LCC-FHMMC换流阀出口交流单相接地故障特性分析及保护方法与流程

lcc-fhmmc换流阀出口交流单相接地故障特性分析及保护方法
技术领域
1.本发明涉及混合直流输电技术领域，特别涉及一种lcc-fhmmc换流阀出口交流单相接地故障特性分析及保护方法。通过分相导通晶闸管的旁路装置，保证换流器的安全可靠运行。


背景技术：

2.采用电网换相换流器(line-commutated converter，lcc)与模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)混合的直流输电系统能够灵活地匹配送受端功率，节省输电走廊，实现大容量、远距离的电能输送。在各种mmc的拓扑结构中，由半桥与全桥子模块构成的混合模块化多电平换流器(full half bridge modular multilevel converter,fhmmc)，能够满足直流线路故障自清除、快速降压、阀组在线投退等技术要求。因此，采用lcc-fhmmc接线方式能够提升远距离、大容量、大电源状况下电网运行的安全稳定和经济性，从长远看，将为未来大规模可再生能源基地的开发与并网提供强有力的技术支撑是极为有利的。该类运行方式最为典型的便是我国正在运行的昆柳龙特高压直流示范工程。
3.国内外学者对单极或双极高压直流输电系统的直流故障与交流故障进行了大量研究。然而，换流站内交流故障仍然是需要解决的挑战性问题之一。站内故障出现的主要原因是由于换流变压器套管绝缘故障或闪络所引起，会造成换流器出口与换流变压器之间发生单相短路接地故障(即换流变阀侧故障)。无论是基于lcc还是基于mmc的直流输电系统，在实际工程中都发生过此类故障。目前为止，针对站内接地故障，通常采用的故障隔离方法，会使得子模块电容过电压的现象仍然发生，或者导致直流侧出现过电压或过电流情况。急需对换流站保护策略进行优化改进。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种lcc-fhmmc换流阀出口交流单相接地故障特性分析及保护方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明剖析了故障后换流阀动态过程，设计提高换流阀故障穿越能力的保护方案及控制策略。建立故障后换流阀等效电路，基于交直流侧电气量变化各种分析子模块过电压机理。为有效抑制子模块电容过电压，设计了分相导通晶闸管的旁路装置，故障时触发该支路将桥臂进行旁路，同时fhmmc故障识别方案与lcc快速移相措施相配合，可以有效抑制子模块电容过电压。最终形成了一套完成的fhmmc阀侧故障下针对换流站的保护方案，此方法可以应用于fhmmc换流阀出口交流单相接地故障时换流阀承受的电气应力抑制。
5.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：lcc-fhmmc换流阀出口交流单相接地故障特性分析及保护方法，首先分析fhmmc换流阀出口交流单相接地故障后换流阀动态过程以及故障发生后对于子模块电容充电路径。建立故障后换流阀等效电路，基于交直流侧
电气量变化推导子模块电压、桥臂电流变化规律。提出分相导通晶闸管的旁路装置设计，采用监测换流站交流侧相电压，当电压出现过零点时，立即触发该相晶闸管旁路支路的方法，阻断向子模块电容持续充电。并针对单相接地故障为瞬时性或永久性故障进行整体保护策略，是依照故障后换流站执行相应的控制逻辑，并识别故障类型，进而采取保护的方法。包括以下步骤：
6.步骤(1)fhmmc换流阀出口交流单相接地故障后换流阀动态过程；
7.步骤(2)基于交直流侧电气量变化各种分析子模块过电压机理；
8.步骤(3)分相导通晶闸管的旁路装置的设计；
9.步骤(4)针对单相接地故障为瞬时性或永久性故障进行整体保护策略设计。
10.步骤(1)所述的fhmmc换流阀出口交流单相接地故障后换流阀动态过程是：在故障发生后对于子模块电容充电路径进行分析。
11.所述的步骤(2)在步骤(1)分析的基础上，建立故障后换流阀等效电路，基于交直流侧电气量变化推导子模块电压、桥臂电流变化规律：
12.交流负压引起子模块电压上升表达式为：
[0013][0014]
式中：u
pk
(t)表示上桥臂的输出电压，u
dc
表示直流电压，um表示交流电压幅值，ω表示角频率，t表示时间，l0表示换流站桥臂电感，c
