一种基于旁路桥臂的MMC-HVDC直流故障清除方法

一种基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法
技术领域
1.本发明涉及电力系统直流输电领域，具体涉及一种基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法。


背景技术：

2.随着传统能源的稀缺，人们逐渐认识到新能源并网的重要性。基于mmc的高压直流输电是解决新能源并网和消纳问题的有效手段之一，相对于两电平电压源换流器（vsc），模块化多电平变换器(modular multilevel converter，mmc)具有无换相失败、可扩展性和良好的谐波特性等显著优势，所以mmc-hvdc已经成为一种新型的输电方式，具有广阔的应用前景。
3.然而，在电能传输过程中，直流线路不可避免地会发生短路故障。当直流侧发生故障时，基于半桥子模块的mmc会受到续流二极管不控整流效应的严重威胁，尤其当发生双极短路故障，如果没有保护电路，半桥mmc的电力电子器件可能受到严重损坏。此外，由于二极管的续流效应，短路故障电流不会自然衰减。因此，采取相应措施快速清除直流故障是必须解决的关键问题。


技术实现要素：

4.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法，包括如下步骤：在mmc的三相的上下桥臂中间并联由晶闸管串联构成的旁路桥臂，并在旁路桥臂中间串联一个由机械开关k和限流电阻r并联组成的结构，同时在电网交流侧每相串联一个零损耗限流器szcl；发生直流故障后，开始直流故障检测和识别；当检测到mmc被阻塞时，触发旁路桥臂中的晶闸管，打开旁路桥臂，使直流故障电流流入旁路桥臂；同时，控制零损耗限流器szcl的机械开关k1跳闸，使直流故障电流流过零损耗限流器szcl的电感lf；当检测到直流侧故障电流衰减为0后，打开机械开关k。
6.基于上述，所述lf的选取方式为：机械开关k1跳闸后将直流故障电流引到lf，其中，直流故障电流，即稳态短路电流if，计算公式为：；式中，rs为交流测电阻，ls为交流测电抗，l
t
为变压器漏电抗，k为三相变压器比，
ω为常数系数；短路电流指数ρ计算公式为：；稳态额定电流ir的有效值计算公式为：；式中，u1为交流侧线路电压，p为交流侧有功功率；lf的计算公式为：。
7.基于上述，所述零损耗限流器szcl置于变压器的阀侧。
8.本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进度，具体来说就是，本发明通过在mmc的三相的上下桥臂中间并联由晶闸管串联构成的旁路桥臂，将直流故障电流引入旁路桥臂，从而达到快速清除直流故障的目的；再由交流侧的零损耗限流器szcl对交流侧进行保护，以防电流冲击对系统造成损坏。
附图说明
9.图1为本发明基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法的流程图。
10.图2为本发明基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法的拓扑图。
11.图3为本发明仿真实验搭建的四端双极直流电网拓扑图。
12.图4为本发明仿真实验的效果图。
具体实施方式
13.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
14.如图1和图2所示，本实施例提供一种基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法，包括如下步骤：在mmc的三相的上下桥臂中间并联由晶闸管串联构成的旁路桥臂，并在旁路桥臂中间串联一个由机械开关k和限流电阻r并联组成的结构，同时在电网交流侧每相串联一个零损耗限流器szcl；发生直流故障后，开始直流故障检测和识别；一般大约1ms内检测到mmc被阻塞，这时触发旁路桥臂中的晶闸管，打开旁路桥臂，使直流故障电流流入旁路桥臂；同时（也可以限定在直流故障发生0.065ms后），控制零损耗限流器szcl的机械开关k1跳闸，使直流故障电流流过零损耗限流器szcl的电感lf；桥臂电感通过旁路桥臂和旁路桥臂的子模块（由晶闸管组成）继续放电；
