一种基于主动旁路的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于主动旁路的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法，通过对MMC实施中点移位控制策略和主动旁路控制策略，可以在不闭锁换流站的前提下，有效解决MMC器件热分布不均的问题，为交直流电网提供无功和有功支撑，提高MMC及其器件的可靠性和稳定性，提高交流故障穿越能力。本发明专利技术中点移位控制策略解决MMC中三相之间热分布不均问题，并在各相中产生新增的冗余子模块；主动旁路控制策略则利用新增的冗余子模块进行轮换旁路，有效解决同一桥臂内不同子模块热分布不均问题；同时，本发明专利技术利用过流能力强的双向晶闸管旁路子模块，避免MMC子模块下管IGBT及其反并联二极管长时间通过较大电流而过热损坏。

【技术实现步骤摘要】
一种基于主动旁路的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法
本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种基于主动旁路的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法。
技术介绍
模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，MMC)因其具有谐波含量低、传输效率高、模块化程度高、易于拓展等优点，在中高压应用领域具有明显的优势。目前，MMC作为电能发送端和接受端的换流装置，已广泛应用于高压直流输电(HighVoltageDirectCurrent，HVDC)系统中。随着MMC-HVDC系统容量的增大，当系统发生故障时，波及范围更广，故障所造成的危害也愈加严重。因此，系统对MMC的性能要求也越来越高，MMC不仅要承受故障电网的扰动，而且能够为直流电网或交流电网提供足够的支撑，使电网平稳渡过电压故障阶段和电压恢复阶段，实现故障穿越。当MMC-HVDC系统发生交流侧单相短路故障时，交流电压跌落，为维持直流电网电压稳定，MMC将承受更大的交流电网电流，其运行环境较为恶劣。因此，设计具有交流故障穿越能力、可靠性高的MMC成为MMC-HVDC系统的重要环节和挑战之一。MMC的可靠性与其器件性能密切相关，而功率器件的损坏大多与器件热应力有关，故MMC中器件的热性能对MMC的运行可靠性影响较大。而热分布不均和频繁热摆动会导致器件工作在安全工作区之外，是导致器件损坏的两大主要因素。因此，当交流电网发生短路故障时，若要保证MMC安全可靠运行并实现故障穿越，有必要采取主动热控制策略，防止交流电压跌落和交流电流增大时，器件因热应力分布不均和频繁热摆动而损坏。现有MMC的发热控制有以下两种途径：(1)提升器件性能，减少发热；(2)优化控制算法。前者要求从导通压降、开关时间等方面优化器件，并在硬件上进行升级，因此难度较大，成本较高；而后者不需要升级硬件，因而成本较低，实现较易，是解决故障情况减少MMC器件发热控制的理想途径。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种基于主动旁路的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法，具有控制简单有效、有效平抑热不均、工程实现简单的优点。一种基于主动旁路的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法，所述MMC所采用的子模块结构包括两个带反并联二极管的IGBT管S1～S2、电容Csm以及双向晶闸管；其中，电容Csm的正极与IGBT管S1的集电极相连，IGBT管S1的发射极与IGBT管S2的集电极以及双向晶闸管的一端相连并作为子模块的正极，IGBT管S2的发射极与电容Csm的负极以及双向晶闸管的另一端相连并作为子模块的负极，IGBT管S1和S2的基极以及双向晶闸管的门极均接外部设备提供的开关信号；所述MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法如下：当检测到MMC交流侧发生单相接地故障时，首先采用中点移位控制策略将不对称的三相交流电压变换为幅值相等的三相交流电压；然后采用主动旁路控制策略，实现MMC单相交流接地故障热冲击平抑。进一步地，所述中点移位控制策略的具体实现过程如下：首先，根据以下算式计算出六个中间变量A～F：其中：Dp为电压跌落度且Dp＝U'/U，U和U'分别为接地相故障前后的交流电压，k为MMC交流侧等效电感压降标幺值且k＝UL/U，UL为MMC交流侧等效电感压降；然后，使MMC三相交流电压均叠加一个幅值为UNO相位为α的交流电压；其中幅值UNO和相位α的计算表达式如下：其中：Uv1为接地相的额定交流电压幅值。进一步地，所述主动旁路控制策略的具体实现过程为：对于MMC的任一桥臂，在当前控制周期内将该桥臂中第1～N个子模块作为冗余子模块并使其旁路，其余子模块则相应地投入或切除；下一控制周期内则将该桥臂中第N+1～2N个子模块作为冗余子模块并使其旁路，其余子模块则相应地投入或切除；再下一控制周期内则将该桥臂中第2N+1～3N个子模块作为冗余子模块并使其旁路，其余子模块则相应地投入或切除；依此轮流循环，每个控制周期旁路N个冗余子模块，N为采用中点移位控制策略后MMC每个桥臂新增的冗余子模块个数。进一步地，当任一子模块被作为冗余子模块要求旁路时，则导通该子模块中的双向晶闸管并关断IGBT管S1和S2；当该子模块不作为冗余子模块时，则不对其中的双向晶闸管施加任何动作。进一步地，所述冗余子模块个数N的计算表达式如下：其中，Udc为MMC的直流母线电压，Ntotal为MMC的单桥臂子模块个数，U1为采用中点移位策略后的MMC三相交流电压幅值。