一种电阻型子模块混合MMC及其直流故障处理策略制造技术

本发明专利技术公开了一种电阻型子模块混合MMC及其直流故障处理策略，该混合型MMC通过在直流故障处理过程中在换流器交流侧人为制造三相对地短路，阻止故障电流从交流侧进入直流系统，相比起子模块混合型MMC，能够减少所需的电力电子器件数量；同时，该混合型MMC的直流故障处理速度较快，故障处理过程中人为制造的三相对地短路故障持续时间不超过60ms，不会对交流系统产生较大影响。本发明专利技术MMC所需电阻型子模块比例仅为半桥子模块的30％，大大降低了建设架空线高压柔性直流输电系统的成本，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

A hybrid MMC with resistance sub module and its DC fault handling strategy

【技术实现步骤摘要】
一种电阻型子模块混合MMC及其直流故障处理策略
本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种电阻型子模块混合MMC及其直流故障处理策略。
技术介绍
随着电力电子技术的蓬勃发展，基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)的高压直流输电(highvoltagedirectcurrent，HVDC)技术正受到越来越多的关注。MMC具有以下几个优势：①采用模块化设计，开关器件动态均压以及触发一致性要求较低，运行维护较为方便；②可扩展性好，理论上通过增加级联子模块数量就可以提高电压等级；③损耗低，已经接近传统直流输电的水平(约等于1％)；④输出波形谐波含量低，不需要装设滤波装置。目前MMC已成为高压直流输电场合最具发展前景的换流器拓扑。MMC凭借其相对于两电平和三电平换流器的技术优势，展现出了应用于多端直流输电系统的巨大潜力。然而到目前为止，直流侧故障的快速清除等关键问题依旧没有得到很好的解决，这极大限制了MMC技术在架空线场合的应用。针对目前MMC-HVDC工程中通过跳开交流断路器来处理直流侧故障方法的不足，目前主要存在两种技术成熟度较高的改进措施：(1)仍然采用基于半桥型子模块的换流器，同时在直流线路两端装设高压直流断路器，通过高压直流断路器来快速开断故障线路。ABB公司在2013年底发布了一款额定电压为320kV高压直流断路器，可以在5ms之内开断最大值为9kA的直流电流。目前SIEMENS公司，ALSTOM公司和国网智研院等单位也都在开发自己的高压直流断路器；(2)使用具有直流故障自清除能力的换流器可以快速处理直流线路故障。第一种方式采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器(MMC)加直流断路器方案，这种构网方式适用于端数任意多的直流电网；第二种构网方式采用具有直流故障自清除能力的MMC，例如采用基于全桥子模块的MMC，但无需直流断路器，这种构网方式适用于端数小于10的小规模直流电网。采用半桥子模块MMC加直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间通常要求换流站继续运行，不能闭锁，故障线路由直流断路器快速切除，其故障处理原则与交流电网类似。采用无直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间网内相关换流器闭锁，闭锁后10ms左右故障电流到零并稳定于零值，再通过隔离开关隔离故障线路，然后相关换流器解锁重新恢复送电，从故障开始到恢复送电的时间一般在20ms左右，通常对交流电网的冲击在可以承受的范围之内。当采用半桥子模块MMC加直流断路器的方式来构成直流电网时，直流断路器就成为直流电网的关键性元件；目前高压直流断路器构造方案主要集中于3种类型，分别是基于常规开关的传统机械型断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于二者结合的混合型断路器。虽然目前已开发出技术上可行的高压直流断路器，但其成本高昂，体积巨大，难以像交流断路器那样在电网中广泛使用。而当采用具有直流故障自清除能力的MMC来构成直流电网时，以全桥子模块为例，与相同容量和电压等级的半桥子模块MMC相比，全桥MMC使用的电力电子器件个数几乎为其两倍，不仅增加投资成本，而且引入了更多的运行损耗。因此有文献提出了由半桥子模块和全桥子模块共同构成的子模块混合型MMC换流站，不仅拥有直流故障处理的能力，同时相比全桥MMC一定程度上减少了电力电子器件个数和运行损耗；然而为了满足直流故障处理速度的需求，通常要求子模块混合型中的全桥子模块数量占所有子模块的50％以上，而在现有实际工程中甚至达到了75％，这大大减弱了子模块混合型MMC相对于全桥MMC的优势，增加了建造成本和运行损耗。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提出了一种电阻型子模块混合MMC及其直流故障处理策略，该混合型MMC所需全桥子模块比例仅为所有半桥子模块的30％，且可以在50ms之内隔离直流故障，大大降低了建设架空线高压柔性直流输电系统的成本，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。一种电阻型子模块混合MMC，为三相六桥臂结构，每相包含上下两个桥臂，对于上桥臂，其从高压端至低压端依次由N1个半桥子模块、N2个电阻型子模块以及一个桥臂电抗器串联构成；对于下桥臂，其从高压端至低压端依次由一个桥臂电抗器、N2个电阻型子模块以及N1个半桥子模块串联构成，N1和N2均为大于1的自然数；A相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR1，交流断路器BR1的另一端接地；B相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR2，交流断路器BR2的另一端接地；C相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR3，交流断路器BR3的另一端接地。进一步地，每个桥臂中电阻型子模块的数量N2小于等于30％N1。进一步地，所述MMC直流侧的高压端依次通过平波电抗器以及快速机械开关与直流线路相连接。进一步地，所述电阻型子模块包括两个带反并联二极管的IGBT管T1～T2以及一个电阻R0，其中IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并作为子模块的高压端，IGBT管T1的集电极与电阻R0的一端相连，电阻R0的另一端与IGBT管T2的发射极相连并作为子模块的低压端。上述电阻型子模块混合MMC的直流故障处理策略，包括如下步骤：(1)正常运行过程中，使MMC的交流断路器BR1、BR2和BR3保持开断状态，快速机械开关保持闭合状态，所有电阻型子模块保持旁路状态，同时监测MMC每个桥臂的桥臂电流；(2)直流故障发生后，若MMC所在换流站首先检测到桥臂电流超过阈值，立刻闭锁MMC中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，同时闭合交流断路器BR1、BR2和BR3，进而向MMC所连的另一端换流站发出直流故障处理指令；(3)另一端换流站接收到直流故障处理指令或检测到自身MMC桥臂电流超过阈值，同样立刻闭锁MMC中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，并闭合交流断路器BR1、BR2和BR3；(4)经过一定时长t3之后，当故障线路两端的快速机械开关流经电流降低到一定大小，两端换流站向各自的快速机械开关发出开断信号，快速机械开关完成开断，实现故障线路的物理隔离，与此同时两端换流站向各自MMC的交流断路器BR1、BR2和BR3发出开断信号；(5)经过一定时间长t4后，两端MMC的交流断路器BR1、BR2和BR3恢复到开断状态，至此直流故障处理完成。进一步地，所述步骤(2)和步骤(3)中当以下关系式成立则判定MMC桥臂电流超过阈值；max(Ipa,Ina,Ipb,Inb,Ipc,Inc)＞2Irate其中：Ipa为MMC的A相上桥臂电流，Ina为MMC的A相下桥臂电流，Ipb为MMC的B相上桥臂电流，Inb为MMC的B相下桥臂电流，Ipc为MMC的C相上桥臂电流，Inc为MMC的C相下桥臂电流，Irate为子模块内IGBT的额定电流。进一步地，所述步骤(5)在完成直流故障处理后需进行重合闸操作，具体实现方式如下：对于暂时性直流故障，经过一定的去游离时间后，向故障线路两端的快速机械开关发出闭合信号，同时向两端MMC发出解锁半桥子模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电阻型子模块混合MMC，为三相六桥臂结构，每相包含上下两个桥臂，其特征在于：对于上桥臂，其从高压端至低压端依次由N

