本發(fā)明屬于直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種mmc直流短路故障檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前，隨著全控型電力電子器件的發(fā)展和電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)日益受到重視。模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter，mmc)是柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用電壓源換流器中的一種，它由多個子模塊按照一定的方式連接而成，通過控制各個子模塊igbt組的投入和切除狀態(tài)使換流器輸出的交流電壓逼近正弦波，實現(xiàn)能量的高效傳輸。

傳統(tǒng)的模塊化多電平換流器中，通常采用半橋式子模塊作為基礎(chǔ)單元，以降低換流器的建設(shè)成本。傳統(tǒng)半橋式子模塊mmc在直流短路故障發(fā)生時無法通過自身特性迅速抑制故障電流，必須依靠交流斷路器或直流斷路器才能清除故障電流。該方法的缺點在于：由于交流斷路器的響應(yīng)時間較長，可能導致保護不及時而造成換流器的過流損壞；此外，配置直流斷路器會提高對設(shè)備的技術(shù)要求，增加系統(tǒng)成本。

為了解決上述問題，有學者提出采用全橋子模塊或箝位雙子模塊mmc來解決換流器過流損壞的問題：在短路故障后，通過迅速閉鎖換流器，利用全橋子模塊中二極管的反向阻斷能力迅速抑制故障電流，實現(xiàn)直流故障的清除。但是換流器閉鎖后，子模塊電壓會隨著自身損耗而逐漸降低，最終由于電壓不足而被旁路，換流器跳閘，導致柔性直流輸電系統(tǒng)不能從故障中快速恢復，增加柔性直流輸電系統(tǒng)從故障中恢復的時間。因此，又有學者提出采用在傳統(tǒng)半橋子模塊mmc中加入足夠數(shù)量的全橋子模塊，如圖1所示，利用全橋子模塊輸出負電平的能力，在維持交流側(cè)并網(wǎng)的情況下將直流電壓降低至零，從而迅速抑制故障電流，不閉鎖狀態(tài)下實現(xiàn)直流故障穿越。

但該方法在故障后重新建立直流電壓之前，需要先檢測直流短路故障是否已經(jīng)完全清除，否則在直流短路故障未完全清除時就提升直流電壓，必然會造成二次短路故障，引起子模塊快速放電被旁路、換流器閉鎖跳閘，因此，只有在確認直流短路故障已經(jīng)清除時才能進行升壓。

因此，非常有必要提出一種安全、高效的直流短路故障狀態(tài)檢測方法，能夠有效解決零直流電壓控制與直流電壓升壓之間的矛盾，在直流側(cè)無過電壓和過電流、交流側(cè)維持并網(wǎng)及無功補償?shù)那疤嵯聹蚀_判斷直流短路故障是否已經(jīng)清除，為直流電壓恢復做好準備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種mmc直流短路故障檢測方法及裝置，用于解決直流短路故障未完全清除時就提升直流電壓導致的二次短路故障問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種mmc直流短路故障檢測方法，包括以下方法方案：

方法方案一，包括以下步驟：

選擇一個換流站作為主站，其他換流站作為從站；所述主站將直流電壓從零開始提升，提升過程中實時檢測直流電壓，所述從站根據(jù)直流電流反饋值與直流電流參考值之差，同步跟蹤主站的直流電壓；當所述直流電壓持續(xù)小于第一設(shè)定值的時間為t1時，判定直流短路故障仍然存在。

方法方案二，在方法方案一的基礎(chǔ)上，當直流短路故障仍然存在時，控制所述主站為零直流電壓控制狀態(tài)。

方法方案三，在方法方案一的基礎(chǔ)上，當所述直流電壓持續(xù)大于或等于第一設(shè)定值的時間為t2時，判定直流短路故障已經(jīng)清除，主站繼續(xù)提升直流電壓，直至提升至直流電壓額定值。

方法方案四，在方法方案一的基礎(chǔ)上，所述主站根據(jù)設(shè)定的第一直流偏置，將所述直流電壓從零開始提升，當直流電壓小于第一設(shè)定值的時間為t1時，判定直流短路故障仍然存在；所述第一直流偏置用于結(jié)合三相調(diào)制波生成主站的橋臂電壓。

