本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，更具体地，涉及对称双极mmc-hvdc装置、系统及故障穿越控制方法。
背景技术：
基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modularmultilevelconverterbasedhighvoltagedirectcurrent,mmc-hvdc)系统因其在系统损耗，容量升级，电磁兼容，故障管理等方面的优势，成为了柔性直流输电中的优选技术。其在我国发展的特点是高电压、远距离、大容量以及架空线。
对称双极接线的mmc-hvdc系统相对于对称单极接线的mmc-hvdc系统具有传输容量大，系统设备冗余性好等优点，同时具有强大的故障承受能力，能够应对换流器、变压器及传输线等的故障，由于每一极的两台换流器都可以独立运行，因而故障极的换流器退出运行后，非故障极换流器可以继续运行。
目前对称双极接线的mmc-hvdc系统在应对直流侧短路故障时存在以下不足之处：
(1)当直流侧发生极对极短路故障时，同一端的两台换流器被串联短路，故障电压高，是两台换流器输出直流电压之和，同时由于换流器串联，系统等效电容小，放电速度快，故障电流上升速度迅速。目前处理直流侧极对极短路故障的方案有闭锁换流器和加装直流断路器两种，但是两种方案都会让整个系统退出运行，无法继续传输有功功率和无功功率，对交直流系统造成巨大的有功和无功缺额，严重影响系统稳定，而且目前高压大容量直流断路器的制造技术不成熟，造价高，可靠性低。
(2)当系统发生直流侧极对地短路故障时，虽然非故障极换流器可以继续独立运行，但是对于故障极换流器而言，相当于发生了换流器直流侧口的双极短路故障，同样会导致其端口电压迅速减小，子模块电容快速放电，故障电流迅速增大，严重威胁换流器设备的安全。同时，由于双极系统的一极退出运行，会对交直流系统造成严重的有功功率和无功功率缺额。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供对称双极mmc-hvdc装置、系统及故障穿越控制方法，旨在解决现有技术由于发生故障时采用让对称双极mmc-hvdc的一极换流器或两级换流器退出运行导致对称双极mmc-hvdc存在严重的有功功率和无功功率缺额技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种对称双极mmc-hvdc装置，包括：
第一正极换流器，用于根据第一正极控制信号控制交流电与直流电转化；
第一负极换流器，其直流侧正极与第一正极换流器直流侧负极连接，用于根据第一负极控制信号控制交流电与直流电转化；
第二正极换流器，其直流侧正极通过正极母线与第一正极换流器直流侧正极连接，其直流侧负极通过导线与第一正极换流器直流侧负极连接，用于根据第二正极控制信号控制交流电与直流电转化；以及
第二负极换流器，其直流侧正极与第二正极换流器直流侧负极连接，其直流侧负极通过负极母线与第一负极换流器直流侧负极连接，用于根据第二负极控制信号控制交流电与直流电转化；
当发生故障时，通过第一正极控制信号控制第一正极换流器直流侧电压极性反向并同时通过第二正极控制信号控制第二正极换流器直流侧电压极性反向，或通过第一负极控制信号控制第一负极换流器直流侧电压极性反向并同时通过第二负极控制信号控制第二负极换流器直流侧电压极性反向。
优选地，第一正极换流器、第二正极换流器、第一负极换流器以及第二负极换流器均为具有负电平输出能力子模块的模块化多电平变换器，通过控制故障换流器上桥臂负电平子模块数量和下桥臂负电平子模块数量实现故障换流器直流侧电压极性反向；
当发生正极母线接地短路故障时，第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器，当发生负极母线接地短路故障时，第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器，当发生正极母线与负极母线短路故障时，第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器或第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器。
优选地，对称双极mmc-hvdc装置还包括：
接地电阻，其一端与第一正极换流器直流端负极连接，用于限制故障电流值；
接地电感，其一端与接地电阻的另一端连接，其另一端接地，用于限制故障电流上升率。
本发明提供的一种对称双极mmc-hvdc系统，包括：
第一正极换流器，用于根据第一正极控制信号控制交流电与直流电转化；
第一负极换流器，其直流侧正极与第一正极换流器直流侧负极连接，用于根据第一负极控制信号控制交流电与直流电转化；
第二正极换流器，其直流侧正极通过正极母线与第一正极换流器直流侧正极连接，其直流侧负极通过导线与第一正极换流器直流侧负极连接，用于根据第二正极控制信号控制交流电与直流电转化；