【技术特征摘要】
1.一种电阻型子模块混合MMC，为三相六桥臂结构，每相包含上下两个桥臂，其特征在于：对于上桥臂，其从高压端至低压端依次由N1个半桥子模块、N2个电阻型子模块以及一个桥臂电抗器串联构成；对于下桥臂，其从高压端至低压端依次由一个桥臂电抗器、N2个电阻型子模块以及N1个半桥子模块串联构成，N1和N2均为大于1的自然数；
A相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR1，交流断路器BR1的另一端接地；B相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR2，交流断路器BR2的另一端接地；C相上下桥臂的中间节点连接有交流断路器BR3，交流断路器BR3的另一端接地。


2.根据权利要求1所述的电阻型子模块混合MMC，其特征在于：每个桥臂中电阻型子模块的数量N2小于等于30％N1。


3.根据权利要求1所述的电阻型子模块混合MMC，其特征在于：所述MMC直流侧的高压端依次通过平波电抗器以及快速机械开关与直流线路相连接。


4.根据权利要求1所述的电阻型子模块混合MMC，其特征在于：所述电阻型子模块包括两个带反并联二极管的IGBT管T1～T2以及一个电阻R0，其中IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并作为子模块的高压端，IGBT管T1的集电极与电阻R0的一端相连，电阻R0的另一端与IGBT管T2的发射极相连并作为子模块的低压端。


5.如权利要求3所述MMC的直流故障处理策略，包括如下步骤：
(1)正常运行过程中，使MMC的交流断路器BR1、BR2和BR3保持开断状态，快速机械开关保持闭合状态，所有电阻型子模块保持旁路状态，同时监测MMC每个桥臂的桥臂电流；
(2)直流故障发生后，若MMC所在换流站首先检测到桥臂电流超过阈值，立刻闭锁MMC中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，同时闭合交流断路器BR1、BR2和BR3，进而向MMC所连的另一端换流站发出直流故障处理指令；
(3)另一端换流站接收到直流故障处理指令或检测到自身MMC桥臂电流超过阈值，同样立刻闭锁MMC中所有半桥子模块并导通所有电阻型子模块，并闭合交流断路器BR1、BR2和BR3；
(4)经过一定时长t3之后，当故障线路两端的快速机械开关流经电流降低到一定大小，两端换流站向各自的快速机...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐政，张哲任，徐雨哲，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33