CN111711349B - 基于桥臂电压控制的mmc主动限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法，属于柔性直流输电技术领域。首先降低桥臂电压直流分量限流方法设计，根据稳态运行时的调制比使MMC直流出口电压降至故障前的m倍，交流出口电压不发生改变，能够降低直流故障电流的大小且不影响交流出口特性。后又通过降低桥臂电压交直流分量，使直流出口电压降至故障前的km倍，交流出口电压降至故障前的k倍，能够更好的限流故障电流。设计了满足桥臂不闭锁约束条件的主动限流方法参数选取原则。通过设定直流电压和直流电流变化率的阈值，对基于桥臂电压控制的主动限流方法的控制系统进行了设计。

Description

基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及一种柔性直流电网直流侧故障所引起直流故障电流的抑制方法，尤指一种基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法。

背景技术

2001年，德国学者R.Marquardt和A.Lesnicar提出模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)，推动了高压直流输电(high voltage direct currenttransmission，HVDC)技术的发展。基于MMC的柔性直流电网是实现大规模可再生能源汇集与远距离外送的必要手段。然而，与交流电网相比，直流电网具有低阻尼的特性，故障电流上升快且清除困难。针对柔性直流电网的建设，主要有两种技术方案。一种是使用具有故障阻断能力的改进型子模块，由于该方案极大增加了系统的建设成本及运行损耗，难以在实际工程中大规模应用。另外一种方案是使用在建设成本与运行损耗方面都具有优势的半桥型MMC，但因半桥MMC不具备直流故障阻断能力，直流侧故障时需借助直流断路器进行电流阻断与能量耗散，过大的直流电流给直流断路器的设计带来了巨大挑战。因此，降低直流故障电流是直流电网大规模应用的关键。

现有的故障限流手段大都依赖于附加装置。其中最简单的途径是在线路中架设限流电抗器，然而限流电抗器过大不仅大幅增加建设成本还将影响系统的动态性与稳定性。限流装置的使用将解决直流电流上升速度快的难题，但由于其制造困难、成本高，在工程上应用还难以实现。除限流装置外，在开发利用MMC自身限流能力方面的研究也逐渐深入。MMC中存在大量的电力电子器件，具有高可控性，设计合理的控制策略可以在不增加附加投资与损耗的情况下限制故障电流。通过在控制系统中设置映射虚拟阻抗的传递函数能够有效减小故障期间交流系统对桥臂的电流馈入，降低了桥臂电流，但不能限制故障期间子模块电容放电，对直流电流限制效果不明显。现有的各种限流方法虽能在一定程度上限制故障时的短路电流，但未兼顾桥臂安全与MMC的限流能力。因此，在更加合理的开发MMC故障限流能力方面还需要开展深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过分析系统元件参数、直流电压对故障电流影响规律的基础上，考虑限流策略对桥臂电流的影响，提出了控制参数的选取原则，在保证换流器交流侧电压、桥臂电流满足运行要求的前提下降低桥臂电压直流分量，抑制了直流电流上升率。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法，包括以下步骤：

步骤(1)设计降低桥臂电压直流分量限流的方法，采取在故障发生后根据系统调制比m对桥臂参考电压进行调整，把MMC直流出口电压降至故障前m倍；

步骤(2)设计降低桥臂电压交直流分量限流的方法，在步骤(1)的基础上，将桥臂参考电压的交直流分量按比例缩小k倍；

步骤(3)选取主动限流方法的参数，满足桥臂不闭锁约束条件；

步骤(4)设计主动限流方法的控制系统，通过设计直流电压和直流电流变化率的阈值，使控制系统只有在发生直流侧故障时才进行启动。

步骤(1)所述设计降低桥臂电压直流分量限流的方法是：在直流短路故障发生后，通过调节内环控制器电流偏差值维持故障前后输出电压参考波形不变，则故障前后子模块具有相同的投切特性，交流出口电压V_diff可以表示为：

V_ref为内环电流控制器输出交流电压参考波，U_dc为MMC直流电压。由系统调制比m定义可知：

桥臂参考电压交流分量幅值的标幺值在数值上与系统的调制比相等，通常情况下m小于1；桥臂参考电压中的交直流分量间存在差值，利用该差值实现降低直流电压的同时不影响MMC的交流出口特性；稳态运行时，以标幺值表示的上下桥臂电压分别为：

U_p ^*＝0.5-0.5V_ref (1-3)

U_n ^*＝0.5+0.5V_ref (1-4)

U_p ^*为上桥臂电压标幺值，U_n ^*为下桥臂电压标幺值。由MMC工作原理可知：

U_dc＝(U_p ^*+U_n ^*)Nu_c (1-5)

V_diff＝(U_n ^*-U_p ^*)Nu_c/2 (1-6)

