一种M3C低频变流器及其故障穿越方法和系统与流程

一种m3c低频变流器及其故障穿越方法和系统
技术领域
1.本发明涉及大功率电力变换装置的控制策略，尤其涉及一种工频电网不对称故障下m3c低频变流器故障穿越方法。


背景技术：

2.模块化多电平矩阵换流器(m3c)是一种新型交交变频变换器，具有输入电流完美无谐波、输入输出可以任意功率因数可调的特点，控制灵活度较高。在实际工程中应用非常广泛，在异步联网、海上风电、远距离低频输电等方面都具有非常重要的作用。
3.现有技术中对不对称故障下m3c的故障穿越控制研究较少，但是实际电网中由于短路等突发性故障使得电力系统往往处于不对称的运行状态。当三相系统不对称时，系统中将会出现负序分量，负序分量将会增加电流的有效值，进而导致系统出现过电流，同时也会在m3c所连交流系统产生大量的非特征谐波，这些谐波轻者可能会影响控制器的效果，使控制结果恶化，重者会导致换流器中的器件出现过电压/过电流，甚至烧毁元器件，这都将会严重威胁整个系统的安全稳定运行。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明目的是提供一种工频电网不对称故障下m3c低频变流器故障穿越方法，该方法能够确保m3c在工频电网不对称故障下功率供需平衡、安全和稳定，避免m3c变流器在故障期间由于过压、过流而损坏。
5.技术方案：一种工频电网不对称故障下m3c低频变流器故障穿越方法，其中，m3c低频换流器连接工频电网和低频电网，方法步骤如下：
6.(1)工频电网电压采样；
7.(2)m3c变流器实时检测工频电网正序电压d轴分量和额定工频正序电压d轴分量的偏差百分比
8.(3)如果k为m3c电流过载倍数，则保持低频侧输出交流电压为额定输出电压u
y_额定
不变；如果则降低低频侧输出交流电压，增大低频侧输出交流电流，当低频交流电流达到风机变流器的过流阈值时，将使能风机变流器的泄能装置。
9.进一步地，m3c低频变流器工频侧采用定m3c电容电压平均值稳定控制、跟随低频侧功率控制、三相电流对称控制，低频侧采用定交流电压控制、定频率控制、三相电流对称控制。
10.进一步地，步骤(3)中，降低低频侧输出交流电压为
11.进一步地，步骤(2)中，m3c变流器实时检测工频电网正序电压d轴分量采集步骤具体如下：
12.(2.1)将采集到的工频电网三相电压进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的工频电网电压分量u
xα
和u
xβ
；.
13.(2.2)使用1/4延时的方法得到两相静止坐标系下的工频电网电压正序分量和负序分量
[0014][0015]
(2.3)经过坐标变换，得到两相旋转坐标系下的工频电网电压正序分量
[0016]
一种适用工频电网不对称故障下m3c低频变流器故障穿越方法的系统，包括：采样模块：实时采集工频电网三相交流电网，经过坐标变换，得到工频电网旋转坐标系下正序电压d轴分量
[0017]
检测模块：计算工频电网正序电压d轴分量和期望的工频正序电压d轴分量的偏差百分比
[0018]
故障识别及处理模块：将偏差百分比与临界值进行比较，如果小于临界值，则保持低频侧输出交流电压为额定输出电压u
y_额定
不变；否则降低低频侧输出交流电压，增大低频侧输出交流电流，当低频交流电流达到风机变流器的过流阈值时，将使能风机变流器的泄能装置。
[0019]
进一步地，风机变流器的直流侧并联直流泄能装置。
[0020]
进一步地，风机变流器的直流侧并联直流泄能装置的投入阈值为低频电流额定值的k倍，切除阈值为低频电流额定值。
[0021]
一种包括上述系统的m3c低频变流器，该m3c低频变流器用于连接工频电网和低频电网，m3c低频变流器由三个子换流器组成，每个子换流器具有三个桥臂，每个桥臂由n个级联h桥单元和一个交流电感l组成，三个子换流器的三个中性点分别为交流系统的三相；每个h桥单元由四个igbt和一个直流电容器组成。
[0022]
进一步地，低频电网频率为15hz～30hz。
[0023]
进一步地，m3c低频变流器建设在陆上，且通过现有海底工频电缆与海上集中升压平台连接。