方法方案五，在方法方案一的基礎(chǔ)上，所述從站將直流電流反饋值與直流電流參考值作差后，經(jīng)過比例控制器或比例積分控制器，生成橋臂調(diào)制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于結(jié)合三相調(diào)制波生成從站換流器的橋臂電壓。

方法方案六、七，分別在方法方案四、五的基礎(chǔ)上，所述橋臂電壓計算式如下：

式中，當varm為主站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第一直流偏置的標幺值，eabc為三相調(diào)制波；當varm為從站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第二直流偏執(zhí)的標幺值，eabc為三相調(diào)制波。

方法方案八、九，分別在方法方案六、七的基礎(chǔ)上，當k為第一直流偏置時，k由指令值kref與指令值kerr相加得到，kref為按照指定斜率由0逐漸上升至1的指令值，kerr為限制直流電流的指令值。

方法方案十、十一，分別在方法方案八、九的基礎(chǔ)上，所述主站在提升過程直流電壓中，當直流電流大于設(shè)定的上限或小于設(shè)定的下限時，修正所述第一直流偏置，將直流電流控制在上限與下限之間。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提出一種mmc直流短路故障檢測裝置，包括以下裝置方案：

裝置方案一，包括以下單元：

選擇單元：用于選擇一個換流站作為主站，其他換流站作為從站；

判斷單元：用于所述主站將直流電壓從零開始提升，提升過程中實時檢測直流電壓，所述從站根據(jù)直流電流反饋值與直流電流參考值之差，同步跟蹤主站的直流電壓；當所述直流電壓持續(xù)小于第一設(shè)定值的時間為t1時，判定直流短路故障仍然存在。

裝置方案二，在裝置方案一的基礎(chǔ)上，還包括用于當直流短路故障仍然存在時，控制所述主站為零直流電壓控制狀態(tài)的單元。

裝置方案三，在裝置方案一的基礎(chǔ)上，還包括用于當所述直流電壓持續(xù)大于或等于第一設(shè)定值的時間為t2時，判定直流短路故障已經(jīng)清除，主站繼續(xù)提升直流電壓，直至提升至直流電壓額定值的單元。

裝置方案四，在裝置方案一的基礎(chǔ)上，還包括用于所述主站根據(jù)設(shè)定的第一直流偏置，將所述直流電壓從零開始提升，當直流電壓持續(xù)小于第一設(shè)定值的時間為t1時，判定直流短路故障仍然存在；所述第一直流偏置用于結(jié)合三相調(diào)制波生成主站的橋臂電壓的單元。

裝置方案五，在裝置方案一的基礎(chǔ)上，還包括用于所述從站將直流電流反饋值與直流電流參考值作差后，經(jīng)過比例控制器或比例積分控制器，生成橋臂調(diào)制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于結(jié)合三相調(diào)制波生成從站換流器的橋臂電壓的單元。

裝置方案六、七，分別在裝置方案四、五的基礎(chǔ)上，所述橋臂電壓計算式如下：

式中，當varm為主站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第一直流偏置的標幺值，eabc為三相調(diào)制波；當varm為從站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第二直流偏執(zhí)的標幺值，eabc為三相調(diào)制波。

裝置方案八、九，分別在裝置方案六、七的基礎(chǔ)上，還包括用于當k為第一直流偏置時，k由指令值kref與指令值kerr相加得到，kref為按照指定斜率由0逐漸上升至1的指令值，kerr為限制直流電流的指令值的單元。

裝置方案十、十一，分別在裝置方案八、九的基礎(chǔ)上，還包括直流電流控制單元：用于所述主站在提升過程直流電壓中，當直流電流大于設(shè)定的上限或小于設(shè)定的下限時，修正所述第一直流偏置，將直流電流控制在上限與下限之間。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將換流站分為主站模式和從站模式，選擇一個換流站作為主站，其他換流站作為從站，主站逐漸抬升直流電壓，從站通過直流電流反饋值與直流電流參考值之差，跟蹤恢復主站的直流電壓，當主站抬升的直流電壓持續(xù)小于第一設(shè)定值的時間為t1時，判定直流短路故障仍然存在。本發(fā)明在整個故障檢測過程中不需要進行站間通訊，不需要增加其他檢測設(shè)備，僅借助原有直流電壓、電流傳感器即可實現(xiàn)短路故障的檢測，為直流短路故障未完全清除后提升直流電壓提供可靠保證，且不會造成二次短路、子模塊快速放電被旁路及換流器閉鎖跳閘的問題。

