MMC子模块电路拓扑结构、故障穿越方法及其应用与流程

mmc子模块电路拓扑结构、故障穿越方法及其应用
技术领域
1.本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其是涉及一种基于mmc换流器的mmc子模块电路拓扑结构、故障穿越方法及其应用。


背景技术：

2.柔性直流输电技术因其能够直接连接弱交流系统、没有输电距离限制、不需要另外设置无功补偿装置，在电力系统中产生了广泛的应用需求。当受端交流侧发生低压故障时，交流电网电压跌落导致受端换流站功率送出能力下降，如果不采取任何措施，盈余功率会在数十毫秒内造成直流系统过电压，威胁系统的安全运行，严重情况下可能造成海上风电风机脱网。
3.现有解决方案主要分为两种，一种是通过控制策略调节传输功率，另一种是利用耗能装置消纳风机发出的功率。
4.针对通过控制策略调节传输功率实现故障穿越的方案，不仅非常依赖送端换流站与受端换流站之间的通讯可靠性，且现有研究表明，在不限制稳态运行功率的前提下采用控制方法无法同时解决直流电网的2类盈余功率问题。(方案一详见：郭贤珊,梅念,李探,李高望,魏争,苑宾.张北柔性直流电网盈余功率问题的机理分析及控制方法[j].电网技术,2019,43(01):157-164.doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2018.1643.)
[0005]
针对采用直流耗能装置实现故障穿越的方案，当海上风电vsc-hvdc系统受端交流侧电压下降至0.9p.u.以下时，风电机组低电压穿越启动，当风电场交流电压下降至0.2p.u.，受端网侧变流器不输出有功功率，需要依靠机组内部卸荷电路消纳盈余功率，低压穿越时间为100～150ms。内部卸荷电路通常采用直流耗能装置，耗能电阻工作时发热严重，故需要单独安装在室外散热，又因为电阻两端电压很高，耗能电阻存在绝缘击穿风险，在绝缘要求下两端引线需要接进穿墙套管，成本高昂。(方案二详见：许彬,高冲,张静.应用于海上风电接入的vsc-hvdc系统主网侧交流故障穿越的新型直流耗能装置拓扑[j].中国电机工程学报,2021,41(01):88-97 400.doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.191984.)。
[0006]
专利cn111162559a发明的直流耗能装置可在直流耗能装置进行投切时，平抑直流母线电压，保证直流耗能装置总体的故障穿越性能；专利cn111224421a发明的大功率的耗能装置，用于消耗柔性直流输电系统直流侧盈余功率；专利cn111224421a设计了一种采用金属氧化物限压器、gap、间隙火花放电装置等成熟设备元件组成的具备故障穿越能力的主回路；上述专利都需要在现有柔性直流输电系统的基础上额外增加电力设备来实现故障穿越，并且需要根据直流系统的状态控制此电力设备的投入与退出，不仅成本高昂，对系统的可靠性也不利。


技术实现要素：

[0007]
为了解决现有技术中存在的不足，本发明公开一种基于mmc换流器的海上风电柔性直流系统故障穿越方法，其技术方案如下：
[0008]
集成串联间隙氧化锌避雷器的mmc子模块的电路拓扑结构，包含功率半导体开关器件、反并联二极管、保护间隙、mov、均压电阻；其特征为：
[0009]
所述mmc子模块的输入端和所述功率半导体开关器件的集电极连接，其输出端与所述功率半导体开关器件的发射极连接；
[0010]
所述反并联二极管的正极与所述功率半导体开关器件的发射极连接，其负极与所述功率半导体开关器件的集电极连接；
[0011]
所述保护间隙与所述mov串联后与所述功率半导体开关器件并联；
[0012]
所述均压电阻分别与保护间隙和所述mov并联；
[0013]
本发明还公开一种故障穿越方法，其特征为，包括如下步骤：
