基于直流故障阻断的混合型MMC换流器成本优化方法与流程

背景技术：

柔性直流输电是基于现代大功率电力电子元器件构成的装置进行控制和调节电网参数，以提高输电能力的技术，即灵活的输电方式。目前，大规模清洁能源并网消纳问题的解决依赖于基于高压直流输电的电压源换流器的应用，同时很大程度上推动了全球能源互联网技术的发展。柔性直流输电的核心组成部分是电压源换流器。

目前已经投入运行的两电平、三电平vsc由于较少的输出电平数对输出的电压波形的质量造成了很大的影响，要想提高电压的波形质量必须要采用较高的开关频率，过高的开关频率将使得同一个桥臂上所串联的igbt器件在很短的时间内会进行多次的开通和关断，这对电力电子器件同时开断的能力以及上下桥臂的电压平衡是一个很大考验，由于输电容量的不断增大及串联igbt器件数目的增多，上述问题将更为严重，这也严重的限制了传统柔性直流输电技术的进一步的推广与应用，而模块化多电平换流器由于拓展性能好、模块易于设计、单独器件开关频率低、能够显著减少谐波，且能够很容易的输出较高的电平数，这些优势是传统的换流器，如电容钳位型和二极管钳位型换流器所远不及的。由此，模块化多电平换流器成为目前柔性直流输电工程首选的变换器拓扑结构。

直流系统相比于交流系统而言，系统阻尼相对较小，一旦系统中发生故障，要求有更短的系统响应时间，继电保护方法设计也将面临更大的难度，因而对于目前的mmc工程应用而言直流侧故障保护是主要问题之一，当前阶段投运的工程中大都采用半桥模块化多电平换流器，一旦直流侧有故障发生，反并联二极管将形成通路供短路电流路过，不能对短路电流进行有效阻断，会对系统的安全稳定运行造成严重的危害，在实际系统中一般应用以下三种方式对直流侧故障进行有效处理：(1)交流侧断路器；(2)直流侧断路器；(3)换流器本身。对于交流断路器，目前来说技术比较成熟，但切断故障后会使得整个系统断电，保护动作时间很慢，系统恢复重启的时间很长；直流断路器是最为有效的处理方式，但是目前还存在许多的研发问题需要解决因而限制了交流断路器短时间内的大量使用；换流器本身的故障阻断原理本质在于通过控制自身电力电子器件及电容电感元件吸收能量，有效阻断直流侧故障，目前来说，是最为可行的方法。

混合型mmc中cdsm(钳位双子模块)的比例决定了换流器隔离故障的能力以及造价，通过优化cdsm中比例配置，综合考虑电容的耐压情况及设置合理的裕度，能够减少减少器件成本，合理优化换流器成本。

技术实现要素：

混合型mmc中cdsm的比例决定了换流器隔离故障的能力及造价，同时合理选择子模块中合适耐压等级的电容，也能降低器件成本，基于此本文提出了一种优化配置方法。

设混合型mmc每桥臂子模块总数量为nc，其中cdsm(钳位双子模块)数量是m个，则hbsm(半桥型子模块)数量为nc-2m，定义γ为混合型mmc的cdsm的比例，则有γ＝m/nc,当γ等于0时候，即子模块全部为hbsm(半桥型子模块)，当γ不等于0时，正常运行情况下混合型mmc直流母线电压满足udc＝uc-cd[2m(nc-2m)+nc](1),(uc-cd为cdsm子模块电容电压)，同时定义了混合型mmc中cdsm电容的故障阻断电压值为其中um为相电压最大值，由uc<uc-cd求得只与cdsm混合mmc中的比例γ有关的表达式为定义为混合型mmc中cdsm比例的一个参考值，短路故障发生后，由于桥臂电抗的存在，会继续对电容进行充电，需要对cdsm电容的最高耐压值进行裕度设计，定义λ(λ＞1)为考虑电感等影响后的电容故障阻断电压的裕度，需要满足式子由上述所求各式，综合cdsm在混合型mmc中所占比例、不同耐压等级的子模块电容投资成本，考虑混合型mmc故障阻断的能力，可以对混合型mmc换流器进行成本的优化，达到经济上的最优。

附图说明

图1为闭锁后的混合mmc结构

图2为短路故障时混合型mmc的故障示意图

图3为mmc换流器成本优化流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示为发生直流侧故障后混合型mmc结构图，在闭锁状态下，hbsm子模块被旁路，不管电流方向如何，电流都会对cdsm的电容进行充电，随着随着电容电压的升高，使得流经子模块的电流迅速衰减，电流衰减为0后不会反向放电，这一特性使得cdsm和hbsm混合而成的mmc具备清除直流侧故障电流的能力。

如图2所示为短路故障时混合型mmc的故障示意图，当路故障发生的初期阶段，短路保护还未动作，混合型mmc各子模块未接到关断信号，此阶段桥臂电容的放电电流远远大于交流电源注入桥臂电流，可忽略交流测影响，同时忽略子模块投切过程，只需考虑每一时刻投入固定数目的子模块这一特性和系统均压策略，当子模块进入闭锁模式开始，到短路故障被阻断，这一个阶段交流测电源会对各cdsm子模块进行充电，充电结束时，标志着短路故障被阻断。

定量分析之前假设交流测相电压有效值为um，直流侧电压为udc，那么线电压幅值为若每个桥臂上分别有n个半桥子模块和m个钳位双子模块，为了满足模块协调投切需要，桥臂上半桥子模块电容电压uc-hb被钳位双子模块电容电压uc-cd均分为2m+1份，即uc-hb＝uc-cd(2m+1)(1),正常运行时，换流器直流母线电压满足udc＝uc-hb×n+uc-cd×2m＝uc-cd(2mn+n+2m)(2)，因为混合型mmc能有效处理直流侧故障，设每个桥臂共有子模块数目nc个，且任一时刻上下桥臂合起来投入nc个子模块，则m、n取值满足以下式子：

同时定义为混合型mmc中cdsm的比例，当直流侧双极短路故障被阻断时，忽略电容不均一性，则有：

其中∑uci为a相电容之后，∑ucj为b相电容之和，当cdsm电容充电完成后2m个电容电压均相等，则有：

上式中uc为混合型mmc直流侧双击短路故障被阻断后cdsm电容充电电压值，把该值定义为cdsm电容故障阻断电压。可得uc表达式如下：且需使得uc不高于cdsm正常运行电压uc-cd，即uc<uc-cd,可得：

即：得到只与cdsm混合比例γ有关的表达式，定义为混合型cdsm比例的一个参考值，若γ＞γc此时混合型mmc已具有阻断直流侧双极短路的能力，进一步增大γ的值会增加换流器成本，当γ＜γc时直流侧双极短路故障发生时。cdsm充电电容值有可能大于正常运行电压uc-cd,此时最好对电容设置一定裕度，避免cdsm电容存在击穿风险，同时考虑短路故障发生后，cdsm电容在充电完成达到故障阻断电压值uc后，由于桥臂电抗存在不会马上为0，会继续对电容充电，对实际电容电压值设置裕度，其中λ＞1。

图3为混合型mmc换流器成本优化流程图，首先求得混合型mmc换流器cdsm电容故障阻断电压值通过式(8)对cdsm比例进行设计，结合式(10)关于不同电压等级的子模块电容投资成本，合理设置电容电压裕度，优化混合型mmc换流器成本，综合考虑短路故障阻断能力同时，达到经济最优。