[0024]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：根据工频正序电压分量的变化量以及m3c变流器的过载能力，控制m3c换流器降低输出电压，引起风机变流器电流抬升至阈值，投入泄能电阻耗能，完成m3c换流器的故障穿越，确保m3c在工频电网不对称故障下功率供需平衡、安全和稳定，避免m3c变流器在故障期间由于过压、过流而损坏，改善系
统稳态性能。
附图说明
[0025]
图1为本发明的风电传输电力系统结构示意图；
[0026]
图2为本发明的工频高压侧相电压仿真波形；
[0027]
图3为本发明的工频高压侧相电流仿真波形；
[0028]
图4为本发明的工频低压侧线电压仿真波形；
[0029]
图5为本发明的工频变压器两侧电流仿真波形；
[0030]
图6为本发明的分频侧电压仿真波形；
[0031]
图7为本发明的电容电压仿真波形图；
[0032]
图8为本发明的方法流程图；
[0033]
图9为本发明的直流泄能装置。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0035]
基于m3c低频换流器的海上风电传输电力系统典型结构如图1所示，m3c换流站建设在陆上，连接陆上工频主电网和海上低频电网，m3c和海上风电场之间通过海底电缆连接，其中低频电网频率为15hz～30hz。
[0036]
其中，m3c换流器的主电路结构由三个子换流器组成，每个子换流器具有三个桥臂。每个桥臂由n个级联h桥单元和一个交流电感l组成。三个子换流器的三个中性点分别为交流系统的三相。每个h桥单元由四个igbt和一个直流电容器组成。
[0037]
m3c低频变流器工频侧采用定m3c电容电压平均值稳定控制、跟随低频侧功率控制、三相电流对称控制，低频侧采用定交流电压幅值控制、定频率控制、三相电流对称控制。
[0038]
工频电网不对称故障下m3c低频变流器故障穿越方法流程图如图8所示，m3c变流器实时检测工频电网正序电压d轴分量和额定工频正序电压d轴分量的偏差百分比当陆上工频主电网发生不对称故障时，如果(k为m3c电流过载倍数)，则保持低频侧输出交流电压为额定输出电压u
y_额定
不变；如果则降低低频侧输出交流电压增大低频侧输出交流电流，当低频交流电流达到风机变流器的过流阈值时，将使能风电变流器的泄能装置。一种适用工频电网不对称故障下m3c低频变流器故障穿越方法的系统，包括：采样模块：实时采集工频电网三相交流电网，经过坐标变换，得到工频电网旋转坐标系下正序电压d轴分量
[0039]
检测模块：计算工频电网正序电压d轴分量和期望的工频正序电压d轴分量
的偏差百分比
[0040]
故障识别及处理模块：将偏差百分比与临界值进行比较，如果小于临界值，则保持低频侧输出交流电压为额定输出电压u
y_额定
不变；否则降低低频侧输出交流电压，增大低频侧输出交流电流，当低频交流电流达到风机变流器的过流阈值时，将使能风机变流器的泄能装置。
[0041]
其中，风机变流器的直流侧并联直流泄能装置如图9所示。风机变流器的直流侧并联直流泄能装置的投入阈值为低频电流额定值的k倍，切除阈值为低频电流额定值。
[0042]
m3c换流站的仿真系统参数见表1：
[0043]
表1 m3c系统仿真参数
[0044][0045]
在仿真过程中，t＝1s时工频交流系统发生a相短路故障，故障持续1s。t＝2s时切除故障。得到仿真图波形如图所示，工频交流系统a相发生短路故障后，a相电压为零，工频系统往故障点注入能量，导致大短路电流(如图2、图3所示)；图4和图5表明，m3c工频侧产生三相正弦的电流，但是幅值不超过系统最大电流，也为故障点注入一定的能量；图6是m3c系统的分频侧电压，由于工频侧发生短路，系统传输功率受限，因此m3c系统会降低分频侧电压幅值输出；图7表明在故障期间m3c系统的子模块电容电压波动变大，但是仍然在合理范围内，并不威胁系统的安全性。由仿真波形图2～图7可以看出采用本发明方法后，在电网电压发生故障时，能够确保m3c在工频电网不对称故障下功率供需平衡、安全和稳定，避免m3c变流器在故障期间由于过压、过流而损坏，而且在切除故障后，变流器又能快速恢复到正常运行的状态。