一种模块化多电平换流器的过电流保护配置方法和系统

技术领域

本发明属于电力系统中柔性输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流 器的过电流保护配置方法和系统。

背景技术

柔性直流输电采用电压源换流器，可以独立调节有功和无功的传输、提高交 流系统的输电能力，易于构成多端直流输电系统，在可再生能源的发电并网、孤 岛城市供电以及交流系统互联等应用领域，具有明显的竞争力。

模块化多电平换流器(MMC)的阀臂由多个子模块组成，通过多个子模块输 出电平的叠加输出正弦波信号，具有开关频率降低、损耗低、谐波小等优点，易 于拓展至更高电压等级，是目前柔性输电研究应用的主要方向。MMC阀组占据了 柔性输电换流站投资的主要部分，其中的主要元器件IGBT、二极管相对于变压 器、电抗器、线路等设备对过电流异常敏感。

在实际MMC拓扑中，由于故障位置的不同，产生故障电流大小不同，故障电 流、对阀组安全性的威胁差别很大。尤其出现阀臂内部短路故障时，由于阀臂多 个子模块的电容电压经IGBT和铜排直接短路放电，回路中的电感和电阻非常小， 仿真的短路电流上升极为迅速，达到1kA/μs，大小超过50kA，对阀组威胁极大， 所以需要通过一定措施抑制桥臂电流尖峰。

IGBT器件的安全工作区限定了超过额定两倍的故障电流，持续超过10μs， 器件就不能保证可靠关断。两倍的故障电流，持续1ms就可能导致器件损坏。微 秒级的过电压脉冲就可能造成IGBT的彻底损坏。上述因素，导致直流控制保护 系统在阀组本体保护中的作用受到了很大限制。这一点与传统直流输电系统相比 有很大的区别。

对MMC换流器过电流保护的要求如下：不经电抗器的直接短路故障，故障电 流大，上升速度快，必须在10μs左右的时间内迅速切断故障电流；经过电抗器 的内部或近端区外电流型故障，电流上升率受到了电抗器的限制，但必须在500 μs时间内采取保护措施，否则将会超过IGBT允许的最大电流或允许的故障电 流时间；对区内电流型故障要有足够的灵敏度；高阻或交流区外的受限型电流型 故障，对阀组威胁小，保护动作速度要求不高，对于临时性故障需要维持换流器 的持续运行。

因此，需要针对MMC换流器阀组的特点，制定一种更为快速有效的过电流保 护配置方法和系统，能够在交流系统短路、直流极短路、以及换流阀短路等不同 故障的情况下，快速正确的进行保护动作，提高换流器的可靠性。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种模块化多电平换流器的过电流保护配置方法和 系统,能够保证换流器在交流系统和换流器故障时，均能可靠的动作，保护换流 阀模块不受过电流应力而损坏，从而可以提高换流器的可靠性，适合于工程应用。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种模块化多电平换流器的过电流保护配置方法，该保护配置方法在直流控 制保护PCP层配置换流阀交流过电流保护或者换流阀桥臂过电流保护或者均配 置、在换流器阀基控制VBC层配置换流阀桥臂过电流保护、在换流器子模块层配 置IGBT元件过电流保护；所述各个保护层的过电流保护的保护定值和保护延迟 通过反时限保护法相互配合，对换流器阀组和换流阀元件的过电流进行协调保 护。

上述PCP层配置m段换流阀交流过电流保护，每段交流过电流保护均通过实 时检测换流器交流端出口处的交流电流值，与相应的保护定值比较，判断换流器 阀组是否过电流，如过电流则保护动作闭锁换流器；其中m为大于零的自然数， m段交流过电流保护的动作定值关系为：Ivo1>Ivo2>…>Ivom>Inom，Inom为换流 器额定交流电流，Ivo1、Ivo2、…、Ivom、Inom均为大于零的实数；m段交流 过电流保护的动作延迟关系为：Tio1<Tio2<…<Tiom，Tio1、Tio2、…、Tiom 均为大于等于零的实数。

上述PCP层配置n段桥臂过电流保护，每段桥臂过电流保护均通过实时检测 所有桥臂的电流值，并与相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电流，如 检测到任一桥臂过电流则保护动作闭锁换流器；其中n为大于等于零的整数，n 段桥臂过电流保护的动作定值关系为：Iboc1>Iboc2>…>Ibocn>Ibnom，Ibnom为 换流器额定交流电流，Iboc1、Iboc2、…、Ibocn、Ibnom均为大于零的实数； n段桥臂过电流保护的动作延迟关系为：Tboc1<Tboc2<…<Tbocn，Tboc1、 Tboc2、…、Tbocn均为大于等于零的实数。