第二负极换流器，其直流侧正极与第二正极换流器直流侧负极连接，其直流侧负极通过负极母线与第一负极换流器直流侧负极连接，用于根据第二负极控制信号实现交流电与直流电转化；以及
控制器，其第一输出端与第一正极换流器的控制端连接，其第二输出端与第二正极换流器的控制端连接，其第三输出端与第一负极换流器的控制端连接，其第四输出端与第二负极换流器的控制端连接，用于根据故障信号输出第一正极控制信号、第一负极控制信号、第二正极控制信号以及第二负极控制信号，通过第一正极控制信号实现第一正极换流器直流侧电压极性反向并同时通过第二正极控制信号实现第二正极换流器直流侧电压极性反向，或通过第一负极控制信号实现第一负极换流器直流侧电压极性反向并同时通过第二负极控制信号与第二负极换流器直流侧电压极性反向。
优选地，第一正极换流器、第二正极换流器、第一负极换流器以及第二负极换流器均为具有负电平输出能力子模块的模块化多电平变换器，通过控制故障换流器上桥臂输出负电平子模块数量和下桥臂输出负电平子模块数量实现故障换流器直流侧电压极性反向；
当故障信号为正极母线接地短路信号时，第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器，当故障信号为负极母线接地短路信号时，第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器，当故障信号为正极母线与负极母线短路信号时，第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器或第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器。
优选地，对称双极mmc-hvdc系统还包括：
接地电阻，其一端与第一正极换流器直流端负极连接，用于限制故障电流大小；
接地电感，其一端与接地电阻的另一端连接，其另一端接地，用于限制故障电流上升率。
本发明提供一种对称双极mmc-hvdc装置的故障穿越控制方法，包括如下步骤：
当发生故障后，使发生故障的换流器直流侧电压极性反向，保持非故障换流器直流侧电压极性不变，通过反向电动势阻断故障电流通路，实现故障电流的主动消除，同时功率通过第一正极换流器、第二正极换流器以及正极母线构成正极功率回路和第一负极换流器、第二负极换流器以及负极母线构成的负极功率回路传输。
优选地，第一正极换流器、第二正极换流器、第一负极换流器以及第二负极换流器均为具有负电平输出能力子模块的模块化多电平变换器，通过控制故障换流器上桥臂输出负电平子模块数量和下桥臂输出负电平子模块数量实现故障换流器直流侧电压极性反向。
优选地，当故障信号为正极母线接地短路信号时，第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器，当故障信号为负极母线接地短路信号时，第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器，当故障信号为正极母线与负极母线短路信号时，第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器或第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得如下有益效果。
1、本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置，当发生正极母线与负极母线短路故障时，让故障换流器直流侧电压极性反向提供反向电动势，阻断故障电流通路，实现故障电流的主动消除，并让发射单元的故障换流器负极输出电流经由母线、接收单元的故障换流器和导线返回到发射单元的故障换流器正极，让发射单元的非故障换流器正极输出电流经由母线、接收单元的非故障换流器和导线返回到发射单元的非故障换流器负极，实现故障时有功功率与无功功率继续传输。
2、本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置，让中性点通过串联的接地电阻和接地电感接地，当对称双极mmc-hvdc装置发生极对地故障时，接地电阻阻值在千欧级，接地电感的感抗值在亨级，可以将故障电流的稳态值和上升速度控制得很小，使其对换流器子模块的放电作用变得很小，让故障换流器直流侧电压极性反向提供反向电动势，阻断故障电流通路，实现故障电流的主动消除，功率由正极功率回路和负极功率回路传输，从而实现在发生接地故障的期间，故障极换流器仍然可以继续运行，传输功率。
附图说明
图1为本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置的原理图；
图2为本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置发生正极母线与负极母线短路故障后故障穿越功率回路原理图；
