一种基于直流母线双极等电位的MMC‑HVDC直流短路故障穿越方法

摘要

本发明涉及一种基于直流母线双极等电位的MMC‑HVDC直流短路故障穿越方法，属于柔性直流输电系统直流故障保护方法。该方法通过控制MMC直流侧母线双极电位近似相等，使直流侧短路故障电流接近为零，在MMC可控的情况下实现直流双极短路故障穿越。基本原理为检测到直流短路电流后迅速切换到故障运行模式，根据电网电压的极性选择MMC三相上、下桥臂的闭锁和导通，将MMC电路拓扑等效为链式星型拓扑，控制三相导通的上、下桥臂电压抵住电网电压，实现直流母线双极电位近似相等，达到直流侧短路故障电流接近为零。本方法无需交流断路器，并在故障穿越期间维持MMC子模块电容电压平衡，故障消除后，可迅速恢复功率传输。

说明书

技术领域

发明涉及一种基于直流母线双极等电位的MMC-HVDC直流短路故障穿越方法，属于柔性直流输电系统直流故障控制保护方法。

背景技术

基于MMC的柔性直流输电技术，具有经济灵活、可以向无源网络供电、独立的控制有功功率和无功功率和输出电能质量高等优势，已被广泛应用在风电场并网、异步电网互联，远距离大容量输电等领域。柔性直流输电虽然有上述众多优势，但是目前存在的柔性直流输电工程中，不论是两电平、三电平还是半桥型的MMC拓扑，都不能在直流侧线路发生故障时通过闭锁换流器快速阻断故障电流。并且由于直流故障电流无法自然过零点，熄弧困难，柔性直流系统中、大容量直流断路器的商业应用尚不成熟。

目前，针对该问题主要的解决方法就是利用换流器自身实现直流故障自清除。近年来国内外学者提出的各类具有直流故障自清除能力MMC子模块，包括：全桥子模块拓扑结构和箝位双子模块、串联双子模块、混合型子模块、增强自阻型子模块、二极管箝位型子模块等半桥型改进拓扑如图4所示。这些半桥型改进拓扑结构既保留了直流故障自清除的能力又降低了全桥子模块所需的电力电子器件的数量。MMC直流侧发生故障之后，迅速的闭锁换流器可以快速的阻断故障电流，并且子模块的电容电压在没有功率消耗的情况下会保持不变，有利于换流器故障消除后的重新启动和直流侧电压的建立。但是实际工程中，子模块具有恒功率负载特性，换流器闭锁后子模块电容电压会出现逐渐下降并发散的现象，最终导致交流断路器跳闸。为了解决这一问题，有文献提出来针对全桥子模块的MMC直流侧故障穿越方法，使换流器在故障期间保持可控的状态，通过控制直流侧正负极电压为零，并维持电容电压的平衡，实现直流侧的故障穿越。这种方法只能适用于全桥子模块结构，采用的IGBT比半桥型子模块多了一倍。所以现在亟待需要提出一种新型的MMC-HVDC直流双极短路故障穿越方法。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于直流母线双极等电位的MMC-HVDC直流短路故障穿越方法，在换流器可控的情况下控制上、下桥臂电压抵住电网电压以达到控制直流侧短路电流接近为零的目的，并在故障穿越期间并维持直流侧电容电压的平衡。

技术方案：一种基于直流母线双极等电位的MMC-HVDC直流短路故障穿越方法，包括如下步骤：

步骤1，检测是否发生直流双极短路故障，故障发生后换流器的控制方式由正常运行模式切换到故障穿越模式；

步骤2，运行故障穿越模式；

步骤3，判断直流侧线路双极短路故障是否已经清除，故障清除以后切换回正常运行模式，恢复功率传输。

作为本发明的优选方案，所述步骤2包括如下具体步骤：

步骤2.1，采集电网电压u_sa，u_sb，u_sc和网侧电流i_a，i_b，i_c并对电网电压和网侧电流进行Clark和Park变换，得到d轴分量和q轴分量的电网电压u_sd，u_sq和网侧电流i_d，i_q；

