一種抑制大容量MMC子模塊故障電流的橋臂電路及方法與流程

2023-09-12 01:56:15

本發明屬於新能源及電力工程領域，涉及換流器柔性直流輸電技術，尤其涉及一種抑制大容量mmc子模塊故障電流的橋臂電路及方法。

背景技術：

以全控型電力電子器件為基礎的模塊化多電平電壓源型換流器(mmc)，基於第二代柔性直流輸電技術，具有電壓源型換流器(vsc)的所有優點，包括能夠獨立控制有功及無功功率、不存在換相失敗、能夠為無源孤島供電等等，因此得到了學術界與工業界的青睞。同時，mmc系統還具備開關頻率較低、開關損耗小、無需交流濾波器組和擴展性強等特點，這使其能夠運用於高直流電壓以及大功率輸電的場合。基於上述優勢，未來大容量mmc將廣泛的應用於大規模風電、光伏、儲能等新能源的消納與併網當中，另外，在直流多饋入地區，將受端逆變器改造或者設計為大容量mmc也將成為發展的趨勢。

在mmc系統中，子模塊價格昂貴，並且在目前的技術條件下全控型電力電子器件的通流能力和耐壓水平都非常有限，因此採用對稱雙極拓撲是目前大容量mmc的主要方案。在對稱雙極的mmc系統中，換流站內若出現嚴重故障，將會導致子模塊中全控型電力電子器件發生過流問題，嚴重情況下可能會導致功率器件損壞。

針對該問題，目前業內主要從增加器件選型的穩態裕度，降低控制保護系統中的保護整定值或者增加一次設備等方面進行解決，但是上述解決方案一方面對於子模塊過電流的改善作用有限且器件利用率較低，另外一方面增加了設備成本，經濟性較差。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述現有技術中的問題，提供一種抑制大容量mmc子模塊故障電流的橋臂電路及方法，能夠有效的降低mmc子模塊故障電流，並且在工程實際中接線簡潔、實現過程簡單，不會造成技術成本的增加，具有較好經濟性。

為了實現上述目的，本發明橋臂電路包括由兩個獨立的mmc對稱組成的系統正極和系統負極，每個mmc均由六個橋臂組成，六個橋臂分為由上橋臂和下橋臂組成的三組橋臂，三組橋臂在交流側分別與換流變壓器閥側的三相母線連接；所述的六個橋臂在直流側匯集形成中性母線以及正極母線或負極母線；系統正極與系統負極的mmc均獨立控制，系統正極mmc的下橋臂直流母線或中性母線與系統負極mmc的上橋臂直流母線或中性母線對應相連並接地，形成直流側參考零電位；多個mmc串聯橋臂電抗器形成換流變壓器閥塔橋臂單元，橋臂電抗器包括直流側橋臂電抗器以及交流側橋臂電抗器。

mmc採用全控型電力電子器件與電容組成的全橋型、半橋型或者全橋-半橋混合型電路。

所述橋臂電抗器的電感值larm與直流側橋臂電抗器的電感值laud、交流側橋臂電抗器的電感值laua之間滿足larm＝laud+laua；直流側橋臂電抗器laud＝dlarm；d為橋臂電抗器直流側權重係數，直流場中直流電抗值或者線路電抗值越大，d值越小；交流側橋臂電抗器laua＝alarm；a為橋臂電抗器交流側權重係數，直流場中直流電抗值或者線路電抗值越大，a值越大。

所述的d值與a值根據換流站一次接線系統中的參數配置進行校驗。

所述的直流側橋臂電抗器以及交流側橋臂電抗器均設置在多個mmc串聯電路的出線端。

本發明抑制大容量mmc子模塊故障電流的方法，包括以下過程：

在mmc運行過程中，換流變壓器閥側交流相電壓發生變化，a相交流母線電壓按uan＝ua+0.5udc發生偏移，每個橋臂兩端的電壓為uarm＝0.5udc-ua；式中，ua為閥側電壓交流分量，udc為每個換流器埠電壓，uan為閥側每相交流母線對地電壓值；uarm為每個換流器中橋臂兩端承擔的電壓；在mmc運行過程中通過對電容的充放電過程進行控制來完成對電壓、有功和無功目標的控制，而對電容充放電的控制通過對電力電子器件開斷和導通的控制來完成；當mmc產生故障電流，故障瞬間橋臂電壓變為uarmf＝udc，橋臂中的子模塊故障電流式中，ic為故障瞬間子模塊電容的短路放電電流，zarm為短路瞬間橋臂的電阻值，且故障瞬間橋臂中投入的子模塊個數越多，zarm越小；為降低子模塊故障電流，在橋臂閉鎖前，最大程度的降低iarmf；多個mmc串聯橋臂電抗器形成換流變壓器閥塔橋臂單元，橋臂電抗器包括直流側橋臂電抗器以及交流側橋臂電抗器，橋臂電抗器的電感值larm與直流側橋臂電抗器的電感值laud、交流側橋臂電抗器的電感值laua之間滿足larm＝laud+laua；所述直流側橋臂電抗器laud＝dlarm；d為橋臂電抗器直流側權重係數，直流場中直流電抗值或者線路電抗值越大，d值越小；所述交流側橋臂電抗器laua＝alarm；a為橋臂電抗器交流側權重係數，直流場中直流電抗值或者線路電抗值越大，a值越大。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：將每個橋臂作為設計單元，使得接線方式簡潔，工程中易於實現，每個橋臂單元中的橋臂電抗器採用分散式，直流側橋臂電抗器以及交流側橋臂電抗器在橋臂直流側和交流側分別配置，能夠有效降低子模塊故障電流。每個橋臂單元內橋臂電抗器的電感值與常規設計一致，因此並未額外增加一次設備。本發明橋臂電路及故障電流抑制方法能夠有效降低功率器件的安全裕度，提高設備的可利用率，經濟性較好，且對於控制保護系統並未提出嚴苛的需求，可行性較高。

