双极MMC-HVDC系统直流故障特性研究

直流故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)的主要故障类型,目前国内外对于MMC-HVDC直流侧故障的研究主要集中于伪双极系统,而对于真双极系统直流侧故障的研究还处于起步阶段。首先,介绍真双极MMC的拓扑结构和工作原理,并根据实际交直流系统电气参数、桥臂子模块电容及电抗的放电机制,建立真、伪双极两种拓扑MMC-HVDC系统直流故障状态下的对应等效电路。然后,对比分析两种拓扑不同阶段故障电流在MMC桥臂上的流通路径,重点研究了故障短路电流对换流站桥臂阀组影响程度的差异,并指出三种电气参数与故障短路电流变化之间的内在关系。最后,基于RT-LAB仿真平台,搭建51电平双极MMCHVDC双端直流输电模型,仿真结果证明了直流故障特性研究方法的正确性。     

子模块混合型LCC-MMC混合直流输电系统的启动控制策略

为了充分发挥电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)各自的优势,并使MMC具有直流故障穿越能力,研究了一种新型LCC-MMC混合直流输电系统。该系统主要特点是整流侧采用传统LCC,逆变侧采用由半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块构成的混合型MMC,具有可过调制运行和直流故障穿越的功能。重点分析了此种混合直流输电系统的启动过程,并给出了LCC和MMC的启动控制策略。最后,在物理动模混合直流输电试验系统上进行了验证,结果表明了该启动策略的可行性和有效性。     

基于MMC的多端直流输电系统直流侧故障控制保护策略

基于模块化多电平换流器(MMC)的多端直流(MTDC)输电技术,兼具MMC技术和多端柔性直流输电技术的优势,具有广阔的应用前景。文中分析了MMC的拓扑结构和运行机理,设计了基于电压裕度的多点直流电压控制策略,并对控制器进行了设计。在此基础上,分析了直流侧单极接地故障、极间短路故障、断线故障对基于MMC的MTDC系统的影响,并进一步提出了相应的控制保护策略与保护时序。利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对以上几种直流侧故障及控制保护策略进行了仿真,结果表明所提出的控制保护策略能够实现系统故障后的快速恢复,有效提高多端系统的可靠性和可用率。     

MMC-MTDC系统直流单极对地短路故障保护策略

直流侧故障保护是基于模块化多电平换流器(MMC)的多端柔性直流输电(MTDC)系统的关键问题。现有文献主要对直流双极短路故障展开研究,而直流单极接地故障同样可能对系统安全运行产生严重影响。首先针对不同的换流器接地方式,分析半桥型MMC-MTDC单极对地短路故障特性,指出交流侧低阻抗接地方式下存在的问题,为实际工程接地阻抗选择提供一定参考。利用全桥型MMC的短路电流清除能力,提出一种单极对地短路故障快速恢复保护策略,能够在交流侧低阻抗接地方式下避免交流断路器跳闸。PSCAD/EMTDC仿真结果证明了故障特性分析的正确性和所提出的故障保护策略的有效性。     

基于混合桥臂的模块化多电平直流融冰装置

针对目前直流融冰装置存在的结构复杂、高次谐波污染严重等问题,提出了一种基于混合桥臂的新型模块化多电平换流器(MMC)直流融冰方案。方案采用上臂均由全桥子模块(FBSM)而下臂均由半桥子模块(HBSM)构成的新型结构。正常运行时,作为静止同步补偿器(STATCOM)实现动态无功补偿。输电线路覆冰时,可输出从零到设定值的连续可控直流电压和电流来实现融冰功能。首先,对混合桥臂MMC直流融冰的优点进行了介绍,分析了其数学模型和功率。其次,提出了混合桥臂MMC直流融冰的分级控制策略。最后,在PSCAD中搭建了混合桥臂MMC直流融冰模型,对方案和控制策略的可行性和有效性进行了仿真验证。     

