模块化多电平换流器交流不对称故障主回路计算方法、系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模块化多电平换流器的交流不对称故障主回路计算方法及系统，它包括：模块化多电平换流器与交流系统连接产生故障负序电流；根据故障负序电流计算模块化多电平换流器中的电气量变化量。本发明专利技术基于模块化多电平换流器电气量循环耦合关系，通过将负序故障电流引入到模块化多电平换流器内部循环耦合关系中来体现不对称故障的影响，给出了不对称交流故障态下的模块化多电平换流器内部主要电气量的解析表达式，可以直观地体现不对称交流故障对模块化多电平换流器的影响。

【技术实现步骤摘要】
模块化多电平换流器交流不对称故障主回路计算方法、系统
本专利技术涉及高压大容量电力电子换流器
，特别是一种模块化多电平换流器的交流不对称故障主回路计算方法、系统。
技术介绍
模块化多电平换流器属于电压源型电力电子换流器，基于绝缘栅双极型晶体管等全控电力电子器件和脉宽调制技术，能够稳定地控制有功功率和无功功率在交直流系统间传输。模块化多电平换流器包含a、b、c三个相单元，每个相单元包含两个桥臂，即上桥臂和下桥臂，总共六个桥臂。三个相单元并联在直流正极和直流负极之间，三个相单元的上桥臂和下桥臂的中间点联接三相交流系统。每个桥臂由一个桥臂电抗Ls和N个子模块串联组成。典型的子模块结构为半桥子模块。半桥子模块由两个绝缘栅双极晶体管S1、S2，两个续流二极管D1、D2以及一个直流电容Cd构成。模块化多电平换流器具有诸多技术优势，如模块化的结构，易于达到高电压等级；多电平的工作方式，利于提升传输效率；高质量的输出电压波形，不需要安装交流滤波器等，使其在区域电网互联、可再生能源接入电网等场景下受到广泛重视。模块化多电平换流器与交流系统连接时，交流系统容易受雷击等外界因素影响发生短路故障。其中，发生概率最高的是以单相对地短路故障为代表的不对称交流故障。交流系统不对称故障会产生故障负序电流。故障负序电流进入模块化多电平换流器后，会对模块化多电平换流器产生一系列不利影响。首先，故障负序电流的出现会引起模块化多电平换流器内部电气量发生复杂的连锁变化，比如桥臂电流过电流、电容电压剧烈波动、环流增大、直流电压和直流电流出现二倍频波动等，对模块化多电平换流器的运行环境和器件安全产生恶劣的影响，可能导致模块化多电平换流器退出运行，无法穿越交流故障。其次，通过故障负序电流对模块化多电平换流器的作用，不对称故障还会穿透到直流系统中，对直流系统的控制保护以及其他非故障元件造成影响，比如由交流故障引起的有功功率大幅下降可能会导致模块化多电平换流器控制器丧失直流电压控制功能，又如由故障负序电流激发的直流电压、直流电流的二倍频波动会影响非故障的模块化多电平换流器的正常运行。因此，建立模块化多电平换流器在交流不对称故障态下的主回路电气量计算方法，给出计及故障负序电流作用的模块化多电平换流器内部主要电气量的解析表达式，对于分析交流故障对模块化多电平换流器以及直流系统的影响、研究有效的交流故障穿越策略具有重要意义。目前具有代表性的交流不对称故障对直流系统的影响分析和计算方法，一个关注的焦点问题为故障点所在的交流系统的详细解析分析。基于对称分量法对交流系统电压和电流进行正负零序分解，有的方法还在广域旋转坐标系下进行了坐标变换处理，然后分别针对正负零序分量进行状态方程的列写和求解，得到在交流不对称故障态下模块化多电平换流器电气量中交流部分的表达式。对于模块化多电平换流器电气量中直流部分，根据瞬时功率守恒定律，从交流部分解析分析的结果出发进行求解。这种方法对于故障态下模块化多电平换流器电气量中交流部分的解析分析较为详尽，直流部分的解析分析也比较简明，但是尚不能涵盖模块化多电平换流器内部所有重要电气量的计算。