Mmc-hvdc交流侧故障的过电流检测方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种MMC-HVDC交流侧故障的过电流计算 方法和系统。
【背景技术】
[0002] 柔性直流输电，是一种基于全控器件的VSC-HVDC(voltagesourceconverter basedhighvoltagedirectcurrentequipment，电压源换流器高压直流输电）。它具有 无换相失败危险、有功和无功功率可独立控制、可在电网故障下提供支撑等优点，在可再生 能源发电并网、异步联网和大城市中心负荷供电等场合具有广阔的应用前景。MMC(modular multilevelconverter，模块化多电平换流器）作为一种新型的多电平换流器，极大地推动 了柔性直流输电技术的发展。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电（MMC-HVDC)的桥 臂采用了子模块级联的方式，在具有VSC-HVDC优点的同时，还兼具模块化程度高、谐波含 量小、阶跃电压低、可以与高压电网直接相连等优点。
[0003] 由于MMC-HVDC采用全控电力电子器件作为实现功率变换的核心部件，限于当前 全控器件的工艺水平，桥臂的过流能力有限。特别是在交流侧发生故障时，如果全控器件的 电流裕度不够，容易引起桥臂过流而闭锁换流器，难以发挥柔性直流输电在电网故障下的 支撑作用。为了能够合理地选取全控器件，通常需要根据工程的实际特性检测交流故障下 的过电流水平。而三相接地故障作为最严重的一类交流故障，其最大故障电流即决定了过 电流的峰值。因此，交流侧三相接地故障的过电流检测，直接关系到换流器设计的可靠性， 成为了校验全控器件选型的基础。鉴于MMC-HVDC存在多种运行工况，且故障可能发生在任 何时刻，因此必须找到一种既精确又高效的过电流检测方法。
[0004] 目前可以通过在电磁暂态仿真软件中搭建详细的MMC-HVDC模型来确定交流侧三 相接地故障的过电流。与两电平、三电平VSC-HVDC在电磁暂态仿真中采用单个器件代表整 个换流阀不同，MMC-HVDC在电磁暂态仿真中必须单独仿真超大数量的开关器件，效率低， 耗费硬件资源多。并且，在实际工程设计中往往要求对全运行工况范围内的工作点进行全 扫描计算，检测效率低。
【发明内容】
[0005] 基于此，有必要针对MMC-HVDC交流侧三相接地故障的过电流检测效率低、占用硬 件资源多的问题，提供一种MMC-HVDC交流侧三相接地故障的过电流检测方法和系统。
[0006] -种MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法，包括以下步骤：
[0007] 根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC 换流站等效的物理模型；
[0008] 根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂 电压、下桥臂电流的数学模型；
[0009] 根据所述物理模型和数学模型计算上桥臂电流上升速率和下桥臂电流上升速 率；
[0010] 根据桥臂电流上升速率、下桥臂电流上升速率确定MMC-HVDC交流侧故障的过电 流。
[0011] -种MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测系统，包括：
[0012] 第一获取模块，用于根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故 障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型；
[0013] 第二获取模块，用于根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、 上桥臂电流、下桥臂电压、下桥臂电流的数学模型；
[0014] 第一计算模块，用于根据所述物理模型和数学模型计算上桥臂电流上升速率和下 桥臂电流上升速率；
[0015] 第一确定模块，用于根据桥臂电流上升速率、下桥臂电流上升速率确定MMC-HVDC 交流侧故障的过电流。
[0016] 上述MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法和系统，通过建立与故障发生瞬间 MMC-HVDC换流站等效的物理模型，建立故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压、下桥 臂电流的数学模型，确定最大过电流，无需在PSCAD/EMTDC等专业电磁暂态仿真软件中进 行大量的扫描仿真，能够显著提高计算效率，显著减少校核换流器中全控器件电流裕度所 花费的时间，进而缩短整个MMC-HVDC规划设计的周期，具有重要的工程实用价值。
【附图说明】
[0017] 图1是一个实施例的MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法的流程图。
[0018] 图2是一个实施例的MMC-HVDC中换流站的结构示意图。
[0019] 图3是一个实施例的换流站中桥臂子模块的结构示意图。
[0020] 图4是一个实施例的建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效 的物理模型的方法流程图。
[0021] 图5是一个实施例的交流侧故障发生瞬间与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间 MMC-HVDC换流站等效的物理模型。
[0022] 图6是一个实施例的交流侧故障发生瞬间与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间 MMC-HVDC换流站进一步等效的物理模型。
[0023] 图7是一个实施例的根据等效物理模型建立故障下的数学模型的方法流程图。