一种具有故障阻断能力的改进混合型半桥MMC

为克服半桥模块化多电平换流器(MMC)直流侧短路后无法阻断故障电流这一缺点,提出一种具有故障阻断能力的改进混合型半桥MMC,依靠改进半桥子模块的故障阻断能力配合相应辅助电路实现故障电流转移与阻断。分析了直流双极短路故障下改进混合型半桥MMC故障阻断的动态过程,设计了关键器件的参数选择方法,并对比了该拓扑的经济性,与传统半桥MMC相比,改进混合型半桥MMC无需增加开关器件使用,仅增加晶闸管、二极管和1个机械开关,且通态损耗很低。最后,搭建双端51电平改进混合型半桥MMC直流输电模型对所提拓扑的故障阻断能力进行验证,仿真结果表明,所提改进混合型半桥MMC拓扑能够在几十ms内清除直流故障,具有良好的实用性和经济性。     

基于钳位双子模块的MMC故障清除和重启能力分析

针对当前已投入运行的高压直流(HVDC)输电工程中模块化多电平换流器(MMC)不具备直流侧故障电流闭锁能力的问题,分析了一种可自清除直流侧故障电流并且可重启动的MMC拓扑——基于钳位双子模块的MMC。这种拓扑可在发生直流故障时通过闭锁所有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的触发信号和利用二极管的反向阻断能力迅速完成闭锁过程,从而达到无需交流断路器动作实现清除直流故障的目的。这种拓扑将半桥模块化MMC的调制方法和控制策略与可清除直流故障能力结合在一起,且具有结构简单、造价经济等特点。通过对半桥模块化MMC和钳位双子模块MMC在直流侧双极短路故障情况下的故障电流进行分析和仿真,验证了基于钳位双子模块的MMC在处理直流侧故障方面的能力和效果。     

PSS/E中的多端直流系统模型及其应用

多个交流电网间直流互联的需求日益增强,采用多端直流(MTDC)输电线路相比于多条点对点直流线路可极大地降低投资成本和运行费用。为此,介绍了MTDC输电系统相比于两端直流输电系统的特点,阐述了MTDC输电系统在我国的应用前景;描述了MTDC输电系统的串联接线方式和并联接线方式,并着重对并联接线方式的控制策略进行了说明。针对PSS/E中的MTDC输电系统结构和控制方式,详细介绍了PSS/E中的3种MTDC系统动态模型,即MTDC01、MTDC02和MTDC03模型。并构建一个4端直流系统对MTDC01模型进行测试,考察了交流系统故障和直流系统内部故障时整个交直流系统的动态特性。仿真结果表明PSS/E多端直流模型能够很好地模拟MTDC系统正常运行和交直流故障下的动态响应,满足大规模交直流系统仿真的要求。     

混合直流输电系统控制策略分析与研究

混合高压直流输电(high voltage direct current transmission,HVDC)结合了常规直流输电和柔性直流输电的优点,是高压输电的重点发展方向。本文介绍了三者在控制策略方面的差异及存在的问题,研究了电流源型换流器(line commutation converter,LCC)-模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型混合直流系统的多段式启动控制策略,半桥MMC结合阻流二极管的直流线路故障限制措施,合理设置控制器参数提升交流系统故障穿越能力,检验了交流电压长期跌落系统的应对能力,并分析了控制系统稳定性。采用PSCAD/EMTDC软件搭建仿真模型,验证了控制策略的有效性,为实际工程提供参考。     

常规直流输电系统改造用的混合直流输电技术

基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和电压源型换流器(voltage source converter,VSC)的混合直流输电技术结合了LCC的经济优势和VSC的技术优势。该文针对常规直流工程改造,首先给出了受端LCC改造成真双极和伪双极VSC两种主回路拓扑结构,并对两者的工程改造范围和工程改造量进行了对比分析,指出了真双极和伪双极结构作为改造拓扑的优缺点。然后,通过对国内外模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑及其变结构拓扑的调研,详细研究了5类MMC优化拓扑结构在直流故障清除、送端交流故障功率不间断、低电压运行、潮流反转等方面的技术特性以及在改造成本、运行损耗等经济方面的优劣性,并直观地对比总结了5类MMC优化拓扑的综合特性,为未来MMC技术在常规直流输电系统受端换流阀改造中的应用提供了技术参考。     