上述VBC层配置的换流阀桥臂过电流保护，通过实时检测流过换流器桥臂阀 组的电流值，与设定的过电流定值Ibrco1进行比较，判断换流阀桥臂是否过电 流，如桥臂过电流持续一段时间Tbrco1，则保护动作闭锁该桥臂阀组；Ibo1和 Tbo1均为大于等于零的实数。

上述换流器子模块层配置的IGBT元件过电流保护，实时检测IGBT导通管压 降来检测IGBT的故障电流，判断子模块导通的IGBT管压降大于设定值Vo1时， 立即闭锁该子模块、关断故障电流，并通过子模块机械旁路开关将子模块旁路； Vo1为大于零的实数。

上述各个保护层的过电流保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相 互配合如下，PCP层配置的桥臂过电流保护动作定值为Iboc1…Ibocn、保护动作 延迟为Tboc1…Tbocn，VBC层配置的桥臂过电流保护动作定值为Ibrco1、保护 动作延迟为Tbrco1,换流器桥臂电流额定值为Ibnom，各保护动作定值配合关系 为：Ibrco1>Iboc1>Iboc2>…>Ibocn>Ibnom、各保护动作延迟的配合关系为： Tbrco1<Tboc1<Tboc2…<Tbocn。

上述换流器过电流保护配置方法适用于采用模块化结构的电压源换流器。

另外本发明提供一种模块化多电平换流器的过电流保护配置系统，该系统包 括换流阀交流过电流保护装置、桥臂过电流保护装置、子模块IGBT元件过电流 保护装置，其中，换流阀交流过电流保护装置配置在直流控制保护PCP层，桥臂 过电流保护装置配置在换流器阀基控制VBC层或者直流控制保护PCP层或者两层 均配置，子模块IGBT元件过电流保护装置配置在换流器子模块层。所述各个保 护层的过电流保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对换流器 阀组和换流阀元件的过电流进行协调保护。

上述PCP层配置的换流阀交流过电流保护装置使用m段换流阀交流过电流保 护，每段交流过电流保护均通过实时检测换流器交流端出口处的交流电流值，与 相应的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电流，如过电流则保护动作闭锁换 流器；其中m为大于零的自然数，m段交流过电流保护的动作定值关系为： Ivo1>Ivo2>…>Ivom>Inom，Inom为换流器额定交流电流，Ivo1、Ivo2、…、Ivom、 Inom均为大于零的实数；m段交流过电流保护的动作延迟关系为：Tio1<Tio2<…< Tiom，Tio1、Tio2、…、Tiom均为大于等于零的实数。

上述PCP层配置的桥臂过电流保护装置使用n段桥臂过电流保护，每段桥臂 过电流保护均通过实时检测所有桥臂的电流值，并与相应的保护定值比较，判断 换流器阀组是否过电流，如检测到任一桥臂过电流则保护动作闭锁换流器；其中 n为大于等于零的整数，n段桥臂过电流保护的动作定值关系为： Iboc1>Iboc2>…>Ibocn>Ibnom，Ibnom为换流器额定交流电流，Iboc1、Iboc2、…、 Ibocn、Ibnom均为大于零的实数；n段桥臂过电流保护的动作延迟关系为： Tboc1<Tboc2<…<Tbocn，Tboc1、Tboc2、…、Tbocn均为大于等于零的实数。

上述VBC层配置的换流阀桥臂过电流保护装置，通过实时检测流过换流器桥 臂阀组的电流值，与设定的过电流定值Ibrco1进行比较，判断换流阀桥臂是否 过电流，如桥臂过电流持续一段时间Tbrco1，则保护动作闭锁该桥臂阀组；Ibo1 和Tbo1均为大于等于零的实数。

上述的子模块层配置的IGBT元件过电流保护装置，实时检测IGBT导通管压 降来检测IGBT的故障电流，判断子模块导通的IGBT管压降大于设定值Vo1时， 立即闭锁该子模块、关断故障电流，并通过子模块机械旁路开关将子模块旁路； Vo1为大于零的实数。

上述各个保护层的过电流保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相 互配合如下，PCP层配置的桥臂过电流保护动作定值为Iboc1…Ibocn、保护动作 延迟为Tboc1…Tbocn，VBC层配置的桥臂过电流保护动作定值为Ibrco1、保护 动作延迟为Tbrco1,换流器桥臂电流额定值为Ibnom，各保护动作定值配合关系 为：Ibrco1>Iboc1>Iboc2>…>Ibocn>Ibnom、各保护动作延迟的配合关系为： Tbrco1<Tboc1<Tboc2…<Tbocn。

