基于MMC的多端直流电网通用计算方法及拓扑优化研究

针对现有直流电网直流侧短路简化计算方法普遍不适用于对称单极接线系统及短路故障后故障电流急剧上升导致换流站闭锁的问题,提出了适用于对称单、双极接线方式直流电网的通用计算方法和直流电网拓扑优化方法。首先,分析了不同接线方式下的直流电网直流侧单、双极短路故障特性。其次,基于阻抗频率特性提出了适用于不同接线方式直流电网的故障电流计算方法,并得到了评价故障电流水平的简化指标,有效地评估直流电网拓扑变化时的故障电流水平,实现多端系统的拓扑优化,降低单极接地故障电流水平。最后,通过电磁暂态仿真案例验证了所提计算方法和简化指标的准确性和有效性。     

基于离散模型的柔性直流电网短路电流计算方法

为计算柔性直流电网故障后的短路电流,提出基于离散模型的柔性直流电网短路电流数值计算方法.针对基于模块化多电平换流器的柔性直流电网,分析直流侧短路故障后的等效电路;建立基于后退欧拉法和梯形积分法的换流器电感、电容和线路的离散化模型,以及不同故障类型下换流站的离散化模型;在此基础上,设计直流电网不同类型故障电流数值求解算法.基于RT-lab平台搭建四端柔性直流电网仿真模型,对比分析了所提出方法的求解计算数值与详细模型仿真结果.结果表明所提算法能够准确获得故障电流值,与详细模型仿真结果相比误差小于5.5％.     

MMC对交流系统三相短路故障短路电流影响的机理研究

该文从柔性直流输电系统运行控制原理出发,分析得到柔性直流电网换流站近区发生三相短路故障后,换流站提供短路电流的特征,并在PSCAD上搭建模型进行仿真验证。研究发现,短路故障发生后,柔性直流换流站呈电流源特性,提供的短路电流分为暂态过程和稳态过程两个阶段。故障发生控制系统响应后,换流站提供的短路电流是三相对称交流量,不存在直流分量。短路电流暂态过程与换流站的控制参数有关,而短路电流稳态值的大小与换流站的控制方式、运行模式以及换流站控制器的控制参数密切相关。该研究可以为今后柔性直流输电工程建设中控制参数的设定,以及柔性直流输电工程换流站接入点的选择提供参考。     

柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案

基于柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决中国新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一,而高压直流断路器是构建直流电网的核心设备之一。从多端直流系统发生直流侧短路故障的机理及故障电流的发展趋势入手,以舟山5端柔性直流输电工程为例,分析了发生最严酷短路故障时,直流母线上故障电流的特性,基于分析结果提出了直流电网对直流断路器的需求;结合对现有直流断路器技术路线的对比分析,提出了一种适用于柔性直流输电网的新型快速直流断路器技术方案,并通过仿真分析验证了所提出的新型直流断路器能够满足柔性直流输电网快速切除故障电流的需求。     

含电流型潮流控制器的柔性直流电网故障电流抑制特性分析

为有效抑制多端柔性直流电网的短路电流,提出基于限流贡献度的电流型潮流控制器（CFC）故障抑制特性量化方法,以分析CFC参数对故障电流的影响。首先,分析了由全桥开关与电容器并联组成的桥式拓扑结构CFC的工作特性,提出了在故障发生时故障限流控制模式下的控制策略,以及与直流断路器协调配合的动作时序。然后,构建含CFC限流的直流电网等效电路,推导了故障发生各阶段电流的解析表达式。在此基础上,提出CFC限流贡献度的分析方法,研究CFC不同参数和动作时序下对柔性直流故障电流的抑制特性。     

基于电流突变量的直流电网区内双极短路故障定位方法

多端柔性直流电网的故障定位方法是保障直流电网安全可靠运行的关键技术。该文针对现有故障测距方法存在的问题,提出一种基于电流突变量的直流电网区内双极短路故障定位方法。它利用直流线路两端的电流突变量计算定位系数来定量表示短路点在线路中的位置,即故障点至本线路一侧保护的距离与线路全长的比值。为了避免线路保护区出口处短路引起的距离误判,引入判区依据K以确保故障定位只在区内短路时有效,该定位方法采用改进电压梯度法快速启动。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建四端柔性直流电网模型,验证了所提出的定位方法可以在发生区内双极短路故障时可靠定位,并且几乎不受直流电网传输功率和过渡电阻的影响,具有很高的准确性和适用性。     

