基于桥臂阻尼阀组的模块化多电平换流器故障快速清除与系统恢复技术

针对柔性直流故障快速清除与系统快速恢复技术难题,介绍了基于桥臂阻尼阀组的故障快速清除与系统恢复技术方案。在分析柔性直流双极短路和桥臂短路2种故障机理的基础上,提出适用于工程的桥臂阻尼阀组的具体电气拓扑和阻尼阀组的控制保护策略以及桥臂阻尼参数的选取原则和工程参数设计流程。以某多端柔性直流输电工程为例进行了仿真验证,仿真结果表明,在直流双极短路故障条件下,所提方案可加快直流短路电流的衰减,实现故障清除后系统快速重启动;在桥臂短路条件下,所提方案可加速阀侧交流电流中直流分量的衰减,加快交流开关的开断过程,降低了换流阀故障损坏的风险。仿真结果验证了所提方案的有效性和可行性。     

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。     

计及保护动作与换相失败的逆变侧阀短路故障定位

鉴于现有阀短路故障定位方法依赖桥臂电流信息,而目前工程实际中存在桥臂电流不易获取、定位精度不高的问题,提出了一种无需桥臂电流的逆变侧阀短路故障定位方法。考虑控保系统对不同位置阀短路故障响应特性以及逆变侧阀短路故障引起的换相失败对故障特征的影响,分析了不同时刻发生逆变侧区内4种典型阀短路故障的故障特征。结合逆变侧保护动作情况和系统电气量特征,设计了不同位置阀短路故障识别判据,进而实现逆变侧换流器区不同位置阀短路故障定位。基于RTDS与实际控保系统的数模混合仿真验证了所提故障定位方法的有效性。     

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。     

一种实现柔直系统快速恢复的自取能故障阻尼器

针对半桥模块化多电平换流器(MMC)的直流双极短路和单桥臂短路2种典型故障工况,分析了其故障通路和电流波形,并提出相应的桥臂阻尼方案,推导了阻尼电阻的设计依据。提出一种新型自取能模块化故障阻尼器拓扑,分析了其工作模式以及对MMC的影响。该阻尼器串联在MMC的桥臂中,解决了高电位取能问题,实现了阻尼器的自取能,在直流双极短路故障时起到限流和衰减作用,加快故障端的切除,实现柔直系统的快速恢复;在单桥臂短路故障时可以衰减阀侧交流电流的直流分量,有助于阀侧交流开关的跳开。结合工程上使用的MMC结构,提出了即插即用的模块化故障阻尼器实施方案。在舟山五端柔直仿真系统中验证了所提自取能模块化故障阻尼器拓扑的有效性。     

柔性直流联接变阀侧断路器功能定位及必要性分析

为了确保换流阀安全可靠运行,云南异步联网工程柔性直流单元首次在联接变阀侧设计了交流断路器,当系统发生短路故障且联接变交流进线断路器拒动时,可以通过该断路器切除短路故障。仿真结果表明,联接变阀侧断路器在发生直流极间短路故障且交流进线断路器拒动的极端情况下能快速切断故障电流,流过桥臂的短路电流的热效应累计值在设备耐受范围内,可保证子模块安全运行。     

MMC桥臂电抗器穿墙套管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,分析了桥臂电抗器目前布置方案所存在的故障电流大问题,提出了将桥臂电抗器布置在靠近直流连接点的方案。分析了桥臂电抗器布置在不同位置时对换流器故障电流的影响,并推导了故障电流分量的数学表达式,研究表明桥臂电抗器布置在靠近直流连接点时能够有效限制阀侧接地故障时故障电流上升率,有效降低故障电流水平,同时不会带来较大成本增加。然而桥臂电抗器布置在靠近直流连接点后,其穿墙套管发生相间短路故障时现有保护策略并不能及时发现,给换流器的安全运行带来隐患,提出了一种桥臂电抗器穿墙套管短路保护策略,能够有效识别桥臂电抗器穿墙套管短路故障。最后通过PSCAD/EMTDC对相关分析进行了仿真验证。     

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。     

适用于MMC型直流变压器的直流故障主动限流控制方法

为满足模块化多电平换流器(MMC)型直流变压器对直流故障电流快速限制的要求,有必要对其主动限流控制方法进行研究。文中通过对双极短路故障机理的详细分析和故障电流的建模,得到了考虑上升阶段交流馈入量后的桥臂电流,以及短路电流峰值和峰值时间的表达式,然后给出了可以通过降低在故障发生后每相子模块投入数量来限制故障电流的结论。基于此结论,设计了一种新型主动限流控制方法。该方法通过产生附加直流偏置和交流增益,进而调整桥臂电压的直流分量和交流分量,再经调制环节达到限流目的。最后通过仿真验证了所提出方法的有效性和优越性。     