当检测到直流侧故障电流衰减为0后，为了防止正常运行时再次过流，打开机械开关k。
15.所述lf的选取方式为：机械开关k1跳闸后将直流故障电流引到lf，其中，直流故障电流，即稳态短路电流if，计算公式为：；式中，rs为交流侧电阻，ls为交流侧电抗，l
t
为变压器漏电抗，k为三相变压器比，ω为常数系数，一般取值314；短路电流指数ρ计算公式为：；ρ值大小可设为1左右；稳态额定电流ir的有效值计算公式为：；式中，u1为交流侧线路电压，p为交流侧有功功率；lf的计算公式为：。
16.特别的，lf越大，直流故障电流衰减的影响越明显，但如果lf太大，成本增加太多，因此需要合理设计lf的值。考虑到lf不影响变压器的启动，故将所述零损耗限流器szcl置于变压器的阀侧。
17.仿真验证为了验证本发明方法的有效性，特设计以下仿真实验验证。
18.在pscad/emtdc中搭建了四端双极直流电网，系统的接线方式见图3。由于成本考虑，变流器出口处不设直流断路器（dccb），如张北直流电网。但变换器仍需具备隔离直流故障的能力以应对以下工况：1）当直流线路1故障时，dccb1和dccb3应协同工作，但直流线路1的dccb1不能正常工作。此时，dccb3配合由dccb2和变换器组成的后备保护完成；2）当变换器出口处发生故障时，不仅dccb1和dccb2跳闸，变换器也应提供保护；因此，变换器的故障隔离能力不仅对两端系统至关重要，对直流电网也至关重要；仿真系统参数如表1所示：表1 仿真系统参数
由图4可以看出，在发生直流故障后，直流故障电流被引到旁路桥臂，直流故障电流在很短时间内衰减为零，所以本发明方法能有效地提供直流故障保护。
19.如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法，包括如下步骤：在mmc的三相的上下桥臂中间并联由晶闸管串联构成的旁路桥臂，并在旁路桥臂中间串联一个由机械开关k和限流电阻r并联组成的结构，同时在电网交流侧每相串联一个零损耗限流器szcl；发生直流故障后，开始直流故障检测和识别；当检测到mmc被阻塞时，触发旁路桥臂中的晶闸管，打开旁路桥臂，使直流故障电流流入旁路桥臂；同时，控制零损耗限流器szcl的机械开关k1跳闸，使直流故障电流流过零损耗限流器szcl的电感l
f
；当检测到直流侧故障电流衰减为0后，打开机械开关k。2.根据权利要求1所述的基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法，其特征在于，所述l
f
的选取方式为：机械开关k1跳闸后将直流故障电流引到l
f
，其中，直流故障电流，即稳态短路电流i
f
，计算公式为：；式中，rs为交流测电阻，ls为交流测电抗，l
t
为变压器漏电抗，k为三相变压器比，ω为常数系数；短路电流指数ρ计算公式为：；稳态额定电流i
r
的有效值计算公式为：；式中，u1为交流侧线路电压，p为交流侧有功功率；l
f
的计算公式为：。3.如权利要求1所述的基于旁路桥臂的mmc-hvdc直流故障清除方法，其特征在于：所述零损耗限流器szcl置于变压器的阀侧。

技术总结
本发明公开了一种基于旁路桥臂的MMC-HVDC直流故障清除方法，包括如下步骤：在MMC的三相的上下桥臂中间并联由晶闸管串联构成的旁路桥臂，并在旁路桥臂中间串联一个由机械开关K和限流电阻R并联组成的结构，同时在电网交流侧每相串联一个零损耗限流器SZCL；发生直流故障后，开始直流故障检测和识别；当检测到MMC被阻塞时，触发旁路桥臂中的晶闸管，打开旁路桥臂，使直流故障电流流入旁路桥臂；同时，控制零损耗限流器SZCL的机械开关K1跳闸，使直流故障电流流过零损耗限流器SZCL的电感L


技术研发人员：王要强 孙如茵 郭彦勋 王克文 梁军
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2022.08.29
技术公布日：2022/12/12