本發(fā)明屬于柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流故障保護(hù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種對(duì)稱雙極mmc直流側(cè)單極接地故障穿越和恢復(fù)方法。

背景技術(shù)：

由于能源短缺和環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題日益凸顯，風(fēng)力和太陽(yáng)能等新型可再生能源發(fā)電量占總發(fā)電量的比例逐漸增加。在我國(guó)，風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源大多集中在偏遠(yuǎn)地區(qū)，造成了能源和負(fù)荷的地理位置分布不均衡，需要長(zhǎng)距離、大容量輸送電能。在應(yīng)用于長(zhǎng)距離，大容量輸電時(shí)，高壓交流輸電系統(tǒng)的成本和無(wú)功損耗隨著輸電距離的增加迅速增加。因此，高壓直流輸電技術(shù)逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并得到了迅速的發(fā)展。

基于電壓源型變換器vsc(voltagesourceconverter)的高壓直流輸電hvdc(high-voltagedirect-current)技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)具有：無(wú)需無(wú)功補(bǔ)償、沒有換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率等優(yōu)勢(shì)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的兩電平和三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模塊化多電平換流器mmc(modularmultilevelconverter)具有結(jié)構(gòu)高度模塊化、易于擴(kuò)展、無(wú)需多繞組隔離變壓器和輸出電壓諧波低等優(yōu)點(diǎn)，已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，如美國(guó)的transbay工程、中國(guó)的舟山五端柔性直流輸電工程。

對(duì)稱雙極接線方案是目前mmc-hvdc系統(tǒng)主要的主接線方案之一。對(duì)稱雙極mmc相比對(duì)稱單極mmc具有運(yùn)行方式靈活、輸送容量大、可靠性高、雙極獨(dú)立可控等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)稱雙極mmc在直流側(cè)正負(fù)極中點(diǎn)接地，正負(fù)極相對(duì)獨(dú)立。當(dāng)系統(tǒng)的一極因故障退出運(yùn)行時(shí)，另一極仍能正常運(yùn)行，并保持一半的額定輸送容量。當(dāng)前已投運(yùn)的對(duì)稱雙極直流輸電工程有廈門柔性直流輸電工程。

然而，對(duì)稱雙極mmc直流側(cè)極對(duì)地故障的保護(hù)仍然是實(shí)際工程中的重大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的mmc-hvdc系統(tǒng)中多采用器件少、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的半橋子模塊hbsm(half-bridgesm)。由于hbsm不具有直流故障自清除能力，則系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的故障電流。這不僅會(huì)對(duì)換流器的器件造成損害，還會(huì)對(duì)交流系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊，影響交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有技術(shù)中，處理對(duì)稱雙極mmc直流側(cè)單極接地故障主要有以下幾種方法：

1)采用具有直流故障清除能力的子模塊。在直流側(cè)發(fā)生單極接地故障后，子模塊立即閉鎖。通過(guò)子模塊電容建立反向電壓迫使故障電流迅速衰減。但這種方法采用的子模塊相比于半橋mmc需要額外的開關(guān)器件使得建設(shè)費(fèi)用較高，運(yùn)行損耗較大。故障期間，換流器閉鎖對(duì)交流系統(tǒng)的功率沖擊大。

2)采用高壓直流斷路器。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時(shí)，直流斷路器執(zhí)行開斷操作以開斷直流故障電流。采用這種方法在故障期間，由于故障極退出運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸?shù)念~定有功功率損失了一半，使得有功功率缺額大。同時(shí)，在直流斷路器嘗試重合閘時(shí)，若重合閘失敗，則故障極相當(dāng)于發(fā)生“二次短路”，巨大的浪涌電流應(yīng)力將危害換流器安全運(yùn)行。

