本發(fā)明屬于直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及混合式模塊化多電平換流器直流短路故障恢復(fù)方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前，隨著全控型電力電子器件的發(fā)展和電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)日益受到重視。模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter，mmc)是柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用電壓源換流器中的一種，它由多個子模塊按照一定的方式連接而成，通過控制各個子模塊igbt組的投入和切除狀態(tài)使換流器輸出的交流電壓逼近正弦波，實現(xiàn)能量的高效傳輸。

傳統(tǒng)的模塊化多電平換流器中，通常采用半橋式子模塊作為基礎(chǔ)單元，以降低換流器的建設(shè)成本。傳統(tǒng)半橋式子模塊mmc在直流短路故障發(fā)生時無法通過自身特性迅速抑制故障電流，必須依靠交流斷路器或直流斷路器才能清除故障電流。該方法的缺點在于：由于交流斷路器的響應(yīng)時間較長，可能導(dǎo)致保護(hù)不及時而造成換流器的過流損壞；此外，配置直流斷路器會提高對設(shè)備的技術(shù)要求，增加系統(tǒng)成本。

為了解決上述問題，有學(xué)者提出采用全橋子模塊或箝位雙子模塊mmc來解決換流器過流損壞的問題：在短路故障后，通過迅速閉鎖換流器，利用全橋子模塊中二極管的反向阻斷能力迅速抑制故障電流，實現(xiàn)直流故障的清除。但是換流器閉鎖后，子模塊電壓會隨著自身損耗而逐漸降低，最終由于電壓不足而被旁路，換流器跳閘，導(dǎo)致柔性直流輸電系統(tǒng)不能從故障中快速恢復(fù)，增加柔性直流輸電系統(tǒng)從故障中恢復(fù)的時間。因此，又有學(xué)者提出采用在傳統(tǒng)半橋子模塊mmc中加入足夠數(shù)量的全橋子模塊，如圖1所示，利用全橋子模塊輸出負(fù)電平的能力，在維持交流側(cè)并網(wǎng)的情況下將直流電壓降低至0，從而迅速抑制故障電流，不閉鎖狀態(tài)下實現(xiàn)直流故障穿越。

但該方法在實現(xiàn)故障穿越后重新建立直流電壓的過程中，需要在并聯(lián)的換流站之間進(jìn)行高速通訊，從而同步提升直流電壓。而對于直流輸電應(yīng)用場合中，不同換流站間距離通常很遠(yuǎn)，在兩者之間建立遠(yuǎn)距離高速通信無疑將會大大增加建設(shè)成本；此外，當(dāng)站間通信異常時，并聯(lián)的換流站之間將無法同步提升直流電壓，站間通信的不可靠性對直流故障產(chǎn)生不利影響。

因此，非常有必要提出一種不依賴站間通訊的控制策略，使得發(fā)生直流短路故障的雙端或多端子模塊混合式柔性直流輸電系統(tǒng)，在不需要站間高速通訊的情況下仍能夠快速、穩(wěn)定、可靠的實現(xiàn)直流電壓的重新建立和傳輸功率的恢復(fù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種混合式模塊化多電平換流器直流短路故障恢復(fù)方法及裝置，用于解決半橋與全橋子模塊混合式模塊化多電平換流器在短路故障恢復(fù)過程中，站間通訊異常時無法同步提升直流電壓的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種混合式模塊化多電平換流器直流短路故障恢復(fù)方法，包括六個方法方案：

方法方案一，包括以下步驟：

一個換流站作為主站，其他換流站作為從站；所述主站將直流電壓從零提升至額定值；所述從站根據(jù)直流電流反饋值與直流電流參考值之差，同步跟蹤所述直流電壓，直至所述直流電壓提升至額定值。

方法方案二，在方法方案一的基礎(chǔ)上，所述主站根據(jù)設(shè)定的第一直流偏置，將所述直流電壓從零提升至額定值；所述第一直流偏置用于結(jié)合三相調(diào)制波生成主站換流器的橋臂電壓。

