Mmc-hvdc交流側(cè)故障的過電流檢測(cè)方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種MMC-HVDC交流側(cè)故障的過電流計(jì)算 方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 柔性直流輸電，是一種基于全控器件的VSC-HVDC(voltagesourceconverter basedhighvoltagedirectcurrentequipment，電壓源換流器高壓直流輸電）。它具有 無換相失敗危險(xiǎn)、有功和無功功率可獨(dú)立控制、可在電網(wǎng)故障下提供支撐等優(yōu)點(diǎn)，在可再生 能源發(fā)電并網(wǎng)、異步聯(lián)網(wǎng)和大城市中心負(fù)荷供電等場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。MMC(modular multilevelconverter，模塊化多電平換流器）作為一種新型的多電平換流器，極大地推動(dòng) 了柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展?；谀K化多電平換流器的柔性直流輸電（MMC-HVDC)的橋 臂采用了子模塊級(jí)聯(lián)的方式，在具有VSC-HVDC優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還兼具模塊化程度高、諧波含 量小、階躍電壓低、可以與高壓電網(wǎng)直接相連等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 由于MMC-HVDC采用全控電力電子器件作為實(shí)現(xiàn)功率變換的核心部件，限于當(dāng)前 全控器件的工藝水平，橋臂的過流能力有限。特別是在交流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，如果全控器件的 電流裕度不夠，容易引起橋臂過流而閉鎖換流器，難以發(fā)揮柔性直流輸電在電網(wǎng)故障下的 支撐作用。為了能夠合理地選取全控器件，通常需要根據(jù)工程的實(shí)際特性檢測(cè)交流故障下 的過電流水平。而三相接地故障作為最嚴(yán)重的一類交流故障，其最大故障電流即決定了過 電流的峰值。因此，交流側(cè)三相接地故障的過電流檢測(cè)，直接關(guān)系到換流器設(shè)計(jì)的可靠性， 成為了校驗(yàn)全控器件選型的基礎(chǔ)。鑒于MMC-HVDC存在多種運(yùn)行工況，且故障可能發(fā)生在任 何時(shí)刻，因此必須找到一種既精確又高效的過電流檢測(cè)方法。
[0004] 目前可以通過在電磁暫態(tài)仿真軟件中搭建詳細(xì)的MMC-HVDC模型來確定交流側(cè)三 相接地故障的過電流。與兩電平、三電平VSC-HVDC在電磁暫態(tài)仿真中采用單個(gè)器件代表整 個(gè)換流閥不同，MMC-HVDC在電磁暫態(tài)仿真中必須單獨(dú)仿真超大數(shù)量的開關(guān)器件，效率低， 耗費(fèi)硬件資源多。并且，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中往往要求對(duì)全運(yùn)行工況范圍內(nèi)的工作點(diǎn)進(jìn)行全 掃描計(jì)算，檢測(cè)效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于此，有必要針對(duì)MMC-HVDC交流側(cè)三相接地故障的過電流檢測(cè)效率低、占用硬 件資源多的問題，提供一種MMC-HVDC交流側(cè)三相接地故障的過電流檢測(cè)方法和系統(tǒng)。
[0006] -種MMC-HVDC交流側(cè)故障的過電流檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0007] 根據(jù)MMC的電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，建立與MMC-HVDC交流側(cè)故障發(fā)生瞬間MMC-HVDC 換流站等效的物理模型；
[0008] 根據(jù)所述物理模型建立MMC-HVDC交流側(cè)故障下上橋臂電壓、上橋臂電流、下橋臂 電壓、下橋臂電流的數(shù)學(xué)模型；
[0009] 根據(jù)所述物理模型和數(shù)學(xué)模型計(jì)算上橋臂電流上升速率和下橋臂電流上升速 率；
[0010] 根據(jù)橋臂電流上升速率、下橋臂電流上升速率確定MMC-HVDC交流側(cè)故障的過電 流。
[0011] -種MMC-HVDC交流側(cè)故障的過電流檢測(cè)系統(tǒng)，包括：
[0012] 第一獲取模塊，用于根據(jù)MMC的電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，建立與MMC-HVDC交流側(cè)故 障發(fā)生瞬間MMC-HVDC換流站等效的物理模型；
[0013] 第二獲取模塊，用于根據(jù)所述物理模型建立MMC-HVDC交流側(cè)故障下上橋臂電壓、 上橋臂電流、下橋臂電壓、下橋臂電流的數(shù)學(xué)模型；
