子模块故障下C-MMC型高压直流系统的保护设计和容错控制

发布时间：2020-02-09 07:08

【摘要】：从子模块级、换流器级和系统级3个层次上设计了基于箝位双子模块(CDSM)的新型模块化多电平换流器(MMC)的冗余保护控制策略。提出了基于双晶闸管保护策略,其中一个晶闸管稳态长期导通来分担二极管电流以减少损耗,并分析了子模块的失效机制。设计了改进型最近电平调制和电容电压平衡策略。该方法动态调节电容电压参考值,通过引入故障因子对电容电压测量值进行修正以防止故障元件参与投切。利用3次谐波注入调制、变压器分接头档位控制和有功无功调节等手段,优化提高动态备用子模块数目和增强系统不间断功率运行能力。在PSCAD/EMTDC中搭建每桥臂105个子模块的仿真模型,仿真结果表明:引入双晶闸管保护策略后,整流侧和逆变侧二极管总损耗分别下降9.8%和5.3%;即使36个模块电容切除后,系统仍可正常运行,且换流器桥臂环流的增量不超过额定值的5%。
【图文】：

电容图,电容,仿真结果

缛莸缪姑挥杏跋欤嚆缤?（a）所示。Zone1（Zone2）内发生故障会导致相应电容被切除，剩余健全的电容电压上升以实现桥臂间能量均衡。由于测试中被切除电容数超过静态备用（10个），传统静态备用控制会向系统发出跳闸信号，而本文所提的动态备用法则可维持系统不间断运行。将1.0~3.0s仿真区间分为2个阶段。阶段1内仅采用2.1节所述改进最近电平调制和电容电压平衡控制策略，在切除电容数目较低情况下，系统存在一定的冗余安全裕度；当切除电容数达到36个时，系统需要投入的电容数超过了剩余健全电容数。阶段2，利用2.1图7仿真结果（1）Fig．7Simulativeresults（1）（a）子模块电容电压2.52.01.51.00.50UC／kV1.01.52.02.53.0t／s因故障切除4个引导开关Nft=4因故障切除12个电容Nf=12因故障再切除12个电容Nf=24因故障再切除12个电容Nf=36Zone0故障Zone1或Zone2故障阶段1阶段2250200150100500（c）实际投入的电容数1.01.52.02.53.0t／s电容投入数有功、无功功率调整3次零序电压注入调制变压器档位调整（b）需要投入的电容数1.01.52.02.53.0t／s冗余电容数健全电容总数需要投入的电容数超过健全电容数因子模块故障切除的电容数电容总数250200150100500电容投入数电力自动化设备第34卷图6应用双晶闸管保护策略前后单个桥臂的损耗Fig．6Comparisonoflossperarmbetweenwithandwithoutdual-thyristorprotectionscheme（b）P=-1.0p.u.，Q=0p.u.（逆变侧）4503001500损耗／kW所有VD12（或VD22）损耗所有VD0损耗总损耗减少24.5

序列,环流,仿真结果

第薛英林，等：子模块故障下C-MMC型高压直流系统的保护设计和容错控制8期图8仿真结果（2）Fig．8Simulativeresults（2）1.11.00.90.80.51.01.52.02.53.0t／s（a）有功功率P0.400.15-0.101.01.52.02.53.0t／s（b）无功功率Q1.11.00.90.81.01.52.02.53.0t／s（c）直流电压Udc1.20.80.41.01.52.02.53.0t／s（d）直流电流idc0.150-0.151.01.52.02.53.0t／s（e）环流环流Zone0故障Zone1或Zone2故障阶段1阶段20.50.50.50.5节所述3种优化策略增加了备用电容数目，提高了系统的冗余安全裕度和不间断运行能力。子模块故障期间的换流器有功、无功功率，直流电压、电流和桥臂间交流环流分量（均为标幺值）如图8所示。由仿真结果可见，整个过程功率运行平稳，性能结果良好；随着电容切除数目增多，直流电压和直流电流会出现波动分量，且桥臂交流环流分量增加，，但不超过额定值的5%。4结论子模块冗余控制的基本目标是快速切除故障部分，利用剩余健全元件维持系统不间断运行。冗余元件数目是衡量系统安全裕度和可靠性的重要指标，提高冗余元件个数和系统不间断运行能力是子模块冗余控制的优化目标。本文将C-MMC子模块冗余保护控制策略分为如下3个层次。a.子模块级。根据箝位双子模块的结构特点分析了其故障机制；设计了基于双晶闸管型快速旁路开关的保护策略，且其中一个晶闸管稳态时长期导通分担IGBT反并联二极管的电流并降低其运行损耗。b.换流器级。设计了改进最近电平调制和电容电压平衡策略，一方面利用能量平衡原理动态调制电容参考值，另一方面通过引入故障因子避免故障元件再次进入投切序列中。计算了系统动态冗余裕度，指出其是由?

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