方法方案三，在方法方案一的基礎(chǔ)上，所述從站將直流電流反饋值與直流電流參考值作差后，經(jīng)過比例控制器或比例積分控制器，生成橋臂調(diào)制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于結(jié)合三相調(diào)制波生成從站換流器的橋臂電壓。

方法方案四、五，分別在方法方案二、三的基礎(chǔ)上，所述主站換流器或從站換流器的橋臂電壓計算式如下：

式中，當(dāng)varm為主站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第一直流偏置，eabc為三相調(diào)制波；當(dāng)varm為從站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第二直流偏置，eabc為三相調(diào)制波。

方法方案六，在方法方案一的基礎(chǔ)上，還包括判斷短路故障是否清除的步驟：當(dāng)短路故障已經(jīng)清除時，再選擇作為主站的換流站、作為從站的換流站。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提出一種混合式模塊化多電平換流器直流短路故障恢復(fù)裝置，包括六個裝置方案：

裝置方案一，包括以下單元：

選擇單元：用于選擇一個換流站作為主站，其他換流站作為從站；

執(zhí)行單元：用于所述主站將直流電壓從零提升至額定值；所述從站根據(jù)直流電流反饋值與直流電流參考值之差，同步跟蹤所述直流電壓，直至所述直流電壓提升至額定值。

裝置方案二，在裝置方案一的基礎(chǔ)上，還包括第一直流偏置單元：用于所述主站根據(jù)設(shè)定的第一直流偏置，將所述直流電壓從零提升至額定值；所述第一直流偏置用于結(jié)合三相調(diào)制波生成主站換流器的橋臂電壓。

裝置方案三，在裝置方案一的基礎(chǔ)上，還包括第二直流偏置單元：用于所述從站將直流電流反饋值與直流電流參考值作差后，經(jīng)過比例控制器或比例積分控制器，生成橋臂調(diào)制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于結(jié)合三相調(diào)制波生成從站換流器的橋臂電壓。

裝置方案四、五，分別在裝置方案二、三的基礎(chǔ)上，所述主站換流器或從站換流器的橋臂電壓計算式如下：

式中，當(dāng)varm為主站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第一直流偏置，eabc為三相調(diào)制波；當(dāng)varm為從站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第二直流偏置，eabc為三相調(diào)制波。

裝置方案六，裝置方案一的基礎(chǔ)上，還包括判斷短路故障是否清除的單元：用于當(dāng)短路故障已經(jīng)清除時，再選擇作為主站的換流站、作為從站的換流站。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將需要恢復(fù)的換流站分為主站模式和從站模式，當(dāng)選擇一個換流站作為主站時；其他換流站作為從站，主站逐漸抬升直流電壓至額定值時，從站通過直流電流反饋值與直流電流參考值之差，跟蹤主站的直流電壓，實現(xiàn)直流電壓的同步提升。本發(fā)明在整個恢復(fù)過程中不需要進(jìn)行站間通訊，不需要斷路器配合，換流站在直流短路故障結(jié)束后能夠快速、穩(wěn)定的恢復(fù)直流電壓，能根據(jù)預(yù)設(shè)流程與自身電氣量檢測恢復(fù)至直流故障前的正常運行狀態(tài)，恢復(fù)過程中無沖擊電流，并能持續(xù)維持并網(wǎng)狀態(tài)。

附圖說明

圖1是半橋、全橋子模塊混合式mmc的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是子模塊混合式mmc直流短路故障恢復(fù)方法流程圖；

圖3是主站換流器控制框圖；

圖4是從站換流器控制框圖；

圖5是恢復(fù)過程中恢復(fù)主站的電氣量波形；

圖6是恢復(fù)過程中恢復(fù)從站的電氣量波形。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明的一種混合式模塊化多電平換流器直流短路故障恢復(fù)方法的實施例：

