一种基于混合拓扑换流器的柔直系统直流故障恢复方法与流程

本发明涉及电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于混合拓扑换流器的柔直系统直流故障恢复方法。

背景技术：

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是一种新型多电平电压源换流器，其模块化设计、良好的扩展性等性能在高压直流输电等领域具有广阔的应用前景。其换流器是由多个子模块(Submodule,SM)堆叠而成，通过控制子模块的投入和退出，就可以控制交流侧输出电压，从而实现交直流功率交换。现有工程所采用的换流器技术均采用半桥子模块(Half-Bridge Sub-Module，HBSM)拓扑结构。

由于高压直流输电领域的直流断路器技术及制造工艺尚不成熟，对于直流短路这种极端故障的处理，大多是依靠换流器的控制配合来实现的。但是传统两电平、钳位型三电平、半桥式模块化多电平换流器无法输出反向电压以抑制交流系统的短路电流，即不具备暂时性直流故障的穿越能力，限制了模块化多电平换流器在架空线输电形式的柔性直流输电场合的应用。

为了解决上述问题，国际学者提出了基于半桥和全桥子模块混合型模块化多电平换流器(Cell-Hybrid MMC)等新型子模块拓扑。由于其中的全桥型子模块可以输出0、+1和-1三种电平，可以阻断来自任何方向的桥臂电流，因此其具备一定的双极直流故障穿越能力，同时不需要闭锁换流器。

根据现有的研究表明，在直流故障穿越期间换流器输出电压由上下桥臂共同叠加而成，故障期间半桥子模块全部闭锁，全桥子模块来阻断桥臂短路电流。待直流故障清除后，需要尽快实现直流电压的重建。其重建本质就是将直流电压由0逐步恢复到额定值的过程，同时伴随着半桥子模块的解锁。考虑到两站之间直流电压重建不可能完全同步，不同步会造成换流站间子模块存储能量的波动，会影响直流电压重建。

因此，需要提供一种混合型拓扑在不闭锁换流器情况下完成直流故障恢复后的直流电压重建协调控制策略。

技术实现要素：

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于混合拓扑换流器的柔直系统直流故障恢复方法。

本发明的技术方案是：

所述混合拓扑换流器的功率子模块包括全桥子模块和半桥子模块，当所述柔直系统在直流故障穿越后半桥子模块全部闭锁，全桥子模块正常运行，柔直系统的直流电压U_dc为故障点残压值，所述方法包括：

步骤1：判断所述直流故障是否结束；

步骤2：解锁每个待直流电压重建换流站的桥臂中的半桥子模块；

步骤3：对所有待直流电压重建换流站的桥臂进行附加直流电压控制，确定换流站桥臂需要附加输出的直流电压U_{ref_re}；

步骤4：依据所述待直流电压重建换流站的桥臂的直流电压输出设定值U_ref0、所述直流电压U_dc和所述附加输出的直流电压U_{ref_re}，计算得到所述换流站的桥臂的实际投入直流电压设定值U_ref；所述柔直系统依据该实际投入直流电压设定值U_ref选取功率子模块的类型和数量；

步骤5：将所有待直流电压重建换流站按照相同的直流电压变化速率，在同一时刻进行升压；当所述换流站的直流电压U_dc恢复至直流电压额定值后，停止进行所述附加直流电压控制；

步骤6：将所述待直流电压重建换流站切换至正常控制模式，从而完成直流故障后的直流电压重建。

优选的，所述步骤1中判断所述直流故障是否为瞬时故障包括第一次判断、第二次判断和第三次判断：

第一次判断：升高柔直系统中一个待直流电压重建换流站的直流电压设定值，将所述待直流电压重建换流站作为本站，其余待直流电压重建换流站作为对站，观察所述本站和对站的直流电流大小和直流电压偏置情况：

若所述本站和对站中任一换流站的直流电流随直流电压升高而升高，或者发生直流电压偏置且偏置随直流电压升高而增大，则直流故障未结束，将直流电压设定值降为0执行第二次判断；若所述本站和对站中任一换流站的直流电流不随直流电压升高而升高，或者不发生 直流电压偏置，则直流故障结束，将直流电压设定值为0执行步骤2；

第二次判断：等待预置时间后，重新升高本站的直流电压设定值，观察本站和对站的直流电流大小和直流电压偏置情况；若直流故障未结束，将直流电压设定值降为0执行第三次判断；若直流故障结束，将直流电压U_dc降为0执行步骤2；

第三次判断：等待预置时间后，再次重新升高本站的直流电压设定值，观察本站和对站的直流电流大小和直流电压偏置情况；若直流故障未结束，则直流故障类型为永久故障不执行步骤2；若直流故障结束，将直流电压降U_dc为0执行步骤2；

优选的，所述步骤3中附加直流电压控制包括：

将待直流电压重建换流站的直流电流实测值i_dc与直流电流设定值进行比较，通过控制器对二者的误差进行处理，得到换流站桥臂需要附加输出的直流电压U_{ref_re}；所述控制器为PI控制器；

优选的，所述步骤3中附加直流电压控制的控制周期的取值确定原则为每次投退功率子模块后，直流电压U_dc的变化量引起的柔直系统电流振荡幅值Δi_dc≤ε，其中ε为足够小的值；

