1.本发明属于柔性直流输电领域，具体是一种基于mmc拓扑的海上风电柔性直流输电系统的交流短路故障穿越方法。
背景技术：2.基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)的柔性直流输电(vsc-hvdc)系统具有占地小、有功无功解耦控制、不受输送距离限制等优势，当输送距离大于100km时，在技术以及成本方面都优于高压交流输电，因此被认为是海上风电场接入电网的主要技术手段。
3.通常海上风电柔性直流输电系统包括一个连接海上风电场的送端换流站、一个连接岸上交流电网的受端换流站以及连接两者的电缆。当岸上受端电网发生交流短路故障时，岸上换流站并网点电压跌落，将导致功率无法完全送出，进而在送端与受端产生功率差额。盈余的功率将对换流器电容持续充电导致直流侧电压持续上升，触发直流侧过电压保护，严重的还可能损坏换流器等设备，因此需要引入耗能装置来吸收盈余功率，确保输电系统实现交流短路故障穿越。避免输电系统发生过电压停运，保护输电系统各装置。
4.目前的耗能装置主要有集中式直流耗能装置与分布式直流耗能装置两种技术路线，集中式直流耗能装置采用单个集中式耗能电阻，需要器件直接串联，开关器件同时控制导通或关通断较为困难。分布式直流耗能装置将耗能电阻分布在若干个子模块中，通过控制耗能电阻投入的数量实现对盈余功率的吸收，但是由于需要控制子模块电容电压平衡，控制上较为复杂。此外，耗能装置一般并联在直流母线正负极之间，由于海上用地紧张，因此该类装置一般布置在岸上，也会增加建设用地成本。
技术实现要素：5.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种海上风电柔性直流输电系统的交流短路故障穿越方法。
6.为解决技术问题，本发明的解决方案是：
7.提供一种用于柔性直流输电系统的受端换流站的耗能子模块，该耗能子模块包括：第一开关单元，包括反向并联的第一可关断半导体器件t1和第一续流二极管d1；第二开关单元，包括反向并联的第二可关断半导体器件t2和第二续流二极管d2；所述第一开关单元与第二开关单元反向连接形成串联支路，耗能单元rd与该串联支路并联连接，并以耗能单元rd的两端作为耗能子模块rsm的连接端子。
8.作为本发明的优选方案，所述的第一开关单元与第二开关单元均为全控型电力电子器件。
9.本发明进一步提供了一种用于柔性直流输电系统的受端换流站的换流器；所述换流器包括三个结构相同且相互并联的桥臂支路，每个桥臂支路均由结构相同且对称布置的上桥臂和下桥臂组成，并由上下桥臂的连接中点引出交流输出的每一相；
10.在所述上桥臂和下桥臂中，均包括n个完全相同的半桥子模块sm、一个桥臂电抗器l，以及m个耗能子模块rsm；各半桥子模块sm串联后接至桥臂电抗器l的一端，各耗能子模块rsm串联后接至桥臂电抗器l的另一端；
11.所述m个耗能子模块rsm具有相同结构，其结构具体如前所述。m的具体数值依据输电系统的功率、电压等级和子模块中开关器件的耐压规格设定。
12.作为本发明的优选方案，所述半桥子模块sm是由两个开关单元同向串联形成，一个电容与该串联支路并联连接，并以开关单元串联支路的两个开关单元的中点以及该支路的其中一端作为半桥子模块的连接端子。
13.本发明进一步提供了一种能实现交流短路故障穿越的海上风电柔直输电系统，包括连接海上风电场的送端换流站、连接岸上交流电网的受端换流站，以及连接送端换流站和受端换流站的电缆；在所述受端换流站中，采用集成了分布式耗能装置的模块化多电平换流器拓扑，换流器的具体结构具体如前所述。
14.本发明进一步提供了一种基于前述系统的能实现交流短路故障穿越的海上风电柔直输电方法，包括以下步骤：
15.(1)当受端的岸上交流电网发生交流短路故障时，计算送端换流站输出功率与受端换流站输出功率之差，得到所需要消耗的盈余功率；
16.(2)根据盈余功率和换流器中单个耗能单元rd的电阻阻值，计算得到需要投入的耗能子模块rsm的数量；
17.(3)通过控制各桥臂支路中耗能单元rd的投入运行数量，实现盈余功率的消耗；
18.(4)当故障恢复后，控制第一开关单元与第二开关单元以切除全部耗能单元rd。
