一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法
一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，属于电力电 子技术和电力输配电领域。
【背景技术】
[0002] 与传统的高压直流输电技术相比，柔性高压直流输电技术采用全控半导体开关器 件实现对变流器的控制，因而具有控制灵活、无功可自由补偿及不依赖交流系统实现换相 等优点，在近年来得到了广泛的研究和应用。尤其是基于模块化多电平变流器结构的柔性 高压直流输电系统，W其高度模块化的结构、显著降低的开关频率和损耗、省去了笨重的多 重化变压器、较小的交流和直流侧的滤波器体量等优点，成为柔性高压直流输电的主流结 构，在国内外已经有多处工程投运或正在建设。
[0003] 考虑到高压直流断路器的工艺技术远未成熟，而传统基于半桥结构子模块的模块 化多电平变流器由于开关器件内部反并联二极管的存在，当直流侧双极性短路故障发生 后，即便将所有全控半导体开关器件闭锁，交流电源会经反并联二极管与直流故障点形成 =相短路回路，同时子模块电容迅速放电，从而造成装置直流短路电流严重过流，形成器件 损坏。而利用断开交流断路器来配合清除直流电流，故障电流清零较慢，且不利于保存电容 能量并进行重启动。因此，解决直流短路故障问题是柔性高压直流输电的关键技术。
[0004] 由于上述原因，现有的基于模块化多电平变流器的柔性高压直流输电工程多采用 直流故障发生概率较小的直流电缆，但线路造价较高；而如果采用架空线，虽可大幅节省 线路成本，但却容易出现闪络等直流短路故障问题。此外已有文献分析，当换流站发生直 流双极性短路故障时，换流站不但应具备直流短路电流的闭锁能力，使故障电流能够快速 清零；同时还应能够为所连接的交流电网提供一定的无功支撑，W实现直流故障的穿越。 (G.Tang,Z.Xu,andY.Zhou,"ImpactsofThreeMMC-HVDCConfigurationsonACSystem StabilityUnderDCLineFaults,"IEEETrans.PowerSystems,vol. 29,no. 6,pp. 3030-3 040,Nov. 2014.)
[0005] 为解决上述问题，已有文献报道了多种技术方案。文献化Li,Q.Song，W. Liu,H.Rao,S.Xu,andL.Li,"ProtectionofnonpermanentfaultsonDCoverhead linesinMMC-BasedHVDCsystems, "IEEETrans.PowerDel.,vol. 28,no. 1,pp. 483 -490,Jan. 2013.)通过在子模块中增加双向晶阐管，可臥实现短路电流清零，但该方 法电流清零速度较慢，子模块增加的成本和体积较大，且无法实现直流故障穿越。文 献（民.Marquardt,"Modularmultilevelconverter:Anuniversalconceptfor HVDC-networksandextendeddc-bus-applications,''inProc.Int.PowerElectron. Conf.，2010,pp. 502 - 507.)和（J.Qin,M.Saeedifard,A.Rocldiill,andR?化ou,"Hybrid DesignofModularMultilevelConvertersforHVDCSystemsBasedonVarious SubmoduleCircuits,"I邸Ehans.PowerDel.，tobepublished.)提出的采用新型子模 块结构，如全桥子模块、单极性子模块（包括错位双子模块和错位单子模块）来限制短路 故障电流的方案更具有可行性。其中，采用全桥子模块结构的MMC需要额外增加一倍的开 关器件，装置成本增加显著，但在直流短路故障发生后，不但可W闭锁直流故障，而且可W 运行为静止同步补偿装置下简称为STATCOM)，为交流电网提供无功支撑。相比于采 用全桥子模块结构的MMC，采用单极性子模块（包括猜位双子模块和猜位单子模块）结构 的MMC增加的器件数目较少，成本相对较低，具有更好的经济性，且具有闭锁直流故障的能 力。但目前尚无文献报道采用单极性子模块的模块化多电平变流器在直流故障后运行为 STATCOM，从而为电网提供无功支撑，实现直流双极短路故障穿越的运行控制方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提出一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，W 解决模块化多电平变流器结构的柔性直流输配电系统（MMC-basedHVDC)采用架空线方式 时存在的直流双极短路故障问题，在直流短路故障期间抑制直流侧短路电流并为交流电网 提供动态无功支撑的运行控制，即实现其直流故障穿越。
[0007] 本发明提出的模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，包括如下步 骤：
[000引（1)设定模块化多电平变流器的故障电流动作阔值Let，实时测量模块化多电平变 流器的直流母线电流瞬时值Id。，并将绝对值IId」与阔值Iwt比较，若满足11则判 定直流母线发生双极短路故障，并将模块化多电平变流器切换至故障穿越运行模式；
[0009] (2)在故障穿越运行模式下，实时测量t时刻模块化多电平变流器交流电网侧的 S相电流瞬时值iy(t) (W从模块化多电平变流器流入电网的方向为正方向）和S相电压 瞬时值U, (t)，其中X=a,b，C分别代表S相，对S相电压瞬时值U, (t)进行锁相处理，得到 t时刻交流电网的电压相角0 ;
[0010] 实时测量t时刻模块化多电平变流器注入交流电网交换的无功功率Q(t)，实时 测量模块化多电平变流器X相的上桥臂第i个子模块电容的电压(t)和下桥臂第i个 子模块电容的电压Ut,w(t)，其中i= 1，2,…，N，N为模块化多电平变流器一个桥臂中所有 子模块所包含的电容的个数，实时测量模块化多电平变流器的正、负极直流母线间的电压 Udc(t);
[0011] 做根据下式，计算模块化多电平变流器的q轴电流参考值iqt(t):
[0012]
[0013] 其中，kpi和TU分别为模块化多电平变流器无功比例积分计算中的比例系数和积 分时间常数，1^。1的取值范围为0<1^。1《1000，1\1的取值范围为0<1'。《100,9,(*)为根据交 流电网的无功补偿需要设定的模块化多电平变流器无功功率参考值；
[0014] (4)根据上述测量值，利用下式计算模块化多电平变流器中所有电容的平均电压 UE(t);
[0015]
[0016] 根据下式，计算模块化多电平变流器的d轴电流参考值i&(t);
[0017]
[001引其中，kp2和T。分别为模块化多电平变流器中电容平均电压比例积分计算中的比 例系数和积分时间常数，kp2的取值范围为0<kp2《 1000,T。的取值范围为0<T 100 ;
[0019] (5)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的交流电网侧abcS 相电流参考值(t);
[0020]
[0021] 其中，0为t时刻交流电网的电压相角；
[0022] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电流实际值id(t)和q轴电流实 际值iq(t):
[0023]
[0024] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电压实际值Ud(t)和q轴电压实 际值Uq(t):
[00 巧]
[0026] (6)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的d轴调制电压参考 值IW(t)和q轴调制电压参考值IV,U);
[0027]
[002引其中，《= 231f，f为交流电网的频率，L。为模块化多电平变流器桥臂电抗的电感 值，kp3和T。分别为模块化多电平变流器的d轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时 间常数，kp3的取值范围为0<kp3《 1000,TU的取值范围为0<T100,kp4和T14分别为模 块化多电平变流器的q轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp4的取值范围 为0<kp4《 1000,T14的取值范围为0<T 100 ;
[0029] (7)根据上述计算结果，利用下式判断模块化多电平变流器六个桥臂的工作状 态：
[0030]
[0031] 其中，S^(t)为X相上桥臂的工作状态，S,"(t)为X相下桥臂的工作状态，桥臂 工 作状态为1表示相应桥臂处于导通状态，桥臂工作状态为0表示相应桥臂处于闭锁状态； [003引 做根据下式计算模块化多电平变流器的上桥臂电容总体平均电压Ucp(t):
[0033]
[0034] 其中，兩为模块化多电平变流器的X相上桥臂第i个电容电压在t时刻之前 一个周期内的直流分量，
T= 1/tf为交流电网的频率；
[0035] 根据下式计算模块化多电平变流器的下桥臂所有电容平均电压Uc"(t):
[0036]
[0037] 其中，屯、-,,,?(〇模块化多电平变流器的X相下桥臂第i个电容电压在t时刻之前一 个周期内的直流分量，
f为交流电网的频率；
[0038] 根据下式计算模块化多电平变流器的共模电压参考值11。。" (t);
[0039]
[0040] 其中，kp5和T15分别为模块化多电平变流器的上、下桥臂电容平均电压比例积 分计算中的比例系数和积分时间常数，kp5的取值范围为0<kp5《 1000,T15的取值范围为 0<T巧《100 ;
[0041] (9)根据下式计算模块化多电平变流器的S相调制电压参考值;
[0042]
[0043] 对于模块化多电平变流器的X相（X=a,b，c)，当X相上桥臂处于导通状态，下桥 臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X相上桥臂参考电压由下式计算：
[0044]
[0045] 当X相下桥臂处于导通状态，上桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结 果，X相下桥臂参考电压由下式计算：
[0046] )
[0047] (10)根据上述步骤（7)对桥臂工作状态的判断结果和步骤（9)计算的桥臂参考电 压，确定各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态，实现模块化多电平变流器 的直流双极短路故障穿越。
[0048] 上述直流双极短路故障穿越方法中，当模块化多电平变流器中的子模块采用猜位 双子模块时，各猜位双子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态的确定方法如 下：
[0049] (2-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相 应桥臂中的猜位双子模块的工作状态进行判断：
[0050] 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的猜位双子模块处于闭锁状态，
[0051] 若桥臂处于导通状态，则根据步骤（9)计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均 压方法，确定相应桥臂中每个猜位子模块的工作状态，包括正投入状态、负投入状态W及旁 路状态；
[0052] (2-2)根据步骤（2-1)确定的猜位双子模块的工作状态，确定猜位双子模块内部 全控半导体开关器件的开通或关断状态；
[0053] 若猜位双子模块处于正投入状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件 关断，同时第一全控半导体开关器件和第=全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开 关器件和第四全控半导体开关器件关断；