綜上所述，采用高壓直流短路器處理對(duì)稱雙極mmc發(fā)生單極接地故障時(shí)，存在有功功率缺額大，重合閘時(shí)浪涌電流應(yīng)力大的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了對(duì)稱雙極mmc直流極對(duì)地故障的穿越方法和恢復(fù)策略，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)在直流側(cè)極對(duì)地故障期間有功功率缺額大以及直流斷路器重合閘時(shí)浪涌電流應(yīng)力大的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種對(duì)稱雙極mmc直流側(cè)單極接地故障穿越和恢復(fù)方法。本發(fā)明所適用的直流輸電系統(tǒng)包括包含兩個(gè)連接變壓器，兩個(gè)mmc和兩條直流母線，對(duì)稱雙極mmc在直流側(cè)正負(fù)極中點(diǎn)接地。所述mmc包含a、b、c三相，每相包含上、下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由n個(gè)半橋子模塊級(jí)聯(lián)，串接一個(gè)橋臂電感構(gòu)成。所述半橋子模塊由兩個(gè)igbt及兩個(gè)反并聯(lián)的二極管，連接一個(gè)電容構(gòu)成，所述半橋子模塊還包括一個(gè)用于故障保護(hù)的晶閘管。所述的每條直流母線均串接一臺(tái)平波電抗器和一臺(tái)直流斷路器；假定在所述的正極發(fā)生單極接地故障，則稱正極為故障極，負(fù)極為健全極。其特征在于，包括如下步驟：

(1)判別mmc直流側(cè)是否發(fā)生單極接地故障；

是則執(zhí)行以下動(dòng)作：發(fā)出故障極mmc閉鎖信號(hào)，使故障極mmc所有半橋子模塊內(nèi)igbt全部關(guān)斷，以阻斷所述半橋子模塊電容的放電通路；發(fā)出半橋子模塊的旁路晶閘管導(dǎo)通信號(hào)，旁路所述半橋子模塊內(nèi)反并聯(lián)的二極管，以保護(hù)反并聯(lián)二極管；對(duì)故障極的直流斷路器發(fā)出斷開指令，阻斷交流電網(wǎng)的短路通路；

否則系統(tǒng)繼續(xù)處于穩(wěn)態(tài)控制模式；

所述mmc指模塊化多電平換流器；

(2)當(dāng)母線直流故障電流衰減到零之后，發(fā)出故障極mmc解鎖信號(hào)，使故障極轉(zhuǎn)入statcom運(yùn)行模式，向交流側(cè)持續(xù)提供無(wú)功支撐；

(3)當(dāng)直流母線去游離過(guò)程結(jié)束，即恢復(fù)絕緣水平時(shí)，對(duì)直流母線上的直流斷路器發(fā)出重合閘信號(hào)；

(4)判別故障極直流母線的浪涌電流應(yīng)力是否過(guò)大；

是則表明暫時(shí)性故障未被清除，向所述直流斷路器發(fā)出重新斷開信號(hào)，隔離故障點(diǎn)；轉(zhuǎn)步驟(5)；

否則表明暫時(shí)性故障已被清除，向故障極mmc發(fā)出逐步恢復(fù)功率傳輸信號(hào)，使其轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)控制模式；轉(zhuǎn)結(jié)束；

(5)判斷所述直流斷路器通過(guò)電流超過(guò)額定值的次數(shù)是否大于預(yù)設(shè)定過(guò)流次數(shù)；是則使mmc保持statcom運(yùn)行模式，直流短路器不再進(jìn)行重合閘嘗試，轉(zhuǎn)結(jié)束；否則轉(zhuǎn)步驟(1)；預(yù)設(shè)定過(guò)流次數(shù)取2～3次。

本發(fā)明提供的對(duì)稱mmc單極接地故障的穿越方法和恢復(fù)策略是通過(guò)換流器和直流斷路器協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)的。故障期間，閉鎖換流器，開斷直流斷路器以保護(hù)故障極換流器的安全運(yùn)行。在考慮多約束條件的限制下，通過(guò)健全極和故障極的有功功率和無(wú)功功率協(xié)調(diào)配合，使健全極短時(shí)運(yùn)行于過(guò)載狀態(tài)，減小系統(tǒng)在故障期間的功率缺額。同時(shí)，使故障極運(yùn)行于statcom狀態(tài)以向交流側(cè)持續(xù)提供無(wú)功支撐和減小對(duì)交流系統(tǒng)的沖擊。通過(guò)對(duì)mmc換流器上、下橋臂參考電壓共模分量的主動(dòng)控制，可有效降低因直流斷路器重合閘失敗產(chǎn)生的浪涌電流上升率。