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术的目的就是提供一种模块化多电平换流器的交流不对称故障主回路计算方法、系统，基于模块化多电平换流器电气量循环耦合关系，通过将负序故障电流引入到模块化多电平换流器内部循环耦合关系中来体现不对称故障的影响，给出了不对称交流故障态下的模块化多电平换流器内部主要电气量的解析表达式，可以直观地体现不对称交流故障对模块化多电平换流器的影响。本专利技术的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种模块化多电平换流器的交流不对称故障主回路计算方法，它包括有：根据交流系统不对称故障产生的故障负序电流计算模块化多电平换流器中的电气量变化量。进一步，所述模块化多电平换流器中的电气变化量包括有子模块电容电流变化量，所述子模块电容电流变化量的计算过程如下：由故障负序电流引起的子模块电容电流变化量为开关函数和桥臂电流负序分量的乘积；其中，开关函数表示为：其中，Sap,n表示a相上桥臂和下桥臂的开关函数，Sbp,n表示b相上桥臂和下桥臂的开关函数，Scp,n表示c相上桥臂和下桥臂的开关函数；M表示参考电压的基频调制比，ω为基频角频率；在交流电流中引入负序分量，交流电流可以表示为：其中，I+和分别为正序电流的幅值和功率因数角，I-和分别为故障负序电流的幅值和功率因数角；ia、ib、ic分别表示a相、b相、c相的交流电流；故障负序电流进入桥臂中，在桥臂电流上产生负序分量；桥臂电流表示为：其中，iap,n表示a相上桥臂和下桥臂的桥臂电流，ibp,n表示b相上桥臂和下桥臂的桥臂电流，icp,n表示c相上桥臂和下桥臂的桥臂电流；Ida，Idb，Idc分别表示桥臂电流中的直流分量；由公式(1)至公式(3)可知，子模块电容电流变化量为：其中，表示a相上桥臂和下桥臂的子模块电容电流变化量，表示b相上桥臂和下桥臂的子模块电容电流变化量，表示c相上桥臂和下桥臂的子模块电容电流变化量。进一步，所述模块化多电平换流器中的电气变化量包括有子模块电容波动电压变化量，所述子模块电容波动电压变化量的计算过程如下：其中，I-和分别为故障负序电流的幅值和功率因数角；M表示参考电压的基频调制比，ω为基频角频率；表示a相上桥臂和下桥臂的子模块电容波动电压变化量，表示b相上桥臂和下桥臂的子模块电容波动电压变化量，表示c相上桥臂和下桥臂的子模块电容波动电压变化量。进一步，所述模块化多电平换流器中的电气变化量包括有相单元波动电压变化量，所述相单元波动电压变化量的计算过程如下：每个相单元包括上、下两个桥臂，由故障负序电流引起的上、下桥臂波动电压变化量表示为：其中，Cd为直流电容，N为子模块个数，Sap,n表示a相上桥臂和下桥臂的开关函数，Sbp,n表示b相上桥臂和下桥臂的开关函数，Scp,n表示c相上桥臂和下桥臂的开关函数；M表示参考电压的基频调制比，ω为基频角频率；I-和分别为故障负序电流的幅值和功率因数角；表示a相上桥臂和下桥臂的波动电压变化量，表示b相上桥臂和下桥臂的波动电压变化量，表示c相上桥臂和下桥臂的波动电压变化量；由故障负序电流引起的相单元波动电压变化量可以表示为：其中，表示a相单元波动电压变化量，表示b相单元波动电压变化量，表示c相单元波动电压变化量。进一步，所述模块化多电平换流器中的电气变化量包括有环流变化量，所述环流变化量包括二倍频环流变化量和直流环流变化量；由故障负序电流引起的二倍频环流变化量表示为：其中，Ls为桥臂电抗，Cd为直流电容，N为子模块个数，I-和分别为故障负序电流的幅值和功率因数角；M表示参考电压的基频调制比，ω为基频角频率；表示a相二倍频环流变化量，表示b相二倍频环流变化量，表示c相二倍频环流变化量。表示a相单元波动电压变化量的二倍频分量。直流环流变化量表示为：其中，表示a相直流环流变化量，表示b相直流环流变化量，表示c相直流环流变化量。进一步，所述模块化多电平换流器中的电气变化量包括有直流线路电压变化量，由故障负序电流引起的直流线路电压变化量表示为：其中，Cd为直流电容，N为子模块个数，M表示参考电压的基频调制比，ω为基频角频率；I-和分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化多电平换流器的交流不对称故障主回路计算方法，其特征在于，根据交流系统不对称故障产生的故障负序电流计算模块化多电平换流器中的电气量变化量。

