[发明专利]一种基于数字孪生的模块化多电平换流器保护策略

说明书

本发明针对模块化多电平换流器(MMC)现有差动保护无法识别桥臂电抗器匝间短路故障及子模块故障的问题，基于数字孪生思想，提出了一种模块化多电平换流器保护策略。具体如下：利用MMC符合的物理规律并结合控制策略对换流器进行整体建模，通过动态状态估计将数字孪生思想融入继电保护；并根据保护动作类型提出两套保护判据。由于孪生模型包含了MMC的全部物理规律，该发明在差动保护基础上，能够额外识别子模块开路故障、桥臂电抗器匝间短路故障及桥臂相间短路故障。

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于数字 孪生的模块化多电平换流器保护策略。

背景技术

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具有易 均压、容量大、损耗低、阶跃电压低、波形质量好等优势，受到国内 外关注。柔性直流输电系统换流器区发生故障，将导致MMC各部件 受过电流或过电压的冲击而损坏。继电保护作为MMC安全稳定运行 的关键，成为柔性直流输电领域的研究热点。

目前，柔性直流输电系统换流器区保护主要借鉴常规高压直流输 电系统保护，主保护采用差动保护，具有良好的速动性，但难以反映 桥臂相间短路故障、子模块开路故障及桥臂电抗器匝间短路故障。功 率半导体器件是电力电子变换器中最脆弱的元件之一，且MMC中含 有大量的IGBT，这使得IGBT成为MMC故障率最高的元件。子模 块发生开路故障会导致相间环流和交流侧谐波增大，MMC工作性能 恶化；桥臂电感作为MMC关键的能量储存元件，MMC发生桥臂电 抗器匝间短路故障会导致环流复杂程度增大，使得直流侧电压、电流以及传输功率发生基频震荡。

为了提升保护性能，国内外学者进行了大量研究。针对子模块开 路故障，现有技术方案主要采取基于硬件的方法、基于模型的方法以 及基于机器学习的方法进行故障诊断；针对桥臂电抗器匝间短路故障， 现有技术方案一般通过观察桥臂电抗器温升和噪音情况对其进行监 测，或配置只发告警信号的桥臂电抗器100Hz保护。这些保护方案 均基于对象遵循的部分物理规律，难以完整刻画所保护的对象，故不 能弥补差动保护无法识别子模块开路故障与桥臂电抗器匝间短路故 障的不足。数字孪生思想为提升继电保护性能指明了一种方向，即充 分利用对象所遵循的各种物理规律。美国佐治亚理工学院在交流系统中提出了基于动态状态估计的保护原理，即基于物理实体的数学模型 进行动态状态估计，为数字孪生与继电保护的融合提供思路。本发明 提出了基于数字孪生的MMC保护原理，结合MMC控制信息建立数 字孪生模型，根据实时数据进行动态状态估计，利用测量值与估计值 的残差判别故障，并根据保护动作类型提出启动、动作两套保护判据。 由于孪生模型包含了MMC的全部物理规律，所提保护方法相较于现 有差动保护，能够识别桥臂电抗器匝间短路故障、子模块开路故障以 及桥臂相间短路故障。本发明理论上具备耐受一定的过渡电阻及测量 噪声的能力。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，首先根据MMC遵循的全部物 理规律，并结合MMC控制信息建立数字孪生模型，然后基于MMC 孪生模型建立测量方程，采用最小二乘法进行动态状态估计计算测量 误差，并根据保护动作类型提出启动、动作两套保护判据。由于孪生 模型包含了MMC的全部物理规律，该发明旨在克服现有差动保护无 法识别子模块开路故障及桥臂电抗器匝间短路故障的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于数字孪生的模块化多电平换流器保护策略，包括下述步 骤：

根据MMC遵循的全部物理规律，并结合MMC控制信息建立数 字孪生模型；

基于MMC孪生模型建立测量方程；

采用最小二乘法进行动态状态估计计算测量误差；

根据保护动作类型提出启动、动作两套保护判据。

具体的，所述MMC每个桥臂由桥臂电抗器L与N个子模块(SM) 串联组成，同相的上下两个桥臂构成一个相单元；