[0014]
步骤一：海上风电vsc-hvdc系统正常运行时，直流系统母线电压保持在额定范围内，mmc换流器依照基本控制策略运行，mmc子模块在正常投切过程中，其中的功率半导体器件关断造成的过电压不会使保护间隙击穿，此时mmc子模块处于正常工作状态。
[0015]
步骤二：海上风电vsc-hvdc系统受端交流侧发生低压故障后，系统出现盈余功率，直流线路电压超过额定范围，mmc子模块的电容器电压升高，在mmc子模块投切过程中，功率半导体开关器件关断时会在器件两端造成关断尖峰过电压，进而导致保护间隙被击穿，随后mov动作并限制功率半导体开关器件两端的过电压，在此过程中可以有效降低mmc子模块的电容电压，即可抑制直流线路电压上升。
[0016]
步骤三：若海上风电vsc-hvdc系统受端的低压故障时间大于规定的低压穿越时间，则允许切除源侧并网运行的风机，随后送端mmc换流器的子模块均闭锁。
[0017]
本发明还公开一种将上述故障穿越方法应用于海上风电柔性直流系统中。
[0018]
有益效果：
[0019]
本发明提供的技术方案相比传统采用直流耗能装置实现低压故障穿越的方案，无需使用耗能电阻，消除了穿墙套管，避免了耗能电阻的散热问题和套管的绝缘问题，节约占地面积，降低施工难度，提高技术经济性。
[0020]
本发明提供的技术方案采用集成了串联间隙氧化锌避雷器的mmc子模块结构，无需改变mmc基本控制策略和mmc子模块投切策略即可实现故障穿越，同时提升了功率半导体开关器件的利用率。
[0021]
本发明提供的技术方案采用集成了串联间隙氧化锌避雷器的mmc子模块结构，无需改变mmc基本控制策略和mmc子模块投切策略即可实现故障穿越，同时提升了功率半导体开关器件的利用率。
[0022]
本发明根据海上风电vsc-hvdc系统受端交流侧发生低压故障时直流线路电压短时提高的特征现象，巧妙地采用了集成串联间隙氧化锌避雷器的mmc子模块结构，当低压故障发生时，在mmc基本控制策略和mmc子模块投切策略不变的情况下即可抑制直流线路电压的短时上升，且不必额外加装直流耗能装置。
附图说明
[0023]
图1是现有技术中直流耗能装置的电路拓扑图。
[0024]
图2是本发明提供的一种基于mmc换流器的海上风电柔性直流系统故障穿越方法所采用的集成化mmc子模块的电路拓扑图；
[0025]
其中：1、2是功率半导体开关器件，3、4是二极管，5、6是保护间隙，7、8是mov，9、10是保护间隙的寄生电容，11、12是mov的寄生电容，13、14是与保护间隙并联的均压电阻，15、16是与mov并联的均压电阻，17是电容器。
[0026]
图3是本发明提供的一种基于mmc换流器的海上风电柔性直流系统故障穿越方法的应用场景电气结构示意图。
[0027]
图4(a)是本发明提供的一种基于mmc换流器的海上风电柔性直流系统故障穿越方法在故障穿越过程中单个mmc子模块信号通路示意图。
[0028]
图4(b)是本发明提供的一种基于mmc换流器的海上风电柔性直流系统故障穿越方法在故障穿越过程中单个mmc子模块的动作时序图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0030]
图2是本发明提供的一种基于mmc换流器的海上风电柔性直流系统故障穿越方法采用的mmc换流器的电路拓扑图。
[0031]