優(yōu)選地，所述步驟(2)包括以下子步驟：

(2-1)根據(jù)換流變壓器容量、mmc橋臂通流能力、半橋子模塊均壓、子模塊電容電壓波動(dòng)和直流線路過(guò)載能力約束條件，求得所述健全極mmc的有功功率和無(wú)功功率運(yùn)行區(qū)域；在該有功功率和無(wú)功功率運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，調(diào)整健全極mmc穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)，使其運(yùn)行于短時(shí)過(guò)載，以盡可能多的傳輸有功功率，從而彌補(bǔ)單極接地故障的功率缺額；

(2-2)向所述故障極mmc發(fā)出在故障期間傳輸兩倍的額定無(wú)功功率信號(hào)，使所述健全極mmc在穩(wěn)態(tài)下所需傳輸?shù)念~定無(wú)功功率由故障極mmc來(lái)承擔(dān)。

優(yōu)選地，所述步驟(2-1)中所述換流變壓器容量的限制條件為：

換流器所傳輸?shù)挠泄β蕄、無(wú)功功率q和換流變壓器的傳輸容量smax滿足：

p²+q²＜smax²；

其中，有功功率p、無(wú)功功率q分別為從pcc流向mmc的有功與無(wú)功功率，smax為換流變壓器的最大傳輸容量。

優(yōu)選地，所述步驟(2-1)中所述mmc橋臂通流能力的限制條件為：

各橋臂電流滿足：

其中，ilim為子模塊中各igbt的最大通流能力，udc為單個(gè)mmc的直流母線電壓，usm為交流母線電壓幅值；整流方向?yàn)檎较颉?/p>

優(yōu)選地，所述步驟(2-1)中各半橋子模塊均壓的限制條件為：

各橋臂電流的直流分量必須小于交流分量；即有功功率p和無(wú)功功率q滿足：

優(yōu)選地，所述各子模塊內(nèi)電容電壓波動(dòng)的限制條件為：

mmc穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，子模塊的電容電壓波動(dòng)不能超過(guò)最大允許范圍，即：

其中，n為子模塊數(shù)量，c為子模塊電容值，uc為子模塊額定電壓，k為內(nèi)電勢(shì)調(diào)制比，子模塊電容電壓波動(dòng)百分比其最大值為εmax。換流器所傳輸?shù)臒o(wú)功功率qc為q與交流側(cè)等效電感l(wèi)所消耗的無(wú)功功率之差即xl為交流側(cè)等效電感的感抗xl＝ωl，ω為角頻率。

優(yōu)選地，所述步驟(2-1)中所述直流線路過(guò)載能力滿足：

直流電流不能超過(guò)直流線路的短時(shí)過(guò)載能力極限，即

其中，idc為直流母線電流，idc_max為直流線路短時(shí)過(guò)載能力極限。

優(yōu)選地，所述步驟(2-1)、步驟(2-2)之后，還執(zhí)行以下步驟：

(2-3)在mmc上、下橋臂參考電壓上疊加附加電壓使mmc上、下橋臂電壓為：所述疊加附加電壓降低浪涌電流的上升率，以避免換流器因重合閘失敗導(dǎo)致的過(guò)大的電流浪涌應(yīng)力給系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；

其中，δ為pcc點(diǎn)內(nèi)電勢(shì)ev相對(duì)于交流母線電壓us的相位差，idc為故障直流母線電流(整流方向?yàn)檎较?，為直流電流參考值，r(r>0)為阻尼系數(shù),up_up為mmc上橋臂電壓，up_down為mmc下橋臂電壓；若直流斷路器重合閘成功，則由于直流平波電抗的存在，idc不會(huì)出現(xiàn)浪涌電流，故取直流電流參考值若直流斷路器重合閘失敗，則浪涌電流idc迅速上升。

