MMC系统级拓扑及其直流故障电流阻断能力研究

由于直流断路器成本较为昂贵,尚处于试验阶段,具备直流故障电流阻断能力的MMC拓扑才是实现输配电网可控性,提高MMC运行可靠性的关键。文中在分析传统半桥型模块化多电平换流器(half bridge sub module based modular multilevel converter,HBSM-MMC)直流侧故障机理的基础上,对具有直流故障电流阻断能力MMC相关研究进行综述。分析了桥臂优化MMC的拓扑结构及直流故障抑制能力,包括子模块混合型MMC及二极管阻断型MMC;分析了单相优化MMC拓扑结构及直流故障电流阻断能力,包括桥臂交替导通MMC和混合级联型MMC。仅从理论角度来说,具备直流故障电流阻断能力的MMC拓扑结构研究已经较为成熟,但混合子模块优化控制、改进子模块封装、串联子模块和开关器件的协调配合、器件冷却等工程实现诸多问题还有待进一步研究。     

适用于架空线的MMC-HVDC换流站子单元拓扑系列

本文提出一系列新型故障隔离型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子单元拓扑结构。与全桥型MMC拓扑结构相比,使MMC柔性直流输电具备直流侧故障处理能力的同时,优化了建设成本与运行损耗。本文详细描述了几种新型拓扑结构的直流侧故障电流阻断机理,介绍了一种基于故障隔离型子单元的新型换流站拓扑思路,并搭建了单相实验样机平台,实验进一步验证了该类拓扑结构的有效性。     

具有直流故障自清除能力的新型MMC子模块及其混合拓扑

针对传统半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)在高压大功率领域不能通过换流器自身控制来实现直流故障的阻断问题,提出一种新型的类半桥型(Similarity Half Bridge Sub-Module,SHBSM)子模块拓扑结构。直流侧发生极间短路故障时,需同时闭锁所有IGBT脉冲信号。为降低IGBT触发一致技术要求,进一步提出一种类半桥-半桥混合型子模块,无需所有IGBT同时闭锁。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的类半桥型子模块,类半桥-半桥混合型子模块MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。相比于传统半桥型子模块MMC,类半桥型子模块MMC以及半桥-半桥混合型子模块MMC均无需增加IGBT的投入,即可以实现对直流侧故障电流的有效阻断,因此,具有较好的应用前景。     

基于混合子模块的MMC故障阻断及谐波特性分析

针对模块化多电平换流器(MMC)所存在的直流侧故障无法自清除的问题,许多新型的子模块拓扑在原有半桥型子模块(HBSM)的基础上进行调整修正,利用其自身的拓扑特点,在直流侧发生短路故障时通过使短路电流给子模块电容充电的方法实现故障电流的快速阻断。在研究了众多新型子模块拓扑的基础上,设计了电流阻断能力较强的新型子模块。并考虑了损耗特性,采用新型子模块与HBSM结合的混合拓扑结构,从调制策略到谐波特性以及故障阻断性能进行了分析。推导了各次谐波电压幅值的表达式,并通过仿真验证了其准确性与实用性。     

一种能够清除直流故障和减少传感器数量的MMC子模块及其特性研究

针对模块化多电平换流器(MMC)的直流故障清除问题,提出了一种新型的局部自均压组合电容型子模块。该子模块的拓扑结构具备故障自清除能力,并且能够利用不同工作模式的投切,自动实现子模块内部电容电压的均衡,即每一个新型子模块只需一个电压传感器对其进行监控。利用MATLAB/Simulink对基于新型子模块的MMC在正常状态和直流侧短路故障状态进行仿真,仿真结果表明相比于传统的N电平m相半桥型MMC需要2m(N-1)个电压传感器和2m个电流传感器,所提出的基于新型子模块的MMC所需电压传感器的数量以及参与控制的电压信号数量均减少一半,降低了系统硬件成本,减少了控制器运算负担,提高了系统稳定性;同时,当系统发生直流侧短路故障时,由于子模块具备故障自清除能力,能够阻断交流系统与故障点的电流通路,实现直流故障的闭锁。     

一种具有直流故障限流能力的模块化多电平换流器

为解决传统半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法限制直流故障电流的问题,提出一种改进型子模块的MMC拓扑。与传统半桥型子模块拓扑不同,交流输出端口增加了阻断IGBT及其旁路吸收回路。本文首先分析改进型子模块的工作原理,在此基础上开展基于该子模块的MMC的故障限流机理及其主要功率开关器件的电气应力的研究,并通过仿真算例对所提出的拓扑进行了验证。仿真结果表明基于改进型子模块的MMC拓扑在原有正常模式下不需要改变控制策略与调制策略,而在故障阶段能够迅速实现故障电流阻断效果,通过引入旁路吸收回路,进一步降低了对电路触发脉冲一致性的要求,因此在未来高压直流输电系统领域具有良好的工程应用前景。     

具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑结构研究

由于直流断路器成本较为昂贵,尚处于试验阶段,具备直流故障电流阻断能力的MMC拓扑才是实现输配电网可控性,提高MMC运行可靠性的关键。在分析了传统半桥型模块化多电平换流器(half bridge sub-module based modular multilevel converter,HBSM-MMC)直流故障电流路径的基础上,对具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑结构进行综述。分析了桥式子模块和箝位型子模块拓扑的直流故障电流阻断原理和故障时的电流路径,并对各种子模块拓扑的性能特点进行对比分析、归纳总结,为业内学者开展相关研究提供参考。     

