相对较少，反而性价比最高；混合式MMC 在经过优化后，其故障穿越能力k明显上升，已经接近箝位双子模块式MMC的 水平。综上所述，在权重系数D＝0.3的情况下，根据本发明的评价方法选择出箝 位双子模块MMC为换流器的最优拓扑。

表1

因此，本发明从故障电流抑制能力、故障后子模块过压程度以及IGBT个数三 方面，对各类拓扑MMC的直流故障穿越能力进行量化评价，得到一个综合的评 价指数，得到的评价结果能够为柔性直流输电换流器拓扑选择提供准确的参考， 有助于直流故障率较高场合中MMC拓扑的选取。