[0054] 若猜位双子模块处于旁路状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开关 器件和第=全控半导体开关器件关断；或使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件关断，第二全控半导体开关 器件和第=全控半导体开关器件导通；
[00巧]若猜位双子模块处于负投入状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件 关断，同时第二全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第一全控半导体开 关器件和第=全控半导体开关器件关断。
[0056] 若猜位双子模块处于闭锁状态，则使猜位双子模块内部所有全控半导体开关器件 均关断。
[0057] 上述直流双极短路故障穿越方法中，当模块化多电平变流器中的子模块采用猜位 单子模块和半桥子模块混合串联时，各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态 的确定方法如下：
[0058] (3-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相 应桥臂中的猜位单子模块和半桥子模块的工作状态进行判断：
[0059] 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的猜位单子模块和半桥子模块处于闭锁状 态，
[0060] 若桥臂处于导通状态，则相应桥臂中的半桥子模块处于旁路状态，并根据步骤巧） 计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均压方法，确定相应桥臂的猜位单子模块的工作状 态，包括正投入状态、负投入状态W及旁路状态；
[0061] (3-2)根据步骤（3-1)确定的半桥子模块的工作状态，确定半桥子模块内部全控 半导体开关器件的开通或关断状态：
[0062] 若半桥子模块处于旁路状态，则使半桥子模块的第五全控半导体开关器件关断， 第六全控半导体开关器件导通。
[0063] 若半桥子模块处于闭锁状态，则使半桥子模块的全部全控半导体开关器件关断。
[0064] (3-3)根据步骤（3-1)确定的猜位单子模块的工作状态，确定猜位单子模块中全 控半导体开关器件的开通或关断状态；
[0065] 若猜位单子模块处于正投入状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关 器件导通，同时第走全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。
[0066] 若猜位单子模块处于旁路状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关器 件关断，同时第走全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。
[0067] 若猜位单子模块处于负投入状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关 器件关断，同时第八全控半导体开关器件导通，第走全控半导体开关器件关断。
[0068] 若猜位单子模块处于闭锁状态，则使猜位单子模块的全部全控半导体开关器件关 I巾广 断。
[0069] 本发明提出的模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，其优点在于：
[0070] 本发明方法能够在模块化多电平变流器发生直流双极短路故障后，为所连接的交 流电网提供必要的无功支撑，直流故障电流能够得到有效限制，模块化多电平变流器内部 各电容能量能够得到有效保存并得到均衡，有助于故障清除后迅速实现重启动。与已有的 采用全桥子模块的技术方案相比，本发明方法的成本更低，经济性更好。基于本发明方法， 高压柔性直流输电可采用架空线作为输电线路，从而大幅度节省线路成本。
【附图说明】
[0071] 图1是本发明提出的模块化多电平变流器结构的柔性直流输配电系统直流故障 穿越方法所适用的模块化多电平变流器的电路结构图。
[0072] 图2是本发明所适用的模块化多电平变流器中猜位双子模块的电路结构图。
[0073] 图3是本发明所适用的模块化多电平变流器中猜位单子模块的电路结构图。
[0074] 图4是本发明所适用的模块化多电平变流器中半桥子模块的电路结构图。
[00巧]图5为采用本发明的一个实施例的控制方法整体框图。
[0076] 图6为采用本发明的一个实施例中，模块化多电平变流器的直流故障电流、网侧 电流、输出无功功率、A相上下桥臂电流、A相上下桥臂电压的波形图。
【具体实施方式】
[0077] 本发明提出的模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，包括如下步 骤：
[007引（1)设定模块化多电平变流器的故障电流动作阔值Let，实时测量模块化多电平变 流器的直流母线电流瞬时值Id。，并将绝对值IId」与阔值Iwt比较，若满足II 则判 定直流母线发生双极短路故障，并将模块化多电平变流器切换至故障穿越运行模式；
[0079] (2)在故障穿越运行模式下，实时测量t时刻模块化多电平变流器交流电网侧的 S相电流瞬时值iy(t) (W从模块化多电平变流器流入电网的方向为正方向）和S相电压 瞬时值U, (t)，其中X=a,b，C分别代表S相，对S相电压瞬时值U, (t)进行锁相处理，得到 t时刻交流电网的电压相角0 ;
[0080]实时测量t时刻模块化多电平变流器注入交流电网交换的无功功率Q(t)，实时测 量模块化多电平变流器X相的上桥臂第i个子模块电容的电压(t)和下桥臂第i个子 模块电容的电压(t)，其中i= 1，2,…，N，N为不考虑冗余的情况下，模块化多电平变流 器一个桥臂中所有子模块所包含的电容的个数，实时测量模块化多电平变流器的正、负极 直流母线间的电压Ude(t);
[008。 做根据下式，计算模块化 多电平变流器的q轴电流参考值iqt(t):
[0082]
[008引其中，kpi和T。分别为模块化多电平变流器无功比例积分计算中的比例系数和积 分时间常数，1^。1的取值范围为0<1^。1《1000，1\1的取值范围为0<1'。《100,9,(*)为根据交 流电网的无功补偿需要设定的模块化多电平变流器无功功率参考值；
[0084] (4)根据上述测量值，利用下式计算模块化多电平变流器中所有增强型子模块所 包含的电容的平均电压UE(t):
[0085]
[0086] 根据下式，计算模块化多电平变流器的d轴电流参考值i&(t);
[0087]
[0088] 其中，kp2和T12分别为模块化多电平变流器中所有增强型子模块所包含的电容的 平均电压比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp2的取值范围为0<kp2《 1000,T。 的取值范围为〇<Tn《100 ;
[0089] (5)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的交流电网侧abcS 相电流参考值(t);
[0090]
[0091] 其中，0为t时刻交流电网的电压相角；
[0092] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电流实际值id(t)和q轴电流实 际值iq(t):
[0093]
[0094] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电压实际值Ud(t)和q轴电压实 际值Uq(t):
[0095]
[0096] (6)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的d轴调制电压参考 值IW(t)和q轴调制电压参考值IV,U);
[0097]
[009引其中，《= 2 31f，f为交流电网的频率，L。为模块化多电平变流器桥臂电抗的电感 值，kp3和T。分别为模块化多电平变流器的d轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时 间常数，kp3的取值范围为0<kp3《 1000,TU的取值范围为0<T 100,kp4和T14分别为模 块化多电平变流器的q轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp4的取值范围 为0<kp4《 1000,T14的取值范围为0<T 100 ;
[0099] (7)根据上述计算结果，利用下式判断模块化多电平变流器六个桥臂的工作状 态：
[0100]
[0101]其中，s^(t)为X相上桥臂的工作状态，S,"(t)为X相下桥臂的工作状态，桥臂工 作状态为1表示相应桥臂处于导通状态，桥臂工作状态为0表示相应桥臂处于闭锁状态； [010引 （8)根据下式计算模块化多电平变流器的上桥臂电容总体平均电压Ucp(t):
[0103]
[0104] 其中，电w,'(〇为模块化多电平变流器的X相上桥臂第i个电容电压在t时刻之前 一个周期内的直流分量：
T= 1/tf为交流电网的频率；
[0105] 根据下式计算模块化多电平变流器的下桥臂所有电容平均电压Uc"(t);
[0106]
[0107] 其中，巧,,,,?(0模块化多电平变流器的X相下桥臂第i个电容电压在t时刻之前一 个周期内的直流分量，
'T= 1/tf为交流电网的频率；
[0108] 根据下式计算模块化多电平变流器的共模电压参考值;
[0109]
[0110] 其中，kp5和T15分别为模块化多电平变流器的上、下桥臂电容平均电压比例积 分计算中的比例系数和积分时间常数，kp5的取值范围为0<kp5《 1000,T15的取值范围为 0<T巧《100 ;
[01U] (9)根据下式计算模块化多电平变流器的S相调制电压参考值;
[0112]
[0113] 对于模块化多电平变流器的X相（X=a,b，C)，当X相上桥臂处于导通状态，下桥 臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X相上桥臂参考电压由下式计算：
[0114]
[0115] 当X相下桥臂处于导通状态，上桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结 果，X相下桥臂参考电压由下式计算：
[0116]
[0117] (10)根据上述步骤（7)对桥臂工作状态的判断结果和步骤（9)计算的桥臂参考电 压，确定各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态，实现模块化多电平变流器 的直流双极短路故障穿越。
[0118] 上述直流双极短路故障穿越方法，当模块化多电平变流器中的子模块采用猜位双 子模块时，猜位双子模块的电路图如附图2所示，各猜位双子模块内部全控半导体开关器 件的开通或关断状态的确定方法如下：
[0119] (2-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相 应桥臂中的猜位双子模块的工作状态进行判断：
[0120] 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的猜位双子模块处于闭锁状态，
[012。 若桥臂处于导通状态，则根据步骤（9)计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均 压方法，确定相应桥臂的每个子模块的工作状态，包括正投入状态、负投入状态W及旁路状 态；调制方法可W采用公知的最近电平逼近调制、载波移相调制、载波层叠调制、子模块统 一调制等方法，均压方法可W采用针对全桥子模块的排序均压的算法。
[0122] (2-2)根据步骤（2-1)确定的猜位双子模块的工作状态，确定猜位双子模块内部 全控半导体开关器件的开通或关断状态；