附圖說明

圖1是半橋、全橋子模塊混合式mmc的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的子模塊混合式mmc直流短路故障檢測流程圖；

圖3是主站換流器控制框圖；

圖4是從站換流器控制框圖；

圖5是直流電流限制控制器的控制原理圖；

圖6是直流故障已清除工況下主站的電氣量波形圖；

圖7是直流故障已清除工況下從站的電氣量波形圖；

圖8是直流故障未清除工況下主站的電氣量波形圖；

圖9是直流故障未清除工況下從站的電氣量波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明。

本發(fā)明一種mmc直流短路故障檢測方法的實施例：

如圖1所示的半橋、全橋子模塊混合式模塊化多電平換流器構(gòu)成的雙端或多端柔性直流輸電系統(tǒng)，系統(tǒng)中全橋與半橋子模塊數(shù)量分別為n、m，其中n≥2、m≥2；圖1中：usm為子模塊電壓，udc為直流電壓，hbsm(half-bridgesub-module)為半橋子模塊，fbsm(full-bridgesub-module)為全橋子模塊。當檢測到直流雙極短路故障發(fā)生后，全橋子模塊可以輸出負電壓，利用這一特性可以使系統(tǒng)在維持交流電壓幅值不變的前提下，更加靈活地控制系統(tǒng)直流電壓udc。利用全橋子模塊能夠輸出負電平的能力，換流器采用不閉鎖換流器的方式進行直流故障穿越，故障電流被限制為0，此過程中子模塊電壓usm一直維持在額定值。

在直流電流被限制為0后，短路故障即被清除，直流輸電系統(tǒng)的直流電壓開始恢復流程，直流電壓開始恢復前，需要按照以下步驟進行直流短路故障狀態(tài)檢測：

如圖2所示，維持換流器的并網(wǎng)狀態(tài)，從各換流站中選擇一個作為主站，將正常運行時的定直流電壓站作為主站，其余作為從站；針對主站，在控制自身子模塊電壓的同時，按照設(shè)定的斜率逐漸提升第一直流偏置，將直流電壓從零逐漸提升；從站在控制自身子模塊電壓的同時，根據(jù)直流電流反饋值與直流電流參考值之差，經(jīng)過比例控制器或比例積分控制器，生成橋臂調(diào)制指令的第二直流偏置，使從站跟蹤主站的直流電壓；其中，第一直流偏置與第二直流偏置分別為用于結(jié)合三相調(diào)制波生成主站與從站的橋臂電壓，橋臂電壓計算式如下：

式中，當varm為主站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第一直流偏置的標幺值，eabc為三相調(diào)制波；當varm為從站換流器的橋臂電壓時，udc_rated為直流電壓的額定值，k為第二直流偏置的標幺值，eabc為三相調(diào)制波。

判斷故障時，當主站檢測的實際直流電壓小于第一直流偏置設(shè)定值的90％的持續(xù)時間大于設(shè)定時間t1時，判定直流短路故障仍然存在，即直流短路故障至今仍未清除，改變主站控制模式，控制主站為零直流電壓控制，不再提升直流電壓；上述設(shè)定時間t1與第一直流偏置的上升斜率及控制參數(shù)有關(guān)；當主站檢測的實際直流電壓始終大于第一直流偏置設(shè)定值的90％，或者小于第一直流偏置設(shè)定值的90％的持續(xù)時間小于設(shè)定時間t2時，判定直流短路故障已經(jīng)清除，繼續(xù)提升主站的第一直流偏置，從站繼續(xù)根據(jù)第二直流偏置跟蹤主站的直流電壓。各換流站在判斷直流電壓達到額定值并穩(wěn)定后，切換回原有的正常運行狀態(tài)，主站和從站均恢復為故障前的工作模式。