如圖1所示的半橋、全橋子模塊混合式模塊化多電平換流器構(gòu)成的雙端或多端柔性直流輸電系統(tǒng)，系統(tǒng)中全橋與半橋子模塊數(shù)量分別為n、m，其中n≥2、m≥2；圖1中：usm為子模塊電壓，udc為直流電壓，hbsm(half-bridgesub-module)為半橋子模塊，fbsm(full-bridgesub-module)為全橋子模塊。當(dāng)檢測到直流雙極短路故障發(fā)生后，全橋子模塊可以輸出負(fù)電壓，利用這一特性可以使系統(tǒng)在維持交流電壓幅值不變的前提下，更加靈活地控制系統(tǒng)直流電壓udc。利用全橋子模塊能夠輸出負(fù)電平的能力，換流器采用不閉鎖換流器的方式進(jìn)行直流故障穿越，故障電流被限制為0，此過程中子模塊電壓usm一直維持在額定值。

在直流電流被限制為0后，短路故障即被清除，直流輸電系統(tǒng)開始恢復(fù)流程，如圖2所示。持續(xù)判斷短路故障是否已經(jīng)完全清除，若判斷為已經(jīng)清除，在各換流站中指定正常運行時采用定直流電壓控制的換流站作為主站，其余作為從站。主站根據(jù)設(shè)定的斜率控制其直流偏置，使直流偏置的標(biāo)幺值從0上升至1，將直流電壓從零提升至額定值；其余換流站作為從站，通過直流電流負(fù)反饋控制從站的直流偏置，根據(jù)直流電流反饋值與直流電流參考值控制其直流偏置，同步跟蹤直流電壓，直至直流電壓提升至額定值。各換流站在判斷直流電壓達(dá)到額定值并穩(wěn)定后，切換回原有的正常運行狀態(tài)，主站和從站均恢復(fù)為故障前的工作模式，主站為定直流電壓控制站、從站為定功率控制站，并恢復(fù)功率輸送。

主站與從站的控制采用以下所述的換流器控制器：

控制器內(nèi)環(huán)仍然采用傳統(tǒng)的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流pi控制器；d軸電流指令值由子模塊電壓控制外環(huán)生成，通過將子模塊電壓平均值與指令值相比較送入pi控制器得到；q軸電流指令值由無功功率控制外環(huán)生成，通過將無功功率反饋值與指令值相比較送入pi控制器得到?？刂苾?nèi)環(huán)得到的三相調(diào)制波eabc，需要按照下式進(jìn)行處理后得到6個橋臂的輸出電壓：

式中，當(dāng)varm為主站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為設(shè)定的第一直流偏置的標(biāo)幺值，eabc為三相調(diào)制波；當(dāng)varm為從站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為設(shè)定的第二直流偏置的標(biāo)幺值，eabc為三相調(diào)制波。正常運行時k＝1，主站控制器中的k(第一直流偏置)按照設(shè)定斜率從0逐漸上升至額定值，從站控制器中的k(第二直流偏置)通過直流電流負(fù)反饋經(jīng)比例控制器或比例積分控制器得到；上式中正負(fù)號的取值和各橋臂的位置有關(guān)，例如圖1中計算上橋臂的輸出電壓時上式取負(fù)號，計算下橋臂的輸出電壓時上式取正號。

作為主站的換流站的控制框圖如圖3所示，在傳統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上，采用子模塊電壓控制器作為有功電流外環(huán)，用于穩(wěn)定換流器子模塊電壓；同時，采用無功功率控制器作為無功電流外環(huán)，使換流器在整個故障恢復(fù)過程中都能為連接的電網(wǎng)提供無功功率支撐。

作為從站的換流站的控制框圖如圖4所示，在與主站一樣，在傳統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上，采用子模塊電壓控制器作為有功電流外環(huán)，用于穩(wěn)定換流器子模塊電壓；采用無功功率控制器作為無功電流外環(huán)，使換流器能電網(wǎng)提供無功功率支撐。