[0123] 若猜位双子模块处于正投入状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件 关断，同时第一全控半导体开关器件和第=全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开 关器件和第四全控半导体开关器件关断；
[0124] 若猜位双子模块处于旁路状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开关 器件和第=全控半导体开关器件关断；或使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件关断，第二全控半导体开关 器件和第=全控半导体开关器件导通；
[01巧]若猜位双子模块处于负投入状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件 关断，同时第二全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第一全控半导体开 关器件和第=全控半导体开关器件关断。
[0126] 若猜位双子模块处于闭锁状态，则使猜位双子模块内部所有全控半导体开关器件 均关断。
[0127] 上述直流双极短路故障穿越方法，当模块化多电平变流器中的子模块采用猜位 单子模块和半桥子模块混合串联时，半桥子模块的电路图如附图3所示，猜位单子模块的 电路图如附图4所示，各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态的确定方法如 下：
[0128] (3-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相 应桥臂中的猜位单子模块和半桥子模块的工作状态进行判断：
[0129] 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的猜位单子模块和半桥子模块处于闭锁状 态，
[0130] 若桥臂处于导通状态，则相应桥臂中的半桥子模块处于旁路状态，并根据步骤巧） 计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均压方法，确定相应桥臂的猜位单子模块的工作状 态，包括正投入状态、负投入状态W及旁路状态；调制方法可W采用公知的最近电平逼近调 审IJ、载波移相调制、载波层叠调制、子模块统一调制等方法，均压方法可W采用针对全桥子 模块的排序均压的算法；
[0131] (3-2)根据步骤（3-1)确定的半桥子模块的工作状态，确定半桥子模块内部全控 半导体开关器件的开通或关断状态：
[0132] 若半桥子模块处于旁路状态，则使半桥子模块的第五全控半导体开关器件关断， 第六全控半导体开关器件导通。
[0133] 若半桥子模块处于闭锁状态，则使半桥子模块的全部全控半导体开关器件关断。
[0134] (3-3)根据步骤（3-1)确定的猜位单子模块的工作状态，确定猜位单子模块中全 控半导体开关器件的开通或关断状态；
[01巧]若猜位单子模块处于正投入状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关 器件导通，同时第走全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。
[0136] 若猜位单子模块处于旁路状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关器 件关断，同时第走全控半导体开关器件导通，第八全控半 导体开关器件关断。
[0137] 若猜位单子模块处于负投入状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关 器件关断，同时第八全控半导体开关器件导通，第走全控半导体开关器件关断。
[0138] 若猜位单子模块处于闭锁状态，则使猜位单子模块的全部全控半导体开关器件关 I巾广 断。
[0139] 本发明的故障穿越方法中，所设及的模块化多电平变流器结构如附图1所示，包 括3相共6桥臂，每个桥臂均采用N个猜位双子模块级联或由L个猜位单子模块与M个半桥 子模块混合级联构成（在不考虑冗余子模块的情况下，N=Ud。パ2U。)，Ulmパ2U。）《L《Ud。/ U。，M=叫。化-L，其中Ud为模块化多电平变流器额定直流电压，U为子模块电容额定电压， Uim为交流系统额定线电压峰值）。本发明的直流故障穿越方法，是指在判定柔性直流输电 系统发生直流双极短路故障，并根据交流系统无功控制目标计算模块化多电平变流器交流 侧输出无功参考电流后（直流短路故障判定方法W及无功参考电流计算均属于公知内容， 不属于本
【发明内容】
），依据模块化多电平变流器每一相交流侧无功电流的方向判定并控制 该相上、下两桥臂的工作模式，从而在交流侧电流过零点时刻实现上、下桥臂之间电流换流 W及上、下桥臂工作模式转换。在直流双极短路故障期间，所述模块化多电平变流器每一相 始终有且仅有一个桥臂工作于调制模式，而同相另一个桥臂则工作于闭锁模式；S相共计 3个运行于调制模式的桥臂，与S相星形接法的静止同步补偿装置（STATC0M)等效，在直流 双极短路故障期间为交流电网提供无功支撑。
[0140] 为便于描述，规定各桥臂电流的正方向均为从直流母线正极流向负极，各相交流 侧电流正方向为从模块化多电平变流器流向电网，各电流正方向如图1中箭头标示。
[0141] 下面W猜位双子模块型=相模块化多电平整流器为例介绍本发明方法的一个实 施例：
[0142] 该实施例中9电平=相模块化多电平变流器的参数见下表。
[0143]
[0144] (1)在本实施例中，在t= 0.5s前变流器正常工作，并向交流电网输出有功功 率-8MW，无功功率6MVar。在t= 0. 5s时直流侧发生双极性短路故障。设定直流母线故障 电流阔值U为直流母线额定电流的2倍，即0. 5kA。实时测量直流母线电流瞬时值Id。，并 将其绝对值IId」与故障电流动作阔值Iwt= 0. 5kA比较，当满足11d」〉〇. 5kA时，判定直流 母线发生双极短路故障，模块化多电平变流器切换至故障穿越运行模式。
[0145] (2)在故障穿越运行模式下，实时测量t时刻模块化多电平变流器交流电网侧的 S相电流瞬时值iy(t) (W从模块化多电平变流器流入电网的方向为正方向）和S相电压 瞬时值U, (t)，其中X=a,b，C分别代表S相，对S相电压瞬时值U, (t)进行锁相处理，得到 t时刻交流电网的电压相角0 ;
[0146]实时测量t时刻模块化多电平变流器注入交流电网交换的无功功率Q(t)，实时测 量模块化多电平变流器X相的上桥臂第i个子模块电容的电压(t)和下桥臂第i个子 模块电容的电压，其中i= 1，2, 3,. .，8,实时测量模块化多电平变流器的正、负极直 流母线间的电压Ude(t);
[0147] (3)根据下式，计算模块化多电平变流器的q轴电流参考值iqt(t);
[014 引
[0149] (4)根据上述测量值，利用下式计算模块化多电平变流器中所有电容的平均电压 UE(t);
[0150]
[015。 根据下式，计算模块化多电平变流器的d轴电流参考值i&(t);
[0152]
[0153] (5)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的交流电网侧abcS 相电流参考值(t);
[0154]
[0155] 其中，0为t时刻交流电网的电压相角；
[0156] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电流实际值id(t)和q轴电流实 际值iq(t):
[0157]
[0158] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电压实际值Ud(t)和q轴电压实 际值Uq(t):
[0159]
[0160] (6)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的d轴调制电压参考 值IW(t)和q轴调制电压参考值IV,U);
[0161]
[0162] 其中，L。为模块化多电平变流器桥臂电抗的电感值。
[0163] (7)根据上述计算结果，利用下式判断模块化多电平变流器六个桥臂的工作状 态：
[0164]
[0165] 其中，Syp(t)为X相上桥臂的工作状态，Sy"(t)为X相下桥臂的工作状态，桥臂工 作状态为1表示相应桥臂处于导通状态，桥臂工作状态为0表示相应桥臂处于闭锁状态； [016引 做根据下式计算模块化多电平变流器的上桥臂电容总体平均电压Ucp(t):
[0167]
[016引其中，兩为模块化多电平变流器的X相上桥臂第i个电容电压在t时刻之前 一个周期内的直流分量，
[0169] 根据下式计算模块化多电平变流器的下桥臂所有电容平均电压Uc"(t):
[0170]
[ow] 其中，兩,,,,?(〇模块化多电平变流器的X相下桥臂第i个电容电压在t时刻之前一 个周期内的直流分量
[0172] 根据下式计算模块化多电平变流器的共模电压参考值;
[0173]
[0174] (9)根据下式计算模块化多电平变流器的S相调制电压参考值;
[0175]
[0176] 对于模块化多电平变流器的X相（X=a,b，C)，当X相上桥臂处于导通状态，下桥 臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X相上桥臂参考电压由下式计算：
[0177]
[0178] 当X相下桥臂处于导通状态，上桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结 果，X相下桥臂参考电压由下式计算：
[0179]
[0180] (9)采用最近电平逼近法作为调制方法，W及排序法作为电容均压算法，根据桥臂 的导通、闭锁状态和导通桥臂的参考电压确定每个子模块的投入状态；
[0181] (10)对于处于导通状态的各桥臂内部各猜位双子模块在正投入状态、负投入状态 和旁路状态=种状态下各开关器件的导通状态如下，各开关器件的编号参见说明书附图2。
[0182] 正投入状态；猜位双子模块的猜位开关器件闭锁，同时第一开关器件、第=开关器 件导通，第二开关器件、第四开关器件闭锁。
[0183] 负投入状态；猜位双子模块的猜位开关器件闭锁，同时第二开关器件、第四开关器 件导通，第一开关器件、第=开关器件闭锁。
[0184] 旁路状态；猜位双子模块的猜位开关器件闭锁，同时第一开关器件、第四开关器件 导通，第二开关器件、第=开关器件闭锁；或猜位双子模块的猜位开关器件闭锁，同时第一 开关器件、第四开关器件闭锁，第二开关器件、第=开关器件导通。
[0185] 对于处于闭锁状态的各桥臂，其内部各猜位双子模块内的所有开关器件均闭锁。
[0186] 本实施例中模块化多电平变流器的直流故障电流、网侧电流、输出无功功率、A相 上下桥臂电流、A相上下桥臂电压波形图分别如图6(a)、图6化）、图6(C)、图6 (d)和图6(e) 所示。从图6可见，在检测到直流母线发生双极短路故障后，由于采用了本发明所述的运行 控制方法，模块化多电平变流器直流侧短路电流迅速减小并被限制在一个较低的水平；网 侧电流是波形良好的正弦波，同时变流器能够为交流电网提供无功支撑，且无功功率有效 跟踪无功参考值。
【主权项】
