一种对称双极MMC直流侧单极接地故障穿越和恢复方法与流程
本发明属于柔性高压直流输电系统直流故障保护领域，更具体地，涉及一种对称双极mmc直流侧单极接地故障穿越和恢复方法。
背景技术：
由于能源短缺和环境保护等问题日益凸显，风力和太阳能等新型可再生能源发电量占总发电量的比例逐渐增加。在我国，风能、太阳能等能源大多集中在偏远地区，造成了能源和负荷的地理位置分布不均衡，需要长距离、大容量输送电能。在应用于长距离，大容量输电时，高压交流输电系统的成本和无功损耗随着输电距离的增加迅速增加。因此，高压直流输电技术逐渐引起国内外学者的关注，并得到了迅速的发展。
基于电压源型变换器vsc(voltagesourceconverter)的高压直流输电hvdc(high-voltagedirect-current)技术相对于传统直流输电技术具有：无需无功补偿、没有换相失败风险，可以独立调节系统的有功和无功功率等优势，引起了国内外学者广泛的关注。相比于传统的两电平和三电平拓扑结构，模块化多电平换流器mmc(modularmultilevelconverter)具有结构高度模块化、易于扩展、无需多绕组隔离变压器和输出电压谐波低等优点，已在实际工程中得到应用，如美国的transbay工程、中国的舟山五端柔性直流输电工程。
对称双极接线方案是目前mmc-hvdc系统主要的主接线方案之一。对称双极mmc相比对称单极mmc具有运行方式灵活、输送容量大、可靠性高、双极独立可控等优点。对称双极mmc在直流侧正负极中点接地，正负极相对独立。当系统的一极因故障退出运行时，另一极仍能正常运行，并保持一半的额定输送容量。当前已投运的对称双极直流输电工程有厦门柔性直流输电工程。
然而，对称双极mmc直流侧极对地故障的保护仍然是实际工程中的重大挑战。现有的mmc-hvdc系统中多采用器件少、造价经济的半桥子模块hbsm(half-bridgesm)。由于hbsm不具有直流故障自清除能力，则系统会产生过大的故障电流。这不仅会对换流器的器件造成损害，还会对交流系统产生较大的冲击，影响交流系统的稳定性。现有技术中，处理对称双极mmc直流侧单极接地故障主要有以下几种方法：
1)采用具有直流故障清除能力的子模块。在直流侧发生单极接地故障后，子模块立即闭锁。通过子模块电容建立反向电压迫使故障电流迅速衰减。但这种方法采用的子模块相比于半桥mmc需要额外的开关器件使得建设费用较高，运行损耗较大。故障期间，换流器闭锁对交流系统的功率冲击大。
2)采用高压直流断路器。当直流侧发生单极接地故障时，直流断路器执行开断操作以开断直流故障电流。采用这种方法在故障期间，由于故障极退出运行，导致系统传输的额定有功功率损失了一半，使得有功功率缺额大。同时，在直流断路器尝试重合闸时，若重合闸失败，则故障极相当于发生“二次短路”，巨大的浪涌电流应力将危害换流器安全运行。
综上所述，采用高压直流短路器处理对称双极mmc发生单极接地故障时，存在有功功率缺额大，重合闸时浪涌电流应力大的问题。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了对称双极mmc直流极对地故障的穿越方法和恢复策略，旨在解决现有技术在直流侧极对地故障期间有功功率缺额大以及直流断路器重合闸时浪涌电流应力大的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种对称双极mmc直流侧单极接地故障穿越和恢复方法。本发明所适用的直流输电系统包括包含两个连接变压器，两个mmc和两条直流母线，对称双极mmc在直流侧正负极中点接地。所述mmc包含a、b、c三相，每相包含上、下两个桥臂，每个桥臂由n个半桥子模块级联，串接一个桥臂电感构成。所述半桥子模块由两个igbt及两个反并联的二极管，连接一个电容构成，所述半桥子模块还包括一个用于故障保护的晶闸管。所述的每条直流母线均串接一台平波电抗器和一台直流断路器；假定在所述的正极发生单极接地故障，则称正极为故障极，负极为健全极。其特征在于，包括如下步骤：
(1)判别mmc直流侧是否发生单极接地故障；
是则执行以下动作：发出故障极mmc闭锁信号，使故障极mmc所有半桥子模块内igbt全部关断，以阻断所述半桥子模块电容的放电通路；发出半桥子模块的旁路晶闸管导通信号，旁路所述半桥子模块内反并联的二极管，以保护反并联二极管；对故障极的直流断路器发出断开指令，阻断交流电网的短路通路；