主站與從站的控制采用以下所述的換流器控制器：

控制器內(nèi)環(huán)仍然采用傳統(tǒng)的dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流pi控制器；d軸電流指令值由子模塊電壓控制外環(huán)生成，通過將子模塊電壓平均值與指令值相比較送入pi控制器得到；q軸電流指令值由無功功率控制外環(huán)生成，通過將無功功率反饋值與指令值相比較送入pi控制器得到?？刂苾?nèi)環(huán)得到的三相調(diào)制波eabc，需要按照下式進行處理后得到6個橋臂的輸出電壓：

式中，varm為所述各橋臂輸出電壓，udc_rated為直流電壓的額定值，eabc為三相調(diào)制波，k為第一直流偏置或第二直流偏置的標幺值，正常運行時k＝1；系統(tǒng)在檢測直流短路故障是否清除期間，k值的計算方法會根據(jù)換流站是主站或從站而有所不同，對于主站，控制k按照設(shè)定斜率從0逐漸上升至額定值，對于從站，k通過直流電流負反饋經(jīng)比例控制器或比例積分控制器得到；式中正負號的取值和各橋臂的位置有關(guān)，例如圖1中，計算上橋臂的輸出電壓時上式取負號，計算下橋臂的輸出電壓時上式取正號。

為了避免在直流短路故障沒有清除的情況下提升主站第一直流偏置導致直流電流過大，產(chǎn)生沖擊電流，主站的第一直流偏置的標幺值的指令值分為兩部分，一部分是按照設(shè)定斜率從0逐漸上升至額定值的指令值，另一部分是直流電流限制控制器輸出的指令值，計算式如下：

k1＝kref+kerr

式中，k1為主站加入限流控制后的第一直流偏置，kref為按照設(shè)定斜率從0逐漸上升至額定值的指令值，kerr為直流電流限制控制器輸出的指令值。

直流電流限制控制器的控制原理如圖5所示，該控制器分為上限控制器和下限控制器兩部分。上限控制器包括：將直流電流上限值與直流電流采樣值比較后，送入pi控制器，該pi控制器中的積分器僅在輸出小于0大于-1時工作；下限控制器包括：將直流電流下限值與直流電流采樣值比較后，送入pi控制器，該pi控制器中的積分器僅在輸出大于0小于1時工作。將兩個pi控制器的輸出值相加即得到最終輸出kerr。

上述直流電流限制控制器的特點是在直流電流未達到設(shè)定的上下限時輸出為0，不影響正?？刂?，而在直流電流越過上、下限時開始工作，修正控制器中的第一直流偏置，將直流電流限制在允許范圍內(nèi)。從而避免直流短路故障未清除時提升直流電壓導致的二次故障電流，以及直流短路故障清除后主換流站直流電壓提升過快，而其余換流站未能及時跟蹤，導致的沖擊電流。

在直流短路故障檢測期間，作為主站的換流站的控制框圖如圖3所示，在傳統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上，采用子模塊電壓控制器作為有功電流外環(huán)，用于穩(wěn)定換流器子模塊電壓；同時，采用無功功率控制器作為無功電流外環(huán)，使換流器在整個故障恢復過程中都能為連接的電網(wǎng)提供無功功率支撐。

作為從站的換流站的控制框圖如圖4所示，在與主站一樣，在傳統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上，采用子模塊電壓控制器作為有功電流外環(huán)，用于穩(wěn)定換流器子模塊電壓；采用無功功率控制器作為無功電流外環(huán)，使換流器能電網(wǎng)提供無功功率支撐。

從站中在計算各橋臂輸出電壓時，直流偏置標幺值的確定如圖4所示，通過直流電流反饋與直流電流參考值比較后經(jīng)比例控制器或比例積分控制器計算得到，通常直流電流參考值可以設(shè)置為0，電流正方向選擇為流入換流器方向。此時，當主站輸出的直流電壓提升時，會使從站側(cè)采樣得到的直流電流增大，與參考值比較后經(jīng)比例積分控制器(或者比例控制器)放大后，使從站的直流偏置上升，從站側(cè)的直流電壓將隨之上升，從而達到跟隨主站直流電壓的作用。

