模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)柔性輸配電、電力電子和用戶電力技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于全橋與半橋混聯(lián)的模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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是柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用中電壓源換流器的一種，它由多個(gè)子模塊按照一定的方式連接而成，通過(guò)分別控制各個(gè)子模塊IGBT組件的投入和切除狀態(tài)使換流器輸出的交流電壓逼近正弦波，實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸。
[0003]直流雙極短路故障是模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行中的一種常見(jiàn)故障?；诎霕蚣?jí)聯(lián)拓?fù)鋼Q流器的系統(tǒng)僅能依靠交流斷路器或者直流斷路器清除故障電流，降低了系統(tǒng)投運(yùn)率，減慢了故障恢復(fù)速度。
[0004]德國(guó)學(xué)者Rainer Marquardt介紹了具有穿越嚴(yán)重直流故障能力的全橋子模塊MMC拓?fù)?，?dāng)發(fā)生直流短路故障時(shí)，可以通過(guò)閉鎖換流器來(lái)抑制故障電流，但是系統(tǒng)閉鎖后無(wú)法為電網(wǎng)提供無(wú)功支撐，而且故障恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)由于全橋子模塊所需開關(guān)器件為半橋子模塊的兩倍，增加了換流器的建造成本。
[0005]論文“子模塊混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略”中指出，橋臂中半橋子模塊個(gè)數(shù)與全橋子模塊個(gè)數(shù)相等時(shí)，可以通過(guò)弓I入虛擬電阻的方法抑制故障電流，整個(gè)過(guò)程無(wú)需閉鎖，還能持續(xù)保證交流系統(tǒng)對(duì)無(wú)功的需求，但是文中所示虛擬電阻的確定比較繁瑣，同時(shí)電流波動(dòng)較大且不可控。
[0006]為在系統(tǒng)發(fā)生直流雙極短路故障時(shí)能夠?yàn)榻涣麟娋W(wǎng)提供持續(xù)的無(wú)功支撐，且能夠?qū)⒐收想娏饕种圃诮o定的較小范圍內(nèi)，亟待提出一種更簡(jiǎn)單、更容易實(shí)現(xiàn)的故障電流抑制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就是解決上述問(wèn)題，提供了一種模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法，該方法不僅能夠在直流雙極短路故障發(fā)生時(shí)為交流電網(wǎng)持續(xù)提供無(wú)功支撐，而且算法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)能夠?qū)⒐收想娏饕种圃谳^小的范圍內(nèi)。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案，包括:
[0009]—種模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法，包括以下步驟:
[0010](I)根據(jù)系統(tǒng)額定運(yùn)行時(shí)的直流母線電壓以及額定無(wú)功、有功為零時(shí)調(diào)制度，計(jì)算每相能夠提供的直流電壓裕量，以此作為抑制故障電流的直流電壓；
[0011](2)確定故障電流限值上限值111|0及下限值-1 1ιηι;
[0012](3)檢測(cè)直流雙極短路故障電流Ifault的值；
[0013](4)根據(jù)故障電流Ifault與故障電流限值上、下限值的大小關(guān)系，控制每相直流電壓的輸出，從而抑制故障電流的大小。
[0014]所述步驟⑴中確定抑制故障電流的直流電壓的方法為:
[0015]Usup= U dc.(1-m)；
[0016]其中，Ud。為額定直流母線電壓，m是有功為零、額定無(wú)功時(shí)的調(diào)制度，Usup為抑制故障電流的直流電壓。
[0017]所述步驟(3)中故障電流Ifault的直接由電流互感器檢測(cè)得到。
[0018]所述步驟(4)中控制每相輸出直流電壓的策略為:
[0019]①當(dāng)故障電流Ifault大于直流電流上限值I 寸，控制每相輸出的直流電壓為-Usup;