步骤2.2，采集MMC中三相上桥臂中各个子模块的电容电压u_ALPi，u_BLPi，u_CLPi和下桥臂中各个子模块的电容电压u_ALNi，u_BLNi，u_CLNi，并对三相上、下桥臂中子模块电容电压进行分别相加得到三相上桥臂中电容电压之和u_ALP，u_BLP，u_CLP和三相下桥臂电容电压之和u_ALN，u_BLN，u_CLN，其中i＝1,2…n；

步骤2.3，根据由步骤2.1得到的u_sa，u_sb，u_sc判断三相电网电压的极性，根据三相电网电压的极性去判断并选择对应的MMC模块三相上、下桥臂的闭锁和导通，具体为：

A相控制方法为：

当u_sa>0时，控制A相的上桥臂的IGBT全部闭锁；A相的下桥臂处于导通状态；

当u_sa<0时，控制A相的下桥臂的IGBT全部闭锁；A相的上桥臂处于导通状态；

B相控制方法为：

当u_sb>0时，控制B相的上桥臂的IGBT全部闭锁；B相的下桥臂处于导通状态；

当u_sb<0时，控制B相的下桥臂的IGBT全部闭锁；B相的上桥臂处于导通状态；

C相控制方法为：

当u_sc>0时，控制C相的上桥臂的IGBT全部闭锁；C相的下桥臂处于导通状态；

当u_sc<0时，控制C相的下桥臂的IGBT全部闭锁；C相的上桥臂处于导通状态；

步骤2.4，根据步骤2.2和步骤2.3得到故障穿越模式下MMC处于导通状态的上、下桥臂，将处于导通状态的三相上、下桥臂中所有子模块电容电压相加得u_ABCL；

步骤2.5，将由步骤2.4得到的u_ABCL乘以1/3N得到处于导通状态的上、下桥臂中所有子模块电容电压的平均值用子模块电容电压的给定值减去经过PI调节器得到同步旋转坐标系下网侧电流d轴分量的给定值并且给定网侧电流q轴分量的参考值为零；其中，N为每个桥臂子模块个数；

步骤2.6，将由步骤2.5得到的网侧电流参考值减去由步骤2.1得到的网侧电流i_d，经过PI调节器得到PI调节器输出参考电压的d轴分量

步骤2.7，将由步骤2.5得到网侧电流的q轴分量的给定值减去由步骤2.1得到网侧电流的q轴分量i_q，经过PI调节器得到PI调节器输出参考电压的q轴分量

步骤2.8，将电网电压u_sd加上ω(L+L₀)i_q，再减去由步骤2.6得到的得到调制电压的d轴分量电网电压u_sq减去ω(L+L₀)i_d，再减去由步骤2.7得到的得到调制电压q轴分量和经过Park反变换和Clark反变换得到最终的调制电压

步骤2.9，将步骤2.8得到的调制电压送入调制单元，得到驱动MMC三相处于导通状态的上、下桥臂中功率器件的控制信号s_a、s_b、s_c。

有益效果：本发明提出来的方法是基于直流母线双极等电位的MMC-HVDC直流侧线路双极短路故障穿越方法，由于采用了上述方案，检测到直流短路电流后迅速地切换到故障运行模式下，根据电网电压的极性控制MMC三相上、下桥臂的闭锁和导通，在换流器可控的情况下控制上、下桥臂电压抵住电网电压以达到直流侧短路故障电流接近为零并维持直流侧电容电压平衡的目的。

本发明的直流双极短路故障穿越方法，是基于具有直流故障自清除能力的半桥型改进拓扑，与全桥子模块相比降低了电力电子器件的数量。并且无需交流断路器跳闸，使换流器在可控状态下实现故障穿越，并在故障穿越期间维持子模块电容电压的平衡。故障消除后可快速恢复功率传输。

附图说明

图1为本发明的MMC双极短路故障运行流程图；

图2为本发明的MMC故障运行模式下的控制结构图；

图3为本发明的单端MMC主电路拓扑结构图；

图4为本发明可使用的具有直流故障自清除能力的半桥型改进拓扑结构图；(a)混合型子模块拓扑结构；(b)箝位型双子模块拓扑结构；(c)串联双子模块拓扑结构；(d)二极管箝位型子模块拓扑结构；(e)增强自阻型子模块拓扑结构；