19.作为本发明的优选方案，当交流短路故障发生后，基于已有控制策略将受端换流站控制为一个电流源，其交流侧输出的电流幅值为定值，受端换流站的控制器中电流环以限幅值方式进行控制；当交流输出电流未达到控制器的限幅值时，通过增大交流输出电流来增大有功输出能力，此时无需耗能子模块动作。
20.作为本发明的优选方案，由于投入运行的耗能子模块rsm上会产生一定的电压降，为确保直流母线电压稳定在保护阈值范围内，需要根据直流母线电压的上升情况同步减少换流器每一相中处于投入状态的子模块数量。
21.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.1、在现有的受端换流站中，换流器与分布式直流耗能装置是各自独立的单体电气设备，需要分别配套水冷系统；在本发明中，由于是在换流器内部集成分布式模块化的耗能装置，只需根据输电系统的功率、电压等级和子模块中开关器件的耐压规格等条件，对原有的水冷系统进行少量扩展。相较于原本两套独立的水冷系统，本发明的设备购置和维护成本更有优势。同时，由于将分布式直流耗能装置与换流器进行了集成，装置的整体建设用地也得到了节省。
23.2、相对于现有的集中式直流耗能装置与分布式直流耗能装置两种技术路线，本发明中耗能子模块rsm的方案无需使用额外的电容，使用了更少的器件，更具成本优势。
24.3、本发明采用分布式耗能子模块设计，可以实现对盈余功率的精准泄放，能够实现用电故障的平稳穿越。
25.4、本发明只需在现有换流器的控制策略上进行部分改进，在换流器正常运行时，
耗能子模块通过电力电子器件旁路，因此不影响正常运行状态下换流器的控制策略。
附图说明
26.图1为本发明的受端换流站中换流器的拓扑图；
27.图2为耗能子模块拓扑图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
29.本发明所述海上风电柔性直流输电系统包括连接海上风电场的送端换流站、连接岸上交流电网的受端换流站和连接两者的电缆。在受端换流站中，采用集成了分布式耗能装置的模块化多电平换流器拓扑，其具体结构如下所述：
30.换流器包括三个结构相同且相互并联的桥臂支路，每个桥臂支路均由结构相同且对称布置的上桥臂和下桥臂组成，并由上下桥臂的连接中点引出交流输出的每一相；所述上桥臂和下桥臂中均包括n个完全相同的半桥子模块sm、一个桥臂电抗器l，以及m个耗能子模块rsm；各半桥子模块sm串联后接至桥臂电抗器l的一端，各耗能子模块rsm串联后接至桥臂电抗器l的另一端；所述耗能子模块rsm包括：第一开关单元，包括反向并联的第一可关断半导体器件t1和第一续流二极管d1；第二开关单元，包括反向并联的第二可关断半导体器件t2和第二续流二极管d2；所述第一开关单元与第二开关单元反向连接形成串联支路，耗能单元rd与该串联支路并联连接，并以耗能单元rd的两端作为耗能子模块rsm的连接端子。可选地，耗能子模块rsm中的第一开关单元与第二开关单元均采用全控型电力电子器件。
31.本发明中，半桥子模块sm是由两个开关单元同向串联形成，电容与该串联支路并联连接，并以开关单元串联支路的两个开关单元的中点以及该支路的其中一端作为半桥子模块的连接端子。半桥子模块sm的结构也可采用其它现有技术的实现方案。
32.本发明所述能实现交流短路故障穿越的海上风电柔直输电方法，包括：当受端的岸上交流电网发生交流短路故障时，计算送端换流站输出功率与受端换流站输出功率之差，得到所需要消耗的盈余功率；根据该盈余功率和换流器中单个耗能单元rd的电阻阻值，计算得到需要投入的耗能子模块rsm的数量；通过控制各桥臂支路中耗能单元rd的投入运行数量，实现盈余功率的消耗；当故障恢复后，控制第一开关单元与第二开关单元以切除全部耗能单元rd。
33.当交流短路故障发生后，基于已有控制策略将受端换流站控制为一个电流源，其交流侧输出的电流幅值为定值，受控制器中电流环的限幅值控制；当交流输出电流未达到控制器的限幅值时，通过增大交流输出电流来增大有功输出能力，此时无需耗能子模块动作。由于投入运行的耗能子模块rsm上会产生一定的电压降，为确保直流母线电压稳定在保护阈值范围内，需要根据直流母线电压的上升情况同步减少换流器每一相中处于投入状态的子模块数量。