1. 一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，其特征在于该方法包括如 下步骤： (1) 设定模块化多电平变流器的故障电流动作阈值Iset，实时测量模块化多电平变流器 的直流母线电流瞬时值Id。，并将绝对值I IdcJ与阈值Iset比较，若满足11 dcJ>iset，则判定直 流母线发生双极短路故障，并将模块化多电平变流器切换至故障穿越运行模式； (2) 在故障穿越运行模式下，实时测量t时刻模块化多电平变流器交流电网侧的三相 电流瞬时值ix(t)(以从模块化多电平变流器流入电网的方向为正方向）和三相电压瞬时 值ux (t)，其中X = a, b, c分别代表三相，对三相电压瞬时值ux (t)进行锁相处理，得到t时 刻交流电网的电压相角Θ ; 实时测量t时刻模块化多电平变流器注入交流电网的无功功率Q (t)，实时测量模块化 多电平变流器X相的上桥臂第i个子模块电容的电压Ixpi (t)和下桥臂第i个子模块电容 的电压Ucmi (t)，其中i = 1，2, "·，Ν，N为模块化多电平变流器一个桥臂中所有子模块所包 含的电容的个数，实时测量模块化多电平变流器的正、负极直流母线间的电压udc;(t); (3) 根据下式，计算模块化多电平变流器的q轴电流参考值iv(t):其中，kpl和T η分别为模块化多电平变流器无功功率比例积分计算中的比例系数和积 分时间常数，1^1的取值范围为0〈1^1彡1000，1\1的取值范围为0〈1\ 1彡100，^^(〇为根据交 流电网的无功补偿目标设定的模块化多电平变流器无功功率参考值； (4) 根据上述测量值，利用下式计算模块化多电平变流器中所有电容的平均电压 UE(t)：根据下式，计算模块化多电平变流器的d轴电流参考值ito(t):其中，kp2和Ti2分别为模块化多电平变流器电容平均电压比例积分计算中的比例系数 和积分时间常数，kp2的取值范围为0〈kp2< 1000, T i2的取值范围为0〈T i2< 100 ; (5) 根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的交流电网侧abc三相电 流参考值ixl·⑴：其中，Θ为t时刻交流电网的电压相角； 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电流实际值id (t)和q轴电流实际值 iq(t)：根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电压实际值Ud (t)和q轴电压实际值 uq(t)：(6) 根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的d轴调制电压参考值 ⑴和q轴调制电压参考值⑴：其中，ω = 2 π f，f为交流电网的频率，Ltl为模块化多电平变流器桥臂电抗的电感值， kp3和T i3分别为模块化多电平变流器的d轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常 数，kp3的取值范围为0〈kp3< 1000, T i3的取值范围为0〈T i3< 100, kp4和T i4分别为模块化 多电平变流器的q轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp4的取值范围为 0〈kp4< 1000, T i4的取值范围为 0〈T i4< 100 ; (7) 根据上述计算结果，利用下式判断模块化多电平变流器六个桥臂的工作状态：其中，Sxp(t)为X相上桥臂的工作状态，Sxn(t)为X相下桥臂的工作状态，桥臂工作状 态为1表示相应桥臂处于导通状态，桥臂工作状态为〇表示相应桥臂处于闭锁状态； (8) 根据下式计算模块化多电平变流器的上桥臂电容总体平均电压uEp (t):其中，巧:ψ/(?)为模块化多电平变流器的x相上桥臂第i个电容电压在t时刻之前一个 周期内的直流分量，，T = 1/f，f为交流电网的频率； 根据下式计算模块化多电平变流器的下桥臂所有电容平均电压uEn(t):其中，?7(.ν/"_⑴模块化多电平变流器的X相下桥臂第i个电容电压在t时刻之前一个周 期内的直流分量T = 1/f，f为交流电网的频率； 根据下式计算模块化多电平变流器的共模电压参考值uM"(t):其中，kp5和T i5分别为模块化多电平变流器的上下桥臂电容平均电压比例积分计算中 的比例系数和积分时间常数，1^5的取值范围为0〈1^5< 1000，1\5的取值范围为0〈1\5<100; (9) 根据下式计算模块化多电平变流器的三相调制电压参考值u_(t):对于模块化多电平变流器的X相（X = a，b，c)，当X相上桥臂处于导通状态，下桥臂处 于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X相上桥臂参考电压由下式计算：当X相下桥臂处于导通状态，上桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X 相下桥臂参考电压由下式计算：(10) 根据上述步骤（7)对桥臂工作状态的判断结果和步骤（9)计算的桥臂参考电压， 确定各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态，实现模块化多电平变流器的直 流双极短路故障穿越。2.如权利要求1所述的直流双极短路故障穿越方法，其特征在于，当模块化多电平变 流器中的子模块采用箝位双子模块时，各箝位双子模块内部全控半导体开关器件的开通或 关断状态的确定方法如下： (2-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相应桥 臂中的箝位双子模块的工作状态进行判断： 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的箝位双子模块处于闭锁状态， 若桥臂处于导通状态，则根据步骤（9)计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均压方 法，确定相应桥臂的每个子模块的工作状态，包括正投入状态、负投入状态以及旁路状态； (2-2)根据步骤（2-1)确定的箝位双子模块的工作状态，确定箝位双子模块内部全控 半导体开关器件的开通或关断状态： 若箝位双子模块处于正投入状态，则使箝位双子模块的箝位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第三全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开关 器件和第四全控半导体开关器件关断； 若箝位双子模块处于旁路状态，则使箝位双子模块的箝位全控半导体开关器件关断， 同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开关器件 和第三全控半导体开关器件关断；或使箝位双子模块的箝位全控半导体开关器件关断，同 时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件关断，第二全控半导体开关器件和 第三全控半导体开关器件导通； 若箝位双子模块处于负投入状态，则使箝位双子模块的箝位全控半导体开关器件关 断，同时第二全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第一全控半导体开关 器件和第三全控半导体开关器件关断。 若箝位双子模块处于闭锁状态，则使箝位双子模块内部所有全控半导体开关器件均关 断。3.如权利要求1所述的直流双极短路故障穿越方法，其特征在于，当模块化多电平变 流器中的子模块采用箝位单子模块和半桥子模块混合串联时，各子模块内部全控半导体开 关器件的开通或关断状态的确定方法如下： (3-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相应桥 臂中的箝位单子模块和半桥子模块的工作状态进行判断： 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的箝位单子模块和半桥子模块处于闭锁状态， 若桥臂处于导通状态，则相应桥臂中的半桥子模块处于旁路状态，并根据步骤（9)计 算的桥臂参考电压，通过调制和电容均压方法，确定相应桥臂的箝位单子模块的工作状态， 包括正投入状态、负投入状态以及旁路状态； (3-2)根据步骤（3-1)确定的半桥子模块的工作状态，确定半桥子模块内部全控半导 体开关器件的开通或关断状态： 若半桥子模块处于旁路状态，则使半桥子模块的第五全控半导体开关器件关断，第六 全控半导体开关器件导通。 若半桥子模块处于闭锁状态，则使半桥子模块的全部全控半导体开关器件关断。 (3-3)根据步骤（3-1)确定的箝位单子模块的工作状态，确定箝位单子模块中全控半 导体开关器件的开通或关断状态： 若箝位单子模块处于正投入状态，则使箝位单子模块的第二箝位全控半导体开关器件 导通，同时第七全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。 若箝位单子模块处于旁路状态，则使箝位单子模块的第二箝位全控半导体开关器件关 断，同时第七全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。 若箝位单子模块处于负投入状态，则使箝位单子模块的第二箝位全控半导体开关器件 关断，同时第八全控半导体开关器件导通，第七全控半导体开关器件关断。 若箝位单子模块处于闭锁状态，则使箝位单子模块的全部全控半导体开关器件关断。
【专利摘要】本发明涉及一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，属于电力电子技术和电力输配电领域。本发明方法为解决模块化多电平变流器结构的柔性直流输配电系统(MMC-based HVDC)采用架空线方式时存在的直流双极短路故障问题，针对采用单极性子模块的模块化多电平变流器，使在模块化多电平变流器在检测到直流双极短路故障后，将直流短路电流限制在较小的水平，同时为交流电网提供动态无功支撑，并有效保存和平衡变流器内部电容的能量，从而有助于故障清除后变流器迅速地重启动。与已有的基于全桥子模块型模块化多电平变流器的方案相比，本发明方法基于增强型子模块及其混合式拓扑，因而成本更低，经济性更好。
【IPC分类】H02M1/32, H02J3/36, H02J3/20
【公开号】CN104901524
【申请号】CN201510272639
【发明人】于心宇, 魏应冬, 姜齐荣
【申请人】清华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月26日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，属于电力电 子技术和电力输配电领域。
【背景技术】
[0002] 与传统的高压直流输电技术相比，柔性高压直流输电技术采用全控半导体开关器 件实现对变流器的控制，因而具有控制灵活、无功可自由补偿及不依赖交流系统实现换相 等优点，在近年来得到了广泛的研究和应用。尤其是基于模块化多电平变流器结构的柔性 高压直流输电系统，W其高度模块化的结构、显著降低的开关频率和损耗、省去了笨重的多 重化变压器、较小的交流和直流侧的滤波器体量等优点，成为柔性高压直流输电的主流结 构，在国内外已经有多处工程投运或正在建设。
[0003] 考虑到高压直流断路器的工艺技术远未成熟，而传统基于半桥结构子模块的模块 化多电平变流器由于开关器件内部反并联二极管的存在，当直流侧双极性短路故障发生 后，即便将所有全控半导体开关器件闭锁，交流电源会经反并联二极管与直流故障点形成 =相短路回路，同时子模块电容迅速放电，从而造成装置直流短路电流严重过流，形成器件 损坏。而利用断开交流断路器来配合清除直流电流，故障电流清零较慢，且不利于保存电容 能量并进行重启动。因此，解决直流短路故障问题是柔性高压直流输电的关键技术。
[0004] 由于上述原因，现有的基于模块化多电平变流器的柔性高压直流输电工程多采用 直流故障发生概率较小的直流电缆，但线路造价较高；而如果采用架空线，虽可大幅节省 线路成本，但却容易出现闪络等直流短路故障问题。此外已有文献分析，当换流站发生直 流双极性短路故障时，换流站不但应具备直流短路电流的闭锁能力，使故障电流能够快速 清零；同时还应能够为所连接的交流电网提供一定的无功支撑，W实现直流故障的穿越。 (G.Tang,Z.Xu,andY.Zhou,"ImpactsofThreeMMC-HVDCConfigurationsonACSystem StabilityUnderDCLineFaults,"IEEETrans.PowerSystems,vol. 29,no. 6,pp. 3030-3 040,Nov. 2014.)