图5为本发明的三相上、下桥臂导通开关控制情况图；

图6为本发明的MMC故障运行时几条潜在通路图；

图7为本发明的MMC故障运行模式下的等效电路图；

图8(a)为本发明的五电平MMC直流侧电流I_dc波形图；

图8(a)为本发明的五电平MMC直流侧电压U_dc波形图；

图9(a)为本发明的五电平MMC的A相子模块电容电压波形图；

图9(b)为本发明的五电平MMC的B相子模块电容电压波形图；

图9(c)为本发明的五电平MMC的C相子模块电容电压波形图；

图2中，1、电网电源；2、模块化多电平换流器(MMC)；3、电网电压的检测单元；4、网侧电流的检测单元；5、软锁相环单元；6、MMC三相上、下桥臂电容电压检测单元7、电压外环控制单元；8、电流内环控制单元；9、CPS-PWM调制单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种基于直流母线双极等电位的MMC-HVDC直流短路故障穿越方法，如图1所示，具体实施方法共有三个步骤：包括1、检测是否发生直流双极短路故障，故障发生后换流器的控制方式切换到故障穿越模式；2、运行故障穿越模式3、判断是否解除故障，故障清除后切换回正常运行模式，恢复功率传输。

其中，步骤1通过电流互感器检测到直流双极短路的故障电流值，故障电流超过预设阀值后，将换流器的控制方式由正常运行模式切换到故障穿越模式。

如图2所示，步骤2的运行故障穿越模式过程：

步骤2.1，采集电网电压u_sa，u_sb，u_sc和网侧电流i_a，i_b，i_c并对电网电压和网侧电流进行Clark和Park变换，得到d轴分量和q轴分量的电网电压u_sd，u_sq和网侧电流i_d，i_q；

步骤2.2，采集MMC中三相上桥臂中各个子模块的电容电压u_ALPi，u_BLPi，u_CLPi和下桥臂中各个子模块的电容电压u_ALNi，u_BLNi，u_CLNi，并对三相上、下桥臂中子模块电容电压进行分别相加得到三相上桥臂中电容电压之和u_ALP，u_BLP，u_CLP和三相下桥臂电容电压之和u_ALN，u_BLN，u_CLN，其中i＝1,2…n；

步骤2.3，根据由步骤2.1得到的u_sa，u_sb，u_sc判断三相电网电压的极性，根据三相电网电压的极性去判断并选择对应的三相上、下桥臂的闭锁和导通，具体为：

A相控制方法为：

当u_sa>0时，控制A相的上桥臂的IGBT全部闭锁；A相的下桥臂处于导通状态；

当u_sa<0时，控制A相的下桥臂的IGBT全部闭锁；A相的上桥臂处于导通状态；

B相控制方法为：

当u_sb>0时，控制B相的上桥臂的IGBT全部闭锁；B相的下桥臂处于导通状态；

当u_sb<0时，控制B相的下桥臂的IGBT全部闭锁；B相的上桥臂处于导通状态；

C相控制方法为：

当u_sc>0时，控制C相的上桥臂的IGBT全部闭锁；C相的下桥臂处于导通状态；

当u_sc<0时，控制C相的下桥臂的IGBT全部闭锁；C相的上桥臂处于导通状态；

步骤2.4，根据步骤2.2和步骤2.3得到故障穿越模式下MMC处于导通状态的上、下桥臂，将处于导通状态的三相上、下桥臂中所有子模块电容电压相加得u_ABCL；

步骤2.5，将由步骤2.4得到的u_ABCL乘以1/3N得到处于导通状态的上、下桥臂中所有子模块电容电压的平均值用子模块电容电压的给定值减去经过PI调节器得到同步旋转坐标系下网侧电流d轴分量的给定值并且给定网侧电流q轴分量的参考值为零；

步骤2.6，将由步骤2.5得到的网侧电流参考值减去由步骤2.1得到的网侧电流i_d，经过PI调节器得到PI调节器输出参考电压的d轴分量

步骤2.7，将由步骤2.5得到网侧电流的q轴分量的给定值减去由步骤2.1得到网侧电流的q轴分量i_q，经过PI调节器得到PI调节器输出参考电压的q轴分量

步骤2.8，将电网电压u_sd加上ω(L+L₀)i_q，再减去由步骤2.6得到的得到调制电压的d轴分量电网电压u_sq减去ω(L+L₀)i_d，再减去由步骤2.7得到的得到调制电压q轴分量和经过Park反变换和Clark反变换得到最终的调制电压