eq
表示子模块的等效电容，θ
′k是故障发生后的相角值，u
′k表示故障后非故障相交流侧输出电压；
[0015]
桥臂电流表达式为：
[0016][0017]
式中：i
pk
(t)表示上桥臂的输出电流。
[0018]
对端lcc换流站无法快速闭锁导致直流系统向故障站馈入的有功功率，进而使得故障站子模块电容电压上升的表达式为：
[0019][0020]
式中：δuc为子模块电容电压增量，δt为故障发生后到lcc换流站闭锁的时间间隔，p为直流系统向故障站馈入的有功功率。
[0021]
步骤(3)所述的分相导通晶闸管的旁路装置设计，采用监测换流站交流侧相电压，
当电压出现过零点时，立即触发该相晶闸管旁路支路的方法，阻断向子模块电容持续充电。
[0022]
步骤(4)所述的针对单相接地故障为瞬时性或永久性故障进行整体保护策略，是依照故障后换流站执行相应的控制逻辑，并识别故障类型，进而进行保护的方法。
[0023]
本发明的有益效果在于：整流侧采用电网换相换流器(line-commutated converter，lcc)，逆变侧采用混合模块化多电平换流器(full half bridge modular multilevel converter,fhmmc)的直流输电系统，fhmmc换流站发生换流阀出口交流单相接地故障所引起换流阀电气应力上升的抑制手段。详细剖析故障后换流阀动态过程，设计提高换流阀故障穿越能力的保护方案及控制策略。建立故障后换流阀等效电路，基于交直流侧电气量变化各种分析子模块过电压机理。为有效抑制子模块电容过电压，设计了分相导通晶闸管的旁路装置，故障时触发该支路将桥臂进行旁路，同时fhmmc故障识别方案与lcc快速移相措施相配合，可以有效抑制子模块电容过电压。本发明在fhmmc换流器上应用能够进一步降低换流阀的电气应力，能够有效预防换流阀出口交流单相接地故障瞬时性和永久性故障下过电流和过电压，保证故障后系统恢复维持安全运行，实用性强。
附图说明
[0024]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0025]
图1为本发明的单相接地故障下fhmmc闭锁拓扑图；
[0026]
图2为本发明的fhmmc闭锁后单相上桥臂子模块电容充电路径等效电路图；
[0027]
图3为本发明的分相导通晶闸管旁路支路拓扑图；
[0028]
图4为本发明的阀侧故障下fhmmc主动控制策略图；
[0029]
图5为本发明的整体保护流程图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
[0031]
参见图1至图5所示，本发明提供一种lcc-fhmmc的混合直流输电系统，fhmmc换流站发生换流阀出口交流单相接地故障所引起换流阀电气应力上升的抑制手段。首先详细剖析故障后换流阀动态过程，设计提高换流阀故障穿越能力的保护方案及控制策略。建立故障后换流阀等效电路，基于交直流侧电气量变化各种分析子模块过电压机理。为有效抑制子模块电容过电压，设计了分相导通晶闸管的旁路装置，故障时触发该支路将桥臂进行旁路，同时fhmmc故障识别方案与lcc快速移相措施相配合，可以有效抑制子模块电容过电压。本发明在fhmmc换流器上应用能够可进一步降低换流阀的电气应力，能够有效预防换流阀出口交流单相接地故障瞬时性和永久性故障下过流和过电压，保证故障后系统恢复维持安全运行。
[0032]
1.fhmmc换流阀出口交流单相接地故障后换流阀动态过程
[0033]
当阀侧发生单相接地故障时，fhmmc闭锁前的暂态电流取决于其桥臂电压，桥臂电流主要由基频交流与直流分量组成。故障发生后，直流侧接地点、fhmmc上桥臂、换流变压器阀侧绕组和故障点，可能会形成故障电流回路。由于回路阻抗小，故障电流会急剧增加。受限于当前换流阀较弱的过电流能力，阀控层即使配置了微秒级的阀控过流保护仍难以保证
站内故障时换流阀的安全性要求。为了保护换流站不受危害，将触发换流站闭锁。此时，换流站切换为不可控状态，如图1所示。
[0034]
在换流站闭锁之前，每个桥臂中所有子模块的电容电压之和约为直流电压，与阀侧线电压相比，其值更高。由于三相是对称的，以a相故障为例进行分析研究。故障发生后，故障相电压立即降至零，由于变压器的阀侧三角形连接，非故障相电压u
′k升至线电压表达式为：