[0005] 为解决上述问题，已有文献报道了多种技术方案。文献化Li,Q.Song，W. Liu,H.Rao,S.Xu,andL.Li,"ProtectionofnonpermanentfaultsonDCoverhead linesinMMC-BasedHVDCsystems, "IEEETrans.PowerDel.,vol. 28,no. 1,pp. 483 -490,Jan. 2013.)通过在子模块中增加双向晶阐管，可臥实现短路电流清零，但该方 法电流清零速度较慢，子模块增加的成本和体积较大，且无法实现直流故障穿越。文 献（民.Marquardt,"Modularmultilevelconverter:Anuniversalconceptfor HVDC-networksandextendeddc-bus-applications,''inProc.Int.PowerElectron. Conf.，2010,pp. 502 - 507.)和（J.Qin,M.Saeedifard,A.Rocldiill,andR?化ou,"Hybrid DesignofModularMultilevelConvertersforHVDCSystemsBasedonVarious SubmoduleCircuits,"I邸Ehans.PowerDel.，tobepublished.)提出的采用新型子模 块结构，如全桥子模块、单极性子模块（包括错位双子模块和错位单子模块）来限制短路 故障电流的方案更具有可行性。其中，采用全桥子模块结构的MMC需要额外增加一倍的开 关器件，装置成本增加显著，但在直流短路故障发生后，不但可W闭锁直流故障，而且可W 运行为静止同步补偿装置下简称为STATCOM)，为交流电网提供无功支撑。相比于采 用全桥子模块结构的MMC，采用单极性子模块（包括猜位双子模块和猜位单子模块）结构 的MMC增加的器件数目较少，成本相对较低，具有更好的经济性，且具有闭锁直流故障的能 力。但目前尚无文献报道采用单极性子模块的模块化多电平变流器在直流故障后运行为 STATCOM，从而为电网提供无功支撑，实现直流双极短路故障穿越的运行控制方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提出一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，W 解决模块化多电平变流器结构的柔性直流输配电系统（MMC-basedHVDC)采用架空线方式 时存在的直流双极短路故障问题，在直流短路故障期间抑制直流侧短路电流并为交流电网 提供动态无功支撑的运行控制，即实现其直流故障穿越。
[0007] 本发明提出的模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，包括如下步 骤：
[000引（1)设定模块化多电平变流器的故障电流动作阔值Let，实时测量模块化多电平变 流器的直流母线电流瞬时值Id。，并将绝对值IId」与阔值Iwt比较，若满足11则判 定直流母线发生双极短路故障，并将模块化多电平变流器切换至故障穿越运行模式；
[0009] (2)在故障穿越运行模式下，实时测量t时刻模块化多电平变流器交流电网侧的 S相电流瞬时值iy(t) (W从模块化多电平变流器流入电网的方向为正方向）和S相电压 瞬时值U, (t)，其中X=a,b，C分别代表S相，对S相电压瞬时值U, (t)进行锁相处理，得到 t时刻交流电网的电压相角0 ;
[0010] 实时测量t时刻模块化多电平变流器注入交流电网交换的无功功率Q(t)，实时 测量模块化多电平变流器X相的上桥臂第i个子模块电容的电压(t)和下桥臂第i个 子模块电容的电压Ut,w(t)，其中i= 1，2,…，N，N为模块化多电平变流器一个桥臂中所有 子模块所包含的电容的个数，实时测量模块化多电平变流器的正、负极直流母线间的电压 Udc(t);
[0011] 做根据下式，计算模块化多电平变流器的q轴电流参考值iqt(t):
[0012]
[0013] 其中，kpi和TU分别为模块化多电平变流器无功比例积分计算中的比例系数和积 分时间常数，1^。1的取值范围为0<1^。1《1000，1\1的取值范围为0<1'。《100,9,(*)为根据交 流电网的无功补偿需要设定的模块化多电平变流器无功功率参考值；
[0014] (4)根据上述测量值，利用下式计算模块化多电平变流器中所有电容的平均电压 UE(t);
[0015]
[0016] 根据下式，计算模块化多电平变流器的d轴电流参考值i&(t);
[0017]
[001引其中，kp2和T。分别为模块化多电平变流器中电容平均电压比例积分计算中的比 例系数和积分时间常数，kp2的取值范围为0<kp2《 1000,T。的取值范围为0<T 100 ;
[0019] (5)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的交流电网侧abcS 相电流参考值(t);
[0020]
[0021] 其中，0为t时刻交流电网的电压相角；
[0022] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电流实际值id(t)和q轴电流实 际值iq(t):
[0023]
[0024] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电压实际值Ud(t)和q轴电压实 际值Uq(t):
[00 巧]
[0026] (6)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的d轴调制电压参考 值IW(t)和q轴调制电压参考值IV,U);
[0027]
[002引其中，《= 231f，f为交流电网的频率，L。为模块化多电平变流器桥臂电抗的电感 值，kp3和T。分别为模块化多电平变流器的d轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时 间常数，kp3的取值范围为0<kp3《 1000,TU的取值范围为0<T100,kp4和T14分别为模 块化多电平变流器的q轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp4的取值范围 为0<kp4《 1000,T14的取值范围为0<T 100 ;
[0029] (7)根据上述计算结果，利用下式判断模块化多电平变流器六个桥臂的工作状 态：
[0030]
[0031] 其中，S^(t)为X相上桥臂的工作状态，S,"(t)为X相下桥臂的工作状态，桥臂 工 作状态为1表示相应桥臂处于导通状态，桥臂工作状态为0表示相应桥臂处于闭锁状态； [003引 做根据下式计算模块化多电平变流器的上桥臂电容总体平均电压Ucp(t):
[0033]
[0034] 其中，兩为模块化多电平变流器的X相上桥臂第i个电容电压在t时刻之前 一个周期内的直流分量，
T= 1/tf为交流电网的频率；
[0035] 根据下式计算模块化多电平变流器的下桥臂所有电容平均电压Uc"(t):
[0036]
[0037] 其中，屯、-,,,?(〇模块化多电平变流器的X相下桥臂第i个电容电压在t时刻之前一 个周期内的直流分量，
f为交流电网的频率；
[0038] 根据下式计算模块化多电平变流器的共模电压参考值11。。" (t);
[0039]
[0040] 其中，kp5和T15分别为模块化多电平变流器的上、下桥臂电容平均电压比例积 分计算中的比例系数和积分时间常数，kp5的取值范围为0<kp5《 1000,T15的取值范围为 0<T巧《100 ;
[0041] (9)根据下式计算模块化多电平变流器的S相调制电压参考值;
[0042]
[0043] 对于模块化多电平变流器的X相（X=a,b，c)，当X相上桥臂处于导通状态，下桥 臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X相上桥臂参考电压由下式计算：
[0044]
[0045] 当X相下桥臂处于导通状态，上桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结 果，X相下桥臂参考电压由下式计算：
[0046] )
[0047] (10)根据上述步骤（7)对桥臂工作状态的判断结果和步骤（9)计算的桥臂参考电 压，确定各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态，实现模块化多电平变流器 的直流双极短路故障穿越。
[0048] 上述直流双极短路故障穿越方法中，当模块化多电平变流器中的子模块采用猜位 双子模块时，各猜位双子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态的确定方法如 下：
[0049] (2-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相 应桥臂中的猜位双子模块的工作状态进行判断：
[0050] 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的猜位双子模块处于闭锁状态，
[0051] 若桥臂处于导通状态，则根据步骤（9)计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均 压方法，确定相应桥臂中每个猜位子模块的工作状态，包括正投入状态、负投入状态W及旁 路状态；
[0052] (2-2)根据步骤（2-1)确定的猜位双子模块的工作状态，确定猜位双子模块内部 全控半导体开关器件的开通或关断状态；
[0053] 若猜位双子模块处于正投入状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件 关断，同时第一全控半导体开关器件和第=全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开 关器件和第四全控半导体开关器件关断；
[0054] 若猜位双子模块处于旁路状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开关 器件和第=全控半导体开关器件关断；或使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件关断，第二全控半导体开关 器件和第=全控半导体开关器件导通；
[00巧]若猜位双子模块处于负投入状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件 关断，同时第二全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第一全控半导体开 关器件和第=全控半导体开关器件关断。
