基于MMC的柔性直流输电系统直流侧故障穿越控制策略研究文献综述

 2023-08-10 16:07:44
  1. 文献综述（或调研报告）：

柔性直流输电系统中，直流侧发生故障时，会导致电流快速增加，电压快速降低，虽然文献[1]中提出可以利用换流阀故障电流的自清除特性来清除故障,但会导致投入备用子模块,目前有两种主要方法来清除换流阀的故障电流，由MMC是否闭锁 来区分，即MMC闭锁型故障穿越策略和MMC非闭锁型故障穿越策略[2]，当采用闭锁型故障穿越策略时，可以实现清除短路电流的目的，但同时，闭锁会导致换流阀不可控及模块电容电压不可控等问题。文献[3]指出，如果遇到瞬时性短路故障，换流阀重启时花费的均衡各桥臂的时间导致了换流阀不能快速重启，文献[4]指出，换流阀闭锁后，有功功率，无功功率传输都会中断，交流系统整体受到很大的影响。因此提出了非闭锁故障穿越策略（引入了具有负电压输出能力的子模块）这种故障穿越策略，这种故障穿越策略保持子模块一直处于受控状态，故障穿越过程中具有负压输出能力的子模块输出负电压，使直流侧母线电压为0，从而清除直流侧故障电流。

采用半桥子模块与全桥子模块构成了混合型MMC，混合MMC在传统的MMC上进行改造，不仅仅可以抑制故障时的直流电流，还有过调制功能[5]。文献[6]从功率的增加来分析了过调制的好处及必要性，同时，对过调制指数这一数据特性进行了详细的分析。在文献[7]中提出了利用混合式MMC来穿越直流侧故障，文献[8]提出了全桥子模块拓扑结构，箝位型双子模块拓扑结构，文献[9]介绍了使用这种模块的MMC拓扑电路，串联双子模块拓扑结构，交叉连接型子模块拓扑结构等拓扑结构，其中，基于FBSM（full bridge sub-module）因为在经济角度考虑有最大的效益而且可以过调制运行从而降低直流运行时的电压数值，文献[6]不仅仅从经济角度分析了全部使用全桥模块的不经济特性，还从工程角度讨论了使用全桥模块的不必要性，最终通过计算得出了为了保证子模块电压平衡条件的情况下，FBSM数量的约束。文献[10]从直流穿越故障和电容电压角度分析了混合式MMC的设计和运行。文献[11]详细研究分析了MMC短路故障发生前后子模块电容电压变化的规律从而提出故障穿越期间半桥子模块电容电压控制策略, 文献[12]引入了虚拟电阻的概念，对故障点的残压调整，故障电流的振荡从而得到了抑制。以上故障穿越方法都是基于主动低电压穿越策略的思想进行改进提高，从而在故障时可以成功穿越。

文献[13]具体的分析了直流故障的分类及形成的原理和平衡上下臂能量的分析并讨论了电流注入方法的优点和局限性。文献[14]提出了具体的上，下桥臂独立控制策略，因为MMC运行时，交流电流和内部电流共同构成了桥臂电流，内部电流包括了环流和直流分量这两个电流。将直流分量注入内部电流可以调节功率平衡和每相的总能量，注入与输出电压同频率的基频分量可以调节上下桥臂的能量差，从而共同控制MMC桥臂能量均衡。故障发生时，零直流穿越会遇到一些困难，首先是保护动作触发时间前，每个模块的电容放电不一致，其次是直流电压为0后就不能调节上下桥臂的能量了，可以通过独立的星形STATCOM控制从而保证子模块电压的均衡。总的来说有三个部分需要控制（1）总电容及无功（2）电流内环（3）桥臂电压调节，总电容及无功控制部分要控制上桥臂总能量，无功控制要保证故障穿越的过程不间断传输无功功率，电流内环控制为前馈解耦控制，将解耦后的电流数据向前反馈从而形成反馈调节，桥臂电压偏差调节环节直接将各桥臂的参考电压的相角来控制各桥臂的有功功率，保证有功功率达到额定值。最后在能量均衡之后，应用排序均压策略实现每个子模块的电容电压均衡。文献[15]提出了一种使MMC的六个支路之间交流电网电流控制，直流母线电压和电流控制以及支路电容能量平衡且完全解耦。

在仿真验证中，多篇论文对各种故障情况及故障穿越策略进行分析。文献[16]提出了MMC的综合数学模型并分析了不同故障情况下MMC的运行方式及解耦控制方法。文献[14]在确定数目HBSM和FBSM（1：1）情况下对主动限流控制性能进行仿真并对最终的可行性进行了验证。文献[17]对传统直流故障穿越策略和低直流电压下过调制运行进行仿真并提出了改进的直流故障穿越策略将仿真结果进行比较得出了一种快速灭弧的方法并且保证了FBSMS的电容电压平衡状态更好的改进控制策略。

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