[发明专利]一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，属于电力电子技术和电力输配电领域。

背景技术

与传统的高压直流输电技术相比，柔性高压直流输电技术采用全控半导体开关器件实现对变流器的控制，因而具有控制灵活、无功可自由补偿及不依赖交流系统实现换相等优点，在近年来得到了广泛的研究和应用。尤其是基于模块化多电平变流器结构的柔性高压直流输电系统，以其高度模块化的结构、显著降低的开关频率和损耗、省去了笨重的多重化变压器、较小的交流和直流侧的滤波器体量等优点，成为柔性高压直流输电的主流结构，在国内外已经有多处工程投运或正在建设。

考虑到高压直流断路器的工艺技术远未成熟，而传统基于半桥结构子模块的模块化多电平变流器由于开关器件内部反并联二极管的存在，当直流侧双极性短路故障发生后，即便将所有全控半导体开关器件闭锁，交流电源会经反并联二极管与直流故障点形成三相短路回路，同时子模块电容迅速放电，从而造成装置直流短路电流严重过流，形成器件损坏。而利用断开交流断路器来配合清除直流电流，故障电流清零较慢，且不利于保存电容能量并进行重启动。因此，解决直流短路故障问题是柔性高压直流输电的关键技术。

由于上述原因，现有的基于模块化多电平变流器的柔性高压直流输电工程多采用直流故障发生概率较小的直流电缆，但线路造价较高；而如果采用架空线，虽可大幅节省线路成本，但却容易出现闪络等直流短路故障问题。此外已有文献分析，当换流站发生直流双极性短路故障时，换流站不但应具备直流短路电流的闭锁能力，使故障电流能够快速清零；同时还应能够为所连接的交流电网提供一定的无功支撑，以实现直流故障的穿越。(G.Tang,Z.Xu,and Y.Zhou,"Impacts of Three MMC-HVDC Configurations on AC System Stability Under DC Line Faults,"IEEE Trans.Power Systems,vol.29,no.6,pp.3030-3040,Nov.2014.)

为解决上述问题，已有文献报道了多种技术方案。文献(X.Li,Q.Song,W.Liu,H.Rao,S.Xu,and L.Li,“Protection of nonpermanent faults on DC overhead lines in MMC-Based HVDC systems,”IEEE Trans.Power Del.,vol.28,no.1,pp.483–490,Jan.2013.)通过在子模块中增加双向晶闸管，可以实现短路电流清零，但该方法电流清零速度较慢，子模块增加的成本和体积较大，且无法实现直流故障穿越。文献(R.Marquardt,“Modular multilevel converter:An universal concept for HVDC-networks and extended dc-bus-applications,”in Proc.Int.Power Electron.Conf.,2010,pp.502–507.)和(J.Qin,M.Saeedifard,A.Rockhill,and R.Zhou,"Hybrid Design of Modular Multilevel Converters for HVDC Systems Based on Various Submodule Circuits,"IEEE Trans.Power Del.,to be published.)提出的采用新型子模块结构，如全桥子模块、单极性子模块(包括箝位双子模块和箝位单子模块)来限制短路故障电流的方案更具有可行性。其中，采用全桥子模块结构的MMC需要额外增加一倍的开关器件，装置成本增加显著，但在直流短路故障发生后，不但可以闭锁直流故障，而且可以运行为静止同步补偿装置(以下简称为STATCOM)，为交流电网提供无功支撑。相比于采用全桥子模块结构的MMC，采用单极性子模块(包括箝位双子模块和箝位单子模块)结构的MMC增加的器件数目较少，成本相对较低，具有更好的经济性，且具有闭锁直流故障的能力。但目前尚无文献报道采用单极性子模块的模块化多电平变流器在直流故障后运行为STATCOM，从而为电网提供无功支撑，实现直流双极短路故障穿越的运行控制方法。

发明内容