[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

摘要

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。本发明方法为解决模块化多电平变流器结构的柔性直流输配电系统(MMC‑based HVDC)采用架空线方式时存在的直流双极短路故障问题，针对采用单极性子模块的模块化多电平变流器，使在模块化多电平变流器在检测到直流双极短路故障后，将直流短路电流限制在较小的水平，同时为交流电网提供动态无功支撑，并有效保存和平衡变流器内部电容的能量，从而有助于故障清除后变流器迅速地重启动。与已有的基于全桥子模块型模块化多电平变流器的方案相比，本发明方法基于增强型子模块及其混合式拓扑，因而成本更低，经济性更好。

主权项

一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，其特征在于该方法包括如下步骤：(1)设定模块化多电平变流器的故障电流动作阈值Iset，实时测量模块化多电平变流器的直流母线电流瞬时值Idc，并将绝对值|Idc|与阈值Iset比较，若满足|Idc|>Iset，则判定直流母线发生双极短路故障，并将模块化多电平变流器切换至故障穿越运行模式；(2)在故障穿越运行模式下，实时测量t时刻模块化多电平变流器交流电网侧的三相电流瞬时值ix(t)和三相电压瞬时值ux(t)，其中x＝a,b,c分别代表三相，对三相电压瞬时值ux(t)进行锁相处理，得到t时刻交流电网的电压相角θ，三相电流瞬时值ix(t)以从模块化多电平变流器流入电网的方向为正方向；实时测量t时刻模块化多电平变流器注入交流电网的无功功率Q(t)，实时测量模块化多电平变流器x相的上桥臂第i个子模块电容的电压ucxpi(t)和下桥臂第i个子模块电容的电压ucxni(t)，其中i＝1,2,…,N，N为模块化多电平变流器一个桥臂中所有子模块所包含的电容的个数，实时测量模块化多电平变流器的正、负极直流母线间的电压udc(t)；(3)根据下式，计算模块化多电平变流器的q轴电流参考值iqr(t)：iqr(t)=kp1[Qr(t)-Q(t)]+kp1Ti1∫0t[Qr(τ)-Q(τ)]dτ]]>其中，kp1和Ti1分别为模块化多电平变流器无功功率比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp1的取值范围为0<kp1≤1000，Ti1的取值范围为0<Ti1≤100，Qr(t)为根据交流电网的无功补偿目标设定的模块化多电平变流器无功功率参考值；(4)根据上述测量值，利用下式计算模块化多电平变流器中所有电容的平均电压uE(t)：uE(t)=16NΣx=a,b,c[Σi=1Nucxpi2(t)+Σi=1Nucxni2(t)]]]>根据下式，计算模块化多电平变流器的d轴电流参考值idr(t)：idr(t)=kp2[Uc-uE(t)]+kp2Ti2∫0t[Uc-uE(τ)]dτ]]>其中，Uc是模块化多电平变流器中子模块电容额定电压，kp2和Ti2分别为模块化多电平变流器电容平均电压比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp2的取值范围为0<kp2≤1000，Ti2的取值范围为0<Ti2≤100；(5)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的交流电网侧abc三相电流参考值ixr(t)：iar(t)=idr(t)sin(θ)+iqr(t)cos(θ)ibr(t)=idr(t)sin(θ-23π)+iqr(t)cos(θ-23π)icr(t)=idr(t)sin(θ+23π)+iqr(t)cos(θ+23π)]]>其中，θ为t时刻交流电网的电压相角；根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电流实际值id(t)和q轴电流实际值iq(t)：id(t)=23[ia(t)sin(θ)+ib(t)sin(θ-23π)+ic(t)sin(θ+23π)]iq(t)=23[ia(t)cos(θ)+ib(t)cos(θ-23π)+ic(t)cos(θ+23π)]]]>根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电压实际值ud(t)和q轴电压实际值uq(t)：ud(t)=23[ua(t)sin(θ)+ub(t)sin(θ-23π)+uc(t)sin(θ+23π)]uq(t)=23[ua(t)cos(θ)+ub(t)cos(θ-23π)+uc(t)cos(θ+23π)];]]>(6)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的d轴调制电压参考值ud*r(t)和q轴调制电压参考值uq*r(t)：ud*r(t)=ud(t)-ωL0iq(t)+kp3[idr(t)-id(t)]+kp3Ti3∫0t[idr(τ)-id(τ)]dτuq*r(t)=uq(t)+ωL0id(t)+kp4[iqr(t)-iq(t)]+kp4Ti4∫0t[iqr(τ)-iq(τ)]dτ]]>其中，ω＝2πf，f为交流电网的频率，L0为模块化多电平变流器桥臂电抗的电感值，kp3和Ti3分别为模块化多电平变流器的d轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp3的取值范围为0<kp3≤1000，Ti3的取值范围为0<Ti3≤100，kp4和Ti4分别为模块化多电平变流器的q轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp4的取值范围为0<kp4≤1000，Ti4的取值范围为0<Ti4≤100；(7)根据上述计算结果，利用下式判断模块化多电平变流器六个桥臂的工作状态：Sxp(t)=1,ixr(t)<00,ixr(t)≥0,Sxn(t)=0,ixr(t)<01,ixr(t)≥0]]>其中，Sxp(t)为x相上桥臂的工作状态，Sxn(t)为x相下桥臂的工作状态，桥臂工作状态为1表示相应桥臂处于导通状态，桥臂工作状态为0表示相应桥臂处于闭锁状态；(8)根据下式计算模块化多电平变流器的上桥臂电容总体平均电压uEp(t)：uEp(t)=1NΣx=a,b,cSxp(t)Σx=a,b,c[Sxp(t)·Σi=1Nu‾cxpi2(t)]]]>其中，为模块化多电平变流器的x相上桥臂第i个电容电压在t时刻之前一个周期内的直流分量，T＝1/f，f为交流电网的频率；根据下式计算模块化多电平变流器的下桥臂所有电容平均电压uEn(t)：uEn(t)=1NΣx=a,b,cSxn(t)Σx=a,b,c[Sxn(t)·Σi=1Nu‾cxni2(t)]]]>其中，模块化多电平变流器的x相下桥臂第i个电容电压在t时刻之前一个周期内的直流分量，T＝1/f，f为交流电网的频率；根据下式计算模块化多电平变流器的共模电压参考值ucomr(t)：ucomr(t)=kp5[uEp(t)-uEn(t)]+kp5Ti5∫0t[uEp(τ)-uEn(τ)]dτ]]>其中，kp5和Ti5分别为模块化多电平变流器的上下桥臂电容平均电压比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp5的取值范围为0<kp5≤1000，Ti5的取值范围为0<Ti5≤100；(9)根据下式计算模块化多电平变流器的三相调制电压参考值ux*r(t)：ua*r(t)=ud*r(t)sin(θ)+uq*r(t)cos(θ)ub*r(t)=ud*r(t)sin(θ-23π)+uq*r(t)cos(θ-23π)uc*r(t)=ud*r(t)sin(θ+23π)+uq*r(t)cos(θ+23π)]]>对于模块化多电平变流器的x相(x＝a,b,c)，当x相上桥臂处于导通状态，下桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，x相上桥臂参考电压由下式计算：uxpr(t)=udc(t)2-ux*r(t)+ucomr(t)]]>当x相下桥臂处于导通状态，上桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，x相下桥臂参考电压由下式计算：uxnr(t)=udc(t)2+ux*r(t)-ucomr(t);]]>(10)根据上述步骤(7)对桥臂工作状态的判断结果和步骤(9)计算的桥臂参考电压，确定各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态，实现模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越。