以半桥mmc为例，集成串联间隙氧化锌避雷器的mmc子模块的电路拓扑结构包括：2个功率半导体开关器件，2个保护间隙，2个mov，4个均压电阻。mmc子模块中：反并联二极管3的阳极和功率半导体开关器件1的发射极连接，反并联二极管3的阴极和功率半导体开关器件1的集电极连接；反并联二极管4的阳极和功率半导体开关器件2的发射极连接，反并联二极管4的阴极和功率半导体开关器件2的集电极连接；电容17的正极和功率半导体开关管1的集电极连接，电容17的负极和功率半导体开关管2的发射极连接；功率半导体开关器件1的发射极和功率半导体开关器件2的集电极的节点引出半桥型mmc子模块正极接线，功率半导体开关器件2的发射极的节点引出半桥型mmc子模块负极接线。将保护间隙5与mov7串联，将保护间隙6与mov8串联，将保护间隙5与均压电阻13并联，将保护间隙6与均压电阻14并联，将mov7与均压电阻15并联，将mov8与均压电阻16并联，形成两个端口元件；将保护间隙5和均压电阻13连接构成的端口元件的端子与功率半导体开关器件1的集电极连接，将mov7和均压电阻15连接构成的端口元件的端子与功率半导体开关器件1的发射极连接；将保护间隙6和均压电阻14连接构成的端口元件的端子与功率半导体开关器件2的集电极连接，将mov8和均压电阻16连接构成的端口元件的端子与功率半导体开关器件2的发射极连接。
[0032]
海上风电vsc-hvdc系统的受端mmc共有6个桥臂，每个桥臂由1个桥臂电抗器l0和n个子模块串联而成，具体串联方式为每个mmc子模块的b端子和与其相邻的mmc子模块的a端子连接，每相上下两个桥臂合在一起称为一个相单元，三相桥臂并联。所述的功率半导体开关器件为igbt，igct或iegt。
[0033]
图3是本发明提供的一种基于mmc换流器的海上风电柔性直流系统故障穿越方法的应用场景电气结构示意图。为进一步说明本发明提出的故障穿越方法，结合图3所述的应用场景电气结构图，现详述其整体工作过程如下：
[0034]
步骤一：海上风电vsc-hvdc系统正常运行时，直流系统母线电压保持在额定范围内，mmc换流器依照基本控制策略运行，mmc子模块在正常投切过程中，其中的功率半导体器件关断造成的尖峰过电压并不会使保护间隙击穿，此时mmc子模块处于正常工作状态。
[0035]
步骤二：海上风电vsc-hvdc系统受端交流侧发生低压故障后，受端mmc消耗的能量
减少，使受端交流电网的功率消纳能力降低，但送端mmc连接的风电机组由于无法同步接受受端mmc连接的交流电网的电压、频率、波形等电气量，短时间内风电机组的工作状态不会变化，导致盈余功率进入mmc换流器并对mmc子模块的电容器充电，进而导致电容电压短时提高。此时mmc换流器继续依照原定控制策略运行，在mmc子模块投切过程中，功率半导体开关器件关断时会在器件两端造成关断尖峰过电压，进而导致保护间隙被击穿，随后mov动作并限制功率半导体开关器件两端的过电压，在此过程中可以有效降低mmc子模块的电容电压，即可抑制直流线路电压上升。
[0036]
步骤三：若海上风电vsc-hvdc系统受端的低压故障时间大于规定的低压穿越时间，则允许切除源侧并网运行的风机，随后送端mmc换流器的子模块均闭锁。
[0037]
在上述步骤二中，mmc子模块集成的串联间隙氧化锌避雷器。
[0038]
图4是本发明提供的一种基于mmc换流器的海上风电柔性直流系统故障穿越方法在低压故障穿越过程中单个mmc子模块的动作时序图。步骤二中mmc子模块各元件的详细动作逻辑请参照图4，现按照时序详述其动作过程：
[0039]
假设mmc子模块中桥臂电流方向如图2中所标识的方向，mmc子模块始终依照基本阀控指令正常投切。
[0040]
t0时刻前，海上风电vsc-hvdc系统正常运行时，mmc子模块中集成的保护间隙和mov均不动作。
[0041]
t0时刻，海上风电vsc-hvdc系统受端交流侧发生低压故障。
[0042]
t0～t1时段，此时mmc子模块的下桥臂功率半导体开关器件恰处于关断状态。海上风电vsc-hvdc系统受端交流侧发生低压故障后，受端mmc消耗的能量减少，使受端交流电网的功率消纳能力降低，但送端mmc连接的风电机组由于无法同步接受受端mmc连接的交流电网的电压、频率、波形等电气量，短时间内风电机组的工作状态不会变化，导致盈余功率进入mmc换流器并对mmc子模块的电容器充电，进而导致电容电压短时提高。
[0043]
