换流阀故障自穿越等效试验方法及其应用与流程

1.本发明涉及柔性直流换流阀等效试验，尤其是涉及一种海上风电柔性直流输电换流阀故障自穿越等效试验方法及其应用。


背景技术：

2.当海上风电系统发生网侧低压故障时，交流电压跌落使受端换流站功率送出能力下降，而风场输入的功率保持不变，造成功率盈余使系统过压，严重情况下可能会造成风机脱网。系统过电压以及功率盈余对换流阀在故障穿越期间的安全可靠运行提出了严苛的要求，因此对换流阀故障自穿越期间的等效试验是有必要的。
3.专利[1]（李春平.一种用于mmc柔性直流子模块稳态运行的测试装置和方法；201310652351）给出了交流由电抗连接的两个被测子模块的试验装置，但是该试验装置电抗器上流过的无功电流不能与实际的直流电流与有功电流相等效；文献[2]（吴亚楠, 吕天光, 汤广福,等. 模块化多电平vsc
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hvdc换流阀的运行试验方法, 中国电机工程学报）给出了两个换流阀交流由电抗器连接的等效试验装置，一个是辅助阀，另一个是测试阀；该文献给出了相角与电压的控制方法，可以实现回路电流产生直流分量与交流分量，但是需要保证两个换流阀之间流通的有功功率相互抵消，控制比较麻烦，且无法实现换流阀功率对推的等效试验。文献[3]（刘洪德，连建阳，谢晔源, 模块化多电平换流阀模块级等效运行试验研究，电力电子技术）将两个半桥型子模块串联后并联直流电源搭建了模块级的等效回路，并给出了功率对推的策略，但是并未对阀级等效，只适用于功率模块的等效。文献[4]（李建国，宋强，等.一种模块化多电平换流阀的等效功率对冲试验及其控制方法）将两个测试桥臂的中性点连接后并联辅助电源，给出了稳态运行时实现功率对推的试验回路，但并未对故障自穿越时的换流阀进行等效。专利[5]（贾科.一种适用于风电mmc
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mtdc系统的协调故障穿越方法，202010079516.5）给出了受端换流器交流出口故障时与风及协调控制的故障穿越方法，但是需要控制风机，操作复杂，且并未对故障穿越时换流阀内部进行等效。


技术实现要素：

[0004]
本发明是基于新型的集成功率盈余耗散功能子模块的等效试验回路，提出一种等效试验方法，实现换流阀稳态运行状态以及故障自穿越状态的切换以及换流阀故障自穿越状态的等效。同时利用集成盈余功率耗散功能的子模块实现等效试验回路故障自穿越后的恢复。
[0005]
其技术方案如下：一种换流阀故障自穿越等效试验方法，包括以下步骤：步骤一：建立换流阀故障自穿越等效试验电路，对换流阀子模块电容进行充电直至试验回路进入稳态运行；步骤二：利用电压源切换策略等效网侧故障；步骤三：利用耗能支路投切策略等效集成耗能支路的换流阀的故障自穿越以及盈
余功率消纳过程；步骤四：利用电压源切换策略以及耗能支路投切策略完成换流阀故障自穿越后的恢复以及子模块电容的放电。
[0006]
本发明还公开一种将上述换流阀故障自穿越等效试验方法应用于海上风电陆上换流阀故障自穿越等效试验。
[0007]
有益效果1.本发明利用两个并联的电压源1与电压源2之间的切换实现了海上风电系统正常工作与交流侧发生低压故障时换流阀不同受端电压的切换。
[0008]
2.利用电压源切换策略以及耗能支路投切策略实现了换流阀的故障自穿越的等效。
[0009]
3.利用耗能支路投切策略避免了因电压波动而导致的耗能支路误投入。