[0056] 若猜位双子模块处于闭锁状态，则使猜位双子模块内部所有全控半导体开关器件 均关断。
[0057] 上述直流双极短路故障穿越方法中，当模块化多电平变流器中的子模块采用猜位 单子模块和半桥子模块混合串联时，各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态 的确定方法如下：
[0058] (3-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相 应桥臂中的猜位单子模块和半桥子模块的工作状态进行判断：
[0059] 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的猜位单子模块和半桥子模块处于闭锁状 态，
[0060] 若桥臂处于导通状态，则相应桥臂中的半桥子模块处于旁路状态，并根据步骤巧） 计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均压方法，确定相应桥臂的猜位单子模块的工作状 态，包括正投入状态、负投入状态W及旁路状态；
[0061] (3-2)根据步骤（3-1)确定的半桥子模块的工作状态，确定半桥子模块内部全控 半导体开关器件的开通或关断状态：
[0062] 若半桥子模块处于旁路状态，则使半桥子模块的第五全控半导体开关器件关断， 第六全控半导体开关器件导通。
[0063] 若半桥子模块处于闭锁状态，则使半桥子模块的全部全控半导体开关器件关断。
[0064] (3-3)根据步骤（3-1)确定的猜位单子模块的工作状态，确定猜位单子模块中全 控半导体开关器件的开通或关断状态；
[0065] 若猜位单子模块处于正投入状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关 器件导通，同时第走全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。
[0066] 若猜位单子模块处于旁路状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关器 件关断，同时第走全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。
[0067] 若猜位单子模块处于负投入状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关 器件关断，同时第八全控半导体开关器件导通，第走全控半导体开关器件关断。
[0068] 若猜位单子模块处于闭锁状态，则使猜位单子模块的全部全控半导体开关器件关 I巾广 断。
[0069] 本发明提出的模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，其优点在于：
[0070] 本发明方法能够在模块化多电平变流器发生直流双极短路故障后，为所连接的交 流电网提供必要的无功支撑，直流故障电流能够得到有效限制，模块化多电平变流器内部 各电容能量能够得到有效保存并得到均衡，有助于故障清除后迅速实现重启动。与已有的 采用全桥子模块的技术方案相比，本发明方法的成本更低，经济性更好。基于本发明方法， 高压柔性直流输电可采用架空线作为输电线路，从而大幅度节省线路成本。
【附图说明】
[0071] 图1是本发明提出的模块化多电平变流器结构的柔性直流输配电系统直流故障 穿越方法所适用的模块化多电平变流器的电路结构图。
[0072] 图2是本发明所适用的模块化多电平变流器中猜位双子模块的电路结构图。
[0073] 图3是本发明所适用的模块化多电平变流器中猜位单子模块的电路结构图。
[0074] 图4是本发明所适用的模块化多电平变流器中半桥子模块的电路结构图。
[00巧]图5为采用本发明的一个实施例的控制方法整体框图。
[0076] 图6为采用本发明的一个实施例中，模块化多电平变流器的直流故障电流、网侧 电流、输出无功功率、A相上下桥臂电流、A相上下桥臂电压的波形图。
【具体实施方式】
[0077] 本发明提出的模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，包括如下步 骤：
[007引（1)设定模块化多电平变流器的故障电流动作阔值Let，实时测量模块化多电平变 流器的直流母线电流瞬时值Id。，并将绝对值IId」与阔值Iwt比较，若满足II 则判 定直流母线发生双极短路故障，并将模块化多电平变流器切换至故障穿越运行模式；
[0079] (2)在故障穿越运行模式下，实时测量t时刻模块化多电平变流器交流电网侧的 S相电流瞬时值iy(t) (W从模块化多电平变流器流入电网的方向为正方向）和S相电压 瞬时值U, (t)，其中X=a,b，C分别代表S相，对S相电压瞬时值U, (t)进行锁相处理，得到 t时刻交流电网的电压相角0 ;
[0080]实时测量t时刻模块化多电平变流器注入交流电网交换的无功功率Q(t)，实时测 量模块化多电平变流器X相的上桥臂第i个子模块电容的电压(t)和下桥臂第i个子 模块电容的电压(t)，其中i= 1，2,…，N，N为不考虑冗余的情况下，模块化多电平变流 器一个桥臂中所有子模块所包含的电容的个数，实时测量模块化多电平变流器的正、负极 直流母线间的电压Ude(t);
[008。 做根据下式，计算模块化 多电平变流器的q轴电流参考值iqt(t):
[0082]
[008引其中，kpi和T。分别为模块化多电平变流器无功比例积分计算中的比例系数和积 分时间常数，1^。1的取值范围为0<1^。1《1000，1\1的取值范围为0<1'。《100,9,(*)为根据交 流电网的无功补偿需要设定的模块化多电平变流器无功功率参考值；
[0084] (4)根据上述测量值，利用下式计算模块化多电平变流器中所有增强型子模块所 包含的电容的平均电压UE(t):
[0085]
[0086] 根据下式，计算模块化多电平变流器的d轴电流参考值i&(t);
[0087]
[0088] 其中，kp2和T12分别为模块化多电平变流器中所有增强型子模块所包含的电容的 平均电压比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp2的取值范围为0<kp2《 1000,T。 的取值范围为〇<Tn《100 ;
[0089] (5)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的交流电网侧abcS 相电流参考值(t);
[0090]
[0091] 其中，0为t时刻交流电网的电压相角；
[0092] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电流实际值id(t)和q轴电流实 际值iq(t):
[0093]
[0094] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电压实际值Ud(t)和q轴电压实 际值Uq(t):
[0095]
[0096] (6)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的d轴调制电压参考 值IW(t)和q轴调制电压参考值IV,U);
[0097]
[009引其中，《= 2 31f，f为交流电网的频率，L。为模块化多电平变流器桥臂电抗的电感 值，kp3和T。分别为模块化多电平变流器的d轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时 间常数，kp3的取值范围为0<kp3《 1000,TU的取值范围为0<T 100,kp4和T14分别为模 块化多电平变流器的q轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp4的取值范围 为0<kp4《 1000,T14的取值范围为0<T 100 ;
[0099] (7)根据上述计算结果，利用下式判断模块化多电平变流器六个桥臂的工作状 态：
[0100]
[0101]其中，s^(t)为X相上桥臂的工作状态，S,"(t)为X相下桥臂的工作状态，桥臂工 作状态为1表示相应桥臂处于导通状态，桥臂工作状态为0表示相应桥臂处于闭锁状态； [010引 （8)根据下式计算模块化多电平变流器的上桥臂电容总体平均电压Ucp(t):
[0103]
[0104] 其中，电w,'(〇为模块化多电平变流器的X相上桥臂第i个电容电压在t时刻之前 一个周期内的直流分量：
T= 1/tf为交流电网的频率；
[0105] 根据下式计算模块化多电平变流器的下桥臂所有电容平均电压Uc"(t);
[0106]
[0107] 其中，巧,,,,?(0模块化多电平变流器的X相下桥臂第i个电容电压在t时刻之前一 个周期内的直流分量，
'T= 1/tf为交流电网的频率；
[0108] 根据下式计算模块化多电平变流器的共模电压参考值;
[0109]
[0110] 其中，kp5和T15分别为模块化多电平变流器的上、下桥臂电容平均电压比例积 分计算中的比例系数和积分时间常数，kp5的取值范围为0<kp5《 1000,T15的取值范围为 0<T巧《100 ;
[01U] (9)根据下式计算模块化多电平变流器的S相调制电压参考值;
[0112]
[0113] 对于模块化多电平变流器的X相（X=a,b，C)，当X相上桥臂处于导通状态，下桥 臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X相上桥臂参考电压由下式计算：
[0114]
[0115] 当X相下桥臂处于导通状态，上桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结 果，X相下桥臂参考电压由下式计算：
[0116]
[0117] (10)根据上述步骤（7)对桥臂工作状态的判断结果和步骤（9)计算的桥臂参考电 压，确定各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态，实现模块化多电平变流器 的直流双极短路故障穿越。
[0118] 上述直流双极短路故障穿越方法，当模块化多电平变流器中的子模块采用猜位双 子模块时，猜位双子模块的电路图如附图2所示，各猜位双子模块内部全控半导体开关器 件的开通或关断状态的确定方法如下：
[0119] (2-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相 应桥臂中的猜位双子模块的工作状态进行判断：
[0120] 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的猜位双子模块处于闭锁状态，
[012。 若桥臂处于导通状态，则根据步骤（9)计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均 压方法，确定相应桥臂的每个子模块的工作状态，包括正投入状态、负投入状态W及旁路状 态；调制方法可W采用公知的最近电平逼近调制、载波移相调制、载波层叠调制、子模块统 一调制等方法，均压方法可W采用针对全桥子模块的排序均压的算法。
