一种具有直流故障穿越能力的MMC子模块拓扑

模块化多电平换流器(multilevel modular converter,MMC)具有高度模块化、输出波形谐波含量低、开关频率低等优点,因而在高压直流输电领域得到了广泛应用.如何处理直流侧故障是MMC需要面对的主要难题.在分析已有子模块拓扑的基础上,提出了一种具有直流故障穿越能力的子模块拓扑,在不改变原有控制策略与调制策略的情况下能够快速切断故障电流.最后在PSCAD/EMTDC下搭建了仿真模型,对所提子模块拓扑进行了验证,仿真结果证明了所提出的子模块拓扑在切断直流故障电流方面的有效性.     

一种提高MMC交流电压鲁棒性的改进调制策略

柔性直流输电技术被认为是目前应用于新能源大规模接入的较好解决方案,且可接入弱交流系统。柔性直流输电工程大多基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),工程中MMC采用最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略。在系统发生扰动或故障使得直流电压波动时,采用传统NLM调制策略的MMC换流器输出的交流电压稳定性较差。该文分析了传统NLM调制策略存在以上缺陷的原因,并针对该原因,提出了一种考虑子模块电容电压实际值的改进调制策略,从而使MMC输出的交流电压在系统扰动时具有较好的鲁棒性。通过在PSCAD/EMTDC中搭建电磁暂态模型并进行仿真分析,验证了该文提出的改进调制策略可以有效提升MMC换流器输出交流电压的鲁棒性。     

新型的模块化多电平换流器子模块保护策略

分析了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块在3种工作方式下的故障机制与保护方法,提出了一种在原有子模块拓扑上增加一个保护用晶闸管的新型保护策略,以快速切除故障子模块。仿真结果表明,子模块拓扑改进后,可大大提高保护效率,提升了子模块故障保护能力,可为MMC设计提供参考。     

一种新型模块化多电平换流器调制策略研究

介绍了适用于轻型直流输电系统(VSC-HVDC)的模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构及原理,并提出一种适用于MMC的新型移相载波调制策略(CPS-SPWM)。基于MMC的能量均衡和电压平衡问题,还提出了和调制策略相协调的电容电压均衡控制方法,最后通过Matlab/Simulink搭建了MMC仿真模型,结果证明所提出的控制方法可以有效地平衡换流器子模块的电容电压,并且保证MMC外部输出良好的交流电压和电流。     

新型混合级联多电平换流器型静止同步补偿器的设计

构建了新型混合级联多电平换流器(hybrid cascaded multilevel converter,HCMC)型静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)(即HCMC-STATCOM)的拓扑结构,并分析其工作原理,对两电平换流器直流电压和整形电路H桥子模块个数进行了优化设计。为实现两电平换流器和整形电路的协调控制及电容电压稳定控制,研究了两电平换流器和整形电路的调制策略,并提出了一种有效的控制方案。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了35 k V/±100 Mvar HCMC-STATCOM仿真模型,仿真结果表明了HCMC-STATCOM拓扑结构及其工作原理的可行性和控制方案的有效性。     

一种混合型模块化多电平换流器的改进载波移相调制方法

混合型模块化多电平换流器(MMC)桥臂中既包含半桥子模块,又包含全桥子模块,原有载波移相调制方法并不适用。文中在分析子模块混合型MMC拓扑结构工作原理及其调制方法的基础上,提出了一种适用于混合型MMC且带电容电压均衡策略的改进载波移相调制方法。在PSCAD/EMTDC中搭建了详细仿真模型,仿真结果证明了该调制策略的有效性。     

模块化多电平换流器附加直流电压控制策略设计

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的调制比保持在合适的区间内,提出了一种附加直流电压控制策略,可保证换流器输出全电平数的交流电压阶梯波形且稳定运行。首先,通过分析正弦脉宽的调制原理,得到满足换流器输出全电平电压波形且稳定运行的调制比最小限值和最大限值。然后,根据直流电压与调制比的非线性关系,设计了附加直流电压控制器,保证直流系统内所有换流器的调制比均运行于合适区间内。最后,采用11电平的双端MMC系统对所提策略进行验证。仿真结果显示,MMC-HVDC系统总能保持完整电平数的输出波形,并且总能够在不同的工况下寻找到一个新的稳态平衡点运行,验证了所提策略的可行性。     

具备自均压能力的模块化多电平换流器拓扑

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中的子模块电容相互独立,电容电压的均衡完全依赖于均压控制,而均压控制的复杂程度又直接取决于MMC子模块数目,随着子模块数目的增加,均压控制对计算量和数据采集速度、精度的要求日趋严苛,由此带来了一系列子模块电容均压问题。为解决该问题,该文提出一种具备自均压能力的MMC拓扑,在保留MMC模块化特性的同时,在任意相邻子模块电容间增加了辅助均压回路,使得MMC在子模块投切过程中自发地实现电容电压的均衡。该文介绍所提出新型MMC拓扑的均压原理、调制策略、参数和阻尼电阻设计方法,并提出电容电压波动程度指标和集中程度指标,用于评估新型拓扑与传统半桥MMC拓扑的均压效果,通过PSCAD/EMTDC下的仿真结果验证所提出新型自均压拓扑和调制策略的有效性。     