本發(fā)明中，當(dāng)直流斷路器重合閘失敗時(shí)，可通過(guò)換流器的主動(dòng)控制抑制(即有源阻尼控制)系統(tǒng)產(chǎn)生的巨大的浪涌電流應(yīng)力。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1.通過(guò)直流斷路器和換流器的配合實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流故障電流的開斷，保護(hù)換流器的安全運(yùn)行。故障消除后，實(shí)現(xiàn)了直流電壓的建立和功率的恢復(fù)。

2.故障期間，使健全極在滿足換流變壓器容量、橋臂通流能力、半橋子模塊均壓需求、子模塊電容電壓波動(dòng)和直流線路過(guò)載能力幾個(gè)方面的約束條件下，運(yùn)行于短時(shí)過(guò)載狀態(tài)，以盡可能多的傳輸有功功率，從而彌補(bǔ)單極接地故障的功率缺額，同時(shí)使故障極傳輸換流站所需的全部額定無(wú)功功率。通過(guò)健全極和故障極的有功功率和無(wú)功功率配合減小了故障期間換流站的有功功率缺額，同時(shí)向電網(wǎng)提供額定的無(wú)功功率，減小了故障對(duì)交流系統(tǒng)的沖擊。

3.在故障期間，通過(guò)對(duì)mmc上、下橋臂參考電壓共模分量的主動(dòng)控制，有效的降低了浪涌電流的上升率，避免了換流器因重合閘失敗導(dǎo)致的過(guò)大的電流浪涌應(yīng)力給系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.由于基于對(duì)稱雙極的mmc在直流側(cè)正負(fù)極中點(diǎn)接地，直流側(cè)發(fā)生雙極短路的可看成是正負(fù)極直流母線分別發(fā)生單極接地故障的一種特殊情況。因此，本發(fā)明所提出的基于對(duì)稱雙極mmc的直流側(cè)單極接地故障穿越及恢復(fù)策略同樣適用于對(duì)稱雙極的mmc直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障。

附圖說(shuō)明

圖1是雙端對(duì)稱雙極mmc柔性直流系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D；

圖2是對(duì)稱雙極的半橋mmc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及單極接地故障示意圖；

圖3直流側(cè)單極接地故障穿越及恢復(fù)策略流程圖；

圖4是浪涌電流應(yīng)力優(yōu)化控制框圖；

圖5是故障期間有功功率p和無(wú)功功率q可運(yùn)行范圍示意圖；

其中，圖5(a)考慮換流變壓器容量與橋臂通流能力的限制的有功功率和無(wú)功功率可運(yùn)行范圍示意圖；圖5(b)考慮換流變壓器容量與子模塊電容電壓波動(dòng)的限制的有功功率和無(wú)功功率可運(yùn)行范圍示意圖；圖5(c)考慮換流變壓器容量與直流線路過(guò)載能力的限制的有功功率和無(wú)功功率可運(yùn)行范圍示意圖；

圖6是多限制因素下故障期間健全極與故障極有功無(wú)功功率運(yùn)行范圍示意圖；

圖7是未引入浪涌電流應(yīng)力優(yōu)化控制的對(duì)稱雙極半橋型mmc直流故障穿越仿真結(jié)果；其中，圖7(a)代表故障極，圖7(b)代表健全極。

其中，圖7(a1)是故障極直流母線電壓(kv)、圖7(a2)是故障極直流母線電流(ka)、圖7(a3)是故障極pcc點(diǎn)傳輸?shù)挠泄εc無(wú)功功率(mw/mvar)、圖7(a4)是故障極交流側(cè)電流(ka)、圖7(a5)是故障極上下橋臂子模塊電容電壓(kv)、圖7(a6)是故障極六個(gè)橋臂電流(ka)；圖7(b1)是健全極直流母線電壓(kv)、圖7(b2)是健全極直流母線電流(ka)、圖7(b3)是健全極pcc點(diǎn)傳輸?shù)挠泄εc無(wú)功功率(mw/mvar)、圖7(b4)是健全極交流側(cè)電流(ka)、圖7(b5)是健全極上下橋臂子模塊電容電壓(kv)、圖7(b6)是健全極六個(gè)橋臂電流(ka)；