[0122] (2-2)根据步骤（2-1)确定的猜位双子模块的工作状态，确定猜位双子模块内部 全控半导体开关器件的开通或关断状态；
[0123] 若猜位双子模块处于正投入状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件 关断，同时第一全控半导体开关器件和第=全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开 关器件和第四全控半导体开关器件关断；
[0124] 若猜位双子模块处于旁路状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开关 器件和第=全控半导体开关器件关断；或使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件关断，第二全控半导体开关 器件和第=全控半导体开关器件导通；
[01巧]若猜位双子模块处于负投入状态，则使猜位双子模块的猜位全控半导体开关器件 关断，同时第二全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第一全控半导体开 关器件和第=全控半导体开关器件关断。
[0126] 若猜位双子模块处于闭锁状态，则使猜位双子模块内部所有全控半导体开关器件 均关断。
[0127] 上述直流双极短路故障穿越方法，当模块化多电平变流器中的子模块采用猜位 单子模块和半桥子模块混合串联时，半桥子模块的电路图如附图3所示，猜位单子模块的 电路图如附图4所示，各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态的确定方法如 下：
[0128] (3-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相 应桥臂中的猜位单子模块和半桥子模块的工作状态进行判断：
[0129] 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的猜位单子模块和半桥子模块处于闭锁状 态，
[0130] 若桥臂处于导通状态，则相应桥臂中的半桥子模块处于旁路状态，并根据步骤巧） 计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均压方法，确定相应桥臂的猜位单子模块的工作状 态，包括正投入状态、负投入状态W及旁路状态；调制方法可W采用公知的最近电平逼近调 审IJ、载波移相调制、载波层叠调制、子模块统一调制等方法，均压方法可W采用针对全桥子 模块的排序均压的算法；
[0131] (3-2)根据步骤（3-1)确定的半桥子模块的工作状态，确定半桥子模块内部全控 半导体开关器件的开通或关断状态：
[0132] 若半桥子模块处于旁路状态，则使半桥子模块的第五全控半导体开关器件关断， 第六全控半导体开关器件导通。
[0133] 若半桥子模块处于闭锁状态，则使半桥子模块的全部全控半导体开关器件关断。
[0134] (3-3)根据步骤（3-1)确定的猜位单子模块的工作状态，确定猜位单子模块中全 控半导体开关器件的开通或关断状态；
[01巧]若猜位单子模块处于正投入状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关 器件导通，同时第走全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。
[0136] 若猜位单子模块处于旁路状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关器 件关断，同时第走全控半导体开关器件导通，第八全控半 导体开关器件关断。
[0137] 若猜位单子模块处于负投入状态，则使猜位单子模块的第二猜位全控半导体开关 器件关断，同时第八全控半导体开关器件导通，第走全控半导体开关器件关断。
[0138] 若猜位单子模块处于闭锁状态，则使猜位单子模块的全部全控半导体开关器件关 I巾广 断。
[0139] 本发明的故障穿越方法中，所设及的模块化多电平变流器结构如附图1所示，包 括3相共6桥臂，每个桥臂均采用N个猜位双子模块级联或由L个猜位单子模块与M个半桥 子模块混合级联构成（在不考虑冗余子模块的情况下，N=Ud。パ2U。)，Ulmパ2U。）《L《Ud。/ U。，M=叫。化-L，其中Ud为模块化多电平变流器额定直流电压，U为子模块电容额定电压， Uim为交流系统额定线电压峰值）。本发明的直流故障穿越方法，是指在判定柔性直流输电 系统发生直流双极短路故障，并根据交流系统无功控制目标计算模块化多电平变流器交流 侧输出无功参考电流后（直流短路故障判定方法W及无功参考电流计算均属于公知内容， 不属于本
【发明内容】
），依据模块化多电平变流器每一相交流侧无功电流的方向判定并控制 该相上、下两桥臂的工作模式，从而在交流侧电流过零点时刻实现上、下桥臂之间电流换流 W及上、下桥臂工作模式转换。在直流双极短路故障期间，所述模块化多电平变流器每一相 始终有且仅有一个桥臂工作于调制模式，而同相另一个桥臂则工作于闭锁模式；S相共计 3个运行于调制模式的桥臂，与S相星形接法的静止同步补偿装置（STATC0M)等效，在直流 双极短路故障期间为交流电网提供无功支撑。
[0140] 为便于描述，规定各桥臂电流的正方向均为从直流母线正极流向负极，各相交流 侧电流正方向为从模块化多电平变流器流向电网，各电流正方向如图1中箭头标示。
[0141] 下面W猜位双子模块型=相模块化多电平整流器为例介绍本发明方法的一个实 施例：
[0142] 该实施例中9电平=相模块化多电平变流器的参数见下表。
[0143]
[0144] (1)在本实施例中，在t= 0.5s前变流器正常工作，并向交流电网输出有功功 率-8MW，无功功率6MVar。在t= 0. 5s时直流侧发生双极性短路故障。设定直流母线故障 电流阔值U为直流母线额定电流的2倍，即0. 5kA。实时测量直流母线电流瞬时值Id。，并 将其绝对值IId」与故障电流动作阔值Iwt= 0. 5kA比较，当满足11d」〉〇. 5kA时，判定直流 母线发生双极短路故障，模块化多电平变流器切换至故障穿越运行模式。
[0145] (2)在故障穿越运行模式下，实时测量t时刻模块化多电平变流器交流电网侧的 S相电流瞬时值iy(t) (W从模块化多电平变流器流入电网的方向为正方向）和S相电压 瞬时值U, (t)，其中X=a,b，C分别代表S相，对S相电压瞬时值U, (t)进行锁相处理，得到 t时刻交流电网的电压相角0 ;
[0146]实时测量t时刻模块化多电平变流器注入交流电网交换的无功功率Q(t)，实时测 量模块化多电平变流器X相的上桥臂第i个子模块电容的电压(t)和下桥臂第i个子 模块电容的电压，其中i= 1，2, 3,. .，8,实时测量模块化多电平变流器的正、负极直 流母线间的电压Ude(t);
[0147] (3)根据下式，计算模块化多电平变流器的q轴电流参考值iqt(t);
[014 引
[0149] (4)根据上述测量值，利用下式计算模块化多电平变流器中所有电容的平均电压 UE(t);
[0150]
[015。 根据下式，计算模块化多电平变流器的d轴电流参考值i&(t);
[0152]
[0153] (5)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的交流电网侧abcS 相电流参考值(t);
[0154]
[0155] 其中，0为t时刻交流电网的电压相角；
[0156] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电流实际值id(t)和q轴电流实 际值iq(t):
[0157]
[0158] 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电压实际值Ud(t)和q轴电压实 际值Uq(t):
[0159]
[0160] (6)根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的d轴调制电压参考 值IW(t)和q轴调制电压参考值IV,U);
[0161]
[0162] 其中，L。为模块化多电平变流器桥臂电抗的电感值。
[0163] (7)根据上述计算结果，利用下式判断模块化多电平变流器六个桥臂的工作状 态：
[0164]
[0165] 其中，Syp(t)为X相上桥臂的工作状态，Sy"(t)为X相下桥臂的工作状态，桥臂工 作状态为1表示相应桥臂处于导通状态，桥臂工作状态为0表示相应桥臂处于闭锁状态； [016引 做根据下式计算模块化多电平变流器的上桥臂电容总体平均电压Ucp(t):
[0167]
[016引其中，兩为模块化多电平变流器的X相上桥臂第i个电容电压在t时刻之前 一个周期内的直流分量，
[0169] 根据下式计算模块化多电平变流器的下桥臂所有电容平均电压Uc"(t):
[0170]
[ow] 其中，兩,,,,?(〇模块化多电平变流器的X相下桥臂第i个电容电压在t时刻之前一 个周期内的直流分量
[0172] 根据下式计算模块化多电平变流器的共模电压参考值;
[0173]
[0174] (9)根据下式计算模块化多电平变流器的S相调制电压参考值;
[0175]
[0176] 对于模块化多电平变流器的X相（X=a,b，C)，当X相上桥臂处于导通状态，下桥 臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X相上桥臂参考电压由下式计算：
[0177]
[0178] 当X相下桥臂处于导通状态，上桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结 果，X相下桥臂参考电压由下式计算：
[0179]
[0180] (9)采用最近电平逼近法作为调制方法，W及排序法作为电容均压算法，根据桥臂 的导通、闭锁状态和导通桥臂的参考电压确定每个子模块的投入状态；
[0181] (10)对于处于导通状态的各桥臂内部各猜位双子模块在正投入状态、负投入状态 和旁路状态=种状态下各开关器件的导通状态如下，各开关器件的编号参见说明书附图2。
[0182] 正投入状态；猜位双子模块的猜位开关器件闭锁，同时第一开关器件、第=开关器 件导通，第二开关器件、第四开关器件闭锁。
[0183] 负投入状态；猜位双子模块的猜位开关器件闭锁，同时第二开关器件、第四开关器 件导通，第一开关器件、第=开关器件闭锁。
[0184] 旁路状态；猜位双子模块的猜位开关器件闭锁，同时第一开关器件、第四开关器件 导通，第二开关器件、第=开关器件闭锁；或猜位双子模块的猜位开关器件闭锁，同时第一 开关器件、第四开关器件闭锁，第二开关器件、第=开关器件导通。