上述换流器过电流保护配置系统适用于采用模块化结构的电压源换流器。

上述换流阀交流过电流保护装置、桥臂过电流保护装置、子模块IGBT元件 过电流保护装置为独立的装置，或者为通用控制保护设备中的保护模块。

采用上述方案后，本发明模块化多电平换流器的过电流保护配置方法和系 统，在交、直流系统故障造成阀组过电流时，保护换流器迅速闭锁；在阀组子模 块故障造成模块过电流时，能够迅速旁路故障模块保证其不影响整个阀组的正常 运行，提高了换流器的可靠性，更好的发挥模块化多电平结构换流器的优势，适 用于工程应用。本方案充分利用子模块控制电路实现快速保护功能，由于MMC换 流器子模块集成有相对智能的SMC电路，以及IGBT的驱动元件通过自行检测故 障电流而闭锁，这部分电路可以针对检测到的IGBT过流闭锁信息迅速旁路子模 块。另一方面，由于阀控系统控制周期短、通信环节少，可以快速处理量测系统 和子模块的数据，最短保护延时可以控制在150μs以内，能够满足快速保护的 需求，本方案加强了阀控制系统的保护功能，在阀控制系统里配置桥臂过电流保 护，与阀子模块IGBT的过电流保护以及直流控制保护系统的过电流保护相互配 合，更可靠的保护阀组及子模块元件不受到故障电流大的冲击。

附图说明

图1是本发明一个实施例的模块化多电平换流器的过电流保护配置方法结 构图；

图2是本发明另一个实施例的模块化多电平换流器的过电流保护配置方法 结构图；

图3是模块化多电平换流器(MMC)的等效结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

模块化多电平换流器的等效结构图如图3所示，换流器包括三相6个桥臂， 其每个桥臂由n个子模块(SM)和换流电抗器组成。

本发明的模块化多电平换流器过电流保护配置方法和系统结构图如图1所 示的一个实施例，该保护配置方法在直流控制保护PCP层1配置换流阀交流过电 流保护或者换流阀桥臂过电流保护或者均配置、在换流器阀基控制VBC层2配置 换流阀桥臂过电流保护、在换流器子模块层3配置IGBT元件过电流保护；所述 各个保护层的过电流保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对 换流器阀组和换流阀元件的过电流进行协调保护。

前述PCP层1配置m段换流阀交流过电流保护，每段交流过电流保护均通过 实时检测换流器交流端出口处的交流电流值，与相应的保护定值比较，判断换流 器阀组是否过电流，如过电流则保护动作闭锁换流器；其中m为大于零的自然数， m段交流过电流保护的动作定值关系为：Ivo1>Ivo2>…>Ivom>Inom，Inom为换流 器额定交流电流，Ivo1、Ivo2、…、Ivom、Inom均为大于零的实数；m段交流 过电流保护的动作延迟关系为：Tio1<Tio2<…<Tiom，Tio1、Tio2、…、Tiom 均为大于等于零的实数。

前述PCP层1配置n段桥臂过电流保护，如图2所示的另一个实施例，每段 桥臂过电流保护均通过实时检测所有桥臂的电流值，并与相应的保护定值比较， 判断换流器阀组是否过电流，如检测到任一桥臂过电流则保护动作闭锁换流器； 其中n为大于等于零的整数，n段桥臂过电流保护的动作定值关系为： Iboc1>Iboc2>…>Ibocn>Ibnom，Ibnom为换流器额定交流电流，Iboc1、Iboc2、…、 Ibocn、Ibnom均为大于零的实数；n段桥臂过电流保护的动作延迟关系为： Tboc1<Tboc2<…<Tbocn，Tboc1、Tboc2、…、Tbocn均为大于等于零的实数。

前述VBC层2配置的换流阀桥臂过电流保护，通过实时检测流过换流器桥臂 阀组的电流值，与设定的过电流定值Ibrco1进行比较，判断换流阀桥臂是否过 电流，如桥臂过电流持续一段时间Tbrco1，则保护动作闭锁该桥臂阀组；Ibo1 和Tbo1均为大于等于零的实数。

前述换流器子模块层3配置的IGBT元件过电流保护，实时检测IGBT导通管 压降来检测IGBT的故障电流，判断子模块导通的IGBT管压降大于设定值Vo1时， 立即闭锁该子模块、关断故障电流，并通过子模块机械旁路开关将子模块旁路； Vo1为大于零的实数。

