基于混合子模块柔直换流阀的海上风电并网系统优化启动策略∗

近年来由一定比例的半桥子模块(HBSM)和全桥子模块(FBSM) 组成的混合型换流阀被大量应用于海上 风电柔性直流输电系统,使其具有直流故障穿越能力.在基于混合型模块化多电平换流器(H-MMC) 的海上风电柔 直并网系统中,快速、有效的预充电是整个系统正常启动的基础.由于全桥子模块和半桥子模块吸收电能的速度具有 差异性,因此两类子模块在柔直系统启动过程中会出现分压不均的问题.通过分析两类子模块的充电机理,提出了一 种利用均压调制系统的优化启动策略.该策略解决了海上风电柔直系统启动后子模块电压不一致的问题,并降低了海 上风电柔直系统启动失败的风险.最后,基于所提出的策略在PSCAD/EMTDC仿真环境中对基于混合型MMC换流 阀的海上风电柔直系统启动过程进行仿真,验证了优化启动策略的有效性.     

半全桥子模块混合型柔性直流换流阀的充电策略研究与样机实验验证

介绍了基于半桥和全桥子模块构建的混合型柔性直流输电换流阀的拓扑结构特点和在不控充电阶段中的子模块电压分布;分析了半桥子模块存在充电电压较低导致的取能失败及充电不成功的问题;提出了一种用于混合型柔直换流阀的充电策略,并搭建了±10 kV/60 MW半全桥混合型模块化多电平换流阀样机对该策略进行验证。实验结果表明,该充电策略可以有效解决基于半桥和全桥子模块构建的混合型柔直换流阀充电过程中半桥子模块自取能失败问题。     

柔性直流输电换流阀子模块现场测试装置设计

柔性直流输电的能量转换核心装置是柔性直流输电换流阀,柔直换流阀的基本组成单元是子模块,柔直工程换流阀的子模块数量众多,按传统逐个测试的方法需耗费数周时间才能完成检测,因此目前的柔直换流阀检修一般采用抽检的方式,存在漏检的安全隐患。为了快速检测换流阀子模块,根据子模块检测实验需求,设计了一套柔直换流阀子模块现场批量自动测试装置,采用10 kV直流电压源为阀段供电、子模块轮流导通关断的方式自动完成测试,并在鲁西工程广西侧换流阀阀段上进行了实验验证,实验结果表明该套装置可快速实现对柔直换流阀阀段级子模块的IGBT、触发回路、控制板卡等主要组件的测试。     

柔直换流阀水管布置对电压均衡的影响

柔直换流阀在不控充电时,各个桥臂的子模块电压会自动均衡。在工程现场和试验时发现不同位置的功率模块的电压差异很大,可能会对换流阀造成损伤,或者引起换流阀无法正常启动。此处研究由于接线位置的不同,导致水路电位分布不同,进而导致换流阀子模块的静态电压分布不同。对不同接线方案进行了分析,并通过试验进行验证。     

一种柔性直流子模块测试装置的研制及应用

本文针对柔直输电系统缺乏调试手段的现状,提出一种用于模块化多电平柔直子模块自动调试的方法,设计了一种测试装置,包括管理单元、模块化多电平换流器(MMC)控制模拟单元、采集单元和能量输出单元。能量输出单元给子模块供电,MMC控制模拟单元模拟阀控协议控制子模块功能测试,采集单元采集子模块相关的电压状态,管理单元结合采集信息和通信状态信息共同辅助测试判断,从而完成柔直输电系统子模块的自动调试,工程实际表明该方法完全适用于现场验收测试以及出厂调试的需要。     

特高压柔直换流站增加极充电逻辑分析

通过对特高压柔直换流站在单极充电过程中高端阀组被动充电现象开展分析,明确指出高端阀组被动充电的主要原因为单极充电过程中,高低端阀组先后充电且存在一定的时差,单极低端阀组充电后,高端阀组充电前,高端阀组的全桥子模块电容已被充电,从而导致高端阀组直流侧承受一定的负压。针对该现象,提出了极充电顺控策略,按照程序设定的时间快速完成单极高低端阀组充电,有效缩短高低端阀组充电时间间隔,降低高端阀组全桥子模块在交流充电前的电容电压,从而为高端阀组充电创造良好条件。该策略经现场试验验证并实际应用于昆柳龙直流工程中。     

柔性直流阻尼换流阀充电过程子模块均压特性

针对柔性直流阻尼换流阀系统,研究了充电过程中子模块的均压特性。并以舟山柔直桥臂阻尼恢复装置加装工程为研究背景,基于桥臂阻尼换流阀的设计原理,构建了能反映子模块取能电源及板卡功耗的子模块数学模型。通过理论分析阻尼换流阀充电过程子模块的不均压机理及影响因素,提出了相应的解决措施。仿真与试验结果验证了理论分析的正确性以及解决措施的有效性,为舟山柔性直流阻尼恢复系统加装工程的顺利实施提供了技术支撑。     