[0035][0036]
其中，um表示交流电压幅值，ω表示角频率，t表示时间，θ
′k是故障发生后的相角值。
[0037]
正常情况下，阀侧交流电压uk始终为正，上桥臂电压u
pk
小于直流电压u
dc
。每个桥臂中所有子模块的总电容电压u
c_eq
等于故障前的直流电压。阀侧单相接地故障时，由于非故障相电压u
′k将出现负半周期，当u
′k处于其负半周期时，故障后u
pk
将大于u
dc
。尽管闭锁后所有绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)都已关断，但当u
pk
大于u
c_eq
时，充电电流将流过上桥臂中的二极管与子模块电容，此时电容被充电，直到总电容电压u
c_eq
达到最大值。
[0038]
另外，受端fhmmc换流站采用定直流电压控制方式，当发生单相短路接地故障时，送端站无法快速闭锁换流器，而继续向故障换流站输送有功功率，加之直流线路在故障前储存的能量也会对子模块电容充电，导致子模块电容电压升高。
[0039]
2.基于交直流侧电气量变化各种分析子模块过电压机理
[0040]
在故障发生后的第一个周期内，忽略桥臂电阻和短路时直流电压的变化情况，fhmmc闭锁后子模块在第1个周波内充电过程可用二阶动态电路进行等效，图2为该等效电路，等效方程为：
[0041][0042]
式中：u
pk
表示上桥臂的输出电压，u
′k表示故障后非故障相交流侧输出电压，l0表示换流站桥臂电感，c
eq
表示子模块的等效电容。
[0043]
其充电的初始条件为
[0044][0045]
其中，i
pk
表示各相上桥臂的电流，
[0046]
上桥臂子模块电压的表达式为：
[0047][0048]
式中：u
pk
(t)表示上桥臂的输出电压。
[0049]
桥臂电流表达式为：
[0050][0051]
式中：i
pk
(t)表示上桥臂的输出电流。
[0052]
存储在桥臂电感中的能量在故障的初始阶段也会导致上桥臂子模块产生过电压。因此，即使故障后故障相电压为零(ua＝0)，a相中的子模块仍被充电。但由于非故障相电压为负，子模块在非故障相中表现出的过电压将比故障相中更为明显。非故障相上桥臂子模块最大电压为
[0053]uc_eq
＝u
pk，max
＝u
dc
max|uk|≈1.75u
dc
ꢀꢀ
(2-5)
[0054]
式中：u
c_eq
表示子模块的总电容电压，u
pk,max
表示非故障相上桥臂子模块最大电压。
[0055]
此外，故障站闭锁后各相下桥臂电容的总电压之和与直流电压u
dc
近似相等，与阀侧线电压相比其值更高，故下桥臂中所有子模块中的二极管都将出现反向偏置，下桥臂中子模块电容不会被充电，其电压基本保持不变，并且下桥臂中不存在故障电流，这与半桥mmc发生阀侧单相接地故障时导致下桥臂出现过电流和交流侧电流无过零点使交流断路器无法开断的特性有所不同。
[0056]
假设在故障发生后到送端换流站闭锁的时间间隔为δt，则直流系统向故障站馈入的有功功率p满足：
[0057][0058]
式中：δuc为电容电压的变化量。
[0059]
由于电容电压的变化量δuc与直流电压数值相差极大，故可忽略二阶分量的影响，因此式(2-6)可以化简为
[0060][0061]
由式(2-7)可知，直流线路传输功率越大，对端站闭锁时间越长，子模块电压上升越高，过压现象越严重。
[0062]
3.分相导通晶闸管的旁路装置的设计
[0063]
根据故障特性分析可知，当fhmmc发生阀侧单相短路接地故障时，仅通过闭锁换流站隔离故障会导致上桥臂子模块出现过压，因此需要采取额外的保护措施，由于子模块电容过压仅在上桥臂出现，则在fhmmc上桥臂配置保护装置即可。本文提出一种设置分相导通晶闸管旁路支路(phase-separated thyristor bypass branch,pstbb)的换流站保护策略，如图3所示。
[0064]
正常运行时，晶闸管旁路支路处于关断状态，当检测故障发生时，保护控制立即动作，迅速闭锁故障换流站，通过监测换流站交流侧相电压，当电压出现过零点时，立即触发该相晶闸管旁路支路，一旦触发晶闸管支路将会阻断直流侧继续向子模块电容充电。
[0065]