[0020]②當(dāng)故障電流Ifault小于直流電流下限值-1 寸，控制每相輸出的直流電壓為U.^sup,
[0021]③當(dāng)故障電流Ifault位于直流電流上限值、下限值之間時(shí)，控制每相輸出的直流電壓為零，此時(shí)換流器等效為兩個(gè)并聯(lián)的無(wú)功發(fā)生器，通過(guò)修改無(wú)功指令值，為交流電網(wǎng)提供持續(xù)的無(wú)功支撐。
[0022]本發(fā)明有益效果:
[0023]本發(fā)明基于全橋與半橋混聯(lián)的模塊化多電平換流器系統(tǒng)，算法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，不僅能夠在系統(tǒng)發(fā)生直流雙極短路故障時(shí)為交流電網(wǎng)持續(xù)提供無(wú)功支撐，而且能夠?qū)⒐收想娏饕种圃诮o定的較小范圍內(nèi)。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明提供的故障電流抑制方法流程框圖；
[0025]圖2是本發(fā)明提供的故障發(fā)生期間系統(tǒng)的功率波形；
[0026]圖3是本發(fā)明提供的故障電流波形。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
[0028]本發(fā)明所述故障電流抑制方法流程框圖如圖1所示。
[0029]首先需要確定用于抑制故障電流的直流電壓值。根據(jù)式⑴所示，由系統(tǒng)額定運(yùn)行時(shí)的直流母線電壓以及額定無(wú)功、有功為零時(shí)調(diào)制度，即可計(jì)算得到每相可提供的直流電壓裕量，以此作為抑制故障電流的直流電壓，可以保證每相輸出電壓能夠跟隨上上層控制指令。
[0030]計(jì)算用于抑制故障電流的直流電壓Usup:
[0031]Usup= U dc.(1-m) (I)
[0032]其中Ud。為額定直流母線電壓，m是有功為零、額定無(wú)功時(shí)的調(diào)制度。
[0033]然后確定故障電流限值。為保證故障電流被抑制之后波動(dòng)不會(huì)太大，可以選擇故障電流限值為0.006pu，并檢測(cè)得到故障電流Ifault的值。
[0034]最后確定故障電流的抑制策略。本發(fā)明所示故障電流抑制方法，依據(jù)故障電流的大小來(lái)控制每相輸出的直流電壓，可以分為三種情況:
[0035]①當(dāng)故障電流大于直流電流上限值I11J寸，控制每相輸出的直流電壓為-U sup;
[0036]②當(dāng)故障電流小于直流電流下限值-111J寸，控制每相輸出的直流電壓為U sup；
[0037]③當(dāng)故障電流位于直流電流上限值、下限值之間時(shí)，控制每相輸出的直流電壓為零，此時(shí)換流器等效為兩個(gè)并聯(lián)的無(wú)功發(fā)生器，可以修改無(wú)功指令值，從而為交流電網(wǎng)提供持續(xù)的無(wú)功支撐。
[0038]為了證明本發(fā)明所示故障電流抑制方法的有效性，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
[0039]仿真模型使用參數(shù)如下:
[0040]仿真系統(tǒng)直流母線電壓為2400V，額定有功為20kW，額定無(wú)功為6kvar，交流閥側(cè)線電壓有效值為1249V，每個(gè)橋臂10個(gè)半橋子模塊、10個(gè)全橋子模塊，電容值為lmF，電容額定工作電壓為120V，橋臂電抗器為50mH，變壓器容量25kVA，短路阻抗為0.06。
[0041 ] 計(jì)算得到抑制故障電流的直流電壓Usup為262V，并設(shè)定故障電流限值I 11|0為0.5A(0.005pu);由于仿真模型模塊數(shù)較少且子模塊額定工作電壓120V，因此將抑制故障電流的直流電壓Usup定為240V。
[0042]對(duì)本發(fā)明所示故障電流抑制方法的驗(yàn)證包括兩個(gè)方面，即無(wú)功功率支撐能力的驗(yàn)證和故障電流抑制效果的驗(yàn)證。
[0043]為驗(yàn)證本發(fā)明所示故障電流抑制方法能夠保證為交流電網(wǎng)提供持續(xù)的無(wú)功支撐，對(duì)故障發(fā)展過(guò)程中的功率波形進(jìn)行了觀察。仿真中設(shè)定有功指令為20kW，無(wú)功指令6kvar，0.4s時(shí)刻發(fā)生直流雙極短路故障，且仿真結(jié)束之前故障不會(huì)被消除，仿真得到功率波形如圖2所示。由圖可知，故障過(guò)程中，換流器仍然能夠?yàn)榻涣麟娋W(wǎng)提供持續(xù)的無(wú)功支撐。