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平换流器的交流不对称故障主回路计算方法，其特征在于，根据交流系统不对称故障产生的故障负序电流计算模块化多电平换流器中的电气量变化量。2.如权利要求1所述的模块化多电平换流器的交流不对称故障主回路计算方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器中的电气变化量包括有子模块电容电流变化量，所述子模块电容电流变化量的计算过程如下：由故障负序电流引起的子模块电容电流变化量为开关函数和桥臂电流负序分量的乘积；其中，开关函数表示为：其中，Sap,n表示a相上桥臂和下桥臂的开关函数，Sbp,n表示b相上桥臂和下桥臂的开关函数，Scp,n表示c相上桥臂和下桥臂的开关函数；M表示参考电压的基频调制比，ω为基频角频率；在交流电流中引入负序分量，交流电流可以表示为：其中，I+和分别为正序电流的幅值和功率因数角，I-和分别为故障负序电流的幅值和功率因数角；ia、ib、ic分别表示a相、b相、c相的交流电流；故障负序电流进入桥臂中，在桥臂电流上产生负序分量；桥臂电流表示为：其中，iap,n表示a相上桥臂和下桥臂的桥臂电流，ibp,n表示b相上桥臂和下桥臂的桥臂电流，icp,n表示c相上桥臂和下桥臂的桥臂电流；Ida，Idb，Idc分别表示桥臂电流中的直流分量；由公式(1)至公式(3)可知，子模块电容电流变化量为：其中，表示a相上桥臂和下桥臂的子模块电容电流变化量，表示b相上桥臂和下桥臂的子模块电容电流变化量，表示c相上桥臂和下桥臂的子模块电容电流变化量。3.如权利要求1所述的模块化多电平换流器的交流不对称故障主回路计算方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器中的电气变化量包括有子模块电容波动电压变化量，所述子模块电容波动电压变化量的计算过程如下：其中，I-和分别为故障负序电流的幅值和功率因数角；M表示参考电压的基频调制比，ω为基频角频率；表示a相上桥臂和下桥臂的子模块电容波动电压变化量，表示b相上桥臂和下桥臂的子模块电容波动电压变化量，表示c相上桥臂和下桥臂的子模块电容波动电压变化量。4.如权利要求1所述的模块化多电平换流器的交流不对称故障主回路计算方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器中的电气变化量包括有相单元波动电压变化量，所述相单元波动电压变化量的计算过程如下：每个相单元包括上、下两个桥臂，由故障负序电流引起的上、下桥臂波动电压变化量表示为：其中，Ls为桥臂电抗，Cd为直流电容，N为子模块个数，Sap,n表示a相上桥臂和下桥臂的开关函数，Sbp,n表示b相上桥臂和下桥臂的开关函数，Scp,n表示c相上桥臂和下桥臂的开关函数；M表示参考电压的基频调制比，ω为基频角频率；I-和分别为故障负序电流的幅值和功率因数角；表示a...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋望，李笑倩，李亚军，魏应冬，徐瑞林，陈涛，朱小军，朱晟毅，向红吉，赵科，马兴，
申请(专利权)人：国网重庆市电力公司电力科学研究院，清华大学，国家电网有限公司，国网湖北省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50