晶闸管旁路支路在换流器闭锁前处于关断状态，此时支路两端所承受的电压为各子模块电容电压的总和。根据晶闸管的电压定额可知，其对于过电压的识别较为灵敏。因此，有必要对考虑旁路支路所使用的晶闸管数量进行设计。为避免晶闸管因承受正向过电压而发生误导通的现象并保证系统整体的运维成本，晶闸管数量n应满足
[0066][0067]
式中，ud为晶闸管的断态重复峰值电压，ur为晶闸管承受的反向重复峰值电压。
[0068]
4.针对单相接地故障为瞬时性或永久性故障进行保护策略设计
[0069]
对于lcc-fhmmc远距离输电系统，对端换流站无法快速检测受端发生故障；或由于限流电抗器与桥臂电抗的作用下，直流侧出现的过电流或电压变化可能不足以使得对端换流站的保护动作。在此情况下，故障换流站上桥臂中的子模块电容电压可能会达到无法承受的范围。因此，需要一种可靠解决方案来有效缓解这种过压问题。
[0070]
通常阀侧单相接地故障是换流变压器套管绝缘故障所引起，即为永久性阀侧故障。但对于换流变压器套管发生可恢复的闪络，则为瞬时性故障，应在故障清除后将故障换流站重新投入到交流电网，以减少对电能传输的影响。对于fhmmc阀侧所发生单相短路接地为永久性故障或瞬时性故障，可通过开口三角形法进行判别。即通过监测电压互感器二次侧开口三角的电压，便可以知道单相接地故障是否存在。
[0071]
当发生阀侧瞬时性故障时，fhmmc应具备故障穿越能力。因此，当检测到阀侧故障时，可通过触发晶闸管旁路支路钳位直流电压来避免子模块过压。当触发晶闸管旁路支路时，直流电流参考值i
dcref
切换为零，降低流过晶闸管支路的电流。
[0072]
故障发生后，桥臂电流主要由基频交流与直流分量组成。直流电流控制器用于防止直流电流过大。此外，由于换流变压器为y/δ的接线形式，若故障发生在阀侧，则会产生零序电流流通路径。即使直流侧已被触发晶闸管支路钳位，fhmmc的桥臂中仍会流过的零序电流。因此添加了与晶闸管支路同时作用的额外控制回路，如图4所示。零序电流控制器在系统正常运行期间不投入，电流参考值和由外部控制回路生成。当检测到故障时，投入零序电流控制器，和都设置为零，以将交流侧电流调节为零。
[0073]
由于单相接地故障下的零序分量三相同相位，pr控制器与pi控制器相比可以更有
效地抑制特定频率下的交流值。故采用比例谐振(pr)控制器。
[0074][0075]
式中：k
p
为比例项系数；k
r1
、k
r2
分别为谐振控制器中基频与二倍频的谐振项系数；ω
c1
、ω
c2
分别为基频和二倍频控制器的截止频率，用以降低pr控制器对频率变化的敏感度；ω0为谐振频率。
[0076]
电压互感器二次侧开口三角上未检测出电压，则可以确定故障已经消失。终止零序电流控制器以重建正常的交流侧电压并切断晶闸管旁路支路，将换流站重新投入。相反，如果开口三角上电压仍然存在，则该故障将被视为永久性故障。换流站立即闭锁，并网侧交流断路器将被关闭以隔离故障。并立即发出信号使得送端换流站闭锁。
[0077]
系统正常运行时，送端lcc正负极均采用由两个6脉动换流单元串联组成的12脉动换流阀，采用定直流电流与后备定最小触发角控制，以实现直流输送功率的调节控制功能。整流侧直流出口电压u
dcr
满足：
[0078]udcr
＝1.35m(u1cosα-2.22xrid/π)
ꢀꢀ
(4-2)
[0079]
其中，m为lcc每极的6脉动换流器个数，本文m＝4；u1为空载线电压有效值；α为触发角；xr为等值换相电抗；id为直流电流平均值。
[0080]
因此，根据lcc的运行特性，应在接收到故障信号或本站响应保护动作后lcc应采取迅速移相，运行方式转变为逆变状态，避免lcc持续向故障换流站馈入有功功率。
[0081]
5.整体保护策略设计
[0082]
经上述分析，在lcc-fhmmc混合直流输电系统受端换流站发生单相接地故障时，故障换流站执行相应的控制逻辑，并进行故障类型识别，若通过实时检测电压互感器二次侧开口三角电压情况进行故障识别，当该电压为零时，即可进行故障站交、直流侧电压的恢复过程，使该站重新投入运行。若开口三角电压一直存在，则判定发生永久性故障该站保护系统立即闭锁换流器，触发晶闸管旁路支路，断开交流断路器；同时向对端lcc站发送故障信号，lcc换流站接收到故障信号后，立即执行相应的快速移相措施。系统具体保护策略流程见图5。
[0083]
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。