34.受端换流站的换流器具体控制方法，示例如下：
35.在换流器(模块化多电平换流器，mmc)正常运行时，开通第一开关单元与第二开关单元，旁路全部的耗能单元rd，此时mmc的控制策略与传统mmc一致；
36.当交流电网发生短路故障后，直流母线电压升高，需要投入一定数量的耗能子模
块来吸收盈余功率实现故障穿越。考虑到mmc的控制策略中一般包含有环流抑制控制策略(ccsc)，可以得到交流短路故障时受端换流器上桥臂电流i
px
(x＝a，b和c分别代表换流器的a相、b相、c相，下同)与下桥臂电流i
nx
中仅含有直流分量i
dc
与交流输出电流k
limix
的一部分，根据三相电流关系可以得到：
[0037][0038]
在交流短路故障发生时，为了不影响mmc的运行，需要的每一相的上下桥臂中投入相同数量的耗能子模块，每个桥臂投入的总耗能电阻阻值为r
d_all
。由于三相桥臂电流之间存在三相对称的数学关系，可以得到换流器内所有处于投入状态的耗能电阻上的功率pr为一定值：
[0039][0040]
根据式(2)，在交流短路故障发生时，依据送端换流站与受端换流站的功率差δp，可以计算此时需要投入的耗能电阻阻值r
d_in
：
[0041][0042]
根据单个耗能电阻阻值rd，利用向上取整函数roundup()可以计算得到此时需要投入的耗能子模块数量nd_
in
：
[0043][0044]
每一相投入的耗能子模块上产生的压降u
d_in
：
[0045][0046]
在投入耗能子模块后，直流母线电压会上升，仍有可能超过直流母线电压保护阈值。为了确保直流母线电压稳定，可以减少每一相中处于投入状态的子模块数量。子模块中每个电容电压的额定值为uc，则在交流故障穿越期间，每一相处于投入状态的子模块数量n
in
为：
[0047][0048]
通过投入耗能子模块，同时相应减少处于投入状态的子模块数量，实现对盈余功率的吸收，并控制直流母线电压稳定在保护阈值范围内，完成故障穿越。待故障恢复后，开通第一开关单元与第二开关单元，旁路全部耗能单元rd。
[0049]
更为具体的描述如下所示。
[0050]
请参照图1，本发明实施例提供了一种集成在传统的换流器(模块化多电平换流器，mmc)内部的分布式耗能装置，将该全新的换流器用于海上风电柔性直流输电系统的受
端换流站。分布式耗能装置包括与桥臂串联连接的至少一个耗能子模块rsm。换流器的每个桥臂支路都相同，每个桥臂支路包括n个完全相同的半桥子模块sm，一个桥臂电抗器l，以及m个耗能子模块；交流输出从每一相的上下两个桥臂中点引出。
[0051]
请参照图2，所述的耗能子模块rsm包括：第一开关单元，包括反向并联的第一可关断半导体器件t1和第一续流二极管d1；第二开关单元，包括反向并联的第二可关断半导体器件t2和第二续流二极管d2，与所述第一开关单元反向串联连接；耗能单元rd与所述第一开关单元和第二开关单元的串联支路并联连接，所述耗能单元rd的两端作为所述耗能子模块rsm的连接端子。
[0052]
当系统正常运行时，所有耗能子模块rsm的第一可关断半导体器件t1和第二可关断半导体器件t2均导通，旁路耗能单元rd，此时耗能装置对mmc无影响。
[0053]
当岸上交流电网发生交流短路故障后，直流母线电压升高，此时依据桥臂电流以及需要泄放的盈余功率可以计算得到需要投入的耗能子模块数量。然后，关断相应数量的耗能子模块中的第一可关断半导体器件t1和第二可关断半导体器件t2，将相应数量的耗能电阻投入运行进行盈余功率的泄放。为避免投入耗能电阻后，直流母线电压上升过高超过保护阈值，需要减少mmc中每一相中处于投入状态的半桥子模块sm的数量，将直流母线电压控制在安全范围内。
[0054]
当故障恢复后，导通所有耗能子模块rsm中的第一可关断半导体器件t1和第二可关断半导体器件t2，同时将mmc种每一相中处于投入状态的半桥子模块sm数量恢复为n，完成整个故障穿越。
[0055]
本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