N为MMC每相桥臂子模块总数，u_c为子模块电容电压平均值。故障发生后根据系统调制比对桥臂参考电压进行调整，故障后上下桥臂参考电压可以表示为：

U_p ^*＝0.5m-0.5V_ref (1-7)

U_n ^*＝0.5m+0.5V_ref (1-8)

调整后MMC直流出口电压降至故障前的m倍，交流出口电压不发生改变，能够降低直流故障电流的大小且不影响交流出口特性。

步骤(2)所述设计降低桥臂电压交直流分量限流的方法是：在mU_dc至U_dc之间调整直流电压具有的限流效果有限，但其不影响交流出口特性，适用于对交流出口电压、电流特性要求较高的系统；若交流系统对MMC出口电压要求不高，可在调整MMC直流出口电压基础上进一步降低直流电压限制故障电流；

故障后在调整MMC直流出口电压基础上将桥臂参考电压的交直流分量按比例缩小k倍，则故障后桥臂参考电压可以表示为：

U_p ^*＝0.5km-0.5kV_ref (2-1)

U_n ^*＝0.5km+0.5kV_ref (2-2)

在交直流分量同时调整后，直流出口电压降至故障前的km倍，交流出口电压降至故障前的k倍，能够更好的限流故障电流。

步骤(3)所述选取主动限流方法的参数，具体是：在主动限流作用下，故障后桥臂参考电压中的交直流分量同时减小，降低直流电压的同时引起了交流出口电压的跌落，进而造成桥臂电流中基频交流有所增加，可能会引起MMC桥臂闭锁；为保证MMC不间断运行，k值选择应满足桥臂不闭锁约束条件；

由IGBT安全工作区域可知，其最大可靠闭锁电流为其额定电流I_N的2倍，当桥臂电流超过2I_N时，MMC将无法可靠闭锁；为保证IGBT器件安全，故障期间MMC不闭锁条件为：

i_arm，max≤2I_N (3-1)

i_arm,max为桥臂电流最大值。设故障期间系统要求MMC交流出口电压不低于额定运行电压的50％，则要求k介于0.5-1之间且需满足式(3-1)约束条件；由以上分析可以看出，k所能取到的最小值与系统的参数直接相关，其中，交流系统等效电感越大，降低相同桥臂电压交流分量所引起的交流电流增量越小，进而使k能够取更小值。

步骤(4)所述设计主动限流方法的控制系统，其主要包括直流电压阈值判断环节，直流电流变化率阈值判断环节，仅降低桥臂电压直流分量的控制环节以及同时降低桥臂电压交直流分量的控制环节。稳态运行下U_dc大于设定电压阈值U_th，直流电流变化率di_dc/dt小于设定阈值ε，主动限流控制不会启动，系统的正常运行方式不受影响；短路故障发生瞬间，直流电流迅速上升，直流出口电压跌落，换流器切换运行方式，对桥臂参考电压的直流分量进行补偿，同时将补偿后的参考电压交直流分量按比例缩小k倍，可以实现依靠降低MMC直流出口电压抑制故障电流。

本发明的有益效果在于：

基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法可以有效限制柔性直流输电系统直流侧故障所引起的短路电流，采用同时降低桥臂电压交直流分量的方法可以保证换流器交流出口电压不过调制，适用于受端系统对换流站交流出口特性较高的场合。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法流程图；

图2为MMC主电路拓扑直流侧故障示意图；

图3为本发明的电容对短路点放电等效电路图；

图4为本发明的降低桥臂参考电压直流分量前后对比图；

图5为本发明的桥臂参考电压交直流分量同时调整后对比图；

图6为本发明的基于桥臂电压控制的主动限流控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6所示，本发明的基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法，能够有效降低直流断路器的开断电流，使其与直流断路器配合有效完成MMC故障穿越。在分析系统元件参数、直流电压对故障电流影响规律的基础上，设计的降低桥臂电压直流分量限流方法以及降低桥臂电压交直流分量限流方法，并提出了满足桥臂不闭锁约束条件的参数选择方法。首先是降低桥臂电压直流分量限流方法设计，根据稳态运行时的调制比使MMC直流出口电压降至故障前的m倍，交流出口电压不发生改变，能够降低直流故障电流的大小且不影响交流出口特性。后又通过降低桥臂电压交直流分量，使直流出口电压降至故障前的km倍，交流出口电压降至故障前的k倍，能够更好的限流故障电流。设计了满足桥臂不闭锁约束条件的主动限流方法参数选取原则。通过设定直流电压和直流电流变化率的阈值，对基于桥臂电压控制的主动限流方法的控制系统进行了设计。