进一步地，所述MMC三相交流电压幅值U1的计算表达式如下：基于上述技术方案，本专利技术具有以下有益技术效果：(1)本专利技术控制方法在不闭锁换流器的前提下，能够改善MMC内热分布不均的问题，提高MMC的故障穿越能力，为电网提供足够的支撑，为消除MMC-HVDC系统单相接地故障提供支持。(2)本专利技术控制方法通过中点移位控制策略改善了单相交流接地故障时MMC的相间热分布不均问题，通过主动旁路控制策略改善了同一桥臂内不同子模块间热分布不均问题，从而减少单个器件的发热，延长了器件寿命。(3)本专利技术控制方法降低了对散热设备的要求，控制策略简单稳定，成本大为降低。(4)本专利技术控制方法采用过流能力强的双向晶闸管旁路子模块，避免子模块下桥臂IGBT及其反并联二极管长时间通过较大电流，避免器件发热严重而损坏，为电网故障恢复预留更多时间。(5)本专利技术控制方法可以提高MMC的交流故障穿越能力，提高MMC设备的可靠性和MMC-HVDC系统的稳定性，为MMC的设计提供方案。(6)本专利技术控制方法可以为MMC其他交流故障类型提供解决方案；为MMC应用于其他场合，如电机控制等，提供故障解决方案或启发；为其他电压源换流器实现故障穿越提供启发。附图说明图1为本专利技术MMC的结构示意图。图2为本专利技术MMC半桥子模块的结构示意图。图3(a)～图3(f)对应为半桥子模块的六种工作模式示意图。图4(a)为系统正常运行和发生A相短路故障时三相交流电压波形示意图。图4(b)为系统正常运行和发生A相短路故障时三相交流电流波形示意图。图5(a)为采用传统控制策略的三相交流电压向量图。图5(b)为采用传统控制策略的MMC各相交流电压标幺值示意图。图6(a)为采用中点移位控制策略的三相交流电压向量图。图6(b)为采用中点移位控制策略的MMC各相交流电压标幺值示意图。图7为主动旁路控制策略的信号时序示意图。图8(a)为单相短路故障时采用传统控制策略的子模块器件温度示意图。图8(b)为单相短路故障时采用本专利技术控制策略的子模块器件温度示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术基于主动旁路的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制策略适用于MMC-HVDC系统，该系统中MMC连接三相交流电网(A,B,C)与高压直流电网(P,N)是实现交直流电能变换的关键设备，本实施例中假设MMC采用最近电平逼近调制NLM。本实施例中MMC的基本单元为子模块SM，如图1所示，N个子模块SM级联与一个桥臂电感串联构成MMC的一个桥臂，上下两个桥臂串联构成一个相单元。三相MMC换流器含有三个相单元，6个桥臂，6N个子模块；直流母线电压为Udc，交流三相电压分别为u1、v1、w本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于主动旁路的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法，所述MMC所采用的子模块结构包括两个带反并联二极管的IGBT管S1～S2、电容Csm以及双向晶闸管；其中，电容Csm的正极与IGBT管S1的集电极相连，IGBT管S1的发射极与IGBT管S2的集电极以及双向晶闸管的一端相连并作为子模块的正极，IGBT管S2的发射极与电容Csm的负极以及双向晶闸管的另一端相连并作为子模块的负极，IGBT管S1和S2的基极以及双向晶闸管的门极均接外部设备提供的开关信号；所述MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法，其特征在于：当检测到MMC交流侧发生单相接地故障时，首先采用中点移位控制策略将不对称的三相交流电压变换为幅值相等的三相交流电压；然后采用主动旁路控制策略，实现MMC单相交流接地故障热冲击平抑。

【技术特征摘要】
1.一种基于主动旁路的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法，所述MMC所采用的子模块结构包括两个带反并联二极管的IGBT管S1～S2、电容Csm以及双向晶闸管；其中，电容Csm的正极与IGBT管S1的集电极相连，IGBT管S1的发射极与IGBT管S2的集电极以及双向晶闸管的一端相连并作为子模块的正极，IGBT管S2的发射极与电容Csm的负极以及双向晶闸管的另一端相连并作为子模块的负极，IGBT管S1和S2的基极以及双向晶闸管的门极均接外部设备提供的开关信号；所述MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法，其特征在于：当检测到MMC交流侧发生单相接地故障时，首先采用中点移位控制策略将不对称的三相交流电压变换为幅值相等的三相交流电压；然后采用主动旁路控制策略，实现MMC单相交流接地故障热冲击平抑。2.根据权利要求1所述的MMC单相交流接地故障热冲击平抑控制方法，其特征在于：所述中点移位控制策略的具体实现过程如下：首先，根据以下算式计算出六个中间变量A～F：其中：Dp为电压跌落度且Dp＝U'/U，U和U'分别为接地相故障前后的交流电压，k为MMC交流侧等效电感压降标幺值且k＝UL/U，UL为MMC交流侧等效电感压降；然后，使MMC三相交流电压均叠加一个幅值为UNO相位为α的交流电压；其中幅值UNO和相位α的计算表达式如下：其中：Uv1为接地相的额定交流电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：李武华，杨贺雅，董玉斐，刘永霞，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33