否则系统继续处于稳态控制模式；
所述mmc指模块化多电平换流器；
(2)当母线直流故障电流衰减到零之后，发出故障极mmc解锁信号，使故障极转入statcom运行模式，向交流侧持续提供无功支撑；
(3)当直流母线去游离过程结束，即恢复绝缘水平时，对直流母线上的直流断路器发出重合闸信号；
(4)判别故障极直流母线的浪涌电流应力是否过大；
是则表明暂时性故障未被清除，向所述直流断路器发出重新断开信号，隔离故障点；转步骤(5)；
否则表明暂时性故障已被清除，向故障极mmc发出逐步恢复功率传输信号，使其转入稳态控制模式；转结束；
(5)判断所述直流断路器通过电流超过额定值的次数是否大于预设定过流次数；是则使mmc保持statcom运行模式，直流短路器不再进行重合闸尝试，转结束；否则转步骤(1)；预设定过流次数取2～3次。
本发明提供的对称mmc单极接地故障的穿越方法和恢复策略是通过换流器和直流断路器协调配合实现的。故障期间，闭锁换流器，开断直流断路器以保护故障极换流器的安全运行。在考虑多约束条件的限制下，通过健全极和故障极的有功功率和无功功率协调配合，使健全极短时运行于过载状态，减小系统在故障期间的功率缺额。同时，使故障极运行于statcom状态以向交流侧持续提供无功支撑和减小对交流系统的冲击。通过对mmc换流器上、下桥臂参考电压共模分量的主动控制，可有效降低因直流断路器重合闸失败产生的浪涌电流上升率。
优选地，所述步骤(2)包括以下子步骤：
(2-1)根据换流变压器容量、mmc桥臂通流能力、半桥子模块均压、子模块电容电压波动和直流线路过载能力约束条件，求得所述健全极mmc的有功功率和无功功率运行区域；在该有功功率和无功功率运行区域内，调整健全极mmc稳定运行工作点，使其运行于短时过载，以尽可能多的传输有功功率，从而弥补单极接地故障的功率缺额；
(2-2)向所述故障极mmc发出在故障期间传输两倍的额定无功功率信号，使所述健全极mmc在稳态下所需传输的额定无功功率由故障极mmc来承担。
优选地，所述步骤(2-1)中所述换流变压器容量的限制条件为：
换流器所传输的有功功率p、无功功率q和换流变压器的传输容量smax满足：
p2+q2＜smax2；
其中，有功功率p、无功功率q分别为从pcc流向mmc的有功与无功功率，smax为换流变压器的最大传输容量。
优选地，所述步骤(2-1)中所述mmc桥臂通流能力的限制条件为：
各桥臂电流满足：
其中，ilim为子模块中各igbt的最大通流能力，udc为单个mmc的直流母线电压，usm为交流母线电压幅值；整流方向为正方向。
优选地，所述步骤(2-1)中各半桥子模块均压的限制条件为：
各桥臂电流的直流分量必须小于交流分量；即有功功率p和无功功率q满足：
优选地，所述各子模块内电容电压波动的限制条件为：
mmc稳态运行时，子模块的电容电压波动不能超过最大允许范围，即：
其中，n为子模块数量，c为子模块电容值，uc为子模块额定电压，k为内电势调制比，子模块电容电压波动百分比
优选地，所述步骤(2-1)中所述直流线路过载能力满足：
直流电流不能超过直流线路的短时过载能力极限，即
其中，idc为直流母线电流，idc_max为直流线路短时过载能力极限。
优选地，所述步骤(2-1)、步骤(2-2)之后，还执行以下步骤：
(2-3)在mmc上、下桥臂参考电压上叠加附加电压
其中，δ为pcc点内电势ev相对于交流母线电压us的相位差，idc为故障直流母线电流(整流方向为正方向)，
本发明中，当直流断路器重合闸失败时，可通过换流器的主动控制抑制(即有源阻尼控制)系统产生的巨大的浪涌电流应力。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.通过直流断路器和换流器的配合实现了对直流故障电流的开断，保护换流器的安全运行。故障消除后，实现了直流电压的建立和功率的恢复。
2.故障期间，使健全极在满足换流变压器容量、桥臂通流能力、半桥子模块均压需求、子模块电容电压波动和直流线路过载能力几个方面的约束条件下，运行于短时过载状态，以尽可能多的传输有功功率，从而弥补单极接地故障的功率缺额，同时使故障极传输换流站所需的全部额定无功功率。通过健全极和故障极的有功功率和无功功率配合减小了故障期间换流站的有功功率缺额，同时向电网提供额定的无功功率，减小了故障对交流系统的冲击。