圖8是引入浪涌電流應(yīng)力優(yōu)化控制策略的對(duì)稱雙極半橋型mmc直流故障穿越仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明以雙端對(duì)稱雙極mmc為例敘述對(duì)稱雙極mmc單極接地故障穿越及恢復(fù)策略。圖1是雙端對(duì)稱雙極mmc系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D，包含兩個(gè)換流站。每個(gè)換流站均采用對(duì)稱雙極主接線方式，如圖2所示。對(duì)稱雙極mmc在直流側(cè)正負(fù)極中點(diǎn)接地，包含兩個(gè)連接變壓器，兩個(gè)mmc和兩條直流母線。每條直流母線均串接一臺(tái)平波電抗器和一臺(tái)直流斷路器；每個(gè)mmc包含a、b、c三相，每相包含上、下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由n個(gè)半橋子模塊級(jí)聯(lián)，串接一個(gè)橋臂電感構(gòu)成。半橋型mmc的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。半橋子模塊由兩個(gè)igbt及兩個(gè)反并聯(lián)的二極管、連接一個(gè)電容構(gòu)成，所述的半橋子模塊還包括一個(gè)用于故障保護(hù)的晶閘管。假定在所述的正極發(fā)生單極接地故障，則稱正極為故障極，負(fù)極為健全極。

本發(fā)明所述故障穿越及恢復(fù)策略涉及到換流器與直流斷路器的協(xié)調(diào)配合如圖4所示，具體包括以下步驟：

(1)判別mmc直流側(cè)是否發(fā)生單極接地故障，是則執(zhí)行以下動(dòng)作：發(fā)出故障極mmc閉鎖信號(hào)，使故障極mmc所有半橋子模塊內(nèi)igbt全部關(guān)斷，以阻斷所述半橋子模塊電容的放電通路；發(fā)出半橋子模塊的旁路晶閘管導(dǎo)通信號(hào)，旁路所述半橋子模塊內(nèi)反并聯(lián)的二極管，以保護(hù)反并聯(lián)二極管；對(duì)故障極的直流斷路器發(fā)出斷開指令，阻斷交流電網(wǎng)的短路通路；否則系統(tǒng)繼續(xù)處于穩(wěn)態(tài)控制模式；所述mmc指模塊化多電平換流器；

(2)當(dāng)母線直流故障電流衰減到零之后，發(fā)出故障極mmc解鎖信號(hào)，使故障極轉(zhuǎn)入statcom運(yùn)行模式，向交流側(cè)持續(xù)提供無(wú)功支撐；

(3)當(dāng)直流母線去游離過(guò)程結(jié)束(即恢復(fù)絕緣水平)時(shí)，對(duì)直流母線上的直流斷路器發(fā)出重合閘信號(hào)；

(4)判別故障極直流母線的浪涌電流應(yīng)力是否過(guò)大；是則表明暫時(shí)性故障未被清除，向所述直流斷路器發(fā)出重新斷開信號(hào)，隔離故障點(diǎn)；轉(zhuǎn)步驟(5)；否則表明暫時(shí)性故障已被清除，向故障極mmc發(fā)出逐步恢復(fù)功率傳輸信號(hào)，使其轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)控制模式；轉(zhuǎn)結(jié)束；

(5)判斷所述直流斷路器通過(guò)電流超過(guò)額定值的次數(shù)是否大于預(yù)設(shè)定過(guò)流次數(shù)；是則使mmc保持statcom運(yùn)行模式，直流短路器不再進(jìn)行重合閘嘗試，轉(zhuǎn)結(jié)束；否則轉(zhuǎn)步驟(1)；預(yù)設(shè)定過(guò)流次數(shù)取2～3次。

作為一種優(yōu)化方案，所述步驟(2)包括以下子步驟：

(2-1)根據(jù)換流變壓器容量、mmc橋臂通流能力、半橋子模塊均壓、子模塊電容電壓波動(dòng)和直流線路過(guò)載能力約束條件，求得所述健全極mmc的有功功率和無(wú)功功率運(yùn)行區(qū)域；在該有功功率和無(wú)功功率運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，調(diào)整健全極mmc穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)，使其運(yùn)行于短時(shí)過(guò)載，以盡可能多的傳輸有功功率，從而彌補(bǔ)單極接地故障的功率缺口；