技术特征：1.一种用于柔性直流输电系统的受端换流站的耗能子模块，其特征在于，该耗能子模块包括：第一开关单元，包括反向并联的第一可关断半导体器件t1和第一续流二极管d1；第二开关单元，包括反向并联的第二可关断半导体器件t2和第二续流二极管d2；所述第一开关单元与第二开关单元反向连接形成串联支路，耗能单元r
d
与该串联支路并联连接，并以耗能单元r
d
的两端作为耗能子模块rsm的连接端子。2.根据权利要求1所述的耗能子模块，其特征在于，所述的第一开关单元与第二开关单元均为全控型电力电子器件。3.一种用于柔性直流输电系统的受端换流站的换流器；其特征在于，该换流器包括三个结构相同且相互并联的桥臂支路，每个桥臂支路均由结构相同且对称布置的上桥臂和下桥臂组成，并由上下桥臂的连接中点引出交流输出的每一相；在所述上桥臂和下桥臂中，均包括n个完全相同的半桥子模块sm、一个桥臂电抗器l，以及m个耗能子模块rsm；各半桥子模块sm串联后接至桥臂电抗器l的一端，各耗能子模块rsm串联后接至桥臂电抗器l的另一端；所述m个耗能子模块rsm具有相同结构，其结构具体如权利要求1所述。4.根据权利要求3所述的换流器，其特征在于，所述半桥子模块sm是由两个开关单元同向串联形成，一个电容与该串联支路并联连接，并以开关单元串联支路的两个开关单元的中点以及该支路的其中一端作为半桥子模块的连接端子。5.一种能实现交流短路故障穿越的海上风电柔直输电系统，包括连接海上风电场的送端换流站、连接岸上交流电网的受端换流站，以及连接送端换流站和受端换流站的电缆；其特征在于，在所述受端换流站中，采用集成了分布式耗能装置的模块化多电平换流器拓扑，其具体结构具体如权利要求3所述。6.一种基于权利要求5所述系统的能实现交流短路故障穿越的海上风电柔直输电方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)当受端的岸上交流电网发生交流短路故障时，计算送端换流站输出功率与受端换流站输出功率之差，得到所需要消耗的盈余功率；(2)根据盈余功率和换流器中单个耗能单元r
d
的电阻阻值，计算得到需要投入的耗能子模块rsm的数量；(3)通过控制各桥臂支路中耗能单元r
d
的投入运行数量，实现盈余功率的消耗；(4)当故障恢复后，控制第一开关单元与第二开关单元以切除全部耗能单元r
d
。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当交流短路故障发生后，基于已有控制策略将受端换流站控制为一个电流源，其交流侧输出的电流幅值为定值，受端换流站的控制器中电流环以限幅值方式进行控制；当交流输出电流未达到控制器的限幅值时，通过增大交流输出电流来增大有功输出能力，此时无需耗能子模块动作。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，由于投入运行的耗能子模块rsm上会产生一定的电压降，为确保直流母线电压稳定在保护阈值范围内，需要根据直流母线电压的上升情况同步减少换流器每一相中处于投入状态的子模块数量。
技术总结本发明涉及柔性直流输电领域，旨在提供一种能实现交流短路故障穿越的海上风电柔直输电系统及方法。该方法包括：当受端的岸上交流电网发生交流短路故障时，计算送端换流站输出功率与受端换流站输出功率之差，得到所需要消耗的盈余功率；根据盈余功率和换流器中单个耗能单元的电阻阻值，计算得到需要投入的耗能子模块的数量；通过控制各桥臂支路中耗能单元的投入运行数量，实现盈余功率的消耗；当故障恢复后，控制第一开关单元与第二开关单元以切除全部耗能单元。本发明是换流器内部集成分布式模块化的耗能装置，设备购置和维护成本更有优势且节约建设用地。耗能子模块通过电力电子器件旁路，因此不影响正常运行状态下换流器的控制策略。制策略。制策略。
技术研发人员：谢瑞 林斌 王霄鹤 杨文斌 陈敏 唐诵 张成浩 梁钊培
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.07.12
技术公布日：2022/11/1
