本发明涉及一种MMC‑HVDC交流侧三相接地故障的过电流计算方法和系统，其中，方法包括以下步骤：根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC‑HVDC交流侧故障发生瞬间MMC‑HVDC换流站等效的物理模型；根据所述物理模型建立MMC‑HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压、下桥臂电流的数学模型；根据所述物理模型和数学模型计算上桥臂电流上升速率和下桥臂电流上升速率；根据桥臂电流上升速率、下桥臂电流上升速率确定MMC‑HVDC交流侧故障的过电流。上述过电流计算方法，基于简化电路和数学模型，能够显著提高计算效率，减少校核换流器中全控器件电流裕度所花费的时间。
1.一种MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型；
根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压和下桥臂电流的数学模型；
根据所述物理模型和数学模型计算上桥臂电流上升速率和下桥臂电流上升速率；
根据上桥臂电流上升速率和下桥臂电流上升速率确定MMC-HVDC交流侧故障的过电流。
2.根据权利要求1所述的过电流检测方法，其特征在于，所述根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型的步骤包括：检测故障发生瞬间上桥臂电流和下桥臂电流；
根据MMC电路结构和运行参数确定上桥臂的各子模块电容值，根据MMC的电路结构和运行参数确定下桥臂的各子模块电容值；
根据故障发生瞬间上桥臂电流、下桥臂电流、上桥臂的各子模块电容值和下桥臂的各子模块电容值，确定上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的电容电压的变化率；
根据上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的电容电压的变化率建立与故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型。
3.根据权利要求2所述的过电流检测方法，其特征在于，所述MMC电路结构和运行参数包括：MMC的视在功率S，电容电压波动百分比ε，调制比m，单个桥臂的子模块数N、功率因数以及额定角频率ωo。
4.根据权利要求3所述的过电流检测方法，其特征在于，所述上桥臂的子模块电容值和下桥臂的子模块电容值CSM可采用如下方式确定：其中，uSM表示单个子模块的电容电压。
5.根据权利要求1所述的过电流检测方法，其特征在于，根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压和下桥臂电流的数学模型的步骤包括：根据所述物理模型确定MMC-HVDC交流侧故障下故障点处的电压、上桥臂电压以及下桥臂电压；
根据MMC-HVDC交流侧故障下故障点处的电压、上桥臂电压以及下桥臂电压，确定过流过程中的上桥臂电压、下桥臂电压、上桥臂电流和下桥臂电流与直流侧电压、直流侧电流和交流侧电流的关系。
6.一种MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测系统，其特征在于，包括：第一获取模块，用于根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型；
第二获取模块，用于根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压和下桥臂电流的数学模型；
第一计算模块，用于根据所述物理模型和数学模型计算上桥臂电流上升速率和下桥臂电流上升速率；
第一确定模块，用于根据上桥臂电流上升速率和下桥臂电流上升速率确定MMC-HVDC交流侧故障的过电流。
7.根据权利要求6所述的过电流检测系统，其特征在于，所述第一获取模块包括：第一检测单元，用于检测故障发生瞬间上桥臂电流和下桥臂电流；
第二确定单元，用于根据MMC电路结构和运行参数确定上桥臂的各子模块电容值，根据MMC的电路结构和运行参数确定下桥臂的各子模块电容值；
第三确定单元，用于根据故障发生瞬间上桥臂电流、下桥臂电流、上桥臂的各子模块电容值和下桥臂的各子模块电容值，确定上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的电容电压的变化率；
第一获取单元，用于根据上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的电容电压的变化率建立故障发生瞬间与MMC-HVDC换流站等效的物理模型。
8.根据权利要求7所述的过电流检测系统，其特征在于，所述MMC电路结构和运行参数包括：MMC的视在功率S，电容电压波动百分比ε，调制比m，单个桥臂的子模块数N、功率因数以及额定角频率ωo。
9.根据权利要求8所述的过电流检测系统，其特征在于，所述上桥臂的子模块电容值和下桥臂的子模块电容值可采用如下方式确定：其中，uSM表示单个子模块的电容电压。
10.根据权利要求6所述的过电流检测系统，其特征在于，所述第二获取模块包括：第二获取单元，用于根据所述物理模型确定MMC-HVDC交流侧故障下故障点处的电压、上桥臂电压以及下桥臂电压；
第三获取单元，用于根据MMC-HVDC交流侧故障下故障点处的电压、上桥臂电压以及下桥臂电压，确定过流过程中的上桥臂电压、下桥臂电压、上桥臂电流和下桥臂电流与直流侧电压、直流侧电流和交流侧电流的关系。
MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法和系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种MMC-HVDC交流侧故障的过电流计算方法和系统。
背景技术
[0002] 柔性直流输电，是一种基于全控器件的VSC-HVDC(voltage source converter based high voltage direct current equipment，电压源换流器高压直流输电)。它具有无换相失败危险、有功和无功功率可独立控制、可在电网故障下提供支撑等优点，在可再生能源发电并网、异步联网和大城市中心负荷供电等场合具有广阔的应用前景。MMC(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)作为一种新型的多电平换流器，极大地推动了柔性直流输电技术的发展。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)的桥臂采用了子模块级联的方式，在具有VSC-HVDC优点的同时，还兼具模块化程度高、谐波含量小、阶跃电压低、可以与高压电网直接相连等优点。
[0003] 由于MMC-HVDC采用全控电力电子器件作为实现功率变换的核心部件，限于当前全控器件的工艺水平，桥臂的过流能力有限。特别是在交流侧发生故障时，如果全控器件的电流裕度不够，容易引起桥臂过流而闭锁换流器，难以发挥柔性直流输电在电网故障下的支撑作用。为了能够合理地选取全控器件，通常需要根据工程的实际特性检测交流故障下的过电流水平。而三相接地故障作为最严重的一类交流故障，其最大故障电流即决定了过电流的峰值。因此，交流侧三相接地故障的过电流检测，直接关系到换流器设计的可靠性，成为了校验全控器件选型的基础。鉴于MMC-HVDC存在多种运行工况，且故障可能发生在任何时刻，因此必须找到一种既精确又高效的过电流检测方法。
[0004] 目前可以通过在电磁暂态仿真软件中搭建详细的MMC-HVDC模型来确定交流侧三相接地故障的过电流。与两电平、三电平VSC-HVDC在电磁暂态仿真中采用单个器件代表整个换流阀不同，MMC-HVDC在电磁暂态仿真中必须单 独仿真超大数量的开关器件，效率低，耗费硬件资源多。并且，在实际工程设计中往往要求对全运行工况范围内的工作点进行全扫描计算，检测效率低。
发明内容
[0005] 基于此，有必要针对MMC-HVDC交流侧三相接地故障的过电流检测效率低、占用硬件资源多的问题，提供一种MMC-HVDC交流侧三相接地故障的过电流检测方法和系统。
[0006] 一种MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法，包括以下步骤：
[0007] 根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型；
[0008] 根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压、下桥臂电流的数学模型；
[0009] 根据所述物理模型和数学模型计算上桥臂电流上升速率和下桥臂电流上升速率；
[0010] 根据桥臂电流上升速率、下桥臂电流上升速率确定MMC-HVDC交流侧故障的过电流。
[0011] 一种MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测系统，包括：
[0012] 第一获取模块，用于根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型；
[0013] 第二获取模块，用于根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压、下桥臂电流的数学模型；
[0014] 第一计算模块，用于根据所述物理模型和数学模型计算上桥臂电流上升速率和下桥臂电流上升速率；
[0015] 第一确定模块，用于根据桥臂电流上升速率、下桥臂电流上升速率确定MMC-HVDC交流侧故障的过电流。
[0016] 上述MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法和系统，通过建立与故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型，建立故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压、下桥臂电流的数学模型，确定最大过电流，无需在 PSCAD/EMTDC等专业电磁暂态仿真软件中进行大量的扫描仿真，能够显著提高计算效率，显著减少校核换流器中全控器件电流裕度所花费的时间，进而缩短整个MMC-HVDC规划设计的周期，具有重要的工程实用价值。
附图说明
[0017] 图1是一个实施例的MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法的流程图。
[0018] 图2是一个实施例的MMC-HVDC中换流站的结构示意图。
[0019] 图3是一个实施例的换流站中桥臂子模块的结构示意图。
[0020] 图4是一个实施例的建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型的方法流程图。
[0021] 图5是一个实施例的交流侧故障发生瞬间与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型。
[0022] 图6是一个实施例的交流侧故障发生瞬间与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站进一步等效的物理模型。