從站中在計算各橋臂輸出電壓時，直流偏置標(biāo)幺值的確定如圖4所示，通過直流電流反饋與直流電流參考值比較后經(jīng)比例控制器或比例積分控制器計算得到(通常直流電流參考值可以設(shè)置為0，電流正方向選擇為流入換流器方向)。此時，當(dāng)主站輸出的直流電壓提升時，會使從站側(cè)采樣得到的直流電流增大，與參考值比較后經(jīng)比例積分控制器(或者比例控制器)放大后，使從站的直流偏置上升，從站側(cè)的直流電壓將隨之上升，從而達(dá)到跟隨主站直流電壓的作用。當(dāng)換流站檢測出各自的直流電壓已經(jīng)到達(dá)額定值后，轉(zhuǎn)入正常運行狀態(tài)，主站和從站均恢復(fù)為故障前的工作模式。

以雙端柔性直流輸電系統(tǒng)為例，采用matlab/simulink仿真對本發(fā)明的模塊化多電平換流器直流短路故障恢復(fù)方法進(jìn)行驗證。經(jīng)仿真，主站直流電壓、直流電流、有功功率、無功功率及子模塊電壓的仿真波形如圖5所示，在0.1s時，系統(tǒng)檢測到直流短路故障已經(jīng)完全清除，因此開始按照設(shè)定斜率提升直流偏置，波形中表現(xiàn)為直流電壓的穩(wěn)步提升；在0.45s時，系統(tǒng)判斷直流電壓達(dá)到額定值，因此恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)定直流電壓控制策略，即正常運行的定電壓控制模式。

從站直流電壓、直流電流、有功功率、無功功率及子模塊電壓的仿真波形如圖6所示，其直流電壓自始至終能夠較好的跟蹤主站，在跟蹤過程中，由于檢測延時及控制器特性的影響會出現(xiàn)約0.25pu的直流電流，電流幅值遠(yuǎn)小于額定值，不影響恢復(fù)過程；在達(dá)到額定值后，從站切換為穩(wěn)態(tài)的定功率控制模式，整個恢復(fù)階段結(jié)束。

本實施例中，正常運行時采用定直流電壓控制的換流站既可以作為恢復(fù)的主站，也可以作為恢復(fù)的從站，當(dāng)正常運行時采用定直流電壓控制的換流站作為從站時，在其他換流站中指定主站。

本發(fā)明的混合式模塊化多電平換流器直流短路故障恢復(fù)方法，在全橋、半橋子模塊mmc不閉鎖狀態(tài)下實現(xiàn)直流短路故障穿越后，在故障恢復(fù)過程中不依賴站間通訊，使得發(fā)生直流短路故障的雙端或多端子模塊混合式柔性直流輸電系統(tǒng)，在不需要站間通訊的情況下，各換流站均能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的主從角色、憑借對自身電氣量的檢測結(jié)果進(jìn)行直流升壓、電壓跟蹤等動作，快速、穩(wěn)定使直流輸電系統(tǒng)恢復(fù)至正常運行狀態(tài)。并且采用了子模塊電壓控制器和無功功率控制器分別作為有功電流外環(huán)和無功電流外環(huán)，使在故障恢復(fù)過程中各子模塊電壓穩(wěn)定，無功功率輸出正常，電氣量均維持穩(wěn)定，沒有電流或電壓沖擊，所有換流站均能同時維持自身子模塊電壓穩(wěn)定、且為交流系統(tǒng)提供無功功率支撐。

本發(fā)明一種混合式模塊化多電平換流器直流短路故障恢復(fù)裝置的實施例，該裝置包括以下單元：

選擇單元：用于選擇一個換流站作為主站，其他換流站作為從站；

執(zhí)行單元：用于所述主站將直流電壓從零提升至額定值；所述從站根據(jù)直流電流反饋值與直流電流參考值之差，同步跟蹤所述直流電壓，直至所述直流電壓提升至額定值。

上述實施例中所指的混合式模塊化多電平換流器直流短路故障恢復(fù)裝置，實際上是基于本發(fā)明方法流程的一種計算機解決方案，即一種軟件構(gòu)架，可以應(yīng)用到換流站中，上述裝置即為與方法流程相對應(yīng)的處理進(jìn)程。由于對上述方法的介紹已經(jīng)足夠清楚完整，而本實施例聲稱的裝置實際上是一種軟件構(gòu)架，故不再詳細(xì)進(jìn)行描述。