低比例故障自清除子模块的混合型MMC及其控制方法

本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种低比例故障自清除子模块的混合型mmc及其控制方法。

背景技术：

1、近年来，基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)的柔性直流输电技术在大容量、远距离的多端输电场合发挥其优势，成为未来构建多端直流电网的首选拓扑。

2、张北工程采用半桥型mmc配和直流断路器，工程在换流站两条出线的正极、负极都安装四台直流断路器，利用直流断路器进行选择性故障清除。但是igbt造价高昂，安装在每个换流站出线上的直流断路器所需的igbt数量甚至高于换流站中igbt数量。

3、昆柳龙直流工程采用由30％半桥子模块(half bridge sub-module,hbsm)与70％全桥子模块(full bridge sub module,fbsm)构成的混合型mmc，全桥子模块具有故障自清除能力，在直流短路故障时工程可在0.5秒内恢复正常运行。但是工程不可选择性清除故障，会导致“局部故障和全网停运”问题，且全桥子模块造价与运行损耗均比半桥子模块大。

4、昆柳龙工程在考虑经济性的基础上用混合型mmc代替直流断路器，但上述两项工程无法同时满足工程经济性与故障选择性清除，已提出的改进子模块拓扑与改进阀段拓扑主要目的是在实现直流故障清除的基础上降低工程成本。然而，以上改进方案均无法打破具备故障自清除能力占比大50％的要求，无法发挥igbt与子模块电容承压的潜力，不能彻底降低成本。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中混合型mmc的全桥占比过高和故障无法选择性清除的问题，本发明提供一种低比例故障自清除子模块的混合型mmc及其控制方法。设计的混合型mmc在故障清除时所需的故障自清除子模块的占比低于50％，通过控制桥臂内全部子模块旁路、投入，使混合型mmc在正常状态实现稳定运行；通过在故障期间桥臂电压为负时控制故障自清除子模块升压、半桥子模块旁路，桥臂电压为正时两种子模块均可升压排序，使混合型mmc达到了全桥占比50％的混合型mmc的零直流电压输出能力；通过直流电流控制，可实现故障线路的选择性清除。能够大幅节约开关器件成本，减小稳态运行损耗，实现直流故障穿越与故障线路选择性清除。

2、为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

3、一方面本发明提供一种低比例故障自清除子模块的混合型mmc，包括：

4、两类子模块，分别为不具备故障自清除能力的半桥子模块和具备故障自清除能力的故障自清除子模块，其中半桥子模块中的子模块个数占比大于50％，故障自清除子模块个数占比小于50％。具备故障自清除能力的子模块，全桥子模块、钳位双子模块与交叉型子模块

5、具体的，具备故障自清除能力的子模块为全桥子模块、钳位双子模块与交叉型子模块等具备负投入能力的子模块。优选的，所述故障自清除子模块为全桥子模块。

6、另一方面，低比例故障自清除子模块的混合型mmc所在的线路正常运行时，本发明提供了一种低比例故障自清除子模块的混合型mmc的控制方法，包括：

7、根据交流调制电压、直流电压与环流抑制电压得到桥臂电压，每个桥臂所有子模块共同排序，按照照所需子模块投入方式与桥臂电流方向决定子模块是投入或旁路状态。由于两种子模块内的子模块共同排序，故正常运行时可保证两种子模块之间子模块电压均衡。

8、再一方面，低比例故障自清除子模块的混合型mmc所在的线路检测到直流故障后，本发明还提供另一种低比例故障自清除子模块的混合型mmc的控制方法，包括：

9、检测到故障后，投入定直流电流控制与能量控制：

10、预设电压曲线的定直流电流控制：检测到故障后，由定电流控制输出的直流电压指令值为首先为负，随着直流电流的衰减直流电压指令值逐渐变为0。由于子模块电容电压大小与直流电压参考值有关，故障期间直流电流控制下输出的负直流电压参考值过大会使子模块电容电压越限，严重时会导致功率器件损坏。

11、能量控制对象是全部子模块，桥臂电压为正时可以控制仅半桥投入或半桥与全桥共同投入,全桥子模块需要升压，半桥子模块电压可维持正常工作电压或与全桥子模块共同升压。能量控制分为不控阶段与控制阶段：

12、不控阶段：在能量控制前期控制子模块电容吸收线路故障能量，能量参考值为实测值，仅作跟踪；

13、控制阶段：线路故障能量全部吸收结束后，进一步将能量参考值切换为升压后的指定储能值。

14、与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

15、本发明提供的低比例故障自清除子模块的混合型mmc可以在用低于50％的全桥子模块进行直流故障穿越，提升了igbt的运行电压利用率，降低了换流阀功率模块数量、运行损耗与成本，减小设备的体积与重量。

16、本发明提供的低比例故障自清除子模块的混合型mmc的控制方法分为低比例故障自清除子模块的混合型mmc所在的线路正常运行以及低比例故障自清除子模块的混合型mmc所在的线路检测到直流故障后的能量控制、定直流电流控制，确保子模块电容电压不越限与igbt不损坏，子模块电容电压可控性强，可实现故障线路选择性清除。

技术特征：

1.一种低比例故障自清除子模块的混合换流站，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的低比例故障自清除子模块的混合换流站，其特征在于，所述半桥子模块不具备故障自清除能力，其成本最低，占比大于50％。

3.根据权利要求1所述的低比例故障自清除子模块的混合换流站，其特征在于，所述故障自清除子模块可实现负投入，具备负压提供能力，其成本较半桥子模块高，子模块占比小于50％。

4.根据权利要求1所述的低比例故障自清除子模块的混合换流站的控制方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的低比例故障自清除子模块的混合换流站的控制方法，其特征在于：

技术总结
本发明提供了一种低比例故障自清除子模块的混合型模块化多电平换流阀(Modular Multilevel Converter,MMC)及其直流故障穿越控制，低比例故障自清除子模块的混合型MMC包含占比低于50％的故障自清除子模块与占比高于50％的半桥子模块。该故障穿越控制策略利用子模块电容具有短时升压潜力，且短时内IGBT具有一定的过电压能力，可以控制半桥子模块与故障自清除子模块在直流故障期间短时升压，从而令占比低于50％的故障自清除子模块具有故障自清除子模块占比50％的零直流电压输出能力，并且在桥臂电压为正期间半桥子模块正投入，可令半桥、子模块电容电压更均衡；通过混合换流站的定直流电流控制与预设电压曲线，可以控制指定直流线路的直流电流到0，从而实现直流故障选择性清除。本发明提供的低比例故障自清除子模块的混合型MMC直流故障穿越控制方法，包含故障发生前低比例故障自清除子模块的混合型MMC的正常运行控制和检测到故障发生后进行的半桥子模块、故障自清除子模块的子模块升压的无闭锁直流故障穿越与选择性故障清除控制。

技术研发人员：赵西贝,张紫如,贾秀芳,熊岩,周月宾,袁智勇,徐义良
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16