[0010]
4.利用耗能支路投切策略实现了换流阀的故障自穿越到正常工作状态的恢复。
附图说明
[0011]
图1为本发明提供的等效试验方法的原理图；图2为本发明提出的等效试验方法所适用的子模块图，其中图2（a）为半桥型子模块电路结构；图2（b）为全桥型子模块电路结构；图2（c）为钳位双型子模块电路结构；图3为本发明电压源的切换策略流程图；图4为本发明提供的故障自穿越等效试验方法工作流程以及耗能支路投切策略。
具体实施方式
[0012]
本发明是基于文献[4]（李建国，宋强，等.一种模块化多电平换流阀的等效功率对冲试验及其控制方法）以及专利（一种集成盈余功率耗散功能的新型mmc子模块拓扑，申请号：202110850502.3）提出的集成耗能装置的子模块提出了一种等效试验方法，其等效换流阀的故障自穿越且控制简单。
[0013]
一种换流阀故障自穿越等效试验方法，包括以下步骤：步骤一：建立换流阀故障自穿越等效试验电路，对换流阀子模块电容进行充电直至试验回路进入稳态运行；步骤二：利用电压源切换策略等效网侧故障；步骤三：利用耗能支路投切策略等效集成耗能支路的换流阀的故障自穿越以及盈余功率消纳过程；步骤四：利用电压源切换策略以及耗能支路投切策略完成换流阀故障自穿越后的恢复以及子模块电容的放电。
[0014]
下面结合附图1对试验步骤进行详细地描述。
[0015]
一种换流阀故障自穿越等效试验方法，包括以下步骤：步骤一：建立换流阀故障自穿越等效试验电路，对换流阀子模块进行充电直至试验回路进入稳态运行：所述等效实验电路结构为：所述等效试验电路包括电压源切换侧率模块以及耗能支路投切策略模块：电压源切换策略模块、耗能支路投切策略模块；所述电压源切换策略模
块包括电压源1、电压源2、开关k1、k2、k3以及电阻r1，所述电压源1正极与k2一端连接；k2另一端与k1、电阻r1一端连接；电压源2正极与k3一端连接，k3另一端与k1、电阻r1另一端连接；所述耗能支路投切策略模块包括半桥型子模块以及耗能支路，所述半桥型子模块与耗能支路并联；所述耗能支路包括开关器件s和耗能电阻r，开关器件s发射极与耗能电阻r相连，开关器件s集电极与子模块电容电容相连。所述换流阀子模块电容充电策略包括打开与缓充电电阻r并联的开关k1和与电压源2相连的开关k3，闭合与电压源1相连的开关k2，对子模块电容进行充电，直至试验电路达到稳态运行，达到稳态运行后，打开与缓充电电阻r并联的开关k1。
[0016]
参照图1、2（a,b,c）所示，电压源1提供两个测试桥臂正常工作电压以及为子模块电容充电；通过开关（控制电压源1的投入与切除）与缓充电电阻相连，缓充电电阻在子模块电容充电时投入；缓充电电阻与开关并联，开关控制缓充电电阻的投入与切除；电压源1、开关与并联支路（缓充电电阻与开关并联）组成的串联支路与电压源2（提供换流阀故障自穿越时的暂态过电压）和开关（控制电压源2的投入切除）构成的串联支路并联；再与两个稳压滤波电容和并联，两个稳压滤波电容之间接地；之后再与测试桥臂模块并联；前述的测试桥臂模块两个上桥臂和两个下桥臂分别并联再串联；前述上（下）桥臂包括子模块（smi，i=1，2，3，4）与耗能支路并联再与桥臂电抗串联；前述耗能支路为开关器件（半桥：s3；全桥：s5；钳位双：s6、s7）与电阻串联；前述子模块为半桥型子模块、全桥型子模块或钳位双型子模块。
[0017]
