一种适用于MMC型直流变压器直流故障的主动限流方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于MMC型直流变压器直流故障的主动限流方法，利用虚拟阻抗模块输出的感应电压降ΔUdc2产生桥臂电压所含直流分量的附加偏置Δu，以及交流分量的增益Ku。当系统稳态运行时，输出电流恒定，ΔUdc2=0，Δu=0，Ku=1；当直流故障发生时，输出电流迅速增大，此时ΔUdc2>0，当ΔUdc2超过死区的上界时，Δu从0迅速增大，随后被限制在Δumax=Udc2/2处保持稳定，消除了桥臂电压中的直流偏置，同时Δu的变化使得Ku从1跳变至2/n，使桥臂电压中交流分量幅值下降，使得桥臂电压的参考值发生调整，经调制模块作用使故障侧MMC每相投入的子模块数从nsum=n减少到n’sum∈{0,1}，从而使得同一时刻参与放电的子模块数量减少，电容放电速度降低，达到了限流目的。

An active current limiting method for DC fault of MMC DC transformer

The invention discloses an active current limiting method suitable for DC faults of MMC type DC transformers, which uses the induced voltage drop Udc2 output from the virtual impedance module to generate the additional bias U of the DC component contained in the bridge arm voltage and the gain Ku of the AC component. When the system runs in steady state, the output current is constant, Udc2 = 0, u = 0, Ku = 1; when the DC fault occurs, the output current increases rapidly, at this time Udc2 > 0, when Udc2 exceeds the upper bound of the dead zone, u increases rapidly from 0, and then is confined to Umax = Udc2/2 to maintain stability, eliminating the DC bias in the bridge arm voltage, the same as The change of time u makes Ku jump from 1 to 2/n, and makes the amplitude of AC component in the arm voltage decrease, so that the reference value of the arm voltage is adjusted. The number of sub-modules input by each phase of MMC on the fault side is reduced from n sum=n to n'sum <{0,1} by modulation module, so that the number of sub-modules participating in the discharge at the same time is reduced. The discharge speed is reduced and the current limiting purpose is achieved.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于MMC型直流变压器直流故障的主动限流方法
本专利技术涉及一种适用于MMC型直流变压器直流故障的主动限流方法，属于模块化多电平与大功率直流变换

技术介绍