[0014] 第一計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述物理模型和數(shù)學(xué)模型計(jì)算上橋臂電流上升速率和下 橋臂電流上升速率；
[0015] 第一確定模塊，用于根據(jù)橋臂電流上升速率、下橋臂電流上升速率確定MMC-HVDC 交流側(cè)故障的過電流。
[0016] 上述MMC-HVDC交流側(cè)故障的過電流檢測(cè)方法和系統(tǒng)，通過建立與故障發(fā)生瞬間 MMC-HVDC換流站等效的物理模型，建立故障下上橋臂電壓、上橋臂電流、下橋臂電壓、下橋 臂電流的數(shù)學(xué)模型，確定最大過電流，無需在PSCAD/EMTDC等專業(yè)電磁暫態(tài)仿真軟件中進(jìn) 行大量的掃描仿真，能夠顯著提高計(jì)算效率，顯著減少校核換流器中全控器件電流裕度所 花費(fèi)的時(shí)間，進(jìn)而縮短整個(gè)MMC-HVDC規(guī)劃設(shè)計(jì)的周期，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0017] 圖1是一個(gè)實(shí)施例的MMC-HVDC交流側(cè)故障的過電流檢測(cè)方法的流程圖。
[0018] 圖2是一個(gè)實(shí)施例的MMC-HVDC中換流站的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖3是一個(gè)實(shí)施例的換流站中橋臂子模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖4是一個(gè)實(shí)施例的建立與MMC-HVDC交流側(cè)故障發(fā)生瞬間MMC-HVDC換流站等效 的物理模型的方法流程圖。
[0021] 圖5是一個(gè)實(shí)施例的交流側(cè)故障發(fā)生瞬間與MMC-HVDC交流側(cè)故障發(fā)生瞬間 MMC-HVDC換流站等效的物理模型。
[0022] 圖6是一個(gè)實(shí)施例的交流側(cè)故障發(fā)生瞬間與MMC-HVDC交流側(cè)故障發(fā)生瞬間 MMC-HVDC換流站進(jìn)一步等效的物理模型。
[0023] 圖7是一個(gè)實(shí)施例的根據(jù)等效物理模型建立故障下的數(shù)學(xué)模型的方法流程圖。
[0024] 圖8是一個(gè)實(shí)施例的MMC-HVDC交流側(cè)故障的過電流檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖9是一個(gè)實(shí)施例的第一獲取模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖10是一個(gè)實(shí)施例的第二獲取模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合本發(fā)明附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
[0028] 如圖1所示，圖1是一個(gè)實(shí)施例的MMC-HVDC交流側(cè)故障的過電流檢測(cè)方法的流程 圖。本發(fā)明提供的MMC-HVDC交流側(cè)故障的過電流計(jì)算方法包括以下步驟：
[0029] S10,根據(jù)MMC的電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，建立與MMC-HVDC交流側(cè)故障發(fā)生瞬間 MMC-HVDC換流站等效的物理模型；
[0030] 圖2所示的是MMC-HVDC中換流站的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，換流站每一相可以 分上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊和與子模塊串聯(lián)的橋臂電感組成。子模塊結(jié)構(gòu)如 圖3所示，包括一個(gè)儲(chǔ)能電容器CSM，以及Tl、T2兩個(gè)IGBT和Dl、D2反并聯(lián)二極管構(gòu)成的 半H橋電路。當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí)，子模塊輸出的電壓為電容電壓，稱該類工作模式為"投入狀態(tài)"。 在投入狀態(tài)下，電流如果是流入子模塊，則電容充電，電容電壓升高；電流如果是流出子模 塊，則電容放電，電容電壓降低。當(dāng)T2導(dǎo)通時(shí)，子模塊被旁路，輸出電壓為0,稱此類工作模 式為"切除狀態(tài)"。在切除狀態(tài)下，無論電流流向如何，電容電壓基本保持不變。
[0031] 本步驟中的交流側(cè)三相接地故障，是指發(fā)生在圖2所示聯(lián)接變壓器電網(wǎng)側(cè)的交流 接地故障，其特征是電網(wǎng)三相交流電壓有效值瞬時(shí)跌落到同一水平。對(duì)于聯(lián)接變壓器閥側(cè) 發(fā)生的交流接地故障，屬于換流站內(nèi)故障，不在本發(fā)明的討論范圍之內(nèi)。
[0032] 如圖4所示，圖4是一個(gè)實(shí)施例的建立與MMC-HVDC交流側(cè)故障發(fā)生瞬間MMC-HVDC 換流站等效的物理模型的方法流程圖。具體流程如下：