基于直流调制度的特高压柔直阀组在线投入策略

为简化阀组在线投入的顺控操作流程,特高压柔性直流输电系统要求柔直阀组具备在直流侧短接状态下完成在线投入的能力。首先,阐述基于混合型MMC特高压柔直阀组的在线投入过程,分析过程中的关键技术难点;然后,结合混合型MMC阀组控制特性及直流侧等效回路,对在线投入过程的关键策略进行详细分析,提出基于直流调制度的特高压柔直阀组在线投入策略实现方案,该策略方案在直流侧短接状态下可实现柔直阀组平稳解锁、直流电流快速转移、旁路开关可靠分断以及子模块均压等关键目标;最后,通过实时数字仿真平台试验,验证所提策略具有良好的控制性能。     

FHMMC特高压直流输电系统中串联换流阀组启动充电策略

800k V昆柳龙直流工程在两个受端换流站采用对称双极高低端阀组串联的全半桥子模块混合型模块化多电平换流器。在不同的充电工况下,因全桥子模块(fullbridgesub-module,FBSM)和半桥子模块(halfbridge sub-module, HBSM)器件及其模块化串联的桥臂支路充电特性不同,造成两种子模块电容电压难以平衡,导致阀组及系统无法启动解锁。提出了特高压柔直系统中全半桥子模块混合式模块化多电平换流器(full and half bridge hybrid modular multilevel converter, FHMMC)串联阀组在直流侧不短接和短接两种方式下的启动充电策略,针对不同工况下相应导通FBSM T3、T4管和HBSM T2管,强制转换充电路径和充电对象,实现两种子模块电容均衡充电。针对直流侧不短接时后充电阀组FBSM感应带负压问题,研究并提出了极充电顺控策略,通过缩短阀组充电时间间隔来减少后充电阀组负压幅值。上述启动充电策略经过现场试验验证并用于工程实际。     

±500 kV海上柔直换流阀轻型化设计及仿真分析北大核心CSCD

海上柔直换流阀的尺寸重量直接关系海上换流平台设计制造、制造成本,换流阀轻型化设计将是产品主要攻克技术之一。文中通过分析±500 kV 2 GW海上柔直换流阀常规设计,对比分析传统支撑式换流阀的结构特征;从功率模块、阀段和阀塔3个层面分析轻型化柔直换流阀设计方法,并通过采用有限元法仿真验证其工程可实施性,凸显其技术优势,对海上柔直换流阀推广应用具有重大影响。     

模块化多电平换流器的直流侧主动充电策略

柔性直流输电工程中,无源端的换流阀通过有源端进行预充电,子模块电压最多只能充到额定电压的一半。如果按照正常解锁逻辑,会产生非常大的直流过电流,因此必须通过主动充电策略将子模块的电压充到额定值。文中结合模块化多电平换流器直流侧不控充电及正常运行的特点,设计了通过逐步递减投入子模块个数的直流侧主动充电策略,可以实现无源端换流阀从直流侧不控充电状态至正常解锁运行状态的平滑过渡。同时,分析了直流侧主动充电过程的桥臂电流特性。最后,通过仿真和实际工程应用验证了设计的直流侧主动充电策略的可行性。     

MMC阀塔水路对子模块静态均压影响分析

模块化多电平换流器(MMC)预充电和阀端交直流电压试验都有静态均压过程,MMC子模块自均压,不投入主动均压策略。在静态均压过程中,发现MMC阀塔不同位置子模块的电容电压两极分化明显,严重影响子模块的正常工作。此处通过引入阀塔水路相关参数,分析了MMC阀塔水路对子模块静态均压的影响机理,建立MMC阀塔仿真模型,对影响子模块静态均压的阀塔水路因素进行了仿真分析,并开展试验,测试了阀塔水路对子模块静态均压的影响情况,仿真结果和试验结果验证了阀塔水路对子模块静态均压有较大影响。     

过压击穿晶闸管的柔直“黑模块”解决方案

柔性直流换流阀运行时,因“黑模块”引起的故障如不能及时清理,会造成直流输电系统跳闸的严重故障。根据乌东德工程换流阀的研制过程,提出一种利用过压自击穿晶闸管的短路特性,实现柔直“黑模块”故障清除的解决方案。阐述了柔直换流阀“黑模块”故障机理及其带来的危害,在此基础上提出了过压自击穿晶闸管用于“黑模块”故障处理的原理,并分析了这种柔直专用的过压自击穿晶闸管的电气特性,评估了这种方案的电气应力情况;最后,设计试验电路进行了试验验证。最终成功在乌东德工程中实现工程化应用。     

