mmc-hvdc系统直流双极短路故障时的子模块过电流应力分析.docxVIP

mmc-hvdc系统直流双极短路故障时的子模块过电流应力分析 0 mmc-hvdc换流站主电路参数分析及应用 随着能源短缺、城市规划和环境污染的突出，可再生清洁能源，如风能和太阳能，得到了广泛的开发和利用。此外，海上开挖平台和孤立岛屿等无源负载电网的改造需要更灵活、更经济、更环保的能源形式。因此电压源型换流器直流输电技术在输、配电领域得到越来越广泛的应用。 新型模块化多电平换流器(modular multileve converter,MMC)作为实现柔性直流输电工程化的电压源型换流器拓扑之一近年来逐渐受到学术界和工程界的关注。不同于两电平或三电平电压源换流器,MMC的桥臂不是仅能执行开关动作的阀,而是连接在换流器某相交流输出端与直流极母线之间的可控电压源。MMC中的子模块是实现这一功能的关键元件。由于模块化多电平拓扑结构的特殊性,子模块切换过程中,流经子模块的电流峰值远高于有效值,并且电流变化率较高。同时,子模块还承受带有纹波的直流电压。 从国内外研究现状[13,14,15,16,17,18,19,20]来看,很多学者都对电压源型换流器高压直流输电(voltage sourced converter HVDC,VSC-HVDC)系统进行了充分的研究,但大部分研究着重于控制系统设计及故障的仿真分析,对MMC-HVDC换流站设备在故障下电气应力分析等方面的研究还未见文献发表。而直流双极短路故障是MMC-HVDC换流站内具有严重后果的故障之一,故障发生时子模块上的过电流应力是主电路参数设计及保护设计的重要依据,本文对MMC-HVDC直流双极短路故障时子模块的过电流应力进行详细的研究。 由于子模块的投切是非线性的,该故障的电磁暂态过程比较复杂,本文将故障过程分为闭锁前和闭锁后2个阶段对故障机制进行理论分析;建立对应状态下的电路模型,并且给出2个阶段中子模块过电流的实用计算方法;揭示出电路参数与桥臂过电流即子模块过电流的关系。最后应用PSCAD电磁暂态仿真模型(模型参数见附录A),对理论分析的结论和过电流的计算方法进行验证。 1 个数个模块设计 MMC-HVDC系统由两端换流站及直流线路组成。交流系统用等值电源us和等值电感Ls表示,联接变压器表示为T,阀电抗器表示为电感L。换流器由3个相单元组成,每相上、下桥臂由偶数个子模块(sub-module,SM)串联组成。SM由上部绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)T1、上部二极管D1、下部IGBT T2、下部二极管D2及子模块电容器组成,电容值用C0表示。 换流器通过控制子模块的投入/切出拟合出期望的交流输出电压。三相调制波互差120°角,从而保证交流输出电压三相对称。每个相单元任意时刻投入的子模块数固定,上下桥臂共投入n个子模块,以维持直流电压恒定。MMC-HVDC单站的系统拓扑如图1所示,另一站的拓扑结构完全相同。 2 子模块短路电流和电容器放电回路引起的运行故障 鉴于目前已有的工程都是电缆线路双极运行,本文主要讨论这种情况下的直流双极短路故障。故障后果与接地方式无关。 无论是海底电缆还是地下电缆一般都是因为船锚强行拉断或人为挖断造成的永久故障。故障时,两侧换流站都通过子模块下部二极管D2向短路点注入短路电流,相当于三相短路,短路电流通路如图2所示。同时子模块电容器通过上部的IGBT T1放电,放电回路如图3所示。桥臂电流是交流短路电流和子模块电容器放电电流的叠加,在半个周波内达到峰值,几毫秒后,换流器闭锁,子模块电容器停止放电,但交流电网短路电流仍通过D2注入短路点,此时阀电抗器会限制通过D2的短路电流的上升速度,使保护晶闸管来得及动作,从而将D2旁路。闭锁前子模块电容器耐受的过电流会影响电容器的寿命,因此设计时要予以考虑。 3 用前子模块代替电流的计算模型 3.1 子模块放电电流 由第2节的分析可知,发生直流双极短路故障时,几毫秒内换流站闭锁,闭锁前子模块电容器迅速放电造成过流,放电电流的仿真波形如图4放大区域所示。建立子模块过电流分析电路模型和推导计算公式的意义在于找出对过电流有显著影响的电路参数,并能够计算电流上升的时间,为子模块元件和阀电抗器的电气设计提供理论依据。 闭锁前,电容放电是造成过流的主要原因,但并非子模块的每个元件上都出现过流。二极管和IGBT的导通方向相反,投入的子模块电容器只能通过T1放电,D1和T2都不承受过流。对应各元件的仿真波形如图5所示,故障后流过T1的电流迅速增大超过额定电流峰值,如图5(a)所示,而流过D1和T2的电流故障后迅速减小到0,与分析结果一致。 子模块电容器储存的电场能量全部转化为阀电抗器储存的磁场能量时,桥臂电流达到峰值。由于二极管的作用,桥臂电流只能通过D2续流,而不会对