[发明专利]一种对称双极MMC直流侧单极接地故障穿越和恢复方法

说明书

本发明提出了一种对称双极MMC直流侧单极接地故障穿越和恢复方法。本发明通过直流断路器和换流器的配合，实现了对直流故障电流的开断和功率的恢复，保护换流器的安全运行。通过健全极和故障极的有功功率和无功功率配合减小了故障期间换流站的有功功率缺额，同时向电网提供额定的无功功率，减小了故障对交流系统的冲击；通过对换流器上、下桥臂参考电压共模分量的主动控制，避免了换流器因重合闸失败导致的过大的电流浪涌应力给系统安全运行带来的风险。基于对称双极MMC直流侧发生双极短路故障可看成正负极直流母线分别发生单极接地故障的一种特殊情况，因此本发明还可用于对称双极MMC直流侧发生双极短路故障的处理。

技术领域

本发明属于柔性高压直流输电系统直流故障保护领域，更具体地，涉及一种对称双极MMC直流侧单极接地故障穿越和恢复方法。

背景技术

由于能源短缺和环境保护等问题日益凸显，风力和太阳能等新型可再生能源发电量占总发电量的比例逐渐增加。在我国，风能、太阳能等能源大多集中在偏远地区，造成了能源和负荷的地理位置分布不均衡，需要长距离、大容量输送电能。在应用于长距离，大容量输电时，高压交流输电系统的成本和无功损耗随着输电距离的增加迅速增加。因此，高压直流输电技术逐渐引起国内外学者的关注，并得到了迅速的发展。

基于电压源型变换器VSC(Voltage Source Converter)的高压直流输电HVDC(High-Voltage Direct-Current)技术相对于传统直流输电技术具有：无需无功补偿、没有换相失败风险，可以独立调节系统的有功和无功功率等优势，引起了国内外学者广泛的关注。相比于传统的两电平和三电平拓扑结构，模块化多电平换流器MMC(ModularMultilevel Converter)具有结构高度模块化、易于扩展、无需多绕组隔离变压器和输出电压谐波低等优点，已在实际工程中得到应用，如美国的Transbay工程、中国的舟山五端柔性直流输电工程。

对称双极接线方案是目前MMC-HVDC系统主要的主接线方案之一。对称双极MMC相比对称单极MMC具有运行方式灵活、输送容量大、可靠性高、双极独立可控等优点。对称双极MMC在直流侧正负极中点接地，正负极相对独立。当系统的一极因故障退出运行时，另一极仍能正常运行，并保持一半的额定输送容量。当前已投运的对称双极直流输电工程有厦门柔性直流输电工程。

然而，对称双极MMC直流侧极对地故障的保护仍然是实际工程中的重大挑战。现有的MMC-HVDC系统中多采用器件少、造价经济的半桥子模块HBSM(Half-Bridge SM)。由于HBSM不具有直流故障自清除能力，则系统会产生过大的故障电流。这不仅会对换流器的器件造成损害，还会对交流系统产生较大的冲击，影响交流系统的稳定性。现有技术中，处理对称双极MMC直流侧单极接地故障主要有以下几种方法：

1)采用具有直流故障清除能力的子模块。在直流侧发生单极接地故障后，子模块立即闭锁。通过子模块电容建立反向电压迫使故障电流迅速衰减。但这种方法采用的子模块相比于半桥MMC需要额外的开关器件使得建设费用较高，运行损耗较大。故障期间，换流器闭锁对交流系统的功率冲击大。

2)采用高压直流断路器。当直流侧发生单极接地故障时，直流断路器执行开断操作以开断直流故障电流。采用这种方法在故障期间，由于故障极退出运行，导致系统传输的额定有功功率损失了一半，使得有功功率缺额大。同时，在直流断路器尝试重合闸时，若重合闸失败，则故障极相当于发生“二次短路”，巨大的浪涌电流应力将危害换流器安全运行。

综上所述，采用高压直流短路器处理对称双极MMC发生单极接地故障时，存在有功功率缺额大，重合闸时浪涌电流应力大的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了对称双极MMC直流极对地故障的穿越方法和恢复策略，旨在解决现有技术在直流侧极对地故障期间有功功率缺额大以及直流断路器重合闸时浪涌电流应力大的问题。