模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter,MMC)技术近年来在高压直流输电领域获得了成功的商业化推广，而基于MMC的高压大功率直流变压器在未来的柔性高压直流电网中具有良好的应用前景。由于柔性高压直流电网是一个“低惯量”系统，其响应时间常数小，因此MMC型直流变压器的直流故障保护研究是研究人员面临的技术问题之一，由于MMC直流侧双极短路故障是MMC系统中最为严重的故障类型，引起的子模块过电流水平最高，因此对MMC型直流变压器直流侧双极短路故障限流研究具有重要意义。文献“模块化多电平换流器型高压直流变压器的直流故障特性研究”分析了MMC型直流变压器的直流侧短路故障机理和系统的故障输出特性，得出MMC型直流变压器对双极短路故障具有故障隔离能力的结论。要使MMC型直流变压器隔离双极短路故障，故障侧MMC换流器需要进行闭锁，而发出闭锁动作之前需要对直流故障进行识别，闭锁动作一般滞后于故障发生，因此闭锁动作发生之前上升的故障电流使得开关器件电流应力增大，可能无法满足柔性直流电网关于快速限流的要求。目前已有学者开始研究在故障发生时提前于故障识别、依靠MMC自身控制自动限流的主动限流法，如文献“ActiveControlofDCFaultCurrentsinDCSolid-StateTransformersDuringRide-ThroughOperationofMulti-TerminalHVDCSystems”通过设置比例——积分——微分控制器动态实现对桥臂电压的调整进行直流故障穿越，控制环节繁琐；文献“基于虚拟阻抗的MMC交、直流侧故障过电流抑制方法”提出了基于虚拟阻抗的限流策略，等效增大放电回路中的电抗，抑制了直流故障引起的过电流，但此方法的限流效果有限。因此，有必要设计步骤简单、易于参数调节、性能优良的主动限流方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种适用于MMC型直流变压器直流故障的主动限流方法，在故障发生时提前于故障识别、依靠MMC自身控制实现对故障电流的自动限制。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种适用于MMC型直流变压器直流故障的主动限流方法，所述MMC型直流变压器的结构为面对面连接，包括一次侧换流器和二次侧换流器；二次侧换流器包括a、b两相，每相分为上、下两个桥臂，每个桥臂包括n个子模块，所有子模块均为半桥结构；所述主动限流方法包括如下步骤：步骤1，当直流双极短路故障发生时，输出电流Idc2在虚拟阻抗模块上感应出电压降为ΔUdc2，电压降ΔUdc2叠加在直流输出电压的实际测量值Udc2上得到直流输出电压的实际反馈值U′dc2；步骤2，一次侧换流器调制波的初始相位δp为0；直流输出电压的参考值Udc2_ref与直流输出电压的实际反馈值U′dc2经比例积分控制器形成的电压外环后，输出二次侧换流器调制波的初始相位δs，初始相位δs再经二次侧换流器的内部控制模块得到二次侧换流器单相输出电压的参考值uout_ref；步骤3，电压降ΔUdc2经死区和限幅模块得到的值是桥臂电压所含直流分量附加偏置Δu的两倍；步骤4，电压降ΔUdc2经比较模块得到桥臂电压所含交流分量的增益Ku；步骤5，直流输出电压的实际测量值Udc2、二次侧换流器单相输出电压的参考值uout_ref、桥臂电压所含直流分量附加偏置Δu、桥臂电压所含交流分量的增益Ku经如下公式得到a、b相上桥臂电压参考值u′px_ref：经如下公式得到a、b相下桥臂电压参考值u′nx_ref：u′px_ref、u′nx_ref通过二次侧换流器的调制模块输出二次侧换流器各开关器件的PWM脉冲信号。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1所述虚拟阻抗模块的传递函数为：其中，H(s)为传递函数，Rvirdc为虚拟电阻，Lvirdc为虚拟电感，s为拉普拉斯算子。作为本专利技术的一种优选方案，所述MMC型直流变压器稳态运行时，输出电流Idc2为恒定直流，电压降ΔUdc2为0，桥臂电压所含直流分量附加偏置Δu为0，桥臂电压所含交流分量的增益Ku为1，此时，a、b相上桥臂电压参考值为a、b相下桥臂电压参考值为其中，Udc2为直流输出电压的实际测量值，uout_ref为二次侧换流器单相输出电压的参考值。作为本专利技术的一种优选方案，所述MMC型直流变压器发生直流双极短路故障时，输出电流Idc2在虚拟阻抗模块上感应出的电压降ΔUdc2&gt;0，当ΔUdc2超过死区的上界时，桥臂电压所含直流分量附加偏置Δu从0增大到Udc2/2，桥臂电压所含交流分量的增益Ku从1跳变至2/n，Udc2为直流输出电压的实际测量值，n为二次侧换流器各相的上桥臂或下桥臂包括的子模块个数。作为本专利技术的一种优选方案，所述MMC型直流变压器发生直流双极短路故障时，故障侧换流器即二次侧换流器各相投入的子模块数从nsum＝n减少到n′sum∈{0,1}，n为二次侧换流器各相的上桥臂或下桥臂包括的子模块个数。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术主动限流方法使永久性双极短路故障发生后放电速度得到了减慢。