图3为极对极故障穿越过程中对称双极mmc-hvdc装置各指标变化波形图；其中，图3(a)为正极母线电压、正极母线电流、正极母线功率、第一正极换流器交流侧电压以及第一正极换流器交流侧电流变化图，图3(b)为负极母线电压、负极母线电流、负极母线功率、第一负极换流器交流侧电压以及第一负极换流器交流侧电流变化图，图3(c)为导线的电流变化图；
图4为当发生正极母线接地故障时对称双极mmc-hvdc装置等效电路；
图5为本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置发生正极母线接地故障后故障穿越功率回路原理图；
图6为极对地故障穿越过程中对称双极mmc-hvdc装置各指标变化波形图，其中，图6(a)为在第一中性点和第二中性点均通过串联的接地电阻和接地电感接地后故障电流和故障电压的变化图，图6(b)为正极母线电压、正极母线电流、正极母线功率、第一正极换流器交流侧电压以及第一正极换流器交流侧电流变化图，图6(c)为负极母线电压、负极母线电流、负极母线功率、第一负极换流器交流侧电压以及第一负极换流器交流侧电流变化图，图6(d)为导线的电流变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为为本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置的原理图，对称双极mmc-hvdc装置为包括发射单元和接收单元，发射单元包括第一正极换流器1和第一负极换流器2，第一正极换流器1直流侧负极与第一负极换流器2直流侧正极连接。接收单元包括第二正极换流器3和第二负极换流器4，第二正极换流器3直流侧负极与第二负极换流器4的正极连接。第一正极换流器1直流侧正极与第二正极换流器3直流侧正极通过正极母线5连接，第一负极换流器2直流侧负极与第二负极换流器4直流侧负极通过负极母线6连接，第一正极换流器1直流侧负极与第二正极换流器3直流侧负极通过导线7连接。
当正常运行时，第一正极换流器上桥臂输出电压和下桥臂输出电压为：
其中，
正常运行时第一负极换流器上桥臂输出电压和下桥臂输出电压为：
其中，
发射单元直流侧第一中性点电位vneutralpoint为零。
第一正极换流器、第二正极换流器、第一负极换流器以及第二负极换流器均为具有负电平输出能力子模块的模块化多电平变换器，当发生正极母线与负极母线短路故障时，通过控制第一负极换流器上桥臂负电平子模块的数量，实现第一负极换流器上桥臂电压直流分量极性反向，通过控制第一负极换流器下桥臂负电平子模块的数量，实现第一负极换流器下桥臂电压直流分量极性反向。保持第一正极换流器上桥臂正电平子模块的数量实现保持第一正极换流器上桥臂电压直流分量的极性不变，保持第一正极换流器下桥臂正电平子模块的数量保持第一正极换流器下桥臂电压直流分量的极性不变。对第二正极换流器的控制同第一正极换流器的控制相同，对第二负极换流器的控制同第二负极换流器控制相同。
第一负极换流器上桥臂输出电压和下桥臂输出电压可以表示为：
此时，第一正极换流器的输出直流电压和第二正极换流器的输出直流电压依旧保持不变。
第一正极换流器上桥臂输出电压和下桥臂输出电压可以表示为：
图2为本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置发生正极母线与负极母线短路故障后故障穿越功率回路原理图，正极功率回路由第一正极换流器1、直流侧正极母线、第二正极换流器和导线构建成，第一正极换流器1正极输出的电流经由直流侧正极母线5、第二正极换流器4以及导线7回到第一正极换流器1负极；负极功率回路由第一负极换流器2、直流侧负极母线6、第二负极换流器4和导线7构建成。第一负极换流器1负极输出的电流经由直流侧负极母线6、第二负极换流器4以及导线7回到第一负极换流器1负极。两条功率回路都可以实现额定功率的传输，从而使对称双极mmc-hvdc继续保持满功率运行，在故障期间不产生功率缺额。
本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置发生极对极故障后，让故障换流器输出直流电压极性反转，保持非故障换流器输出直流电压极性不变，通过故障换流器提供反电动势，阻断故障电流通路，实现故障电流的主动消除，并让发射单元的故障换流器负极输出电流经由母线、接收单元的故障换流器和导线返回到发射单元的故障换流器正极，让发射单元的非故障换流器正极输出电流经由母线、接收单元的非故障换流器和导线返回到发射单元的非故障换流器负极，实现故障时有功功率继续传输。
当发生正极母线与负极母线短路故障时，通过控制第一正极换流器上桥臂负电平子模块的数量，实现第一正极换流器上桥臂电压直流分量极性反向，通过控制第一正极换流器下桥臂负电平子模块的数量，实现第一正极换流器下桥臂电压直流分量极性反向。保持第一负极换流器上桥臂正电平子模块的数量实现保持第一负极换流器上桥臂的极性不变，保持第一负极换流器下桥臂正电平子模块的数量保持第一负极换流器的极性不变。对第二正极换流器的控制同第一正极换流器的控制相同，对第二负极换流器的控制同第二负极换流器控制相同。