[0185] 对于处于闭锁状态的各桥臂，其内部各猜位双子模块内的所有开关器件均闭锁。
[0186] 本实施例中模块化多电平变流器的直流故障电流、网侧电流、输出无功功率、A相 上下桥臂电流、A相上下桥臂电压波形图分别如图6(a)、图6化）、图6(C)、图6 (d)和图6(e) 所示。从图6可见，在检测到直流母线发生双极短路故障后，由于采用了本发明所述的运行 控制方法，模块化多电平变流器直流侧短路电流迅速减小并被限制在一个较低的水平；网 侧电流是波形良好的正弦波，同时变流器能够为交流电网提供无功支撑，且无功功率有效 跟踪无功参考值。
【主权项】
1. 一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，其特征在于该方法包括如 下步骤： (1) 设定模块化多电平变流器的故障电流动作阈值Iset，实时测量模块化多电平变流器 的直流母线电流瞬时值Id。，并将绝对值I IdcJ与阈值Iset比较，若满足11 dcJ>iset，则判定直 流母线发生双极短路故障，并将模块化多电平变流器切换至故障穿越运行模式； (2) 在故障穿越运行模式下，实时测量t时刻模块化多电平变流器交流电网侧的三相 电流瞬时值ix(t)(以从模块化多电平变流器流入电网的方向为正方向）和三相电压瞬时 值ux (t)，其中X = a, b, c分别代表三相，对三相电压瞬时值ux (t)进行锁相处理，得到t时 刻交流电网的电压相角Θ ; 实时测量t时刻模块化多电平变流器注入交流电网的无功功率Q (t)，实时测量模块化 多电平变流器X相的上桥臂第i个子模块电容的电压Ixpi (t)和下桥臂第i个子模块电容 的电压Ucmi (t)，其中i = 1，2, "·，Ν，N为模块化多电平变流器一个桥臂中所有子模块所包 含的电容的个数，实时测量模块化多电平变流器的正、负极直流母线间的电压udc;(t); (3) 根据下式，计算模块化多电平变流器的q轴电流参考值iv(t):其中，kpl和T η分别为模块化多电平变流器无功功率比例积分计算中的比例系数和积 分时间常数，1^1的取值范围为0〈1^1彡1000，1\1的取值范围为0〈1\ 1彡100，^^(〇为根据交 流电网的无功补偿目标设定的模块化多电平变流器无功功率参考值； (4) 根据上述测量值，利用下式计算模块化多电平变流器中所有电容的平均电压 UE(t)：根据下式，计算模块化多电平变流器的d轴电流参考值ito(t):其中，kp2和Ti2分别为模块化多电平变流器电容平均电压比例积分计算中的比例系数 和积分时间常数，kp2的取值范围为0〈kp2< 1000, T i2的取值范围为0〈T i2< 100 ; (5) 根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的交流电网侧abc三相电 流参考值ixl·⑴：其中，Θ为t时刻交流电网的电压相角； 根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电流实际值id (t)和q轴电流实际值 iq(t)：根据下式计算t时刻模块化多电平变流器的d轴电压实际值Ud (t)和q轴电压实际值 uq(t)：(6) 根据上述计算结果，利用下式计算模块化多电平变流器的d轴调制电压参考值 ⑴和q轴调制电压参考值⑴：其中，ω = 2 π f，f为交流电网的频率，Ltl为模块化多电平变流器桥臂电抗的电感值， kp3和T i3分别为模块化多电平变流器的d轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常 数，kp3的取值范围为0〈kp3< 1000, T i3的取值范围为0〈T i3< 100, kp4和T i4分别为模块化 多电平变流器的q轴电流比例积分计算中的比例系数和积分时间常数，kp4的取值范围为 0〈kp4< 1000, T i4的取值范围为 0〈T i4< 100 ; (7) 根据上述计算结果，利用下式判断模块化多电平变流器六个桥臂的工作状态：其中，Sxp(t)为X相上桥臂的工作状态，Sxn(t)为X相下桥臂的工作状态，桥臂工作状 态为1表示相应桥臂处于导通状态，桥臂工作状态为〇表示相应桥臂处于闭锁状态； (8) 根据下式计算模块化多电平变流器的上桥臂电容总体平均电压uEp (t):其中，巧:ψ/(?)为模块化多电平变流器的x相上桥臂第i个电容电压在t时刻之前一个 周期内的直流分量，，T = 1/f，f为交流电网的频率； 根据下式计算模块化多电平变流器的下桥臂所有电容平均电压uEn(t):其中，?7(.ν/"_⑴模块化多电平变流器的X相下桥臂第i个电容电压在t时刻之前一个周 期内的直流分量T = 1/f，f为交流电网的频率； 根据下式计算模块化多电平变流器的共模电压参考值uM"(t):其中，kp5和T i5分别为模块化多电平变流器的上下桥臂电容平均电压比例积分计算中 的比例系数和积分时间常数，1^5的取值范围为0〈1^5< 1000，1\5的取值范围为0〈1\5<100; (9) 根据下式计算模块化多电平变流器的三相调制电压参考值u_(t):对于模块化多电平变流器的X相（X = a，b，c)，当X相上桥臂处于导通状态，下桥臂处 于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X相上桥臂参考电压由下式计算：当X相下桥臂处于导通状态，上桥臂处于闭锁状态时，根据上述测量值和计算结果，X 相下桥臂参考电压由下式计算：(10) 根据上述步骤（7)对桥臂工作状态的判断结果和步骤（9)计算的桥臂参考电压， 确定各子模块内部全控半导体开关器件的开通或关断状态，实现模块化多电平变流器的直 流双极短路故障穿越。2.如权利要求1所述的直流双极短路故障穿越方法，其特征在于，当模块化多电平变 流器中的子模块采用箝位双子模块时，各箝位双子模块内部全控半导体开关器件的开通或 关断状态的确定方法如下： (2-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相应桥 臂中的箝位双子模块的工作状态进行判断： 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的箝位双子模块处于闭锁状态， 若桥臂处于导通状态，则根据步骤（9)计算的桥臂参考电压，通过调制和电容均压方 法，确定相应桥臂的每个子模块的工作状态，包括正投入状态、负投入状态以及旁路状态； (2-2)根据步骤（2-1)确定的箝位双子模块的工作状态，确定箝位双子模块内部全控 半导体开关器件的开通或关断状态： 若箝位双子模块处于正投入状态，则使箝位双子模块的箝位全控半导体开关器件关 断，同时第一全控半导体开关器件和第三全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开关 器件和第四全控半导体开关器件关断； 若箝位双子模块处于旁路状态，则使箝位双子模块的箝位全控半导体开关器件关断， 同时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第二全控半导体开关器件 和第三全控半导体开关器件关断；或使箝位双子模块的箝位全控半导体开关器件关断，同 时第一全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件关断，第二全控半导体开关器件和 第三全控半导体开关器件导通； 若箝位双子模块处于负投入状态，则使箝位双子模块的箝位全控半导体开关器件关 断，同时第二全控半导体开关器件和第四全控半导体开关器件导通，第一全控半导体开关 器件和第三全控半导体开关器件关断。 若箝位双子模块处于闭锁状态，则使箝位双子模块内部所有全控半导体开关器件均关 断。3.如权利要求1所述的直流双极短路故障穿越方法，其特征在于，当模块化多电平变 流器中的子模块采用箝位单子模块和半桥子模块混合串联时，各子模块内部全控半导体开 关器件的开通或关断状态的确定方法如下： (3-1)根据步骤（7)对模块化多电平变流器中的桥臂工作状态的判断结果，对相应桥 臂中的箝位单子模块和半桥子模块的工作状态进行判断： 若桥臂处于闭锁状态，则相应桥臂中的箝位单子模块和半桥子模块处于闭锁状态， 若桥臂处于导通状态，则相应桥臂中的半桥子模块处于旁路状态，并根据步骤（9)计 算的桥臂参考电压，通过调制和电容均压方法，确定相应桥臂的箝位单子模块的工作状态， 包括正投入状态、负投入状态以及旁路状态； (3-2)根据步骤（3-1)确定的半桥子模块的工作状态，确定半桥子模块内部全控半导 体开关器件的开通或关断状态： 若半桥子模块处于旁路状态，则使半桥子模块的第五全控半导体开关器件关断，第六 全控半导体开关器件导通。 若半桥子模块处于闭锁状态，则使半桥子模块的全部全控半导体开关器件关断。 (3-3)根据步骤（3-1)确定的箝位单子模块的工作状态，确定箝位单子模块中全控半 导体开关器件的开通或关断状态： 若箝位单子模块处于正投入状态，则使箝位单子模块的第二箝位全控半导体开关器件 导通，同时第七全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。 若箝位单子模块处于旁路状态，则使箝位单子模块的第二箝位全控半导体开关器件关 断，同时第七全控半导体开关器件导通，第八全控半导体开关器件关断。 若箝位单子模块处于负投入状态，则使箝位单子模块的第二箝位全控半导体开关器件 关断，同时第八全控半导体开关器件导通，第七全控半导体开关器件关断。 若箝位单子模块处于闭锁状态，则使箝位单子模块的全部全控半导体开关器件关断。
【专利摘要】本发明涉及一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法，属于电力电子技术和电力输配电领域。本发明方法为解决模块化多电平变流器结构的柔性直流输配电系统(MMC-based HVDC)采用架空线方式时存在的直流双极短路故障问题，针对采用单极性子模块的模块化多电平变流器，使在模块化多电平变流器在检测到直流双极短路故障后，将直流短路电流限制在较小的水平，同时为交流电网提供动态无功支撑，并有效保存和平衡变流器内部电容的能量，从而有助于故障清除后变流器迅速地重启动。与已有的基于全桥子模块型模块化多电平变流器的方案相比，本发明方法基于增强型子模块及其混合式拓扑，因而成本更低，经济性更好。
【IPC分类】H02M1/32, H02J3/36, H02J3/20
【公开号】CN104901524
【申请号】CN201510272639
【发明人】于心宇, 魏应冬, 姜齐荣
【申请人】清华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月26日
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