直流侧故障时模块化多电平变换器运行特性分析

基于半桥子模块(HBSM)级联的模块化多电平变换器(MMC)广泛用于中高压直流输电工程。分析了直流侧短路和直流单极接地故障的暂态特性,并提出了相应保护策略。分析直流侧短路故障,将三相桥臂等效成为1条支路,给出了桥臂电流与系统电气参数的关系;分析系统交流侧接地时的直流单极接地故障特性,描述了交流三相出口电压和直流母线电压;在RT-LAB平台上搭建21电平的MMC模型进行验证,并对上述2种故障分别提出了保护策略。     

MMC-HVDC直流侧故障特性仿真分析

由于拓扑和调制策略的不同,基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统在直流侧发生故障时呈现出与两电平电压源型直流输电(VSC-HVDC)系统不同的故障特性。在PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型基础上,首先分析了MMC-HVDC直流侧线路单极接地、断线和两极短路的故障特性及其对系统运行的影响;然后针对半桥型子模块结构不能够双向阻断故障电流的问题,对子模块拓扑进行了重新设计,通过改变流经子模块电流方向,实现了桥臂电容双向充电,从而提供了续流二极管阻断电压;最后对直流侧两极短路故障进行了仿真分析,仿真结果表明,改进拓扑有效地抑制了直流侧故障电流,避免了交流断路器动作。     

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。     

模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析

新型模块化多电平换流器(MMC)在直流输电和电能变换领域得到了广泛的研究与应用。但是,由于子模块采用了半桥型拓扑,在直流侧线路故障时,MMC不具有直流故障自清除能力。文中在不改变现有MMC调制和均压策略的前提下,利用续流二极管反向阻断特性和桥臂模块电容充电效应,设计了改进复合拓扑结构,解决了半桥拓扑中电容单向充电问题。通过分析闭锁时储能电容不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电压关系,定义了反映子模块故障抑制能力的电流抑制系数。根据系统启动过程中不控整流阶段电容电压的不同,设计了自励启动方法。仿真结果验证了启动方法和复合拓扑对直流侧故障电流抑制的有效性。     

柔直电网阀侧单相接地故障过电压产生及影响因素研究

在真双极柔性直流输电系统中,虽然换流变压阀侧交流单相接地故障出现的概率较低,但是一旦发生,直流侧会产生严重的过电压。文中研究了柔性直流输电系统模块化多电平换流器(MMC)阀侧发生单相接地故障时的过电压特性及产生机理。首先,分析闭锁前后MMC桥臂子模块电容的充放电回路,对桥臂过电压和健全极线过电压的产生机理进行研究。随后,基于厦门柔性直流输电系统,对阀侧单相接地故障特性分析的准确性进行验证,并仿真分析闭锁延时对过电压的影响。结果表明,桥臂子模块电压的升高是由于直流线路分布电容的放电作用,健全极线过电压是由于闭锁前子模块电容的放电以及闭锁后交流侧电压的充电作用,闭锁时间越短,健全极线和故障相子模块电容过电压幅值越低。     

MMC换流站阀侧交流接地故障电流解析

对模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)换流站阀侧交流接地故障特性进行研究发现：阀侧交流系统发生金属性接地故障时,故障点入地电流由下桥臂电容放电电流和上桥臂以及对端桥臂电容放电电流构成,网侧交流系统不会馈入入地电流;带过渡电阻接地故障时,网侧交流系统将通过过渡电阻作用于故障点入地电流。详细推导了三相接地故障和单相接地故障下的入地故障电流和桥臂电流的数学解析式。采用RTDS仿真验证了该表达式的正确性。由于阀侧交流出口处电位被钳制为0,因此上桥臂的子模块电容将产生过电压。下桥臂与故障点构成放电电容回路,下桥臂流过的故障电流迅速增大,且无法通过断路器切断故障电流。因此,建议采取可靠的限流措施避免阀侧故障对换流站等一次设备造成严重伤害。     