具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC

具有直流故障阻断能力的模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输配电技术的重要支撑设备。针对传统半桥型MMC无法阻断直流短路故障的问题,通过结合现有的故障阻断方案,提出了具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC。该拓扑增加了断流支路、桥臂阻断支路以及能量吸收支路。直流故障发生后,通过断开断流支路,一方面主动转移故障电流,另一方面实现桥臂电流的换向,进而利用半桥子模块吸收MMC内部故障能量。同时,能量吸收支路中的全桥子模块在闭锁过程中也投入电容以吸收线路侧的故障能量,从而实现了短路故障的快速阻断。文中通过建立电流主动转移型MMC拓扑,详尽分析了故障阻断机理,并在MATLAB/Simulink中搭建了单端100 kV/25电平仿真模型,验证了该拓扑的可行性与有效性。     

远海风能集中接入的多端直流系统直流故障分析与故障检测方法

二电平电压源换流器(VSC)和半桥模块化多电平换流器(MMC)在直流故障期间缺乏对直流短路电流的调控能力。在多端直流系统中,为了避免整个系统因换流阀的闭锁而停运,有必要在直流故障后的第一阶段(即电容放电阶段)快速识别并隔离故障。因此,对多端直流系统故障检测而言,直流故障电容放电阶段的短路电流计算至关重要。提出了适用于多端直流系统故障分析的暂态等效模型,该模型仅保留原故障网络中的高频成分,使故障初期的电路分析大为简化。基于此模型,可以得到故障线路和健全线路的故障电流解析表达式。根据故障线路和健全线路电流的差异,提出了基于暂态电流均值的故障检测方法,该方法具有计算复杂度小、耐过渡电阻能力强、采样率低等优点。通过EMTP仿真验证了暂态等效模型的准确性和故障检测方法的有效性。     

MMC-LCC混合直流输电系统分段下垂控制策略

由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)和电网换相换流器(line commutated converter,LCC)构成的混合直流输电系统中,LCC换相失败严重影响系统的安全稳定运行。文中首先分析MMC-LCC混合直流输电系统换相失败时的电流特性以及交直流电压特性。其次,考虑调制比对半桥型MMC的影响,采用MMC电压改善控制策略拓展电压调制比的可行域。然后,提出MMC电压分段控制策略,根据交流电压跌落程度的不同,分别设计直流电压参考值的调节方法,优化混合直流输电系统电压控制逻辑,实现MMC电压在正常运行与故障情况下的有效切换。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC-LCC混合直流输电系统模型,对交流电压不同跌落程度进行仿真,结果表明所提控制策略能在实现故障穿越的同时提高直流电压控制精度,增强系统稳定性。     

LCC-FHMMC混合直流输电系统阀侧故障特性及保护策略

送端采用电网换相换流器(LCC)、受端采用半桥与全桥混合型模块化多电平换流器(FHMMC)的LCC-FHMMC混合直流输电系统,在受端发生阀侧单相接地故障时,具有与半桥或全桥型MMC不同的故障特性.分别从交流电源贡献、直流电源贡献以及高低端阀组差异3个角度对阀侧单相接地故障下子模块过电压机理进行了分析.随后,针对FHMMC混合直流输电系统直流侧无直流断路器的特点,提出了一种基于选相型单向晶闸管旁路支路的故障隔离策略,以及适用于LCC-FHMMC混合直流输电系统阀侧单相接地故障的保护策略.最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了相关模型,通过仿真验证了理论分析的正确性以及所提保护策略的有效性.     