以雙端柔性直流輸電系統(tǒng)為例，采用matlab/simulink仿真對本發(fā)明的mmc直流短路故障檢測方法進行驗證。

仿真直流短路故障已經(jīng)清除的工況，此時主站波形如圖6所示，在0.1s時，選定主、從換流站，加入直流電流限制控制器，開始按照設(shè)定斜率提升第一直流偏置，提升過程中直流電壓與第一直流偏置保持高度一致，因此判定直流短路故障已經(jīng)完全清除，繼續(xù)按照設(shè)定斜率提升直流偏置，波形中表現(xiàn)為直流電壓的穩(wěn)步提升。從站波形如圖7所示，其直流電壓自始至終能夠較好的跟蹤主站，在跟蹤過程中，由于檢測延時及控制器特性的影響會出現(xiàn)約0.3pu的直流電流，但由于直流電流限制控制器的抑制作用，此時直流電流被限制在0.2pu。通過圖6、圖7可見，整個過程中子模塊電壓穩(wěn)定，無功功率輸出正常，電氣量均維持穩(wěn)定，沒有電流或電壓沖擊。

直流短路故障未清除工況的主站波形、從站波形分別如圖8、圖9所示，同樣在0.1s時選定主、從換流站，加入直流電流限制控制器，開始進行提升控制器中的第一直流偏置，但由于直流短路故障并未恢復，提升直流偏置會導致直流電流超過設(shè)定0.2pu，因此，直流電流限制控制器開始工作，始終將直流電壓限制在0pu附近，一段時間后，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)直流電壓實測值始終未達到控制器中的第一直流偏置的90％，因此判定直流短路故障并未清除，維持直流電壓為0控制模式。

由圖8、圖9可見，整個過程中主站與從站的通過的直流電流均小于0.25pu，對系統(tǒng)安全不造成影響，同時在未增加額外檢測設(shè)備的前提下準確判定出直流短路故障仍未清除，說明該檢測方法的安全性和有效性。

本實施例中，正常運行時采用定直流電壓控制的換流站既可以作為主站，也可以作為從站，其他換流站也可以作為主站，或者從站，也就是說，對于一個換流站，既有作為主站提升第一直流偏置的能力，也有作為從站跟蹤直流電壓的能力；當正常運行時采用定直流電壓控制的換流站作為從站時，由其他換流站中指定主站。

本發(fā)明的直流短路故障檢測方法不僅適用于圖1所示的半橋加全橋子模塊混合式的多電平換流器，同樣適用于全橋子模塊多電平換流器。

本發(fā)明在直流故障檢測過程中不需要進行站間通訊，不需要增加其他檢測設(shè)備，僅借助原有直流電壓、電流傳感器即可實現(xiàn)短路故障的檢測，為直流短路故障未完全清除后提升直流電壓提供了保證，不會造成二次短路、子模塊快速放電被旁路及換流器閉鎖跳閘問題。

本發(fā)明一種mmc直流短路故障檢測裝置的實施例：

包括以下單元：

選擇單元：用于選擇一個換流站作為主站，其他換流站作為從站；

判斷單元：用于所述主站將直流電壓從零開始提升，提升過程中實時檢測直流電壓，所述從站根據(jù)直流電流反饋值與直流電流參考值之差，同步跟蹤主站的直流電壓；當所述直流電壓持續(xù)小于第一設(shè)定值的時間為t1時，判定直流短路故障仍然存在。

上述實施例中所指的mmc直流短路故障檢測裝置，實際上是基于本發(fā)明方法流程的一種計算機解決方案，即一種軟件構(gòu)架，可以應(yīng)用到換流站中，上述裝置即為與方法流程相對應(yīng)的處理進程。由于對上述方法的介紹已經(jīng)足夠清楚完整，而本實施例聲稱的裝置實際上是一種軟件構(gòu)架，故不再詳細進行描述。