伪双极MMC-HVDC系统联接变阀侧中性点电阻参数设计

针对模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter based HVDC)直流单极接地故障暂态特性研究,提出了联接变阀侧中性点经电阻接地的伪双极MMC-HVDC系统发生直流单极接地故障时换流器电容放电的简化模型。将与故障极相连的三相桥臂电容放电回路等效为3个独立的RLC二阶零输入放电回路,从而简化了换流器电容放电与中性点故障电流的分析过程。基于简化模型分析得到的桥臂故障时刻导通子模块电容电压与中性点故障电流计算公式,研究了联接变阀侧中性点电阻参数设计与电容电压放电水平及控制保护系统闭锁换流器延时时间的配合关系,提出了中性点电阻的参数设计原则。最后,针对鲁西背靠背异步联网工程,在搭建的控制保护系统与RT-Lab形成的硬件闭环系统功能性试验平台上,验证了所提联接变阀侧中性点电阻参数设计原则的有效性。     

考虑故障阀臂封锁条件下的VSC-HVDC换流器故障诊断算法

针对两电平柔性直流输电(VSC-HVDC)系统换流器内部常见的IGBT阀器件短路失效、桥臂直通、交流侧单相接地、交流侧两相短路、直流单极接地这5类贯穿故障,研究了换流器故障保护与诊断的协调配合方案,分析了保护闭锁条件下系统直流电压及交流电流的变化规律,据此提出了利用闭锁时刻的直流电压及闭锁后2个周期的三相交流电流作为特征信号进行换流器故障分类与定位的诊断方法,并确定了用于区分故障类型的电压、电流诊断阈值。对换流器严重贯穿故障进行仿真,利用PSCAD/EMTDC模型对所提出的诊断方法进行了验证,结果表明该方法不仅能可靠识别故障类型,还能准确定位故障位置,可用于故障阀臂闭锁条件下VSC-HVDC换流器的故障诊断。     

MMC-HVDC系统直流侧故障暂态特性分析

近年来,国内外对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的研究主要集中于系统建模仿真、控制系统设计等方面。对基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统(modular multilevel converter based high voltagedirect current system,MMC-HVDC)直流线路故障的研究也仅是在简单的故障定性仿真分析上。为了比较精确地定量分析MMC-HVDC系统直流侧故障瞬间电气应力的暂态特性、短路故障状态下的等值电路模型,分析了系统直流侧故障的机理,给出了故障电压、电流的数学表达式。基于RT-LAB软件搭建了双端MMC-HVDC仿真模型,验证了故障暂态特性分析的结果,单极接地故障使得直流非故障极的对地电压与换流站交流侧的相电压增大;双极短路故障会引起换流站的桥臂产生严重的过电流现象;单极断线故障会导致整流站很大的直流电压变化率,引起严重直流过电压。针对上述问题,文章结合分析结果给出了相应的故障保护要求和策略。     

基于负直流电压控制的MMC快速无闭锁故障穿越策略

传统半桥子模块无法阻断直流短路电流,基于新型子模块的闭锁式故障穿越策略则存在换流器不可控、系统重启过程复杂等缺点,降低了模块化多电平换流器的可靠性。为此提出了一种基于负直流电压控制的无闭锁故障穿越策略,在直流侧短路后通过调制波下移将直流电压控制为负值,从而实现直流故障电流的快速清除。此外,针对无闭锁故障穿越过程中输出正负电平子模块之间电容电压不均衡的问题,提出了双排序控制算法以实现电容电压的快速均衡,同时设计了从故障发生至换流器重启整个过程中系统的无闭锁故障穿越流程。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,基于负直流电压控制的无闭锁穿越策略可快速阻断直流故障电流,在此过程中子模块电容电压保持均衡,可实现换流器的快速重启。     