與現有技術相比，本發明故障電流的抑制方法能夠有效降低嚴重故障工況下子模塊過電流的上升率和峰值，為保護策略提供足夠的時間，不會造成mmc子模塊的損壞。該方法實施簡單，對控制保護系統沒有嚴苛的需求，能有效保證柔性直流輸電系統的安全穩定。

附圖說明

圖1大容量mmc對稱雙極拓撲結構示意圖；

圖2本發明抑制子模塊故障電流的橋臂電路示意圖；

圖3橋臂電抗器的閥廳布局示意圖；

圖4常規方案上橋臂閥底接地故障過電流仿真波形圖；

圖5本發明上橋臂閥底接地故障過電流仿真波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。

參見圖1，大容量mmc系統基本都採用對稱雙極拓撲結構。對稱雙極系統中正極和負極分別採用兩個獨立的mmc。每個mmc由6個橋臂(相單元)組成，橋臂交流側分別與換流變壓器閥側三相母線連接，其中上、下橋臂為同一交流母線(a相上橋臂和a相下橋臂交流側都與換流變壓器a相母線相連)。6個橋臂直流側匯集形成正極母線(或負極母線)和中性母線。正極或者負極mmc採取獨立的控制系統，正極mmc下橋臂直流母線(中性母線)和負極mmc上橋臂直流母線(中性母線)相連並進行接地形成直流側參考零電位。

在對稱雙極mmc中，閥側交流相電壓發生變化。

a相交流母線電壓發生偏移：

uan＝ua+0.5udc；

因此，每個橋臂兩端的電壓為：

uarm＝0.5udc-ua；

式中，ua為閥側交流電壓交流分量，udc為每個換流器埠電壓，uan為閥側每相交流母線對地電壓值；uarm為每個換流器中橋臂兩端承擔的電壓。

mmc運行過程中通過對子模塊中電容的充放電過程進行控制來完成對電壓、有功和無功目標的控制。而對子模塊電容充放電的控制主要通過對全控型電力電子器件開斷和導通的控制來完成。根據mmc運行原理及其電壓源換流器拓撲的特點，當換流站內發生嚴重故障時mmc將會產生比較大的故障電流。以閥底和閥側母線接地故障最嚴重。

閥底接地故障瞬間橋臂電壓將變為：

uarmf＝udc；

橋臂中子模塊故障電流表達式為：

式中，iarmf為橋臂中子模塊故障電流，ic故障瞬間子模塊電容的短路放電電流，該值比較大且上升率較快，zarm為短路瞬間橋臂的電阻值，故障瞬間橋臂中投入的子模塊個數越多，zarm就越小。在橋臂閉鎖前，故障電流iarmf將流過子模塊的電力電子器件，可能會導致器件炸裂。為了抑制子模塊中的故障電流，需要最大程度的降低iarmf。

參見圖2，mmc每個橋臂為一個完整的相單元，每個橋臂由串聯的多個子模塊和橋臂電抗器組成，子模塊的形式為全控型電力電子器件與電容組成的全橋型、半橋型或者全橋-半橋混合型。為了抑制子模塊故障電流，每個橋臂電抗器larm採用分散設計，本專利中以兩個為例進行說明，但本方案不局限於兩個分散橋臂電抗器方案。

在每個橋臂的交流側和直流側分別設置一個橋臂電抗器，其中分散電抗應符合以下要求：

larm＝laud+laua；

laud為橋臂直流側橋臂電抗器，laua為橋臂交流側橋臂電抗器，橋臂內電抗器總電感值是一定的即larm。

當站內嚴重故障無論為閥側交流母線、閥底位置接地或者直流側故障時，在故障電流迴路中都有分散電抗器。分散電抗器方案主要通過以下兩個方面的作用來抑制子模塊故障電流。

1)分散電抗器可以有效的抑制電容的放電電流ic峰值以及故障電流上升率

2)故障迴路中的分散電抗器增加了故障迴路中的阻抗zarm。

通過上述兩方面的作用，採用分散電抗的橋臂設計方案可以有效的抑制嚴重故障工況下子模塊過電流的上升率和峰值，為保護策略提供足夠的時間；並且保證在保護過程中不會造成子模塊的損壞。當分散電抗器為兩個以上時，可以根據具體工況在子模塊中間位置進行設置，但是直流側和交流側的電抗器是必須設置且保證具有一定的電感值。