[0044]為驗(yàn)證本發(fā)明所示故障電流抑制方法能夠?qū)⒐收想娏饕种圃诟偷乃?，?duì)故障發(fā)展過(guò)程中故障電流波形進(jìn)行了觀察。仿真中設(shè)定有功指令為20kW，無(wú)功指令6kvar，0.4s時(shí)刻發(fā)生直流雙極短路故障，且仿真結(jié)束之前故障不會(huì)被消除，仿真得到故障電流波形如圖3所示。由圖可知，故障過(guò)程中，直流電流受控，且受給定直流電流限值限制，被抑制在0.5A以內(nèi)。
[0045]本發(fā)明提供了一種基于全橋與半橋混聯(lián)的模塊化多點(diǎn)皮換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法，通過(guò)仿真對(duì)比驗(yàn)證了本發(fā)明所示故障電流抑制方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不僅能夠在直流雙極短路故障發(fā)生時(shí)為交流電網(wǎng)持續(xù)提供無(wú)功支撐，同時(shí)能夠?qū)⒐收想娏饕种圃诮o定的電流限值范圍內(nèi)。
[0046]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法，其特征是，包括以下步驟: (1)根據(jù)系統(tǒng)額定運(yùn)行時(shí)的直流母線電壓以及額定無(wú)功、有功為零時(shí)調(diào)制度，計(jì)算每相能夠提供的直流電壓裕量，以此作為抑制故障電流的直流電壓； (2)確定故障電流限值上限值111|0及下限值-11ιηι; (3)檢測(cè)直流雙極短路故障電流Ifault的值； (4)根據(jù)故障電流Ifault與故障電流限值上、下限值的大小關(guān)系，控制每相直流電壓的輸出，從而抑制故障電流的大小。2.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法，其特征是，所述步驟(I)中確定抑制故障電流的直流電壓的方法為: Usup= U dc.(1-m)； 其中，Ud。為額定直流母線電壓，m是有功為零、額定無(wú)功時(shí)的調(diào)制度，U sup為抑制故障電流的直流電壓。3.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法，其特征是，所述步驟(3)中所示故障電流Ifault*電流互感器直接檢測(cè)得到。4.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法，其特征是，所述步驟(4)中控制每相輸出直流電壓的策略為: ①當(dāng)故障電流Ifault大于直流電流上限值I11|0時(shí)，控制每相輸出的直流電壓為-U sup; ②當(dāng)故障電流Ifault小于直流電流下限值-111|0時(shí)，控制每相輸出的直流電壓為U sup; ③當(dāng)故障電流Ifault位于直流電流上限值、下限值之間時(shí)，控制每相輸出的直流電壓為零，此時(shí)換流器等效為兩個(gè)并聯(lián)的無(wú)功發(fā)生器，通過(guò)修改無(wú)功指令值，為交流電網(wǎng)提供持續(xù)的無(wú)功支撐。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流雙極短路故障電流抑制方法，該方法依據(jù)調(diào)制度裕量計(jì)算得到用于抑制故障電流的電壓值Usup，并對(duì)故障電流進(jìn)行判斷：①當(dāng)故障電流大于電流上限值Ilim時(shí)，將直流電壓控制為-Usup；②當(dāng)故障電流小于電流下限值-Ilim時(shí)，將直流電壓控制為Usup；③當(dāng)故障電流位于電流上限值、下限值之間時(shí)，將直流電壓控制為零，此時(shí)系統(tǒng)等效為兩個(gè)并聯(lián)的無(wú)功補(bǔ)償器，可以為電網(wǎng)提供無(wú)功支撐。該方法能夠?qū)⒐收想娏饕种圃诮o定的范圍內(nèi)，算法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。
【IPC分類】H02M1/32, H02J3/18
【公開號(hào)】CN105119477
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510600087
【發(fā)明人】張用, 行登江, 劉洪正, 袁帥, 辛征, 吳觀斌, 程艷, 孫樹敏, 于芃, 吳金龍
【申請(qǐng)人】國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院, 西安許繼電力電子技術(shù)有限公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司
【公開日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年9月18日