(2-2)向所述故障極mmc發(fā)出在故障期間傳輸兩倍的額定無(wú)功功率信號(hào)，使所述健全極mmc在穩(wěn)態(tài)下所需傳輸?shù)念~定無(wú)功功率由故障極mmc來(lái)承擔(dān)。

作為一種優(yōu)化方案，所述步驟(2-1)中所述換流變壓器容量的限制條件為：

換流器所傳輸?shù)挠泄β蕄、無(wú)功功率q和換流變壓器的傳輸容量smax滿足：

p²+q²＜smax²；

其中，有功功率p、無(wú)功功率q分別為從公共連接點(diǎn)pcc(pointofcommoncoupling)流向mmc的有功與無(wú)功功率，smax為換流變壓器的最大傳輸容量。

作為一種優(yōu)化方案，所述步驟(2-1)中所述mmc橋臂通流能力的限制條件為：

各橋臂電流滿足：

其中，ilim為子模塊中各igbt的最大通流能力，udc為單個(gè)mmc的直流母線電壓，usm為交流母線電壓幅值；整流方向?yàn)檎较颉?//注：這里功率代表方向，整流方向?yàn)檎较蛎枋龈訙?zhǔn)確，這樣寫大家會(huì)知道的。//)

作為一種優(yōu)化方案，所述步驟(2-1)中各半橋子模塊均壓的限制條件為：

各橋臂電流的直流分量必須小于交流分量；即有功功率p和無(wú)功功率q滿足：

作為一種優(yōu)化方案，各子模塊內(nèi)電容電壓波動(dòng)的限制條件為：

mmc穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，子模塊的電容電壓波率不能超過(guò)最大允許范圍，即：

其中，n為子模塊數(shù)量，c為子模塊電容值，uc為子模塊額定電壓，k為內(nèi)電勢(shì)調(diào)制比，子模塊電容電壓波動(dòng)百分比其最大值為εmax。換流器所傳輸?shù)臒o(wú)功功率qc為q與交流側(cè)等效電感l(wèi)所消耗的無(wú)功功率之差即xl為交流側(cè)等效電感的感抗xl＝ωl，ω為角頻率。

作為一種優(yōu)化方案，所述步驟(2-1)中所述直流線路過(guò)載能力滿足：

直流電流不能超過(guò)直流線路的短時(shí)過(guò)載能力極限，即

其中，idc為直流母線電流，idc_max為直流線路短時(shí)過(guò)載能力極限。

作為一種優(yōu)化方案，所述步驟(2-1)、步驟(2-2)之后，還執(zhí)行以下步驟：

(2-3)在mmc上、下橋臂參考電壓上疊加附加電壓使mmc上、下橋臂電壓為：所述疊加附加電壓降低浪涌電流的上升率，以避免換流器因重合閘失敗導(dǎo)致的過(guò)大的電流浪涌應(yīng)力給系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；

其中，δ為pcc點(diǎn)內(nèi)電勢(shì)ev相對(duì)于交流母線電壓us的相位差，idc為故障直流母線電流(整流方向?yàn)檎较?，為直流電流參考值，r(r>0)為阻尼系數(shù),up_up為mmc上橋臂電壓，up_down為mmc下橋臂電壓；若直流斷路器重合閘成功，則由于直流平波電抗的存在，idc不會(huì)出現(xiàn)浪涌電流，故取直流電流參考值若直流斷路器重合閘失敗，則浪涌電流idc迅速上升。