故障子模块切除后MMC运行特性分析和直流电流波动抑制

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的桥臂由大量子模块构成,器件故障的可能性很高。切除故障子模块后三相桥臂将处于不对称运行状态,交流相电流在故障相上下桥臂无法平均分配,导致直流电流波动。为此,首先建立子模块故障下MMC等值电路,然后推导分析了桥臂电流和直流电流波动分量和谐波构成。设计了一种新的抑制直流电流波动的控制策略。该策略的核心思想是在故障桥臂电压参考波上附加补偿电压分量。最后通过电磁暂态仿真验证了该方法的有效性与可行性。仿真结果表明:基频和二次谐波是直流电流波动分量的主导成分;应用本策略后,测试算例中直流电流波动分量被抑制到1%以下;电容电压动态修正环节可有效保证子模块投切计算数量与实际需求量一致。     

苏州同里±10 kV柔性直流配电系统直流故障特性研究

基于苏州同里±10 kV直流配电系统参数,针对直流单极接地和极间短路故障暂态特性进行了研究。采用示范工程系统结构及控制策略,利用PSCAD建立了电磁暂态模型,针对系统交流侧、换流器侧、直流侧和负荷侧进行了故障过电压、过电流研究,分析了接地电阻对直流侧电压和电流的影响。结果表明：系统直流侧发生单极接地故障时,交流侧出现持续直流分量,换流器不闭锁,DC-DC变换器高压侧电容放电;故障接地电阻对直流侧电压、电流影响大;极间短路故障产生严重过电流,将触发换流器过电流保护,导致换流器闭锁;故障电流是产生过电压的重要原因;电感元件两端过电压较大,极间故障对系统交流侧影响较小。     

半桥型MMC直流侧故障恢复过程过流机理及抑制方法

直流侧发生短路故障后,半桥型模块化多电平换流器（MMC）易闭锁,故障恢复期间不当解锁导致桥臂过流,MMC存在连续闭锁风险,引发系统性安全问题。针对该问题,文中理论分析了故障恢复期间绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的解锁过流机理,并提出了一种新的故障恢复控制。首先,指出欠阻尼状态的故障回路必然导致IGBT闭锁。其次,揭示了故障恢复期间IGBT解锁过流的根源是直流侧和交流侧的压差。进一步,提出了故障恢复控制,在闭锁期间切除功率外环,抬高交流侧调制波以减少压差,抑制桥臂电流。计及闭锁期间子模块电容电压和重合闸时序,构建了自适应外环参考值曲线,解决功率盈余造成的过压问题。结果表明,和现有串联交流侧启动电阻方法相比,在不同工况下所提故障恢复控制最低可将桥臂电流峰值由1.57 p.u.降至0.79 p.u.,解锁后调控功率侧MMC直流电压为额定值,有助于加快故障恢复。     

苏州同里±10 kV柔性直流配电系统直流故障特性研究

基于苏州同里±10 kV直流配电系统参数,针对直流单极接地和极间短路故障暂态特性进行了研究.采用示范工程系统结构及控制策略,利用PSCAD建立了电磁暂态模型,针对系统交流侧、换流器侧、直流侧和负荷侧进行了故障过电压、过电流研究,分析了接地电阻对直流侧电压和电流的影响.结果 表明:系统直流侧发生单极接地故障时,交流侧出现持续直流分量,换流器不闭锁,DC-DC变换器高压侧电容放电;故障接地电阻对直流侧电压、电流影响大;极间短路故障产生严重过电流,将触发换流器过电流保护,导致换流器闭锁;故障电流是产生过电压的重要原因;电感元件两端过电压较大,极间故障对系统交流侧影响较小.     

不对称交流电网下MMC-HVDC系统的控制策略

在MMC-HVDC系统中,交流电网不对称会导致MMC换流器交流侧电流不平衡、直流侧出现较大的2倍频电流和电压波动等问题。为解决这些问题,该文建立不对称交流电网下MMC-HVDC系统的数学模型,提出一种带有前馈补偿的交流电流、桥臂环流和直流电流的解耦控制策略及子模块电容电压和直流电压的平衡控制策略,避免了由交流电网不对称引起的功率振荡传播到直流系统,抑制了直流侧电流和电压波动,使得MMC在交、直流系统间起到了"防火墙"的作用。同时,改善了换流器直流侧电流、交流侧电流、子模块电容电压和直流电压控制的暂态性能。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。     