本发明上下桥臂均采用一个半桥型子模块，利用spwm控制子模块开关器件的开通与关断，同一测试桥臂上下桥臂信号相反，不同测试桥臂相差一个角度，给出两个测试桥臂的功率交换公式：其中：p为两个测试桥臂交换的有功功率；q为两个测试桥臂交换的无功功率；和分别是两个测试桥臂的相位角；和分别是两个测试桥臂的调制比；是直流侧电压；是两个上下桥臂阻抗并联再串联后的等效阻抗。由上述公式可知通过调节调制比与相位角可以改变两个测试桥臂之间流通的功率。
[0018]
参见图3所示，投入电压源1以及缓充电电阻，对上下桥臂子模块电容分别进行充电，当子模块电容电压达到稳态电压时，切除缓充电电阻。由前所述调节调制比与相位角控制两测试桥臂交换的功率，此时整个试验回路达到稳态。
[0019]
步骤二：利用电压源切换策略等效网侧故障；所述电压源切换策略模块包括电压源1、电压源2、开关k1、k2、k3以及电阻r1，所述电压源1正极与k2一端连接；k2另一端与k1、电阻r1一端连接；电压源2正极与k3一端连接，k3另一端与k1、电阻r1另一端连接。
[0020]
当海上风电系统交流侧发生低压故障时，换流阀直流侧电压变化以及功率变化如
公式所示：公式所示：是海上风电系统交流侧送出的有功功率；为风机发出的有功功率；是交流侧母线电压；是交流侧负载电压；是母线电压与负载电压的相位差；是换流阀直流侧故障前后的电压差；为直流系统等效电容，包括电缆电容，直流侧电容以及换流阀电容。
[0021]
当海上风电系统交流侧发生低压故障时，下降，导致下降，同时不变，因此大于零，导致直流侧电压快速上升。
[0022]
如图1、3所示，当试验回路进入故障自穿越后，切除电压源1，投入电压源2，提供暂态过电压。
[0023]
为电压源1电压；为电压源2电压；为比例积分系数。
[0024]
所述电压源切换策略，当海上风电系统交流侧发生低压故障时，闭合开关k3，打开开关k1，切除电压源1，投入电压源2；并通过pi控制迅速提升电压源2电压至暂态过电压，等效换流阀故障自穿越时直流侧实际电压。
[0025]
步骤三：利用耗能支路投切策略等效集成耗能支路的换流阀的故障自穿越以及盈余功率消纳过程：当直流侧电压上升后，子模块电容迅速充电导致子模块电容电压上升，同时由前所述，换流阀内部将出现功率盈余。如附图4所示，换流阀转入故障自穿越状态后，子模块电容电压由于子模块电容二次充电而上升，达到暂态过电压后开始投入耗能支路，耗能支路对盈余功率开始消纳，子模块电容电压开始下降。此后，当子模块电容电压下降到滞环控制下限（1pu）时切除耗能支路，耗能支路切除后，子模块电容再次充电导致电压上升，当子模块电容电压上升到滞环控制上限时，投入耗能支路。如附图4所示，耗能支路根据滞环控制上下限值控制切除与投入的过程持续至故障自穿越结束。
[0026]
耗能支路电阻根据下述公式来进行选取：r为耗能支路电阻；为每个子模块的盈余功率；为子模块电容稳态电压。
[0027]
步骤四：利用电压源切换策略以及耗能支路投切策略完成换流阀故障自穿越后的恢复以及子模块电容的放电：换流阀故障自穿越结束后，交流侧输出功率恢复正常，因此直流电压恢复正常。如图3和图4所示，切除电压源2，投入电压源1，将换流阀直流侧电压恢复至稳态状态。投入电压源1后代表海上风电系统交流侧结束故障状态。为避免换流阀内部仍然存在盈余功率，继续对子模块电容电压进行监测，若子模块电容电压大于滞环控制下限值，投入耗能支路，待
子模块电容电压恢复至滞环控制下限值后切除耗能支路，至此完成整个换流阀故障自穿越的等效。
[0028]