半桥型MMC直流侧故障限流组合控制策略

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的柔性直流电网在直流短路故障时电流峰值较高且上升速度极快,严重时会造成MMC闭锁从而导致系统大面积停运。为在短时间内限制故障电流对系统的影响,文中提出一种对半桥型MMC适用的故障限流组合控制策略,利用MMC自身的高度可控性,无须外加限流装置,即可达到故障限流效果,并降低对直流断路器的技术需求。首先,文中阐述了限流组合控制策略中2种不同的限流环节及其基本原理。其次,分别分析2种限流环节对直流故障电流、交流电流以及桥臂电流的影响,推导限流组合控制下的直流故障电流计算式。最后,在PSCAD/EMTDC平台搭建半桥型MMC四端直流电网模型进行仿真分析,结果表明所述限流组合控制策略能够有效限制直流故障电流,减小故障点近端换流器的功率和电压波动,降低交流电流和桥臂电流的过流峰值。     

基于LCC-MMC的混合直流输电系统优化控制方法

混合直流输电系统常会出现不同类型的故障,传统控制方法的故障处理时间过长,对此,研究基于换相换流器（LCC）和模块化多电平换流器（MMC）的混合直流输电系统优化控制方法。根据系统结构特征绘制拓扑结构图,建立LCC数学模型和MMC数学模型;利用三角星型接法和星型接法控制整流侧直流电压,实现整流侧LCC的优化控制;利用电压源逆变器（VSC）双闭环控制器对逆变侧MMC进行优化控制;通过从系统直流侧直接充电,减少中间电流转接过程,利用MMC数学模型计算电压调制波,实现均衡电压,控制系统稳定运行。仿真结果表明,应用所提方法可以在5 s内控制整流站交流故障,面对直流线路单极故障问题,所提方法在5 s内快速反应,将LCC和MMC的电流控制在稳定的区间内,同时对三组电流的控制均有较好的效果,能够实现混合直流输电系统优化控制,快速解决输电系统故障。     

适用于直流电网故障清除的增强型MMC

随着直流输电系统电压和容量的提高,对直流故障快速清除隔离的要求越来越高。作为清除直流故障的有效方案之一,直流断路器(DCCB)技术还不够成熟,限制了其在工程上的应用。文中提出了适用于直流电网故障清除的低成本直流故障清除方案,对半桥型模块化多电平换流器(MMC)进行了局部的改造,以使其具备故障清除操作的能力,使得线路上的故障电流能够被低成本故障隔离单元迅速隔离,随后建立和分析了故障隔离过程中的等效电路,设计了故障隔离动作时序,并对比分析了典型方案的器件使用量,最后建立了仿真和实验模型。仿真和实验结果证明了该方案的有效性。     

向无源网络供电的LCC-MMC混合直流输电系统控制策略

电网换相换流器和模块化多电平换流器(LCC-MMC)混合直流输电系统兼顾了两种换流器的技术优势和经济优势,具有较好的应用前景。无源网络装设容性滤波装置能够起到平滑交流电压波形、提供电压支撑等作用。首先通过理论推导,建立了含容性滤波装置的模块化多电平换流器数学模型,基于dq理论,提出了模块化多电平换流器的无源解耦控制策略。针对送端电网换相换流器侧交流故障可能导致的功率中断等问题,从电网换相换流器和模块化多电平换流器的控制机理出发,分析了故障阶段及故障后的系统响应特性,并进而提出了送端交流故障穿越附加控制策略。为验证上述控制策略的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个LCC-MMC混合直流输电模型。通过受端电压频率变化和送端交流故障仿真,验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于MMC的中压直流配电网极间短路故障保护策略

近年来基于模块化多电平换流器(MMC)的直流配电网得到快速发展,但因其直流线路极间短路电流上升速度快,电力电子器件耐流能力差等原因,直流侧故障保护成为了亟需解决的问题。针对这一问题,考虑半桥型MMC(HBMMC)和全桥型MMC(FBMMC)2种不同的拓扑结构,分别分析中压直流线路极间短路情况下的故障特性并推导了故障电压电流的解析表达式。对于HBMMC提出一种桥臂限流模块和直流断路器配合的保护策略,解决了故障电流衰减缓慢和稳态电流过大的问题,降低了对直流断路器开断能力的要求。利用FBMMC子模块的故障电流自清除能力,提出一种改进的基于换流器解锁的快速恢复保护策略,减少瞬时性故障的系统停运时间。最后结合实际工程参数,在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了保护策略的有效性和实用性。