[0023] 图7是一个实施例的根据等效物理模型建立故障下的数学模型的方法流程图。
[0024] 图8是一个实施例的MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测系统的结构示意图。
[0025] 图9是一个实施例的第一获取模块的结构示意图。
[0026] 图10是一个实施例的第二获取模块的结构示意图。
具体实施方式
[0027] 下面结合本发明附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0028] 如图1所示，图1是一个实施例的MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法的流程图。本发明提供的MMC-HVDC交流侧故障的过电流计算方法包括以下步骤：
[0029] S10，根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型；
[0030] 图2所示的是MMC-HVDC中换流站的结构示意图。如图2所示，换流站每一相可以分上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块和与子模块串联的桥臂电感组成。子模块结构如图3所示，包括一个储能电容器CSM，以及T1、T2两个IGBT和D1、D2反并联二极管构成的半H桥电路。当T1导通时，子模块输出的电压为电容电压，称该类工作模式为“投入状态”。在投入状态下，电流如果是流入子模块，则电容充电，电容电压升高；电流如果是流出子模块，则电容放电，电容电压降低。当T2导通时，子模块被旁路，输出电压为0，称此类工作模式为“切除状态”。在切除状态下，无论电流流向如何，电容电压基本保持不变。
[0031] 本步骤中的交流侧三相接地故障，是指发生在图2所示联接变压器电网侧的交流接地故障，其特征是电网三相交流电压有效值瞬时跌落到同一水平。对于联接变压器阀侧发生的交流接地故障，属于换流站内故障，不在本发明的讨论范围之内。
[0032] 如图4所示，图4是一个实施例的建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型的方法流程图。具体流程如下：
[0033] S101，检测故障发生瞬间上桥臂电流和下桥臂电流；
[0034] 当发生故障时，电路中的电流、电压平衡被打破。此时，故障电流持续注入上桥臂和下桥臂，导致上桥臂和下桥臂中子模块的电容电压改变。
[0035] S102，根据MMC电路结构和运行参数确定上桥臂各子模块的电容值，根据MMC电路结构和运行参数确定下桥臂各子模块的电容值；
[0036] 在一个实施例中，MMC电路结构和运行参数可包括：MMC的视在功率S，电容电压波动百分比ε，调制比m，单个桥臂的子模块数N、功率因数 以及额定角频率ωo。子模块电容值CSM可由下式进行设计和选型：
[0037]
[0038] S103，根据故障发生瞬间上桥臂的电流、下桥臂的电流、上桥臂的电容值和下桥臂的电容值，确定上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的 电容电压的变化率；
[0039] 在交流侧三相接地故障发生的瞬间，由于对侧(非故障侧)的支撑作用，可以认为直流侧电压基本保持不变。另一方面，上桥臂投入的子模块电容串联在一起，上桥臂等效为一个电容，电容电压为：
[0040] uTarm＝nTuSM (2)
[0041] 式中，uTarm为等效的上桥臂电容电压，即桥臂电压；uSM为单个子模块的电容电压，nT为故障时刻上桥臂投入的子模块数量。子模块电容电压与桥臂电流之间有以下关系：
[0042]
[0043] S104，根据上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的电容电压的变化率建立与故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型。
[0044] 下面结合应用实施例作进一步的说明。
[0045] 以一次实际获取结果作为分析对象，获得本申请的各项参数如下：结合式(1)(3)，进行标幺化计算，取NuSM＝Udc＝2.8pu，m＝0.9， ε＝5％，S＝3.33pu，并且假定桥臂故障电流上升到额定值的1.5倍，可得子模块电容电压变化率为：
[0046]
[0047] 亦即桥臂故障电流持续注入子模块电容，会导致其电压每秒出现70倍的变化，则每毫秒的变化为0.07倍的子模块电容电压。而桥臂的过电流通常出现在故障发生后的几百微秒之内，之后MMC-HVDC的控制保护系统会采取相应措施，降低桥臂故障电流。因此，在分析过流的物理发展过程中，认为子模块电容电压基本保持不变。
[0048] 在实际操作中，以上各项参数可以选择不同的值。然而，在实际生产中，以上各项参数的值一般不会与上述所选值相差太多，一般在同一数量级。因此，不同的取值对上述推导所得出的结果将不会产生太大影响。
[0049] 通过上面的分析，电网故障时，受端的故障等效物理模型如图5所示。
[0050] 对图5进行进一步简化，可以得到如图6所示的等效物理模型。可以看到，上下桥臂并联，向故障处注入电流。
[0051] S20，根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压、下桥臂电流的数学模型；
[0052] 当电网电压发生跌落时，由于换流器控制保护系统的采样、通讯、计算等过程需要一定的时间，因此换流器仍保存故障前的运行状态不变，上下桥臂投入的子模块数基本保持稳定，即上下桥臂电压来不及变化，而故障点处电压迅速下降，两者的压差降落在桥臂电感和变压器等效电感上，从而导致桥臂电流急剧上升。根据图6及基尔霍夫电压电流定律，可以得到过流过程中的电压电流方程：