针对本发明所涉及到的电压源切换策略与耗能支路投切策略如下进行详细地介绍：本发明提出的电压源切换策略：首先关闭与电压源1相连的开关，打开与缓充电电阻并联的开关和与电压源2相连的开关，投入电压源1和缓充电电阻并切除电压源2，进行试验电路充电；充电结束后，关闭与缓充电电阻并联的开关，切除缓充电电阻，试验电路进入稳态；关闭与电压源2相连的开关，打开与电压源1相连的开关，切除电压源1，投入电压源2，提供暂态过电压模拟故障自穿越时换流阀受端电压抬升，在此情况下子模块电容开始再次充电；当子模块电容电压达到暂态过电压时，开始耗能支路的投切；故障模拟结束后，打开与电压源2相连的开关，关闭与电压源1相连的开关，投入电压源1，切除电压源2，子模块电容经耗能支路放电恢复额定电压后闭锁耗能支路。
[0029]
本发明提出的耗能支路投切策略： 当子模块电容电压达到提供的暂态过电压时，开始耗能支路的投切；此时由于换流阀内的盈余功率被耗能支路中的电阻消耗，子模块电容电压开始下降，当达到滞环控制下限（1pu）时切除耗能支路；由于换流阀故障自穿越未结束，换流阀受端电压未恢复至正常，子模块电容电压又开始上升，当达到滞环控制上限值（1.1pu）时投入耗能支路，此后按照滞环控制下限值（1pu）与滞环控制上限值（1.1pu）的标准进行耗能支路的投切，直至完成换流阀故障自穿越的模拟以及子模块电容电压恢复至额定电压。同时电压源2提供的暂态过电压为子模块电容电压的1.2pu，为了避免电压波动而引起的耗能支路误投入。
[0030]
实施例1通过下述具体实施例对整个等效试验方法进行描述：本发明提出的换流阀故障自穿越等效试验方法有以下实施例：步骤一：建立换流阀故障自穿越等效试验电路，包括电压源切换模块以及耗能支路投切模块；首先关闭与电压源1相连的开关，打开与缓充电电阻并联的开关和与电压源2相连的开关，投入电压源1和缓充电电阻并切除电压源2，通过spwm控制对子模块电容完成充电，充电完成后关闭与缓冲电电阻并联的开关，切除缓充电电阻。
[0031]
步骤二：关闭与电压源2相连的开关，打开与电压源1相连的开关，切除电压源1，投入电压源2；并对电压源2通过pi控制快速提升至暂态过电压，等效故障自穿越时的换流阀受端电压抬升，子模块电容电压再次充电。
[0032]
步骤三：当子模块电容电压升高至暂态过电压之后开始投入耗能支路，并在此之后保持电压源2投入状态，并当子模块电容电压上升至滞环控制上限值（1.1pu）时打开耗能支路，在电压下降至滞环控制下限值（1pu）时关闭耗能支路。
[0033]
步骤四：换流阀故障自穿越结束后打开与电压源2相连的开关，关闭与电压源1相连的开关，切除电压源2，投入电压源1，利用耗能支路对子模块电容进行放电，待子模块电容恢复至额定电压时闭锁耗能支路。
[0034]
本发明提出的等效试验方法同样适用于全桥型、钳位双型mmc子模块，具体的试验
步骤一致。
[0035]
本发明提出的电压源切换策略能够模拟网侧各种低压故障，只需对电压源2设置不同的暂态过电压数值即可。利用该电压源切换策略实现了换流阀故障自穿越时换流阀受端电压的等效以及从稳态到故障自穿越的切换。
[0036]
通过步骤三实现了换流阀在故障自穿越期间的等效，等效了换流阀的各种电气应力，以及盈余功率的消纳情况。
[0037]
本发明提出的耗能支路投切策略根据不同的子模块电容电压允许波动值可以更改耗能支路投切的滞环控制上下限值。同时可以安全有效地结束换流阀故障自穿越的等效，保证了换流阀故障自穿越等效试验的完成。
[0038]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。