基于HB-MMC的直流电网直流线路保护技术研究综述

由于基于半桥模块化多电平换流器(half bridge modular multilevel converter,HB-MMC)的柔性直流电网系统控制方式和自身拓扑结构的特殊性,直流侧发生短路故障时,其故障电流具有上升速度快、峰值高的特点,极易损坏换流站中的半导体器件。又由于直流故障电流没有自然过零点,直流断路器难以将故障切除,因此,直流输电线路的短路故障对保护系统提出了更高的要求。基于柔性直流电网的拓扑结构、直流侧故障特征,从直流故障电流的限制、直流输电线路保护原理等方面,系统地介绍了国内外基于HB-MMC直流电网的直流输电线路故障处理与保护技术的研究现状,重点分析了柔性直流电网直流线路的保护原理,探讨了目前柔性直流电网故障处理和保护技术面临的关键问题及未来进一步的研究方向。     

柔性直流电网直流侧故障下500kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

柔性直流电网直流侧故障下500kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

直流电网输电线路短路故障的单端化近似解析计算方法

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)是消纳可再生清洁能源,构建直流电网的核心技术。输电线路短路故障是直流电网常见故障,其故障电流水平影响着直流电网关键设备的参数设计。以张北直流电网为对象,通过网络开环、健全极开路、接地支路独立化和戴维南等效等方法,逐步解耦降阶,建立了去耦合的单端口简化模型。提出了直流电网短路故障的单端化近似解析计算方法。所提计算方法在PSCAD/EMTDC仿真平台上得到了验证,对故障电流影响因素分析和故障电流水平抑制具有参考意义。     

计及换流站闭锁的多端直流系统限流电抗器优化配置策略

多端直流系统故障电流上升速度快,仅靠直流断路器无法可靠隔离故障,需要配置故障限流器降低故障电流上升速度.目前,多端直流系统故障限流器配置方法大多未考虑故障后换流站闭锁的情形.文中提出了一种计及换流站闭锁的多端直流系统限流电抗器(CLR)优化配置策略,给出了换流站闭锁方案,以减小换流站闭锁对交流电压的影响.提出用于优化配置分析的故障位置选取方法,可以获得最严重故障场景,从而保证了最终的CLR配置方案最优.基于柔性四端直流系统,详细分析了2种不同场景下CLR的优化配置.结果表明,所提策略能够得到不同换流站闭锁情形的CLR优化配置方案,可为实际直流电网工程的CLR配置提供参考.     

风电多端柔性直流并网系统交流送出线故障短路电流解析

随着海上风电的发展和区域风电装机容量的增大,规模化新能源电源通过多端柔性直流(MMC-MTDC)并网成为风电并网的一种趋势.然而,考虑MMC-MTDC和永磁风机构成的多换流器系统协调故障穿越及其故障特征解析尚未得到有效解决,亟待针对性研究.文中首先对传统风电MMC-MTDC并网系统故障穿越策略进行优化,给出了可行的穿越策略.进而结合多个换流器各自故障的解析,利用换流器与永磁风机换流器之间功率传输平衡原则,提出了能够全面反映风电MMC-MTDC并网系统交流故障特征的稳态短路电流解析表达式,解决了多换流器级联故障特征难以解析的问题.最后,基于实际工程参数在PSCAD/EMTDC仿真平台进行建模,仿真结果验证了所提故障穿越控制的有效性和稳态短路电流计算式的正确性.     

±1100kV分层接入换流站短路电流计算及地网设计研究

短路电流计算及接地设计是工程设计的重要内容,对换流站的安全稳定运行具有重要意义。基于±1100 k V分层接入的特高压古泉换流站,对各种短路电流进行了计算,并在考虑了避雷线、变压器中性点等对短路电流的分流作用后,计算了换流站的入地短路电流。根据入地短路电流计算结果,给出了换流站接地网设计方案及其安全性评价。对于分层接入的换流站,应对不同的交流母线,基于换流站各类运行工况计算不对称短路电流,并取最大值校验地网设计指标。     

基于真双极接线的VSC-MTDC系统功率转代策略

随着国内柔性直流输电技术的快速发展,基于真双极接线的多端柔性输电技术将被越来越多地应用到实际工程中。不同于单极线路或换流器退出运行时,伪双极系统下会出现的线路过载和切机切负荷现象,对于运行方式更为灵活的真双极系统,由于非故障极可转代故障极的部分功率,使得电网可靠性和整体输电能力的提升成为可能。提出了一种适用于真双极多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统的功率转代策略:基于真双极系统正负极电网可独立控制功率的特点,当直流系统在非正常运行状况下出现非对称拓扑时,在确保各元件不越限的前提下使非故障极电网转代故障极电网部分功率,以提高VSC-MTDC系统的总传输容量。同时,基于张北±500 k V柔性直流输电示范工程,搭建了真双极四端柔性直流输电PSCAD/EMTDC仿真系统,对所提策略进行了有效性验证。     