步骤2.9，将步骤2.8得到的调制电压送入调制单元(9)(如图2所示)，得到驱动MMC三相处于导通状态的上、下桥臂中功率器件的控制信号s_a、s_b、s_c。

检测并判断短路故障是否清除，如果故障没有清除MMC继续运行在故障穿越模式，如果故障已经清除MMC的运行模式由故障穿越模式切换到正常运行模式，恢复功率传输。

本发明的基本原理如下：

基于直流故障自清除能力的半桥型改进子模块MMC中IGBT全部闭锁后，可以迅速阻断直流侧短路电流，此时换流器在稳态时相当于在三相上、下桥臂上加了一个虚拟的导通开关S_kp，S_kn(k＝a，b，c)，MMC正常工作时虚拟导通开关处于导通状态，MMC三相上、下桥臂IGBT全部闭锁时虚拟导通开关处于断开状态，等效的MMC主电路拓扑如图3所示。

图3中u_sk为交流侧三相电源电压(k＝a，b，c)；L，R为交流侧电源和线路上等效的阻抗。u_ko为换流站出口交流输出电压(k＝a，b，c)，i_k为交流侧三相电流(k＝a，b，c)，O为交流侧相电压的中性点，u_kp，u_kn分别表示k相的上、下桥臂的电压，i_kp，i_kn分别表示k相的上、下桥臂的电流，下标p，n分别表示模块化多电平换流站的上桥臂和下桥臂。L₀为换流器的桥臂电抗，U_dc为直流侧电压，I_dc为直流侧电流，P、N分别表示换流站直流侧的正负极。

根据图3可以写出，若是交流侧电网可以向直流侧溃入故障电流。可能存在的通路有6条，由基尔霍夫电压定律可得：

式(1)中u_PN为直流母线正负间的电压。

由基尔霍夫电流定律：

i_ap+i_bp+i_cp＝i_an+i_bn+i_cn＝I_dc(2)

式(2)中I_dc为直流侧电流。

对于三相平衡电网可得：

由式(1)各式相加除以2可得：

化简得：

换流器直流侧故障穿越需要满足u_PN＝0，I_dc＝0。

则式(5)可以化为

(u_ap+u_bp+u_cp)+(u_an+u_bn+u_cn)＝0(6)

不考虑MMC子模块冗余，具有直流故障自清除能力的半桥型改进拓扑，与全桥子模块不同，当子模块处于正常工作状态时，子模块只能输出非负电平，本发明以半桥型改进拓扑结构—增强自阻型子模块为例分析，子模块在正常运行模式时，0≤u_kn，u_kp≤NU_c(k＝a，b，c)，其中U_c为子模块电容电压，N为每个桥臂子模块个数。

在MMC上、下桥臂不闭锁的情况下，只有当u_an＝u_bn＝u_cn＝u_ap＝u_bp＝u_cp＝0时式(6)才能成立，但是此时相当于交流侧三相短路，这种方法有文献采用基于半桥型子模块的改进双晶闸管法，直流故障后闭锁换流器，故障电流从晶闸管流过，抑制直流侧的故障电流，但这种方法把直流侧故障转化为了交流侧三相短路故障，发生永久性故障最终会导致交流断路器跳闸。无法在不使交流断路器跳闸的情况下实现直流侧故障穿越。

把式(4)改写成以下形式得：

若可以满足

即可实现换流器直流侧故障穿越，

因为，0≤u_kn，u_kp≤NU_c(k＝a，b，c)，控制方法如下：当交流侧相电压为正时，闭锁上桥臂全部IGBT，控制下桥臂电压u_kn＝u_sk，此时控制下桥臂电流接近为零，i_kn＝i_k≈0；当交流侧相电压为负时，闭锁下桥臂全部IGBT，控制上桥臂电压u_kp＝-u_sk，此时控制上桥臂电流接近为零，i_kn＝-i_k≈0，这是实现MMC直流侧双极短路故障穿越方法。直流侧电流I_dc为MMC三相处于导通状态的上桥臂电流之和，或者为MMC三相处于导通状态的下桥臂电流之和。因为上、下桥臂电流可以控制接近为零，所以直流侧电流不为零而是在零附近波动。