2、本专利技术主动限流方法应用在具体实施例中，使得短路电流峰值降低了31.7％；使得短路电流到达峰值的时间增加了10.4ms；使得故障发生后约10ms桥臂电流瞬时值均小于无限流基本移相控制下桥臂电流瞬时值；在相同的开关器件峰值电流指标下，本专利技术方法为保护动作赢得了4.2ms时间；在故障发生后2～3ms内发生闭锁时，本专利技术方法下开关器件电流应力较小，开关器件的安全裕度有所提高，系统可靠性也得到改善。附图说明图1是本专利技术MMC型直流变压器的结构图。图2是基于无限流基本移相的MMC型直流变压器系统控制框图。图3是基于本专利技术主动限流方法的MMC型直流变压器系统控制框图。图4是本专利技术直流侧附加虚拟阻抗。图5是桥臂电压参考值与子模块投入数量关系示意图。图6是无限流基本移相控制下MMC2的a相投入的子模块数量。图7是本专利技术主动限流方法控制下MMC2的a相投入的子模块数量。图8是不同限流措施下的a相子模块电容电压波形图。图9是不同限流措施下的故障点短路电流波形图。图10是不同限流措施下的a相上桥臂电流波形图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。如图1所示，为MMC型直流变压器结构，该结构为面对面(Front-to-Front，F2F)连接，采用变比为KT的中频变压器T进行隔离和电压匹配。MMC1为一次侧换流端，包含A、B两相，每相分为上、下两个桥臂，每个桥臂包含m个子模块；MMC2为二次侧换流端，包含a、b两相，每相分为上、下两个桥臂，每个桥臂包含n个子模块；Lp和Ls分别代表一、二次侧的桥臂电感；Udc1和Udc2分别为输入电压和输出电压；Idc2为输出电流；iLpa、iLna分别为a相上、下桥臂电流；iLpb、iLnb分别为b相上、下桥臂电流。所有子模块均为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于MMC型直流变压器直流故障的主动限流方法，所述MMC型直流变压器的结构为面对面连接，包括一次侧换流器和二次侧换流器；二次侧换流器包括a、b两相，每相分为上、下两个桥臂，每个桥臂包括n个子模块，所有子模块均为半桥结构；其特征在于，所述主动限流方法包括如下步骤：步骤1，当直流双极短路故障发生时，输出电流Idc2在虚拟阻抗模块上感应出电压降为ΔUdc2，电压降ΔUdc2叠加在直流输出电压的实际测量值Udc2上得到直流输出电压的实际反馈值Ud′c2；步骤2，一次侧换流器调制波的初始相位δp为0；直流输出电压的参考值Udc2_ref与直流输出电压的实际反馈值Ud′c2经比例积分控制器形成的电压外环后，输出二次侧换流器调制波的初始相位δs，初始相位δs再经二次侧换流器的内部控制模块得到二次侧换流器单相输出电压的参考值uout_ref；步骤3，电压降ΔUdc2经死区和限幅模块得到的值是桥臂电压所含直流分量附加偏置Δu的两倍；步骤4，电压降ΔUdc2经比较模块得到桥臂电压所含交流分量的增益Ku；步骤5，直流输出电压的实际测量值Udc2、二次侧换流器单相输出电压的参考值uout_ref、桥臂电压所含直流分量附加偏置Δu、桥臂电压所含交流分量的增益Ku经如下公式得到a、b相上桥臂电压参考值up′x_ref：...

【技术特征摘要】
1.一种适用于MMC型直流变压器直流故障的主动限流方法，所述MMC型直流变压器的结构为面对面连接，包括一次侧换流器和二次侧换流器；二次侧换流器包括a、b两相，每相分为上、下两个桥臂，每个桥臂包括n个子模块，所有子模块均为半桥结构；其特征在于，所述主动限流方法包括如下步骤：步骤1，当直流双极短路故障发生时，输出电流Idc2在虚拟阻抗模块上感应出电压降为ΔUdc2，电压降ΔUdc2叠加在直流输出电压的实际测量值Udc2上得到直流输出电压的实际反馈值Ud′c2；步骤2，一次侧换流器调制波的初始相位δp为0；直流输出电压的参考值Udc2_ref与直流输出电压的实际反馈值Ud′c2经比例积分控制器形成的电压外环后，输出二次侧换流器调制波的初始相位δs，初始相位δs再经二次侧换流器的内部控制模块得到二次侧换流器单相输出电压的参考值uout_ref；步骤3，电压降ΔUdc2经死区和限幅模块得到的值是桥臂电压所含直流分量附加偏置Δu的两倍；步骤4，电压降ΔUdc2经比较模块得到桥臂电压所含交流分量的增益Ku；步骤5，直流输出电压的实际测量值Udc2、二次侧换流器单相输出电压的参考值uout_ref、桥臂电压所含直流分量附加偏置Δu、桥臂电压所含交流分量的增益Ku经如下公式得到a、b相上桥臂电压参考值up′x_ref：经如下公式得到a、b相下桥臂电压参考值u′nx_ref：up′x_ref、u′nx_ref通过二次侧换流器的调制模块输出二次侧换流器各开关器件的PWM脉冲信号。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅军，丁然，管州，赵剑锋，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32