1.降低桥臂电压直流分量限流方法

在直流短路故障发生后，通过调节内环控制器电流偏差值维持故障前后输出电压参考波形不变，则故障前后子模块具有相同的投切特性，交流出口电压V_diff可以表示为：

V_ref为内环电流控制器输出交流电压参考波，U_dc为MMC直流电压。由系统调制比m定义可知：

可以看出，桥臂参考电压交流分量幅值的标幺值在数值上与系统的调制比相等，通常情况下m小于1。如图4所示，桥臂参考电压中的交直流分量间存在着一定差值，可以利用该差值实现降低直流电压的同时不影响MMC的交流出口特性。如图4所示，稳态运行时，以标幺值表示的上下桥臂电压分别为：

U_p ^*＝0.5-0.5V_ref (1-3)

U_n ^*＝0.5+0.5V_ref (1-4)

U_p ^*为上桥臂电压标幺值，U_n ^*为下桥臂电压标幺值。由MMC工作原理可知：

U_dc＝(U_p ^*+U_n ^*)Nu_c (1-5)

V_diff＝(U_n ^*-U_p ^*)Nu_c/2 (1-6)

N为MMC每相桥臂子模块总数，u_c为子模块电容电压平均值。故障发生后根据系统调制比对桥臂参考电压进行调整，如图4所示，故障后上下桥臂参考电压可以表示为：

U_p ^*＝0.5m-0.5V_ref (1-7)

U_n ^*＝0.5m+0.5V_ref (1-8)

可以看出，调整后MMC直流出口电压降至故障前的m倍，交流出口电压不发生改变，能够降低直流故障电流的大小且不影响交流出口特性。

2.降低桥臂电压交直流分量限流方法

由以上分析可知，在mU_dc至U_dc之间调整直流电压具有的限流效果有限，但其具有不影响交流出口特性的优点，适用于对交流出口电压、电流特性要求较高的系统。若交流系统对MMC出口电压要求不高，可在调整MMC直流出口电压基础上进一步降低直流电压限制故障电流。

如图5所示故障后在调整MMC直流出口电压基础上将桥臂参考电压的交直流分量按比例缩小k倍，则故障后桥臂参考电压可以表示为：

U_p ^*＝0.5km-0.5kV_ref (2-1)

U_n ^*＝0.5km+0.5kV_ref (2-2)

其可以看出，在交直流分量同时调整后，直流出口电压降至故障前的km倍，交流出口电压降至故障前的k倍，能够更好的限流故障电流。

3.主动限流方法参数选取原则

在主动限流作用下，故障后桥臂参考电压中的交直流分量同时减小，降低直流电压的同时引起了交流出口电压的跌落，进而造成桥臂电流中基频交流有所增加，可能会引起MMC桥臂闭锁。为保证MMC不间断运行，k值选择应满足桥臂不闭锁约束条件。

由IGBT安全工作区域可知，其最大可靠闭锁电流为其额定电流I_N的2倍，当桥臂电流超过2I_N时，MMC将无法可靠闭锁。为保证IGBT器件安全，故障期间MMC不闭锁条件为：

i_arm，max≤2I_N (3-1)

i_arm,max为桥臂电流最大值。假定故障期间系统要求MMC交流出口电压不低于额定运行电压的50％，则要求k介于0.5-1之间且需满足式(3-1)约束条件。由以上分析可以看出，k所能取到的最小值与系统的参数直接相关，其中，交流系统等效电感越大，降低相同桥臂电压交流分量所引起的交流电流增量越小，进而使k能够取更小值，在实际应用中可结合实际系统参数与该选取原则确定k值大小。

4.限流方法控制框图设计

如图6所示，为基于桥臂电压控制的主动限流方法控制系统框图。主动限流方法的控制系统，其主要包括直流电压阈值判断环节，直流电流变化率阈值判断环节，仅降低桥臂电压直流分量的控制环节以及同时降低桥臂电压交直流分量的控制环节。其工作原理是：稳态运行下U_dc大于设定电压阈值U_th，直流电流变化率di_dc/dt小于设定阈值ε，主动限流控制不会启动，系统的正常运行方式不受影响；短路故障发生瞬间，直流电流迅速上升，直流出口电压跌落，换流器切换运行方式，对桥臂参考电压的直流分量进行补偿，同时将补偿后的参考电压交直流分量按比例缩小k倍，可以实现依靠降低MMC直流出口电压抑制故障电流。若交流电源对MMC交流出口电压特性要求极高，则选取k为1，可以在故障限流的同时兼顾良好的MMC交流出口特性。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法，其包括以下步骤：