水路及均压电极布置方式对MMC换流阀阀端间交直流耐压试验的影响研究

MMC换流阀阀端间交直流耐压试验时,换流器闭锁,电容电压控制算法未投入使用,因此,子模块的均压特性受系统阻容网络的影响。根据试验录波结果,阀塔层间子模块电压分布规律为顶层和底层高,中间层低,子模块电压先发散,后趋于平衡。经过分析得到水路及均压电极布置方式对系统阻容网络有很大的影响,是试验过程中造成层间子模块不均压的主要因素。通过搭建MMC换流阀阀端间交直流耐压试验详细仿真模型,仿真得到层间子模块电压分布规律与试验基本一致,10 s试验最大不均压度为3.9%,3 h试验最大不均压度8.9%。研究结果为MMC子模块的水路及均压电极布置方式提供了可靠支撑,具有重要的借鉴价值。     

适用于柔性直流输电换流阀子模块的便携式自动测试仪设计

换流阀功率子模块是高压柔性直流输电工程中完成电能变换的核心模块,其运行可靠性直接关系整个直流输电系统的稳定性。由于子模块数量庞大,电气拓扑复杂,电容容量大电压高,因此对其元件参数的测量难度较大。根据柔性直流输电换流阀子模块的特点,设计了一种便携式自动测试仪,可实现对柔直子模块电容、电阻、IGBT、旁路开关等主要元器件的全面自动检测,详细介绍了测试仪的软件和硬件设计方案。以许继集团研制的功率子模块为测试对象,验证了所设计的测试装置的正确性和实用性。     

MMC预充电子模块电容电压均衡特性仿真建模

模块化多电平换流器在预充电阶段会出现子模块电压分布不均的现象,严重时会导致子模块旁路,进而影响系统的正常运行。基于MMC预充电过程子模块电容电压的均衡特性,提出了MMC预充电模型搭建方法。该模型充分考虑实际阀塔各导体结构之间的寄生电容参数,以及子模块取能电源等效电阻参数对子模块电压均衡特性的影响。针对超大规模子模块数量下存在的计算效率低的问题,提出了预充电过程MMC单桥臂等效方法,以及换流阀寄生电容集成降阶方法。结合实际工程参数,通过仿真结果与实测数据的对比,验证了所提模型的正确性和有效性。在此基础上,进一步仿真分析了阀塔寄生电容、取能电源等效电阻、子模块均压电阻等参数对子模块电压均衡特性的影响规律,可为工程设计提供参考依据。     

特定次谐波注入抑制模块化多电平换流器电容电压波动

模块化多电平换流器（MMC）电容电压波动抑制有助于降低电容器体积/重量,降低换流阀设备投入成本。推导了换流阀子模块电容电压波动分量及影响因素,分析了二倍频环流注入、三次谐波注入对子模块电容电压波动及换流阀的影响,提出的特定次谐波注入方法,可显著降低换流阀子模块电容电压波动,且桥臂电流峰值和有效值控制在允许范围内。以张北柔直工程参数为例,通过PSCAD仿真比较了环流抑制为零、二倍频环流注入、特定次谐波注入情况下的电容电压波动、桥臂电流有效值和桥臂电流峰值,验证了所提方法的正确性和有效性。     

基于有限元仿真的柔直子模块母排优化设计

随着柔性直流输电技术的不断发展,柔直换流阀的设计也趋向于更加精细化。柔直换流阀子模块内部母排连接着核心器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)与直流电容,其作为主要换流回路,杂散电感是影响IGBT可靠工作的关键因素。此处以优化母排杂散电感为目标,通过对激励源频率和母排结构尺寸灵敏度进行分析,实现母排的优化设计。     

柔性直流输电工程用电容参数研究

柔性直流输电工程用电容器是柔直工程的关键组成部分,为柔直系统提供直流电压支撑,决定了直流侧的电压波动范围。本文介绍了模块化多电平换流器中子模块电容和两电平换流器中直流侧电容的电容参数设计方法及影响因素,对比分析发现两者电容值的选取存在等效关系。     

考虑阀塔对地寄生参数的模块化多电平换流器子模块均压特性研究

针对柔性直流输电工程模块化多电平换流器在软启动过程中,采用自然均压策略时出现的桥臂子模块不均压现象进行了分析。在考虑阀塔对地寄生参数的基础上,推导得出子模块电容电压存在差异的理论依据。结合子模块损耗特性,分析子模块等效输入阻抗与自然均压状态下子模块电容电压的数学关系,推导得出其数学表达式。并通过该式进一步得出自然均压状态下,子模块电容电压收敛范围及其表达式。最后搭建考虑阀塔对地寄生参数的柔性直流输电系统换流器等效仿真模型,通过仿真验证了其有效性和准确性。所得出的模块化多电平换流器在自然均压状态下,其子模块电容电压收敛范围及其表达式对实际工程设计具有一定指导意义。