由前文分析可知，MMC三相上、下桥臂的闭锁和导通情况，相当于在MMC三相六个桥臂分别有个虚拟的导通开关S_kp，S_kn(k＝a，b，c)，实际上这些导通开关是不存在的，导通开关对应关系如表1所示下：

表1

上、下桥臂虚拟的导通开关S_kp，S_kn(k＝a，b，c)在开关状态上互补，S_kp+S_kn＝1，其中

MMC三相上、下桥臂虚拟的导通开关S_kp，S_kn，在一个工频周期内一共有六个区间，不同的区间MMC上、下桥臂闭锁和导通的情况如图5所示：

当采用基于增强自阻型子模块MMC-HVDC直流双极短路故障穿越控制方法时，以第三区间为例分析MMC故障运行时是否存在潜在的通路，第三区间时A相电压极性为正，B相电压极性为正，C相电压极性为负时刻为例，根据控制方式A相的下桥臂导通，上桥臂闭锁，B相的下桥臂导通，上桥臂闭锁，C相的上桥臂导通，下桥臂闭锁。此刻交流系统馈入直流网络或换流器潜在通路的存在三条如图6所示，经换流器两相上、下桥臂和直流侧故障弧道构成的路径1和路径2；经换流器内部两相上桥臂(下桥臂)构成的路径3。

若路径1存在通路则必有式(9)成立

u_D＞0(9)

式(9)中u_D为A相上桥臂等效的串联二极管上的压降。

根据基尔霍夫电压定律：

式(10)中u_ao为换流器A相出口电压，u_PO为直流母线正极P点到交流侧相电压中性点O的电压。

但是正常工作时MMC输出电压调制M小于等于1，

式(11)中U_dc为直流侧电压，U_ph为交流相电压的幅值，U_c模块电容电压，N为MMC一个桥臂子模块的个数。

由式(10)和式(11)可得

由式(9)和式(12)相矛盾可知路径1通路不存在。

其他两条通路采取上述同样的分析方法，得出潜在的三条通路都不存在。

对图3所示MMC，根据故障穿越方法，重新写出换流器的数学模型。

式(13)中v_k为k相(k＝a，b，c)处于导通状态的上、下桥臂电压。

忽略交流侧等效电阻，对式(13)进行三相静止坐标到两相旋转坐标变换(abc/dq)

式(13)中：u_sd、u_sq分别为电网电压矢量的d、q分量；v_d、v_q分别为处于导通状态的上、下桥臂电压矢量的d、q分量；i_d、i_q分别为变流器网侧电流矢量的d、q分量；ω为电网角频率。

以第三区间为例分析MMC故障运行时的通路，第三区间时A相电压极性为正，B相电压极性为正，C相电压极性为负时刻为例，根据控制方式A相的上桥臂IGBT全部闭锁，控制下桥臂电压u_an＝v_a，B相的上桥臂IGBT全部闭锁，控制下桥臂电压u_bn＝v_b，C相的下桥臂IGBT全部闭锁，控制上桥臂电压u_cp＝-v_c。因此在故障模式下运行的MMC可以等效为链式星型接法时控制，P点和N点电位近似相等，如图7所示。

为了验证上述的基于直流母线双极等电位的的MMC直流双极短路故障穿越方法，在PSCAD软件中搭建单端五电平MMC-HVDC系统进行仿真验证。仿真参数如表2所示：

表2

图8(a)、(b)为0.51s时MMC发生直流侧双极短路故障，0.513s后投入本发明提出的双极短路故障穿越方法后直流侧电流I_dc和直流侧电压U_dc波形，从图8(a)、(b)可以看出，在直流侧故障发生后直流侧电流迅速增加，直流侧电压瞬间下降为零，在0.513s后投入本发明提出的双极短路故障穿越方法后，直流侧短路电流I_dc快速减小，稳态时I_dc在很小的范围内波动，使换流器在可控的情况下实现直流侧故障穿越。

图9(a)、(b)、(c)为0.51s时MMC发生直流侧双极短路故障，0.513s后投入本发明提出的双极短路故障穿越方法后A、B、C三相子模块电容电压波形，从图9(a)、(b)、(c)可以看出子模块电容电压能够维持在额定值附近波动，有利于换流器的故障解决后直流侧电压的建立。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。