直流側電抗器電感值為：

laud＝dlarm；

其中，d為分散電抗器直流側權重係數，該值根據換流站中系統參數配置進行校驗。當直流場中直流電抗值或者線路電抗值較大時，d值會相對較小。反之，則d值可能會大一些。

交流側電抗器電感值為：

laua＝alarm；

其中，a為分散電抗器交流側權重係數。該值根據換流站中系統參數配置進行校驗。當直流場中直流電抗值或者線路電抗值較大時，a值會相對較大。反之，則a值可能會小一些。

參見圖3，在工程的實現過程中，閥廳的布局方案以每個橋臂為單元進行設置。將分散橋臂電抗器的laud和laua分別按照換流閥的接線方式分別位於閥廳的直流接線出口和交流接線出口。mmc換流閥由若干個子模塊組成，每個橋臂中有若干個閥塔。每個橋臂閥塔的接線方式相互獨立，即橋臂之間不存在閥塔直接相連的接線方式。橋臂交直流之側的對外接線均以分散電抗器為出口。由於分散電抗器的總電感值一定，因此在閥廳中未增加額外的一次設備。

為了對本方案所提的方案進行驗證，分別採用同樣的仿真模型以及工況，對比常規橋臂方案與本發明專利所提的橋臂設計方案進行對比。

參見圖4，在對稱雙極系統中常規的橋臂設計方案中，橋臂電抗採用集中式主要布置在橋臂的交流側。橋臂之間換流閥在直流側是相互直接連接的。

發生發閥底接地故障後，橋臂子模塊電流迅速上升，達到橋臂閉鎖保護整定值後換流器開始閉鎖，在閉鎖過程中故障電流仍然繼續上升。當經過一段時間的延時(閉鎖時間)後閉鎖完成，橋臂電流達到峰值並開始下降。在常規橋臂設計方案中，故障發生後橋臂電流峰值非常高約2.0pu，該值可能會導致功率器件損壞進而引起換流站停機。目前針對上述問題，主要解決方案是大幅度增加器件運行安全裕度，導致器件穩態運行的額定電流遠小於器件自身的額定電流，經濟性較差。另外，由於故障電流上升率較快，對控制保護系統有較高的要求。

參見圖5，故障過程與圖4一致，當發生發閥底接地故障後，橋臂電流迅速上升，達到橋臂閉鎖保護整定值後換流器開始閉鎖，在閉鎖過程中故障電流仍然繼續上升。當經過一段時間的延時(閉鎖時間)後閉鎖完成，橋臂電流達到峰值並開始下降。

在本發明專利所設計的方案中，由於分散電抗器的作用，橋臂電流上升率被有效抑制。橋臂電流峰值也被有效的抑制為1.6pu，該值一般可以滿足系統安全穩定的要求。

採用本發明專利所提的橋臂設計方案後，橋臂子模塊運行過程中的裕度可以相對進行降低，提高設備的利用率。由於上升率的降低，對於控制保護系統的要求並不嚴苛。而該設計方案在實現過程中並未增加一次設備，在實際的換流站運行中有較好的經濟性。

本發明大容量mmc橋臂設計方案中將換流器中每個橋臂(相單元)作為一個整體進行設計，採用分散橋臂電抗器的方式，在每個橋臂的直流側和交流側均布置電抗器。每個橋臂內的電抗器的總電感數值保持不變，交直流側電抗所佔橋臂電抗的權重係數根據系統參數進行校核。每個橋臂在交流側和直流接線出口位置均通過電抗器與橋臂外部進行連接。採用本發明橋臂設計方案能有效的降低子模塊故障電流峰值與抑制故障電流上升率，提高設備中功率器件的可利用率，並且沒有增加一次設備成本，也未對二次系統提出額外要求，工程中經濟性比較好。大容量mmc一般採用全橋子模塊、半橋子模塊或者混合子模塊作為換流的基本單元。由於器件的限流能力與電壓源換流器自身的特性，高電壓大容量mmc基本都採用了對稱雙極拓撲結構。換流站站內故障將會對導致mmc產生較大的故障電流，嚴重的情況下可能會導致器件損耗和換流站停機。本發明專利的目的主要針對高電壓大容量mmc子模塊故障電流進行抑制方案設計，用於彌補目前的技術缺陷並對該難題進行有效的解決。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的技術人員通過閱讀本專利申請文件之後，參照上述實施例對本發明進行的各種常規修改或變更的行為，也均視為落入本發明專利的權利申請要求保護範圍之內。