基于MMC多端柔性直流输电保护关键技术研究

基于MMC的多端柔性直流输电是直流输电的重要发展方向。对MMC多端柔性直流输电控制保护系统进行了研究,介绍了一种基于子模块电容电压优化平衡控制算法的控制策略,详细给出了柔性直流输电系统保护配置,对阀侧交流母线差动保护策略和换流器区保护策略等保护关键技术问题进行深入研究,给出了具体的解决策略。并搭建了多端MMC-HVDC仿真试验系统验证控制保护研究策略,详细分析了阀侧交流母线两相短路接地故障和换流器上桥臂短路故障仿真结果。所研究内容对多端MMC-HVDC工程的研究和发展有重要的借鉴意义。     

基于MMC的电力电子变压器保护系统研究*

介绍了基于MMC的电力电子变压器主电路拓扑及运行原理;对其可能出现的故障类型配置了相应的故障量测点以及保护方法;对MMC型电力电子变压器中存在的特殊故障及保护问题进行了详细分析,包括交流输入侧接地电阻的选择对交流侧接地故障和直流侧单极接地故障的影响,直流双极短路故障发生后采用具有直流故障电流抑制能力的箝位双子模块替换半桥子模块之后产生的过电压问题,以及电力电子变压器隔离级串联电容迅速放电产生冲击过电流问题;针对以上问题提出了相应的保护应对策略,并通过PSCAD仿真证明了所提策略的正确性和有效性。     

基于桥臂电压控制的MMC直流短路主动限流方法

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电系统直流短路后电流上升迅速且伴随大量的能量释放,为限制其故障电流,提出一种基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法。根据故障电流影响因素分析,针对不同交流出口特性需求,设计了故障期间桥臂电压控制方法,通过减小桥臂电压直流分量降低直流出口电压,从而抑制故障电流上升率;考虑主动限流策略对交流电压及桥臂电流的影响,以MMC不闭锁为约束条件,设计了控制参数的选取原则,最后在四端直流电网中对该主动限流方法的限流效果及其对故障切除后功率恢复的影响进行了仿真分析。结果表明,所提主动限流方法能够有效限制短路电流,降低直流断路器的电流开断难度,且对故障切除后的功率恢复影响较小。     

直流故障下基于交流侧馈能的MMC换流站主动限流策略

模块化多电平换流器(modular multi-level converter, MMC)直流侧发生接地短路时,故障电流具有上升快、峰值高的特点。为减小断路器开断应力,从能量角度出发,对子模块和桥臂动态过程进行分析,建立考虑交流侧功率影响的直流故障下MMC等效放电模型,推导出了故障电流表达式。提出一种基于交流侧馈能的主动限流策略,通过引入前馈控制,对含物理限流电阻的控制框图进行变换,等效增大直流侧限流电阻。并对其参数进行整定,进而将故障时电容部分能量馈入交流侧,达到了降低故障时电流上升率和电流峰值的目的。该控制方式不仅抑制交流侧电源向故障点放电,而且减小了直流电容向故障点的放电电流。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了四端环状MMC输电网模型,验证了所提方案的可行性。     

MMC直流侧故障有源限流策略

为了避免直流短路故障威胁到模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型柔性直流电网的安全可靠运行,该文提出了一种适用于半桥型MMC直流侧故障的有源限流策略,限制直流短路电流和桥臂电流的峰值及上升速率。首先,该文阐述了故障期间系统控制策略对故障电流的影响,然后通过反馈桥臂电流分别调整差、共模调制波,进而改变上、下桥臂中子模块的数量及分配,达到快速抑制交、直流侧故障电流的目的。其次,推导了考虑有源限流策略下的故障电流解析式,并分析了该限流策略对控制系统稳定性的影响,为有源阻尼参数选取提供理论依据。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建四端柔性直流电网模型,仿真结果表明：有源限流策略不仅能够显著降低直流断路器开断故障电流,且能保证桥臂内器件的安全。