步骤(1)设计降低桥臂电压直流分量限流的方法，采取在故障发生后根据系统调制比m对桥臂参考电压进行调整，把MMC直流出口电压降至故障前m倍；

步骤(2)设计降低桥臂电压交直流分量限流的方法，在步骤(1)的基础上，将桥臂参考电压的交直流分量按比例缩小k倍；

步骤(3)选取主动限流方法的参数，满足桥臂不闭锁约束条件；

步骤(4)设计主动限流方法的控制系统，通过设计直流电压和直流电流变化率的阈值，使控制系统只有在发生直流侧故障时才进行启动；

步骤(1)所述设计降低桥臂电压直流分量限流的方法是：在直流短路故障发生后，通过调节内环控制器电流偏差值维持故障前后输出电压参考波形不变，则故障前后子模块具有相同的投切特性，交流出口电压V_diff表示为：

V_ref为内环电流控制器输出交流电压参考波，U_dc为MMC直流电压；由系统调制比m定义可知：

桥臂参考电压交流分量幅值的标幺值在数值上与系统的调制比相等，通常情况下m小于1；桥臂参考电压中的交直流分量间存在差值，利用该差值实现降低直流电压的同时不影响MMC的交流出口特性；稳态运行时，以标幺值表示的上下桥臂电压分别为：

U_p ^*＝0.5-0.5V_ref (1-3)

U_n ^*＝0.5+0.5V_ref (1-4)

U_p ^*为上桥臂电压标幺值，U_n ^*为下桥臂电压标幺值；由MMC工作原理可知：

U_dc＝(U_p ^*+U_n ^*)Nu_c (1-5)

V_diff＝(U_n ^*-U_p ^*)Nu_c/2 (1-6)

N为MMC每相桥臂子模块总数，u_c为子模块电容电压平均值；故障发生后根据系统调制比对桥臂参考电压进行调整，故障后上下桥臂参考电压表示为：

U_p ^*＝0.5m-0.5V_ref (1-7)

U_n ^*＝0.5m+0.5V_ref (1-8)

调整后MMC直流出口电压降至故障前的m倍，交流出口电压不发生改变，能够降低直流故障电流的大小且不影响交流出口特性。

2.根据权利要求1所述的基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法，其特征在于：步骤(2)所述设计降低桥臂电压交直流分量限流的方法是：在mU_dc至U_dc之间调整直流电压具有的限流效果有限，但其不影响交流出口特性，适用于对交流出口电压、电流特性要求较高的系统；若交流系统对MMC出口电压要求不高，可在调整MMC直流出口电压基础上进一步降低直流电压限制故障电流；

故障后在调整MMC直流出口电压基础上将桥臂参考电压的交直流分量按比例缩小k倍，则故障后桥臂参考电压表示为：

U_p ^*＝0.5km-0.5kV_ref (2-1)

U_n ^*＝0.5km+0.5kV_ref (2-2)

在交直流分量同时调整后，直流出口电压降至故障前的km倍，交流出口电压降至故障前的k倍，能够更好的限流故障电流。

3.根据权利要求1所述的基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法，其特征在于：步骤(3)所述选取主动限流方法的参数，具体是：在主动限流作用下，故障后桥臂参考电压中的交直流分量同时减小，降低直流电压的同时引起了交流出口电压的跌落，进而造成桥臂电流中基频交流有所增加，可能会引起MMC桥臂闭锁；为保证MMC不间断运行，k值选择应满足桥臂不闭锁约束条件；

由IGBT安全工作区域可知，其最大可靠闭锁电流为其额定电流I_N的2倍，当桥臂电流超过2I_N时，MMC将无法可靠闭锁；为保证IGBT器件安全，故障期间MMC不闭锁条件为：

i_arm，max≤2I_N (3-1)

i_arm,max为桥臂电流最大值；设故障期间系统要求MMC交流出口电压不低于额定运行电压的50％，则要求k介于0.5-1之间且需满足式(3-1)约束条件；由以上分析可以看出，k所能取到的最小值与系统的参数直接相关，其中，交流系统等效电感越大，降低相同桥臂电压交流分量所引起的交流电流增量越小，进而使k能够取更小值。

4.根据权利要求1所述的基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法，其特征在于：步骤(4)所述设计主动限流方法的控制系统，包括直流电压阈值判断环节，直流电流变化率阈值判断环节，仅降低桥臂电压直流分量的控制环节以及同时降低桥臂电压交直流分量的控制环节；稳态运行下U_dc大于设定电压阈值U_th，直流电流变化率di_dc/dt小于设定阈值ε，主动限流控制不会启动，系统的正常运行方式不受影响；短路故障发生瞬间，直流电流迅速上升，直流出口电压跌落，换流器切换运行方式，对桥臂参考电压的直流分量进行补偿，同时将补偿后的参考电压交直流分量按比例缩小k倍，可以实现依靠降低MMC直流出口电压抑制故障电流。

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