本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置中，对称双极mmc-hvdc的直流侧电压为±20kv，系统额定有功有功功率40mw，额定无功功率8mvar。单台换流器额定直流电压20kv，额定有功功率20mw，额定无功功率4mvar，子模块电容10mf,子模块额定电压2kv，每个桥臂子模块数量为10个。
在t＝1.0s时，对称双极mmc-hvdc直流侧发生极对极短路故障，而后对称双极mmc-hvdc装置立即进入故障穿越运行。即在1.0s立即让第一负极换流器的极性和第二负极换流器的极性均反转，保持第一正极换流器的极性和第二正极换流器的极性不变。
图3为极对极故障穿越过程中对称双极mmc-hvdc装置各指标变化波形图，其中，图3(a)为正极母线电压、正极母线电流、正极母线功率、第一正极换流器交流侧电压以及第一正极换流器交流侧电流变化图，图3(b)为负极母线电压、负极母线电流、负极母线功率、第一负极换流器交流侧电压以及第一负极换流器交流侧电流变化图，图3(c)为导线的电流变化图。由图3中可知，负极换流器输出直流电压极性反转，其输出的直流电压由正常运行时的+20kv变为-20kv，此时正极直流母线电压幅值为20kv，负极直流母线电压幅值也为20kv，故障电流被有效抑制。在新的功率回路构建成功后，正极母线电流方向不变，额定值也不变，其额定电流为1ka，负极母线电流方向改变，额定值不变，其额定电流为1ka，而导线上的电流由正常时的0ka上升为2ka。故障期间，系统的有功功率处于连续可控的状态，且最大能输出额定功率40mw。
对称双极mmc-hvdc装置还包括接地电感lg和接地电阻rg，接地电阻rg的一端与第一正极换流器1直流侧负极连接，接地电阻rg另一端与接地电感lg一端连接，接地电感另一端接地。
当发生正极母线接地故障时，对称双极mmc-hvdc装置等效电路如图4所示，故障电流微分方程可以表示为：
其中，
通过选择较大的接地电抗和接地电阻，例如接地电阻的阻值在千欧极，接地电感的电感量在亨级，完全可以将故障电流的稳态值和上升速度控制得很小，使其对换流器子模块的放电作用变得很小，从而实现在发生接地故障的期间，故障极换流器仍然可以继续运行，传输功率。
但是由于接地电阻rg远远大于桥臂寄生电阻r和故障电阻rf，所以会在接地极造成巨大直流电压偏置，使对称双极mmc-hvdc的接地极处不再为零电位,其稳态电位可以表示为：
此时，非故障极母线电压为：
其中，第一正极换流器直流侧电压数值与第一负极换流器直流侧电压数值相等。
通过控制第一正极换流器上桥臂负电平子模块的数量，实现第一正极换流器上桥臂电压直流分量极性反向，通过控制第一正极换流器下桥臂负电平子模块的数量，实现第一正极换流器下桥臂电压直流分量极性反向。保持第一负极换流器上桥臂正电平子模块的数量实现保持第一负极换流器上桥臂的极性不变，保持第一负极换流器下桥臂正电平子模块的数量保持第一负极换流器的极性不变。对第二正极换流器的控制同第一正极换流器的控制相同，对第二负极换流器的控制同第二负极换流器控制相同。此时，第一正极换流器桥臂输出电压可以表示为：
第一负极换流器桥臂输出电压可以表示为：
中性点电位可以表示为：
直流侧正负极母线电压可以表示为：
图5为本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置发生正极母线接地故障后故障穿越功率回路原理图，正极功率回路由第一正极换流器1、第二正极换流器3、直流侧正极母线5和导线7构建成，第一正极换流器1负极输出的电流经由导线7、第二正极换流器3以及直流侧正极母线5回到第一正极换流器1正极；负极功率回路由第一负极换流器2、第二负极换流器4、直流侧负极母线6和导线7构建成，第一负极换流器2正极输出的电流经由导线7、第二负极换流器4以及直流侧负极母线6回到第一负极换流器2负极。两条功率回路都可以实现额定功率的传输，从而使整个双极系统继续保持满功率运行，在故障期间不产生功率缺额。
本发明提供的对称双极mmc-hvdc装置中，对称双极mmc-hvdc的直流侧电压为±20kv，系统额定有功有功功率40mw，额定无功功率8mvar。单台换流器额定直流电压20kv，额定有功功率20mw，额定无功功率4mvar，子模块电容10mf，子模块额定电压2kv，每个桥臂子模块数量为10个。
在t＝1.0s时，对称双极mmc-hvdc系统直流侧发生正极对地短路故障，而后采用本发明提供的控制方法使对称双极mmc-hvdc立即进入故障穿越运行。即在1.0s时让第一正极换流器的极性和第二正极换流器的极性均反转，保持第一负极换流器的极性和第二负极换流器的极性不变。