[0024] 图8是一个实施例的MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测系统的结构示意图。
[0025] 图9是一个实施例的第一获取模块的结构示意图。
[0026] 图10是一个实施例的第二获取模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合本发明附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0028] 如图1所示，图1是一个实施例的MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法的流程 图。本发明提供的MMC-HVDC交流侧故障的过电流计算方法包括以下步骤：
[0029] S10,根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间 MMC-HVDC换流站等效的物理模型；
[0030] 图2所示的是MMC-HVDC中换流站的结构示意图。如图2所示，换流站每一相可以 分上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块和与子模块串联的桥臂电感组成。子模块结构如 图3所示，包括一个储能电容器CSM，以及Tl、T2两个IGBT和Dl、D2反并联二极管构成的 半H桥电路。当T1导通时，子模块输出的电压为电容电压，称该类工作模式为"投入状态"。 在投入状态下，电流如果是流入子模块，则电容充电，电容电压升高；电流如果是流出子模 块，则电容放电，电容电压降低。当T2导通时，子模块被旁路，输出电压为0,称此类工作模 式为"切除状态"。在切除状态下，无论电流流向如何，电容电压基本保持不变。
[0031] 本步骤中的交流侧三相接地故障，是指发生在图2所示联接变压器电网侧的交流 接地故障，其特征是电网三相交流电压有效值瞬时跌落到同一水平。对于联接变压器阀侧 发生的交流接地故障，属于换流站内故障，不在本发明的讨论范围之内。
[0032] 如图4所示，图4是一个实施例的建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC 换流站等效的物理模型的方法流程图。具体流程如下：
[0033] S101，检测故障发生瞬间上桥臂电流和下桥臂电流；
[0034] 当发生故障时，电路中的电流、电压平衡被打破。此时，故障电流持续注入上桥臂 和下桥臂，导致上桥臂和下桥臂中子模块的电容电压改变。
[0035] S102,根据MMC电路结构和运行参数确定上桥臂各子模块的电容值，根据MMC电路 结构和运行参数确定下桥臂各子模块的电容值；
[0036] 在一个实施例中，MMC电路结构和运行参数可包括:MMC的视在功率S，电容电压波 动百分比￡，调制比m，单个桥臂的子模块数N、功率因数COS妒以及额定角频率c^。子模 块电容值CSM可由下式进行设计和选型：
[0037]
⑴
[0038] S103,根据故障发生瞬间上桥臂的电流、下桥臂的电流、上桥臂的电容值和下桥 臂的电容值，确定上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的电容电压的变化 率；
[0039] 在交流侧三相接地故障发生的瞬间，由于对侧（非故障侧）的支撑作用，可以认为 直流侧电压基本保持不变。另一方面，上桥臂投入的子模块电容串联在一起，上桥臂等效为 一个电容，电容电压为：
[0040] uTarn=nTuSM (2)
[0041] 式中，uTani为等效的上桥臂电容电压，即桥臂电压；uSM为单个子模块的电容电压， %为故障时刻上桥臂投入的子模块数量。子模块电容电压与桥臂电流之间有以下关系：
[0042]
( 3 )
[0043] S104,根据上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的电容电压的变化 率建立与故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型。
[0044] 下面结合应用实施例作进一步的说明。
[0045] 以一次实际获取结果作为分析对象，获得本申请的各项参数如下：结合式（1) (3)，进行标么化计算，取NuSM=Udc= 2. 8pu，m= 0? 9，G〇S|?=0::9，.e= 5%，S= 3. 33pu， 并且假定桥臂故障电流上升到额定值的1. 5倍，可得子模块电容电压变化率为：
[0046]
( 4.:):
[0047] 亦即桥臂故障电流持续注入子模块电容，会导致其电压每秒出现70倍的变化，则 每毫秒的变化为〇. 07倍的子模块电容电压。而桥臂的过电流通常出现在故障发生后的几 百微秒之内，之后MMC-HVDC的控制保护系统会采取相应措施，降低桥臂故障电流。因此，在 分析过流的物理发展过程中，认为子模块电容电压基本保持不变。
[0048] 在实际操作中，以上各项参数可以选择不同的值。然而，在实际生产中，以上各项 参数的值一般不会与上述所选值相差太多，一般在同一数量级。因此，不同的取值对上述推 导所得出的结果将不会产生太大影响。
[0049] 通过上面的分析，电网故障时，受端的故障等效物理模型如图5所示。
[0050] 对图5进行进一步简化，可以得到如图6所示的等效物理模型。可以看到，上下桥 臂并联，向故障处注入电流。
[0051] S20,根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下 桥臂电压、下桥臂电流的数学模型；
[0052] 当电网电压发生跌落时，由于换流器控制保护系统的采样、通讯、计算等过程需要 一定的时间，因此换流器仍保存故障前的运行状态不变，上下桥臂投入的子模块数基本保 持稳定，即上下桥臂电压来不及变化，而故障点处电压迅速下降，两者的压差降落在桥臂电 感和变压器等效电感上，从而导致桥臂电流急剧上升。根据图6及基尔霍夫电压电流定律， 可以得到过流过程中的电压电流方程：
[0053]
(S)
[0054] 式中Lam为桥臂电感，Lt为变压器等效电感，uTa"、uBam为上、下桥臂电压，iTa"、:iBam