[发明专利]全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法

说明书

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法。

背景技术

模块化多电平换流器MMC自西门子公司提出之后就备受关注。它通过在换流器正、负直流母线之间串联子模块单元来构成多电平输出的结构，该拓扑具有无需大量绝缘栅双极型晶体管IGBT直接串联，器件承受电压电流变化率低，无需滤波器等优点，从而克服了传统两电平和三电平电压源换流器的全控型开关器件的耐压与功率限制问题，故其应用于高压直流输电中的模块化多电平换流器MMC-HVDC的研究引起国内外学者的广泛重视。

模块化多电平换流器MMC常见的拓扑结构有半桥型模块化多电平换流器HB-MMC和全桥型模块化多电平换流器FB-MMC，半桥型模块化多电平换流器HB-MMC输出交流电压的峰值小于单极直流电压，否则将通过二极管形成交流侧向直流侧导通通路从而导致短路，直流侧故障时会导致该情况发生。有文献提出的全桥型模块化多电平换流器FB-MMC，其子模块采用全桥子模块FBSM,其工作原理及控制方式与半桥型模块化多电平换流器HB-MMC类似，换流器损耗和建设投资也成倍增加，但其具有穿越直流故障的能力，通过灵活应用子模块输出的负电平可令逆变器输出交流电压的峰值大于单极直流电压，从而通过减小桥臂电流降低换流器损耗，提高直流电压利用率。由于模块化多电平换流器MMC由大量级联子模块构成，故一旦子模块故障，若不采取任何措施，换流器将无法正常工作，因此一般每个桥臂都要配置冗余模块，一旦检测到子模块故障将投入冗余子模块。有文献对半桥型模块化多电平换流器HB-MMC的冗余保护进行了研究，但高压直流输到系统的全桥型模块化多电平换流器FB-MMC-HVDC子模块故障的诊断及故障后的保护尚未有系统全面的研究。

发明内容

本发明针对全桥型模块化多电平高压直流输电系统FB-MMC-HVDC的系统故障进行研究，提出了一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法。

一种全桥型MMC-HVDC子模块故障就地诊断与保护方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：通过监测子模块的电气量和通信状态，实现全桥型子模块故障的就地诊断；

步骤2：诊断到子模块故障信号时，子模块控制器SMC闭锁故障子模块，同时将故障信号传送到阀基控制器VBC；

步骤3：闭锁子模块后通过子模块控制器SMC触发旁路装置旁路故障子模块，实现故障子模块和系统的保护；

步骤4：单个子模块故障发生后，阀基控制器VBC在排序时跳过故障子模块，用于保证故障子模块的触发脉冲始终为0；

步骤5：当故障子模块个数大于桥臂冗余子模块个数时，由阀基控制器VBC发出全站闭锁信号，使整个换流站停运；

步骤6：通信故障或上级控制器故障发生时，将故障数据传输通道切换至冗余通道或将故障控制器切换至冗余控制器，若信号传输通道切换时间过长，则通过调用历史脉冲命令的方法保持系统稳定。

步骤1中，全桥型子模块故障包括电力电子器件故障、储能电容故障和触发脉冲丢失故障，具体故障的诊断方法为：

（1）电力电子器件的故障诊断：电力电子器件故障是通过实时监测子模块桥臂电流、电容电压和电力电子器件的电气量数据，与稳态时的状态逻辑进行对比，若状态不一致，则输出故障信号；

（2）储能电容故障诊断：通过监测电容的电压值，并将监测到电压值与设定的第一阈值进行差值比较，若差值的绝对值大于设定的第二阈值，则输出故障信号；

（3）触发脉冲丢失故障诊断：通过监测通信中阀基控制器VBC发出的脉冲与子模块控制器SMC返回的触发脉冲是否一致；发生故障后，将故障通信光纤切换至冗余光纤。

步骤3中，子模块故障后SMC将触发旁路装置,通过反并联晶闸管实现快速旁路，同时闭合电磁开关，电磁开关闭合后实现永久旁路。

步骤4中，阀基控制器VBC在排序时跳过故障子模块的方法采用将故障子模块电容电压赋极值或边界值，用于保证故障子模块的触发脉冲始终为0。

步骤6中，阀基控制器VBC和子模块控制器SMC间通信采用光纤通信；调用历史脉冲命令的方法保持系统稳定的方法包括：

步骤a：根据单个桥臂导通子模块个数周期性变化的特点，时刻存储n个周期的触发脉冲指令并动态更新；

步骤b：判断通信故障或上层控制器故障时，通道切换时间是否超过设定时长；若超过设定时长，则执行步骤c；

步骤c：调用n个周期前的触发指令保持系统稳定。

任一时刻单个桥臂子模块导通个数计算方法：