t1时刻，根据基本阀控指令，mmc子模块的上桥臂功率半导体开关器件关断，mmc子模块的下桥臂功率半导体开关器件开通。
[0044]
t1～t2时段，由于下桥臂功率半导体开关器件导通，与保护间隙寄生电容和mov寄生电容形成短路充放电回路。由于换路前后形成纯电容回路，则电容电压将跃变，在不与电压源相连的节点上所有电容器极板上的电荷在换路瞬间守恒，由此原理可以推算出本阶段中保护间隙和mov的分压情况，保护间隙的电压如图4所示。本阶段中mmc子模块的电容电压还在持续上升。
[0045]
t2时刻，根据基本阀控指令，mmc子模块的上桥臂功率半导体开关器件开通，mmc子模块的下桥臂功率半导体开关器件关断。
[0046]
t2～t3时段，由于功率半导体开关器件关断时，在极短时间内流过器件的电流突变，在器件内部杂散电感的作用下形成关断尖峰过电压，关断尖峰过电压的公式如下：v
peak
＝l0·
ddti，式中：v
peak
为器件两端的关断尖峰过电压，l0为器件内部的杂散电感，i为流过器件的电流。在下桥臂功率半导体开关器件关断过程中，其两端的电压逐渐上升，根据电路拓扑结构、电磁暂态过程和基尔霍夫定律，器件两端的电压会在保护间隙和mov重新分配。
[0047]
t3时刻，保护间隙两端的电压达到击穿值，保护间隙被击穿转为导通状态。
[0048]
t3～t4时段，在mmc子模块的下桥臂功率半导体开关器件关断产生的过电压达到
mov动作值，过电压峰值被抑制在mov残压值，由于mov残压值高于此时的mmc子模块电容器的电压，流过串联间隙氧化锌避雷器的电流迅速过零，且自身绝缘强度恢复，随后开关器件和mov的电压都迅速下降到电容电压。此过程中由于保护间隙的击穿过程消耗能量，mmc子模块的电容电压有效下降。
[0049]
t4时刻，下桥臂功率半导体开关器件两端的电压、mov两端的电压、mmc子模块电容器的电压均相等。
[0050]
t4～t5时段，mmc子模块的下桥臂功率半导体开关器件保持关断状态，其电压等于mmc子模块电容器的电压。由于此时电路拓扑回路中时间常数较大，且mmc子模块中功率半导体开关器件的开关频率较高，在保护间隙寄生电容的作用下，保护间隙两端的电压暂不突变。
[0051]
t5时刻后，mmc子模块依照阀控指令继续投切。若功率半导体开关器件关断时产生的过电足以击穿保护间隙，则t0～t5时段过程重复；若mmc子模块电容电压下降至期望值时，上述t0～t5时段的动作过程不再重复。
[0052]
本发明根据海上风电vsc-hvdc系统受端交流侧发生低压故障时直流线路电压短时提高的特征现象，巧妙地采用了集成串联间隙氧化锌避雷器的mmc子模块结构，当低压故障发生时，在mmc基本控制策略和mmc子模块投切策略不变的情况下即可抑制直流线路电压的短时上升，且不必额外加装直流耗能装置。与同类现有方案相比，本专利的方案成本更低、集成化程度更高、功率半导体开关器件的利用率更高。
[0053]
本发明提供的技术方案巧妙地利用了海上风电vsc-hvdc系统受端交流侧发生低压故障时直流线路电压短时提高的特征现象，采用保护间隙和mov配合动作的方式抑制直流线路电压上升，相比传统采用直流耗能装置实现低压故障穿越的方案，无需使用耗能电阻，消除了穿墙套管，避免了耗能电阻的散热问题和套管的绝缘问题，节约占地面积，降低施工难度，提高技术经济性。
[0054]
本发明提供的技术方案巧妙地利用了海上风电vsc-hvdc系统受端交流侧发生低压故障时直流线路电压短时提高的特征现象，采用保护间隙和mov配合动作的方式抑制直流线路电压上升，相比传统采用直流耗能装置实现低压故障穿越的方案，无需使用耗能电阻，消除了穿墙套管，避免了耗能电阻的散热问题和套管的绝缘问题，节约占地面积，降低施工难度，提高技术经济性。
[0055]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。