本發(fā)明提供的對(duì)稱雙極mmc單極接地故障的穿越方法和恢復(fù)策略是通過(guò)mmc和直流斷路器協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)的。故障期間，mmc閉鎖，開斷直流斷路器以保護(hù)故障極換流器的安全運(yùn)行。在考慮多約束條件的限制下，通過(guò)健全極和故障極的有功功率和無(wú)功功率協(xié)調(diào)配合，使健全極短時(shí)運(yùn)行于過(guò)載狀態(tài)，減小系統(tǒng)在故障期間的功率缺額。同時(shí)，使故障極運(yùn)行于statcom狀態(tài)以向交流側(cè)持續(xù)提供無(wú)功支撐和減小對(duì)交流系統(tǒng)的沖擊。通過(guò)對(duì)mmc換流器上、下橋臂參考電壓共模分量的主動(dòng)控制，有效降低因直流斷路器重合閘失敗產(chǎn)生的浪涌電流上升率。

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的對(duì)稱雙極半橋型mmc單極接地故障穿越和恢復(fù)策略進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)例采用張北柔性直流輸電工程的數(shù)據(jù)，子模塊結(jié)構(gòu)均采用半橋型子模塊的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)參數(shù)為：直流母線額定電壓為500kv，額定功率為1500mw，橋臂電感為80mh，每個(gè)橋臂包含218個(gè)子模塊數(shù)，子模塊電容為15mf，子模塊額定電壓為2.294kv。變壓器采用y0/△聯(lián)結(jié)方式，網(wǎng)側(cè)/閥側(cè)變比(l-l,rms)為525/260kv，額定阻抗標(biāo)幺值為15％，額定容量1700mva。假定穩(wěn)態(tài)期間每一極換流器向交流側(cè)提供450mvar的無(wú)功功率，即每一極的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工作點(diǎn)為p(1500mw,-450mvar)。本發(fā)明以故障發(fā)生在正直流母線處為例，如圖2。

分析mmc有功功率和無(wú)功功率運(yùn)行區(qū)域范圍：換流變壓器容量、橋臂通流能力、半橋子模塊均壓、子模塊電容電壓波動(dòng)、直流線路過(guò)載能力分別由以下表達(dá)式確定：p²+q²＜smax²、

采用架空線作為雙端對(duì)稱雙極mmc直流輸電線路。在檢測(cè)到單極接地故障后，故障極mmc換流器切換到故障穿越控制模式：故障極換流器立即閉鎖，并導(dǎo)通半橋子模塊的旁路晶閘管，同時(shí)直流斷路器立即執(zhí)行開斷操作。當(dāng)直流故障電流衰減到零之后，故障極換流器解鎖，轉(zhuǎn)入statcom的運(yùn)行模式。

故障期間，健全極在考慮多限制因素的條件下短時(shí)過(guò)載，故障極傳輸換流站全部的額定無(wú)功功率。同時(shí)，故障期間，在上、下橋臂參考電壓上疊加附加電壓uz，上、下橋臂電壓為：

當(dāng)直流輸電線路去游離過(guò)程結(jié)束，由于采用架空傳輸線，直流側(cè)單極接地故障多為非永久性故障，故本實(shí)例進(jìn)行了兩次電壓恢復(fù)嘗試。若出現(xiàn)巨大的浪涌電流應(yīng)力，直流斷路器重新斷開，隔離故障點(diǎn)；若沒有出現(xiàn)巨大的浪涌電流應(yīng)力，故障極mmc逐步恢復(fù)功率傳輸，最終轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)控制模式。同時(shí)，判斷直流母線電流超過(guò)直流母線電流額定值次數(shù)是否大于預(yù)設(shè)定過(guò)流次數(shù)，若是，則mmc保持當(dāng)前狀態(tài)，直流短路器不再進(jìn)行重合閘嘗試；否則直流斷路器重新斷開，重復(fù)以上步驟。