[0033] S101，檢測(cè)故障發(fā)生瞬間上橋臂電流和下橋臂電流；
[0034] 當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，電路中的電流、電壓平衡被打破。此時(shí)，故障電流持續(xù)注入上橋臂 和下橋臂，導(dǎo)致上橋臂和下橋臂中子模塊的電容電壓改變。
[0035] S102,根據(jù)MMC電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)確定上橋臂各子模塊的電容值，根據(jù)MMC電路 結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)確定下橋臂各子模塊的電容值；
[0036] 在一個(gè)實(shí)施例中，MMC電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)可包括:MMC的視在功率S，電容電壓波 動(dòng)百分比￡，調(diào)制比m，單個(gè)橋臂的子模塊數(shù)N、功率因數(shù)COS妒以及額定角頻率c^。子模 塊電容值CSM可由下式進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型：
[0037]
⑴
[0038] S103,根據(jù)故障發(fā)生瞬間上橋臂的電流、下橋臂的電流、上橋臂的電容值和下橋 臂的電容值，確定上橋臂子模塊的電容電壓的變化率和下橋臂子模塊的電容電壓的變化 率；
[0039] 在交流側(cè)三相接地故障發(fā)生的瞬間，由于對(duì)側(cè)（非故障側(cè)）的支撐作用，可以認(rèn)為 直流側(cè)電壓基本保持不變。另一方面，上橋臂投入的子模塊電容串聯(lián)在一起，上橋臂等效為 一個(gè)電容，電容電壓為：
[0040] uTarn=nTuSM (2)
[0041] 式中，uTani為等效的上橋臂電容電壓，即橋臂電壓；uSM為單個(gè)子模塊的電容電壓， %為故障時(shí)刻上橋臂投入的子模塊數(shù)量。子模塊電容電壓與橋臂電流之間有以下關(guān)系：
[0042]
( 3 )
[0043] S104,根據(jù)上橋臂子模塊的電容電壓的變化率和下橋臂子模塊的電容電壓的變化 率建立與故障發(fā)生瞬間MMC-HVDC換流站等效的物理模型。
[0044] 下面結(jié)合應(yīng)用實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。
[0045] 以一次實(shí)際獲取結(jié)果作為分析對(duì)象，獲得本申請(qǐng)的各項(xiàng)參數(shù)如下：結(jié)合式（1) (3)，進(jìn)行標(biāo)么化計(jì)算，取NuSM=Udc= 2. 8pu，m= 0? 9，G〇S|?=0::9，.e= 5%，S= 3. 33pu， 并且假定橋臂故障電流上升到額定值的1. 5倍，可得子模塊電容電壓變化率為：
[0046]
( 4.:):
[0047] 亦即橋臂故障電流持續(xù)注入子模塊電容，會(huì)導(dǎo)致其電壓每秒出現(xiàn)70倍的變化，則 每毫秒的變化為〇. 07倍的子模塊電容電壓。而橋臂的過電流通常出現(xiàn)在故障發(fā)生后的幾 百微秒之內(nèi)，之后MMC-HVDC的控制保護(hù)系統(tǒng)會(huì)采取相應(yīng)措施，降低橋臂故障電流。因此，在 分析過流的物理發(fā)展過程中，認(rèn)為子模塊電容電壓基本保持不變。
[0048] 在實(shí)際操作中，以上各項(xiàng)參數(shù)可以選擇不同的值。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，以上各項(xiàng) 參數(shù)的值一般不會(huì)與上述所選值相差太多，一般在同一數(shù)量級(jí)。因此，不同的取值對(duì)上述推 導(dǎo)所得出的結(jié)果將不會(huì)產(chǎn)生太大影響。
[0049] 通過上面的分析，電網(wǎng)故障時(shí)，受端的故障等效物理模型如圖5所示。
[0050] 對(duì)圖5進(jìn)行進(jìn)一步簡化，可以得到如圖6所示的等效物理模型。可以看到，上下橋 臂并聯(lián)，向故障處注入電流。
[0051] S20,根據(jù)所述物理模型建立MMC-HVDC交流側(cè)故障下上橋臂電壓、上橋臂電流、下 橋臂電壓、下橋臂電流的數(shù)學(xué)模型；
[0052] 當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，由于換流器控制保護(hù)系統(tǒng)的采樣、通訊、計(jì)算等過程需要 一定的時(shí)間，因此換流器仍保存故障前的運(yùn)行狀態(tài)不變，上下橋臂投入的子模塊數(shù)基本保 持穩(wěn)定，即上下橋臂電壓來不及變化，而故障點(diǎn)處電壓迅速下降，兩者的壓差降落在橋臂電 感和變壓器等效電感上，從而導(dǎo)致橋臂電流急劇上升。根據(jù)圖6及基爾霍夫電壓電流定律， 可以得到過流過程中的電壓電流方程：
[0053]
(S)
[0054] 式中Lam為橋臂電感，Lt為變壓器等效電感，uTa"、uBam為上、下橋臂電壓，iTa"、:iBam