A feasible coordination protection strategy for MMC-MTDC systems under DC faults

Modular multilevel converter based multi-terminal HVDC (MMC-MTDC) technology is increasingly adopted as a promising option in the power transmission and distribution fields. However, how to isolate dc fault currents and ensure the continuous operation of the healthy parts of the MMC-MTDC system under dc faults presents a huge challenge. Based on a comprehensive analysis on the dynamic behavior of the dc fault current of a MMC, along with the operation characteristics of hybrid dc circuit breakers (CBs), a protection strategy will be developed. It coordinates the system parameters to ensure the hybrid dc CBs cut off the dc fault current before triggering MMC blocking in bipolar dc faults. The mathematical approximation of the dc fault current without converter blocking is achieved through theoretical analysis and numerical calculation, and the smoothing inductance at the dc side of MMC station has shown a major influence on the dynamic behavior of the dc fault currents. The smoothing inductance can be determined based on the mathematical expression of the dc fault current, as well as the breaking capacity of hybrid dc CBs. Data analysis and simulation are performed based on a three-terminal dc test system to validate the effectiveness of the coordination protection strategy.     

柔直电网拓扑对故障电流的影响机理分析

柔性直流(柔直)电网线路故障严重威胁电力系统的安全稳定运行,而柔直电网拓扑对故障电流影响显著。文中首先分析不同接线方式柔直电网分别发生单极接地故障、极间短路故障后,放电电流的主要流通路径。然后,基于频域分析方法,分析得出故障电流主要受拓扑等值电感参数影响,并提出采用简化指标k评估显著影响故障电流的拓扑范围及换流站数目。结果表明,不同接线方式柔直电网分别发生单极接地故障、极间短路故障时,拓扑中各换流站放电程度取决于指标k,k越大换流站放电程度越大,反之则越小。最后,基于PSCAD仿真平台分别搭建五端伪双极及五端真双极系统进行验证,结果表明,所提故障电流高频分析方法及简化指标均正确有效。     

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。     

双极MMC-HVDC系统站内接地故障特性及保护策略

针对双极柔性直流输电系统模块化多电平换流器(MMC)交直流出口接地故障,研究了换流器闭锁后的电压电流暂态特性,并推导了故障分量的数学解析式。研究结果表明,交流出口发生单相接地故障时,换流器闭锁后非故障相上、下桥臂分别出现了过电压和过电流现象,并且交流侧电流出现直流偏置导致故障相短路电流不存在过零点。直流出口发生单极接地故障,换流器闭锁后桥臂短路电流主要由交流系统注入的稳态电流和上下桥臂电抗间衰减的环流构成。针对交流出口发生单相接地故障这一特殊的故障特性,提出了一种选相跳闸保护策略,解决了故障电流不存在过零点时交流断路器无法正常断开的难题。最后搭建了张北四端环网结构柔性直流电网仿真模型,仿真结果验证了换流器出口故障特性分析的准确性以及所提选相跳闸保护策略的有效性和可行性。     

MMC型换流器双极故障电流影响因素分析及其优化

针对采用模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的柔性直流输电系统的双极短路故障，在建立单端故障电流表达式的基础上，详细分析了换流站级控制、阀级控制、换流站运行水平对故障电流的影响。利用反证法，通过理论计算与仿真验证相结合的方式，得出故障发生后6.0 ms内，站级控制不影响故障电流，阀级控制对故障电流有非线性影响，运行水平影响故障电流增长速度与峰值时间等结论。根据所得结论，提出了可以限制故障电流水平的阀级控制优化措施。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建四端MMC模型，验证了所提优化措施的有效性。     

一种适用于海上风电经MMC-MTDC并网的电网侧故障穿越方法

海上风电工程逐渐向深远海和多端柔性直流输电技术推进。当岸上交流电网发生故障时,海上风电经多端柔直并网系统应该具有故障穿越的能力。然而现有方法主要研究电网侧换流站的系统级控制策略,未尽限利用风场侧换流站及场站内变流器的协同配合,严重故障时易导致换流站过载。此外,传统两端柔直故障穿越方法未针对多端场景改进,可能会出现风场脱网事故。针对上述问题,首先将故障划分为自消纳和非自消纳场景。自消纳场景下不平衡功率较小,结合风机自身安全减载能力和从站剩余容量,分别提出了基于降压法的超速减载和考虑功率裕度的从站电压偏差下垂控制策略。非自消纳场景下不平衡功率较大,分别提出了调度中心通信正常和异常情况下的故障穿越控制策略。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台建模验证了所提控制方法的有效性。