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。     

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。     

一种能够清除直流故障的改进MMC子模块及特性研究

模块化多电平换流器(MMC)具有输出波形谐波含量低、高度模块化等优点,在高压直流输电(HVDC)领域得到了广泛的应用,如何处理直流侧故障也成了MMC面临的主要难题。提出一种具备直流故障自清除能力的改进子模块拓扑,分析了其工作原理、运行特性和故障阻断机理并进行了混合拓扑计算;然后对改进子模块的阻断能力、经济性进行了综合对比分析;最后在PSCAD/EMTDC中搭建了单端MMC直流系统对提出的子模块阻断特性进行了仿真验证,仿真结果表明,所提改进子模块的混合拓扑能够快速有效清除直流故障电流。     

适用于直流配网的故障自清除型电力电子变压器

基于MMC-ISOP电力电子变压器结构的直流配电系统发生中压直流母线双极短路故障后,若采用常规半桥型MMC子模块,交流母线会与故障点构成三相短路而产生较大故障电流损坏功率器件,后级ISOP变换器输入侧若采用直接串联方式同样无法避免输入电容对地放电问题。提出具有故障电流自清除能力MMC子模块拓扑,未提高器件数量、电容耐压等级,且保证了阻断能力。提出DAB变换器输入侧混合串联型ISOP拓扑,可有效切断故障后电容放电通路,降低电容电压应力及电感电流脉动,缩短故障后系统恢复时间。利用Simulink软件搭建了直流配网稳态及故障状态仿真模型,仿真结果验证拓扑结构有效性及理论分析准确性。     

具备直流故障阻断能力的改进型多电平子模块

对于模块化多电平变换器(MMC)而言,多电平子模块能够有效改善传统桥式子模块带来的级联模块繁多、系统体积过大等问题,但传统的多电平子模块通常不具有直流故障阻断能力。为了改善多电平子模块的直流故障阻断能力,提出一种改进型T型子模块结构(MTMSM),该结构通过闭锁模块内部的IGBT便能够阻断直流故障。搭建基于所述子模块结构的MMC系统的仿真模型以及硬件平台,二者结果均表明所述结构具有良好的直流故障阻断能力。     

一种具备直流故障阻断能力的新型子模块研究

针对在柔性直流工程中得到广泛应用的半桥子模块无法处理直流侧故障的问题,提出了一种具有直流故障电流自阻断能力的子模块拓扑结构。首先,阐述了新型子模块拓扑的基本结构和运行特性;基于直流故障期间系统等效电路,详细分析了新型子模块的故障电流阻断机理和器件耐压水平;然后对该子模块的混合实施方案进行计算同时对阻断能力和经济特性做出了比较分析;最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了仿真模型,对所提出的子模块阻断能力进行验证。经验证,该型子模块拓扑能够快速有效地清除直流侧故障电流。     

一种具有故障隔离能力的MMC-HVDC换流站子模块拓扑研究

针对典型半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法阻断直流短路故障电流的固有缺陷,提出一种串联型双电容箝位型子模块,并结合传统半桥型子模块,设计成混联型桥臂拓扑,采用更低额定工作电压的IGBT,实现子模块基本功能的同时,增加了故障电流隔离能力。与全桥子模块结构和箝位双子模块结构相比,所提出的子模块拓扑方案进一步降低了器件成本。详细描述了该方案故障电流阻断机理,并通过电磁暂态仿真模型验证了基于该子模块拓扑的换流站方案的可行性。     

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。     

新跨接双极三电平子模块拓扑及其控制策略

基于半桥型子模块拓扑的模块化多电平换流器不具备直流短路故障电流阻断能力,影响了低成本架空线的应用.为抑制直流故障时的短路电流,研究了 一种新跨接单极三电平子模块拓扑,解决了混合拓扑中电容不均衡充电问题.然后为应对子模块闭锁对换流站和电网可能产生的不利影响,设计了 一种新跨接正、负极三电平子模块拓扑,并分析了其过调制运行...     

基于混合子模块的循环嵌套型模块化多电平换流器特性

模块化多电平换流器在柔性直流输电领域中已得到广泛的应用。针对传统半桥子模块无法清除直流侧故障的问题,许多具备直流故障阻断功能的新型子模块相继被提出,相比半桥子模块,这些新型子模块增加了额外的阻断器件,从而在电平数较多的情况下增加了换流器的损耗。而基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器(NLMMC)拓扑具有高电平输出能力,结合该拓扑结构特点,提出一种混合子模块结构,应用到NLMMC之后,使该换流器在具有直流侧故障阻断能力的基础上,提高了电平输出能力,从而间接地减少了换流器的损耗。从该拓扑结构的工作原理入手,对该换流器的故障阻断机理和调制策略进行了分析,提出了分层电压平衡控制策略。最后通过PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了仿真模型,对换流器的电平输出能力、损耗特性以及故障阻断能力进行了仿真验证。     

具有交流源完全阻断能力的混合式MMC拓扑

在具有直流故障清除能力的多种模块化多电平换流器(MMC)子模块中,箝位双子模块投资成本和附加损耗最低,但是交流源阻断能力相对较弱;串联双子模块和增强自阻型子模块交流源阻断能力足够强,但是投资成本和附加损耗较大。结合不同类型子模块所具备的不同优势,设计了一种混合式MMC拓扑结构。以闭锁后交流源完全阻断为约束,以投资成本、附加损耗最低为目标,提出了子模块数量的混合配置原则。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建相应的基于不同子模块的柔性直流系统模型,通过大量的仿真测试验证了理论分析的正确性以及所设计的混合式MMC拓扑的可行性。