前述各个保护层的过电流保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相 互配合如下，PCP层1配置的桥臂过电流保护动作定值为Iboc1…Ibocn、保护动 作延迟为Tboc1…Tbocn，VBC层2配置的桥臂过电流保护动作定值为Ibrco1、 保护动作延迟为Tbrco1,换流器桥臂电流额定值为Ibnom，各保护动作定值配合 关系为：Ibrco1>Iboc1>Iboc2>…>Ibocn>Ibnom、各保护动作延迟的配合关系 为：Tbrco1<Tboc1<Tboc2…<Tbocn。

前述换流器过电流保护配置方法适用于采用模块化结构的电压源换流器。

另外本发明提供一种模块化多电平换流器的过电流保护配置系统，该系统包 括换流阀交流过电流保护装置、桥臂过电流保护装置、子模块IGBT元件过电流 保护装置，其中，换流阀交流过电流保护装置配置在直流控制保护PCP层，桥臂 过电流保护装置配置在换流器阀基控制VBC层或者直流控制保护PCP层或者两层 均配置，子模块IGBT元件过电流保护装置配置在换流器子模块层。所述各个保 护层的过电流保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配合，对换流器 阀组和换流阀元件的过电流进行协调保护。

PCP层配置的换流阀交流过电流保护装置使用m段换流阀交流过电流保护， 每段交流过电流保护均通过实时检测换流器交流端出口处的交流电流值，与相应 的保护定值比较，判断换流器阀组是否过电流，如过电流则保护动作闭锁换流器； 其中m为大于零的自然数，m段交流过电流保护的动作定值关系为： Ivo1>Ivo2>…>Ivom>Inom，Inom为换流器额定交流电流，Ivo1、Ivo2、…、Ivom、 Inom均为大于零的实数；m段交流过电流保护的动作延迟关系为：Tio1<Tio2<…< Tiom，Tio1、Tio2、…、Tiom均为大于等于零的实数。

PCP层配置的桥臂过电流保护装置使用n段桥臂过电流保护，每段桥臂过电 流保护均通过实时检测所有桥臂的电流值，并与相应的保护定值比较，判断换流 器阀组是否过电流，如检测到任一桥臂过电流则保护动作闭锁换流器；其中n为 大于等于零的整数，n段桥臂过电流保护的动作定值关系为： Iboc1>Iboc2>…>Ibocn>Ibnom，Ibnom为换流器额定交流电流，Iboc1、Iboc2、…、 Ibocn、Ibnom均为大于零的实数；n段桥臂过电流保护的动作延迟关系为： Tboc1<Tboc2<…<Tbocn，Tboc1、Tboc2、…、Tbocn均为大于等于零的实数。

VBC层配置的换流阀桥臂过电流保护装置，通过实时检测流过换流器桥臂阀 组的电流值，与设定的过电流定值Ibrco1进行比较，判断换流阀桥臂是否过电 流，如桥臂过电流持续一段时间Tbrco1，则保护动作闭锁该桥臂阀组；Ibo1和 Tbo1均为大于等于零的实数。

子模块层配置的IGBT元件过电流保护装置，实时检测IGBT导通管压降来检 测IGBT的故障电流，判断子模块导通的IGBT管压降大于设定值Vo1时，立即闭 锁该子模块、关断故障电流，并通过子模块机械旁路开关将子模块旁路；Vo1为 大于零的实数。

各个保护层的过电流保护的保护定值和保护延迟通过反时限保护法相互配 合如下，PCP层配置的桥臂过电流保护动作定值为Iboc1…Ibocn、保护动作延迟 为Tboc1…Tbocn，VBC层配置的桥臂过电流保护动作定值为Ibrco1、保护动作 延迟为Tbrco1,换流器桥臂电流额定值为Ibnom，各保护动作定值配合关系为： Ibrco1>Iboc1>Iboc2>…>Ibocn>Ibnom、各保护动作延迟的配合关系为： Tbrco1<Tboc1<Tboc2…<Tbocn。

前述换流器过电流保护配置系统适用于采用模块化结构的电压源换流器。

前述换流阀交流过电流保护装置、桥臂过电流保护装置、子模块IGBT元件 过电流保护装置为独立的装置，或者为通用控制保护设备中的保护模块。

本发明以换流阀交流过电流保护功能包括两段为例来介绍实施方案，但本发 明的保护配置方法不限于上述保护功能，对于包含多段换流阀交流过电流保护功 能的电压源换流器过电流保护都适用。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限 制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体 实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的专利要求保 护范围之内。