[0053]
[0054] 式中Larm为桥臂电感，Lt为变压器等效电感，uTarm、uBarm为上、下桥臂电压，iTarm、iBarm为上、下桥臂电流，ufault为故障点处电压，UDC、iAC为直流侧电压和交流侧电流。
[0055] 而根据MMC的运行原理，桥臂电流与交流电流，桥臂电压与直流电压存在以下关系：
[0056]
[0057] 式(5)(6)即为故障下的MMC数学模型。
[0058] S30，根据所述等效简化电路和数学模型计算上桥臂电流上升速率、下桥臂电流上升速率；
[0059] 本步骤中的桥臂电流上升速率，是指故障发生之后，MMC-HVDC控制保护 系统响应之前，桥臂的故障电流上升率。通常这个上升过程维持在几百微秒之内，之后控制保护系统动作，抑制了电流上升。
[0060] S40，根据桥臂电流上升速率、下桥臂电流上升速率确定MMC-HVDC交流侧故障的过电流。
[0061] 本步骤中计算的最大过电流，是指MMC-HVDC全工况所有工作点内理论上能出现的最大故障电流。
[0062] 结合式(5)(6)，即可得到桥臂电流上升率为：
[0063]
[0064] 将UDC＝uTarm+uBarm代入上式，可知上桥臂和下桥臂的电流上升率是相同的：
[0065]
[0066] 根据式(8)，当uTarm＝0，ufault＝0时，即当上桥臂投入的子模块数为0，桥臂电流的上升率最大，为：
[0067]
[0068] 式(9)即为桥臂电流在交流侧三相接地故障下能出现的最大上升率。对应的工况为MMC满调制，交流侧三相电压跌落为0，故障发生在阀侧电压的峰值时刻。此时桥臂电流有可能也正好处在峰值处，便可得到MMC-HVDC桥臂可能出现的最大过电流：
[0069]
[0070] 式中Δt为故障发生时刻到控制保护系统采取故障电流抑制策略之间的延时，iarm_peak为桥臂电流正常运行状态下的峰值。式(10)得到的结果为理论上的最大过电流水平，不受运行工况和故障发生时刻的影响，具有较好的精确度。
[0071] 下面结合附图对本发明的MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测系统的实施例进行阐述。
[0072] 如图8所示，图8是一个实施例的MMC-HVDC交流侧故障的过电流计算系统的结构示意图。上述系统包括：
[0073] 第一获取模块，用于根据MMC的电路结构和运行参数，建立与MMC-HVDC交流侧故障发生瞬间MMC-HVDC换流站等效的物理模型；
[0074] 第二获取模块，用于根据所述物理模型建立MMC-HVDC交流侧故障下上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压、下桥臂电流的数学模型；
[0075] 第一计算模块，用于根据所述物理模型和数学模型计算上桥臂电流上升速率和下桥臂电流上升速率；
[0076] 第一确定模块，用于根据桥臂电流上升速率、下桥臂电流上升速率确定MMC-HVDC交流侧故障的过电流。
[0077] 此处的交流侧三相接地故障，是指发生在图2所示联接变压器电网侧的交流接地故障，其特征是电网三相交流电压有效值瞬时跌落到同一水平。对于联接变压器阀侧发生的交流接地故障，属于换流站内故障，不在本发明的讨论范围之内。
[0078] 图9是一个实施例的第一获取模块的结构示意图。所述第一获取模块包括：
[0079] 第一检测单元，用于检测故障发生瞬间上桥臂电流和下桥臂电流；
[0080] 第二确定单元，用于根据MMC电路结构和运行参数确定上桥臂各子模块的电容值，根据MMC电路结构和运行参数确定下桥臂各子模块的电容值；
[0081] 第三确定单元，用于根据故障发生瞬间上桥臂的电流、下桥臂的电流、上桥臂的子模块电容值和下桥臂的子模块电容值，确定上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的电容电压的变化率；
[0082] 第一获取单元，用于根据上桥臂子模块的电容电压的变化率和下桥臂子模块的电容电压的变化率建立故障发生瞬间与MMC-HVDC换流站等效的物理模型。
[0083] 如图10所示，图10是一个实施例的第二获取模块的结构示意图。所述第二获取模块包括：
[0084] 第二获取单元，用于根据所述物理模型确定MMC-HVDC交流侧故障下故障点处的电压、上桥臂电压以及下桥臂电压；
[0085] 第三获取单元，用于根据MMC-HVDC交流侧故障下故障点处的电压、上桥臂电压以及下桥臂电压，确定过流过程中的上桥臂电压、下桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电流与直流侧电压、电流、交流侧电流的关系。
[0086] 本发明的MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测系统与本发明的MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法一一对应，在上述MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于MMC-HVDC交流侧故障的过电流检测系统的实施例中，特此声明。
[0087] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0088] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