由換流變壓器容量、橋臂通流能力、半橋子模塊均壓、子模塊電容電壓波動(dòng)、直流線路過(guò)載能力的約束條件可得有功功率和無(wú)功功率的運(yùn)行區(qū)域，如圖5所示。結(jié)果表明：mmc的有功功率和無(wú)功功率可運(yùn)行范圍與橋臂通流能力、子模塊電容電壓波動(dòng)最大值和直流線路過(guò)載能力成正相關(guān)。取故障期間的多個(gè)限制因素的參數(shù)為：mmc橋臂通流最大通流能力為1.1pu，子模塊電容電壓最大允許波動(dòng)率為1.1pu，直流線路過(guò)載能力為1.2pu，則可得到如圖6所示的有功功率和無(wú)功功率可運(yùn)行區(qū)域范圍(陰影區(qū)域?yàn)榭蛇\(yùn)行區(qū)域)，結(jié)果表明：直流故障期間，健全極可運(yùn)行于工作點(diǎn)p2(1700mw,0mvar)，故障極可運(yùn)行于工作點(diǎn)p1(0mw,-900mvar)。mmc在故障期間可以提供1700mw的有功功率和900mvar的無(wú)功功率。故障穿越期間，通過(guò)健全極與故障極的有功功率和無(wú)功功率的協(xié)調(diào)配合，不僅可以持續(xù)向交流側(cè)提供額定無(wú)功支撐，而且能彌補(bǔ)故障極11.76％的功率缺額。

假設(shè)正直流母線在1s時(shí)發(fā)生接地短路故障，經(jīng)450ms后故障清除。圖7為基于對(duì)稱雙極主接線的半橋型mmc仿真結(jié)果，(a)表示故障極，(b)表示健全極。故障極直流母線電流如圖7(a2)所示，結(jié)果表明：直流斷路器開斷直流故障后，故障電流衰減至零。健全極和故障極的有功功率與無(wú)功功率如圖7(a3)和圖7(b3)所示，結(jié)果表明：換流器在故障期間可以提供1700mw的有功功率和900mvar的無(wú)功功率。驗(yàn)證了故障穿越期間通過(guò)健全極與故障極的有功和無(wú)功功率配合可以持續(xù)向交流側(cè)提供額定無(wú)功支撐，而且能彌補(bǔ)故障極11.76％的功率缺額的結(jié)論。健全極上下橋臂子模塊電容電壓和六個(gè)橋臂電流如圖7(b5)和圖7(b6)所示，結(jié)果表明：當(dāng)健全極換流器運(yùn)行于短時(shí)過(guò)載狀態(tài)時(shí)，子模塊電容電壓波動(dòng)百分比為額定值的1.11倍，mmc橋臂最大電流為額定值的1.104倍，與理論分析基本吻合。健全極和故障極的交流側(cè)電流如圖7(a4)和圖7(b4)所示，結(jié)果表明：整個(gè)故障穿越及恢復(fù)控制，平滑，快速，無(wú)沖擊。

直流斷路器隔離直流故障后，經(jīng)300ms時(shí)間去游離，然后進(jìn)行重合閘。由于此時(shí)，直流故障尚未被清除，因此會(huì)產(chǎn)生巨大的浪涌電流應(yīng)力。結(jié)果如圖7(a)所示。結(jié)果表明：如果系統(tǒng)故障重合閘失敗，若不加入浪涌電流優(yōu)化控制策略，電壓階躍和電流浪涌電流應(yīng)力大；同時(shí)，系統(tǒng)的功率和橋臂電壓波動(dòng)也很大，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

引入浪涌電流優(yōu)化控制后，針對(duì)不同的阻尼系數(shù)r，對(duì)系統(tǒng)的浪涌電流應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比仿真。仿真結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明：隨著阻尼系數(shù)r的增大，直流斷路器在重合閘失敗后引起的浪涌電流應(yīng)力逐漸減小，這充分驗(yàn)證了所提出的優(yōu)化策略的有效性。然而，進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)，隨著阻尼系數(shù)r的增大，對(duì)浪涌電流的抑制效果逐漸降低。這是由于半橋型mmc的橋臂電壓輸出范圍為：0≤uarm≤udc。隨著阻尼系數(shù)r的增大，附加電壓uz逐漸增大，使得上、下橋臂的參考電壓達(dá)到輸出能力的極限，從而使得對(duì)浪涌電流的抑制效果降低。

直流斷路器檢測(cè)到浪涌電流后重新隔離直流故障。再次經(jīng)過(guò)300ms的去游離時(shí)間后，直流斷路器第二次嘗試進(jìn)行重合閘，最終系統(tǒng)恢復(fù)成功。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。