优选的，所述步骤4中实际投入直流电压设定值U_ref＝U_{ref_re}+U_ref0+U_dc；

所述直流电压输出设定值U_ref0的数值与柔直系统在直流故障穿越后半桥子模块解锁运行时的直流电压输出设定值的数值相同。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种基于混合拓扑换流器的柔直系统直流故障恢复方法，具有较强的鲁棒性，直流电压重建期间不会引起柔直系统间的能量波动；适应性强，实施简单易行；能够为模块化多电平换流器在架空线方式下直流输电领域的运用所借鉴；

2、本发明提供的一种基于混合拓扑换流器的柔直系统直流故障恢复方法，同样适用于多端直流系统。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种基于混合拓扑换流器的柔直系统直流故障恢复方法流程图；

图2：本发明实施例中子模块混合型模块化多电平换流器结构示意图；

图3：本发明实施例中附加直流电压控制原理示意图；

图4：本发明实施例中实际投入直流电压设定值的产生原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种基于混合拓扑换流器的柔直系统直流故障恢复方法的实施例如图1所示，具体为：

本发明中混合拓扑换流器的功率子模块包括全桥子模块和半桥子模块，当柔直系统在直流故障穿越后混合拓扑换流器的控制状态为半桥子模块全部闭锁，全桥子模块正常运行，此时柔直系统的直流电压U_dc控制故障点残压值，达到抑制短路电流的目的，最严重的故障情况下此时直流电压U_dc＝0。本实施例中以图2所示的双端混合拓扑为例，当直流侧发生双极短路故障时，柔直系统直流故障恢复方法的具体步骤为：

一、判断直流故障是否结束，若直流故障结束则将直流电压U_dc降为0。若直流故障结束则判断为瞬时故障，那么继续执行步骤二进行柔直系统恢复，若通过三次判断直流故障仍未结束则认为是永久故障，那么根据柔直系统的需要停运或者一直运行在直流故障穿越后的控制状态，不执行步骤二进行柔直系统恢复。

本实施例中判断直流故障是否为瞬时故障包括第一次判断、第二次判断和第三次判断。其中，

1、第一次判断

升高柔直系统中一个待直流电压重建换流站的直流电压设定值，将该待直流电压重建换流站作为本站，其余待直流电压重建换流站作为对站，观察本站和对站的直流电流大小和直流电压偏置情况：

若本站和对站中任一换流站的直流电流随直流电压升高而升高，或者发生直流电压偏置且偏置随直流电压升高而增大，则直流故障未结束，将直流电压设定值降为0执行第二次判断；

若本站和对站中任一换流站的直流电流不随直流电压升高而升高，或者不发生直流电压偏置，则直流故障结束，将直流电压设定值为0执行步骤二。

2、第二次判断

等待预置时间后，重新升高本站的直流电压设定值，观察本站和对站的直流电流大小和直流电压偏置情况，本实施例中预置时间唯一设置为100ms：

若直流故障未结束，将直流电压设定值降为0执行第三次判断；

若直流故障结束，将直流电压U_dc降为0执行步骤二。

3、第三次判断

等待预置时间后，再次重新升高本站的直流电压设定值，观察本站和对站的直流电流大小和直流电压偏置情况，本实施例中预置时间唯一设置为100ms；

若直流故障未结束，则直流故障类型为永久故障不执行步骤二；

若直流故障结束，将直流电压U_dc降为0执行步骤二。

二、解锁每个待直流电压重建换流站桥臂中的半桥子模块。即取消电容电压平衡中投入半桥子模块数为0的设置，使桥臂投入功率子模块的选择排序范围由全桥子模块变为全桥和半桥子模块。

三、对所有待直流电压重建换流站的桥臂进行附加直流电压控制，确定换流站桥臂需要的附加输出的直流电压U_{ref_re}。

本实施例中附加直流电压控制包括：

如图3所示，将待直流电压重建换流站的直流电流实测值i_dc与直流电流设定值进行比较，通过控制器对二者的误差进行处理，得到换流站桥臂需要附加输出的直流电压U_{ref_re}；本实施例中控制器为PI控制器。

附加直流电压控制的控制周期的取值确定原则为每次投退功率子模块后，直流电压U_dc的变化量引起的柔直系统电流振荡幅值Δi_dc≤ε，其中ε为足够小的值。

四、依据待直流电压重建换流站的桥臂的直流电压输出设定值U_ref0、直流电压U_dc和附加输出的直流电压U_{ref_re}，计算得到换流站的桥臂的实际投入直流电压设定值U_ref；

柔直系统依据该实际投入直流电压设定值U_ref选取功率子模块的类型和数量。

如图4所示，本实施例中实际投入直流电压设定值U_ref＝U_{ref_re}+U_ref0+U_dc，直流电压输出设定值U_ref0的数值与柔直系统在直流故障穿越后半桥子模块解锁运行时的直流电压输出 设定值的数值相同。

五、将所有待直流电压重建换流站按照相同的直流电压变化速率，在同一时刻进行升压；当所述换流站的直流电压U_dc恢复至直流电压额定值后，停止进行附加直流电压控制。

本实施例中对所有待直流电压重建换流器在同一时刻升压，通过集控系统统一控制，将各换流站的直流电压由0升高至额定直流电压值，在升压过程中，附加直流电压控制环节抑制换流站之间的直流电流的振荡。

六、将待直流电压重建换流站切换至正常控制模式，从而完成直流故障后的直流电压重建。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域谱通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。