图6为极对地故障穿越过程中对称双极mmc-hvdc装置各指标变化波形图，其中，图6(a)为故障发生后未进入故障穿越运行前故障电流和故障电压的变化图，图6(b)为正极母线电压、正极母线电流、正极母线功率、第一正极换流器交流侧电压以及第一正极换流器交流侧电流变化图，图6(c)为负极母线电压、负极母线电流、负极母线功率、第一负极换流器交流侧电压以及第一负极换流器交流侧电流变化图，图6(d)为导线的电流变化图。
由图6可知，故障发生后未进入故障穿越运行前，故障电流的幅值被高阻抗接地电阻有效抑制，故障电流的上升率被高电感值的接地电感有效抑制，接地极电压上升至+20kv，第一正极换流器输出直流电压极性反转，其输出的直流电压由正常时的+20kv变为-20kv，系统接地点电位由0kv上升为20kv。此时正极直流母线电压为0kv，负极直流母线电压也为0kv，在新的功率回路构建成功后，负极母线电流方向不变，额定值也不变，其额定电流为1ka，正极母线电流方向改变，额定值不变，其额定电流为1ka，而导线上的电流由正常时的0ka上升为2ka。故障期间，系统的有功功率处于连续可控的状态，且最大能输出额定功率40mw。
当发生负极母线接地故障，使第一负极换流器直流侧输出电压极性与第二负极换流器直流侧输出电压反向，保持第一正极换流器直流侧输出电压极性与第二正极换流器直流侧输出电压极性不变，实现负极母线接地故障穿越。
本发明提供一种对称双极mmc-hvdc系统，包括第一正极换流器、第二正极换流器、第一负极换流器、第二负极换流器、控制器以及串联的接地电阻和接地电感，第一负极换流器直流侧正极与第一正极换流器直流侧负极连接，第二负极换流器直流侧正极与第二正极换流器直流侧负极连接，第二正极换流器直流侧正极通过正极母线与第一正极换流器直流侧正极连接，第二负极换流器直流侧负极通过负极母线与第一负极换流器直流侧负极连接，第二正极换流器直流侧负极通过导线与第一正极换流器直流侧负极连接，控制器第一输出端与第一正极换流器的控制端连接，控制器第二输出端与第二正极换流器的控制端连接，控制器第三输出端与第一负极换流器的控制端连接，控制器第四输出端与第二负极换流器的控制端连接，接地电阻一端与第一正极换流器直流侧负极连接，接地电阻另一端与接地电感一端连接，接地电感另一端接地。
控制器接收故障信号，当故障信号为正极母线接地短路信号时，第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器，通过第一正极控制信号实现第一正极换流器直流侧电压极性反向并同时通过第二正极控制信号实现第二正极换流器直流侧电压极性反向，当故障信号为负极母线接地短路信号时，第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器，第一负极控制信号实现第一负极换流器直流侧电压极性反向并同时通过第二负极控制信号与第二负极换流器直流侧电压极性反向，当故障信号为正极母线与负极母线短路信号时，若设定第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器，通过第一正极控制信号实现第一正极换流器直流侧电压极性反向并同时通过第二正极控制信号实现第二正极换流器直流侧电压极性反向，若设定第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器，第一负极控制信号实现第一负极换流器直流侧电压极性反向并同时通过第二负极控制信号与第二负极换流器直流侧电压极性反向。
对称双极性mmc-hvdc配合导线和高阻抗接地极，在发生极对极故障和极对地故障时，使同一端的其中一台换流器输出的直流电压极性反转，来实现消除故障电压和故障电流的目的，并保持换流器可控运行，同时通过导线建立新的功率回路，使对称双极mmc-hvdc系统依旧能够传输额定的有功功率和无功功率，避免在故障期间较大的功率缺额对交直流系统稳定性的影响。不论是在极对极故障还是极对地故障期间，换流器都保持可控运行，不需要退出运行，故障恢复简单迅速。
本发明提供的基于对称双极mmc-hvdc装置的控制方法，包括如下步骤：
当发生故障后，通过控制故障换流器上桥臂输出负电平子模块数量和下桥臂输出负电平子模块数量实现故障换流器直流侧电压极性反向，保持非故障换流器直流侧电压极性不变。通过反向电动势阻断故障电流通路，实现故障电流的主动消除，同时功率通过第一正极换流器、第二正极换流器以及正极母线构成正极功率回路和第一负极换流器、第二负极换流器以及负极母线构成的负极功率回路传输。从而使整个双极系统继续保持满功率运行，在故障期间不产生功率缺额。
当故障信号为正极母线接地短路信号时，第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器，当故障信号为负极母线接地短路信号时，第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器，当故障信号为正极母线与负极母线短路信号时，第一正极换流器和第二正极换流器为故障换流器或第一负极换流器和第二负极换流器为故障换流器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。