3.在故障期间，通过对mmc上、下桥臂参考电压共模分量的主动控制，有效的降低了浪涌电流的上升率，避免了换流器因重合闸失败导致的过大的电流浪涌应力给系统安全运行带来的风险。
4.由于基于对称双极的mmc在直流侧正负极中点接地，直流侧发生双极短路的可看成是正负极直流母线分别发生单极接地故障的一种特殊情况。因此，本发明所提出的基于对称双极mmc的直流侧单极接地故障穿越及恢复策略同样适用于对称双极的mmc直流侧发生双极短路故障。
附图说明
图1是双端对称双极mmc柔性直流系统拓扑示意图；
图2是对称双极的半桥mmc拓扑结构及单极接地故障示意图；
图3直流侧单极接地故障穿越及恢复策略流程图；
图4是浪涌电流应力优化控制框图；
图5是故障期间有功功率p和无功功率q可运行范围示意图；
其中，图5(a)考虑换流变压器容量与桥臂通流能力的限制的有功功率和无功功率可运行范围示意图；图5(b)考虑换流变压器容量与子模块电容电压波动的限制的有功功率和无功功率可运行范围示意图；图5(c)考虑换流变压器容量与直流线路过载能力的限制的有功功率和无功功率可运行范围示意图；
图6是多限制因素下故障期间健全极与故障极有功无功功率运行范围示意图；
图7是未引入浪涌电流应力优化控制的对称双极半桥型mmc直流故障穿越仿真结果；其中，图7(a)代表故障极，图7(b)代表健全极。
其中，图7(a1)是故障极直流母线电压(kv)、图7(a2)是故障极直流母线电流(ka)、图7(a3)是故障极pcc点传输的有功与无功功率(mw/mvar)、图7(a4)是故障极交流侧电流(ka)、图7(a5)是故障极上下桥臂子模块电容电压(kv)、图7(a6)是故障极六个桥臂电流(ka)；图7(b1)是健全极直流母线电压(kv)、图7(b2)是健全极直流母线电流(ka)、图7(b3)是健全极pcc点传输的有功与无功功率(mw/mvar)、图7(b4)是健全极交流侧电流(ka)、图7(b5)是健全极上下桥臂子模块电容电压(kv)、图7(b6)是健全极六个桥臂电流(ka)；
图8是引入浪涌电流应力优化控制策略的对称双极半桥型mmc直流故障穿越仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明以双端对称双极mmc为例叙述对称双极mmc单极接地故障穿越及恢复策略。图1是双端对称双极mmc系统拓扑示意图，包含两个换流站。每个换流站均采用对称双极主接线方式，如图2所示。对称双极mmc在直流侧正负极中点接地，包含两个连接变压器，两个mmc和两条直流母线。每条直流母线均串接一台平波电抗器和一台直流断路器；每个mmc包含a、b、c三相，每相包含上、下两个桥臂，每个桥臂由n个半桥子模块级联，串接一个桥臂电感构成。半桥型mmc的拓扑结构示意图，如图3所示。半桥子模块由两个igbt及两个反并联的二极管、连接一个电容构成，所述的半桥子模块还包括一个用于故障保护的晶闸管。假定在所述的正极发生单极接地故障，则称正极为故障极，负极为健全极。
本发明所述故障穿越及恢复策略涉及到换流器与直流断路器的协调配合如图4所示，具体包括以下步骤：
(1)判别mmc直流侧是否发生单极接地故障，是则执行以下动作：发出故障极mmc闭锁信号，使故障极mmc所有半桥子模块内igbt全部关断，以阻断所述半桥子模块电容的放电通路；发出半桥子模块的旁路晶闸管导通信号，旁路所述半桥子模块内反并联的二极管，以保护反并联二极管；对故障极的直流断路器发出断开指令，阻断交流电网的短路通路；否则系统继续处于稳态控制模式；所述mmc指模块化多电平换流器；
(2)当母线直流故障电流衰减到零之后，发出故障极mmc解锁信号，使故障极转入statcom运行模式，向交流侧持续提供无功支撑；
(3)当直流母线去游离过程结束(即恢复绝缘水平)时，对直流母线上的直流断路器发出重合闸信号；
(4)判别故障极直流母线的浪涌电流应力是否过大；是则表明暂时性故障未被清除，向所述直流断路器发出重新断开信号，隔离故障点；转步骤(5)；否则表明暂时性故障已被清除，向故障极mmc发出逐步恢复功率传输信号，使其转入稳态控制模式；转结束；
