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技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术目的：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。作为本专利技术的优选方案，所述步骤2包括如下具体步骤：步骤2.1，采集电网电压usa，usb，usc和网侧电流ia，ib，ic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usd，usq和网侧电流id，iq；步骤2.2，采集MMC中三相上桥臂中各个子模块的电容电压uALPi，uBLPi，uCLPi和下桥臂中各个子模块的电容电压uALNi，uBLNi，uCLNi，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uALP，uBLP，uCLP和三相下桥臂电容电压之和uALN，uBLN，uCLN，其中i＝1,2…n；步骤2.3，根据由步骤2.1得到的usa，usb，usc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usa>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usa<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usb>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usb<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usc>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usc<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uABCL；步骤2.5，将由步骤2.4得到的uABCL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id，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iq，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usd加上ω(L+L0)iq，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usq减去ω(L+L0)id，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sa、sb、sc。有益效果：本专利技术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。本专利技术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为本专利技术的MMC双极短路故障运行流程图；图2为本专利技术的MMC故障运行模式下的控制结构图；图3为本专利技术的单端MMC主电路拓扑结构图；图4为本专利技术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为本专利技术的三相上、下桥臂导通开关控制情况图；图6为本专利技术的MMC故障运行时几条潜在通路图；图7为本专利技术的MMC故障运行模式下的等效电路图；图8(a)为本专利技术的五电平MMC直流侧电流Idc波形图；图8(a)为本专利技术的五电平MMC直流侧电压Udc波形图；图9(a)为本专利技术的五电平MMC的A相子模块电容电压波形图；图9(b)为本专利技术的五电平MMC的B相子模块电容电压波形图；图9(c)为本专利技术的五电平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、网本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于直流母线双极等电位的MMC-HVDC直流双极短路故障穿越方法，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：步骤2.1，采集电网电压usa，usb，usc和网侧电流ia，ib，ic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usd，usq和网侧电流id，iq；步骤2.2，采集MMC中三相上桥臂中各个子模块的电容电压uALPi，uBLPi，uCLPi和下桥臂中各个子模块的电容电压uALNi，uBLNi，uCLNi，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uALP，uBLP，uCLP和三相下桥臂电容电压之和uALN，uBLN，uCLN，其中i＝1,2…n；步骤2.3，根据由步骤2.1得到的usa，usb，usc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usa>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usa<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usb>0时，控制B相的上桥臂的IG...

【专利技术属性】
技术研发人员：王颖杰，左慧芳，杨波，许贺，李炎，王超，曾伟，焦岚轶，毛偃宇，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32