具备故障电流对称清除能力的双向开关钳位式全桥子模块

实现对直流侧故障的快速隔离与穿越是基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流输电系统亟需解决的问题。在对现有子模块进行归纳与改进的基础上,提出了一种双向开关钳位式全桥子模块(bidirectional switch clamped full bridge sub-module,BCFSM),该子模块具备直流短路故障电流对称清除能力,闭锁后可引导故障电流对桥臂内所有电容进行串联充电,从而快速清除故障电流并保证闭锁期间桥臂内电容电压的均衡。同时,由于双向开关兼具钳位与旁路通道作用,与其他具备故障穿越能力的子模块相比,BCFSM具有良好的经济性。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,BCFSM-MMC可快速清除直流短路故障电流,且能够快速重启,具有高直流故障穿越可靠性的同时降低了换流站的建造与运行成本。     

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。     

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。     

换流站阀侧交流接地故障电流快速抑制方案

换流站阀侧交流接地故障下,故障点通过接地极与下桥臂组成故障回路,其故障冲击电流大,不能通过断路器切除。分析表明,接地极在对称运行时基本没有电流流过,并在单极架空线路故障和换流站阀侧交流接地故障中提供了故障回路。因此,接地极引入故障限流装置不仅对系统的正常运行没有影响,且能有效抑制单极故障电流和阀侧交流接地故障电流,降低对直流线路保护及换流站保护的要求。分析了阀侧交流接地故障下的故障电流组成,从供电可靠性、故障限流效果等方面分析了故障限流器引入接地极所具有的优势,提出了故障限流器分散组合式安装方法,利用电容器组与故障限流电感的组合投入,实现对回路中能量的吸收和故障电流上升率及峰值抑制的新型故障限流器拓扑结构。利用PSCAD/EMTDC平台搭建了双端柔性直流输电系统,仿真结果验证了接地极安装位置的优越性,并证明了新型故障限流器的有效性。     

交流系统电压对MMC-HVDC接地故障时换流器闭锁前桥臂电流的影响机理

直流线路接地故障是模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的主要故障类型。发生故障时,为满足直流断路器切断电流要求,应在MMC闭锁前切除故障,而MMC的闭锁时刻取决于子模块中绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)承受故障时桥臂电流的能力,因此对故障时单桥臂电流的特性分析提出了更细致具体的要求。首先介绍了真双极MMC的拓扑结构和工作原理,分析了在发生直流线路单极接地故障时闭锁前故障电流不同成分在MMC桥臂上的流通路径。然后采用复频域计算法,构建了故障时桥臂电流的数学模型,推导了交流系统电压对MMC闭锁前桥臂短路电流的影响机理。研究表明交流系统电压相角对故障时桥臂电流的幅值影响显著。最后,基于PSCAD仿真实验平台,搭建31电平单端及51电平双端MMC-HVDC,在不同电压幅值与相角取值下的仿真结果验证了该机理的正确性。     

基于非饱和区域波形相关分析的励磁涌流鉴别方法

提出一种基于波形相关程度鉴别变压器励磁涌流与故障电流的新方法.该方法通过比较动态差流短数据窗内各采样点代数和的大小,寻找出励磁涌流或短路故障下变压器的非饱和区域,由非饱和区内采样数据的最大值及其位置构造出2种形式的标准正弦波,再分别计算非饱和区内差流采样波形与2种构造正弦波的相关程度,根据相关系数平均值的大小区分励磁涌流与故障电流.动模试验结果分析表明,该方法在变压器运行中发生内部故障以及带故障空载合闸时,能够快速开放纵差保护;在空载合闸发生励磁涌流时,能够可靠闭锁纵差保护,并且能够实现分相闭锁,具有较好的抗电流互感器饱和能力.     

采用桥臂电抗器耦合的MMC直流侧故障过电流抑制新方法

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)直流侧发生短路故障时换流站闭锁前桥臂过电流的抑制问题,提出了一种采用桥臂电抗器耦合的过电流抑制新方法。该方法不仅有效抑制故障电流,还能够改善系统的稳态运行。首先建立了采用桥臂电抗器耦合的MMC拓扑,阐明桥臂电抗器耦合原理。然后对该系统直流侧故障过电流进行分析,继而选取最佳的耦合系数。最后在Matlab中搭建了双端31电平系统仿真模型,分别在正常运行和故障两个阶段,将采用普通电抗器与采用耦合电抗器的系统各参数进行对比。仿真结果验证了所提方法的有效性。