(5)判断所述直流断路器通过电流超过额定值的次数是否大于预设定过流次数；是则使mmc保持statcom运行模式，直流短路器不再进行重合闸尝试，转结束；否则转步骤(1)；预设定过流次数取2～3次。
作为一种优化方案，所述步骤(2)包括以下子步骤：
(2-1)根据换流变压器容量、mmc桥臂通流能力、半桥子模块均压、子模块电容电压波动和直流线路过载能力约束条件，求得所述健全极mmc的有功功率和无功功率运行区域；在该有功功率和无功功率运行区域内，调整健全极mmc稳定运行工作点，使其运行于短时过载，以尽可能多的传输有功功率，从而弥补单极接地故障的功率缺口；
(2-2)向所述故障极mmc发出在故障期间传输两倍的额定无功功率信号，使所述健全极mmc在稳态下所需传输的额定无功功率由故障极mmc来承担。
作为一种优化方案，所述步骤(2-1)中所述换流变压器容量的限制条件为：
换流器所传输的有功功率p、无功功率q和换流变压器的传输容量smax满足：
p2+q2＜smax2；
其中，有功功率p、无功功率q分别为从公共连接点pcc(pointofcommoncoupling)流向mmc的有功与无功功率，smax为换流变压器的最大传输容量。
作为一种优化方案，所述步骤(2-1)中所述mmc桥臂通流能力的限制条件为：
各桥臂电流满足：
其中，ilim为子模块中各igbt的最大通流能力，udc为单个mmc的直流母线电压，usm为交流母线电压幅值；整流方向为正方向。(//注：这里功率代表方向，整流方向为正方向描述更加准确，这样写大家会知道的。//)
作为一种优化方案，所述步骤(2-1)中各半桥子模块均压的限制条件为：
各桥臂电流的直流分量必须小于交流分量；即有功功率p和无功功率q满足：
作为一种优化方案，各子模块内电容电压波动的限制条件为：
mmc稳态运行时，子模块的电容电压波率不能超过最大允许范围，即：
其中，n为子模块数量，c为子模块电容值，uc为子模块额定电压，k为内电势调制比，子模块电容电压波动百分比
作为一种优化方案，所述步骤(2-1)中所述直流线路过载能力满足：
直流电流不能超过直流线路的短时过载能力极限，即
其中，idc为直流母线电流，idc_max为直流线路短时过载能力极限。
作为一种优化方案，所述步骤(2-1)、步骤(2-2)之后，还执行以下步骤：
(2-3)在mmc上、下桥臂参考电压上叠加附加电压
其中，δ为pcc点内电势ev相对于交流母线电压us的相位差，idc为故障直流母线电流(整流方向为正方向)，
本发明提供的对称双极mmc单极接地故障的穿越方法和恢复策略是通过mmc和直流断路器协调配合实现的。故障期间，mmc闭锁，开断直流断路器以保护故障极换流器的安全运行。在考虑多约束条件的限制下，通过健全极和故障极的有功功率和无功功率协调配合，使健全极短时运行于过载状态，减小系统在故障期间的功率缺额。同时，使故障极运行于statcom状态以向交流侧持续提供无功支撑和减小对交流系统的冲击。通过对mmc换流器上、下桥臂参考电压共模分量的主动控制，有效降低因直流断路器重合闸失败产生的浪涌电流上升率。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的对称双极半桥型mmc单极接地故障穿越和恢复策略进行详细说明。
本实例采用张北柔性直流输电工程的数据，子模块结构均采用半桥型子模块的结构，系统参数为：直流母线额定电压为500kv，额定功率为1500mw，桥臂电感为80mh，每个桥臂包含218个子模块数，子模块电容为15mf，子模块额定电压为2.294kv。变压器采用y0/△联结方式，网侧/阀侧变比(l-l,rms)为525/260kv，额定阻抗标幺值为15％，额定容量1700mva。假定稳态期间每一极换流器向交流侧提供450mvar的无功功率，即每一极的稳态运行工作点为p(1500mw,-450mvar)。本发明以故障发生在正直流母线处为例，如图2。
分析mmc有功功率和无功功率运行区域范围：换流变压器容量、桥臂通流能力、半桥子模块均压、子模块电容电压波动、直流线路过载能力分别由以下表达式确定：p2+q2＜smax2、
采用架空线作为双端对称双极mmc直流输电线路。在检测到单极接地故障后，故障极mmc换流器切换到故障穿越控制模式：故障极换流器立即闭锁，并导通半桥子模块的旁路晶闸管，同时直流断路器立即执行开断操作。当直流故障电流衰减到零之后，故障极换流器解锁，转入statcom的运行模式。
故障期间，健全极在考虑多限制因素的条件下短时过载，故障极传输换流站全部的额定无功功率。同时，故障期间，在上、下桥臂参考电压上叠加附加电压uz，
当直流输电线路去游离过程结束，由于采用架空传输线，直流侧单极接地故障多为非永久性故障，故本实例进行了两次电压恢复尝试。若出现巨大的浪涌电流应力，直流断路器重新断开，隔离故障点；若没有出现巨大的浪涌电流应力，故障极mmc逐步恢复功率传输，最终转入稳态控制模式。同时，判断直流母线电流超过直流母线电流额定值次数是否大于预设定过流次数，若是，则mmc保持当前状态，直流短路器不再进行重合闸尝试；否则直流断路器重新断开，重复以上步骤。
由换流变压器容量、桥臂通流能力、半桥子模块均压、子模块电容电压波动、直流线路过载能力的约束条件可得有功功率和无功功率的运行区域，如图5所示。结果表明：mmc的有功功率和无功功率可运行范围与桥臂通流能力、子模块电容电压波动最大值和直流线路过载能力成正相关。取故障期间的多个限制因素的参数为：mmc桥臂通流最大通流能力为1.1pu，子模块电容电压最大允许波动率为1.1pu，直流线路过载能力为1.2pu，则可得到如图6所示的有功功率和无功功率可运行区域范围(阴影区域为可运行区域)，结果表明：直流故障期间，健全极可运行于工作点p2(1700mw,0mvar)，故障极可运行于工作点p1(0mw,-900mvar)。mmc在故障期间可以提供1700mw的有功功率和900mvar的无功功率。故障穿越期间，通过健全极与故障极的有功功率和无功功率的协调配合，不仅可以持续向交流侧提供额定无功支撑，而且能弥补故障极11.76％的功率缺额。
假设正直流母线在1s时发生接地短路故障，经450ms后故障清除。图7为基于对称双极主接线的半桥型mmc仿真结果，(a)表示故障极，(b)表示健全极。故障极直流母线电流如图7(a2)所示，结果表明：直流断路器开断直流故障后，故障电流衰减至零。健全极和故障极的有功功率与无功功率如图7(a3)和图7(b3)所示，结果表明：换流器在故障期间可以提供1700mw的有功功率和900mvar的无功功率。验证了故障穿越期间通过健全极与故障极的有功和无功功率配合可以持续向交流侧提供额定无功支撑，而且能弥补故障极11.76％的功率缺额的结论。健全极上下桥臂子模块电容电压和六个桥臂电流如图7(b5)和图7(b6)所示，结果表明：当健全极换流器运行于短时过载状态时，子模块电容电压波动百分比为额定值的1.11倍，mmc桥臂最大电流为额定值的1.104倍，与理论分析基本吻合。健全极和故障极的交流侧电流如图7(a4)和图7(b4)所示，结果表明：整个故障穿越及恢复控制，平滑，快速，无冲击。
直流断路器隔离直流故障后，经300ms时间去游离，然后进行重合闸。由于此时，直流故障尚未被清除，因此会产生巨大的浪涌电流应力。结果如图7(a)所示。结果表明：如果系统故障重合闸失败，若不加入浪涌电流优化控制策略，电压阶跃和电流浪涌电流应力大；同时，系统的功率和桥臂电压波动也很大，给系统的安全运行带来风险。
引入浪涌电流优化控制后，针对不同的阻尼系数r，对系统的浪涌电流应力进行了对比仿真。仿真结果如图8所示。结果表明：随着阻尼系数r的增大，直流断路器在重合闸失败后引起的浪涌电流应力逐渐减小，这充分验证了所提出的优化策略的有效性。然而，进一步可以发现，随着阻尼系数r的增大，对浪涌电流的抑制效果逐渐降低。这是由于半桥型mmc的桥臂电压输出范围为：0≤uarm≤udc。随着阻尼系数r的增大，附加电压uz逐渐增大，使得上、下桥臂的参考电压达到输出能力的极限，从而使得对浪涌电流的抑制效果降低。
直流断路器检测到浪涌电流后重新隔离直流故障。再次经过300ms的去游离时间后，直流断路器第二次尝试进行重合闸，最终系统恢复成功。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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