2基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器拓扑及其优化设计

普通模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑中,因子模块数量较多,系统需采集和处理的信息量大,导致控制系统硬件构成复杂.提出一种基于循环嵌套机理的MMC拓扑,其电平输出能力得到显著提升.通过上下两组子模块的协调投切,相对于普通MMC拓扑,新型拓扑输出相同电平数所需的子模块及控制设备数量大幅减少.阐述该新型拓扑的构成方式及基本参数选取原则;针对循环嵌套结构,设计相应的模块协调控制策略;分别以模块用量最小化和换流器运行损耗最小化为目标,优化设计拓扑构成方案.在RTDS中搭建换流器模型,仿真结果表明,新型拓扑具备更强的电平输出能力,并达到大幅减少子模块数量、简化控制系统硬件构成的目标.     

大功率MMC换流站最近电平调制策略研究

介绍了模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的基本拓扑结构和工作原理。针对脉冲宽度调制在大功率MMC换流站中应用的一些弊端,如开关频率过高,由于复杂性难以实现等,提出了最近电平调制策略在MMC中应用的实现方法,并对该种调制策略原理、输出电压基波和各次谐波进行了分析。在PSCAD/EMTDC仿真环境下,搭建了5电平和13电平MMC模型,对提出的最近电平逼近调制策略进行验证。对输出电压质量和各次谐波含量进行了分析,验证了该调制策略的有效性和适用于大功率MMC换流站场合。     

风电经架空柔性直流输电线路并网的交直流故障穿越技术

针对永磁同步风电机组远距离大规模并网的问题,研究了采用半桥型模块化多电平换流器(MMC)和直流断路器(DCCB)进行架空直流输电的并网方案。但架空线路故障率高,在发生直流侧故障、网侧交流故障时,基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)系统保护装置会动作,导致MMC闭锁,不能不间断运行。为解决MMC-HVDC穿越交、直流故障的问题,基于DCCB和耗散电阻,提出了一种MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越方案。在故障发生后,通过设计DCCB风电场侧MMC降压协调控制策略,以及高压直流侧耗散电阻和风电场侧制动电阻间的控制策略和配合方案,实现了MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越。最后,通过PSCAD/EMTDC下的多组仿真,验证了上述交直流故障穿越方案的有效性和正确性。仿真结果表明,所设计的穿越方案能够使MMC-HVDC系统在不闭锁MMC的前提下,安全穿越故障期;在故障清除后,系统快速恢复到正常运行状态。     

基于MMC的光伏直流升压并网系统故障分析及限流控制策略

基于模块化多电平换变流器(modular multilevel converter, MMC)的光伏直流升压并网系统为大容量并网提供了更多的可能。而光伏升压系统直流侧发生故障时暂态过程复杂,故障电流上升迅速且峰值过高。针对此问题,首先对系统直流侧双极短路故障时的直流升压变换器与MMC换流站进行了故障过程分析,并通过故障回路分别计算出了可靠闭锁下流经短路点的故障电流。然后针对MMC换流站的故障电流,依据其控制原理,提出基于电压变化的主动限流控制策略。该控制通过引入电压变化量动态改变桥臂参考电压,从而限制故障电流。最后通过PSCAD仿真模型验证了故障分析结果与限流效果,经检验,该控制策略可以有效减小断路器的开断电流以及桥臂过流峰值。     

大规模风电接入的柔性直流电网故障电流协同抑制方法

基于模块化多电平换流器(MMC)柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、多能互补和友好型并网的有效手段。针对直流断路器大电流开断成本高和技术难度大的问题,提出了一种适用于大规模风电接入的柔性直流电网故障电流协同抑制方法。通过分析直流故障特性,揭示了故障电流的关键影响因素,在此基础上,提出了MMC主动限流控制方法,并针对网侧和风电场侧换流站分别设计了参数选取原则,其中网侧换流站的限流性能可自适应于直流母线电压,在抑制故障电流的同时兼顾直流电网的快速恢复。针对风电场侧换流站,提出了集成限流功能的耗散电阻配置方法,使其同时具备解决直流电网功率盈余问题和降低桥臂换流阀电流应力的能力,并提出了其与主动限流控制以及直流断路器的协调配合方法,在保证风电场安全运行的同时协同抑制故障电流,从而降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求。最后,基于RTLAB OP5600实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,验证了所提方法的有效性和可行性。     

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。     

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。     

基于LCC-MMC的三端混合直流输电系统故障特性与控制保护策略

研究了送端为相控型换流器(line commutated converter,LCC)、受端为2个并联的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)组成的三端混合直流输电系统的交直流故障特性及其控制保护策略。在分析现有故障穿越控制策略的基础上,针对交流侧故障提出整流站LCC最小触发角控制、逆变站MMC最大调制比控制与直流电压偏差控制的协调策略;针对直流线路故障,通过在直流线路两端配置限流电抗器构造边界条件,提取直流线路故障电流暂态突变量以识别故障位置,并采用直流断路器开断故障的方法,可以快速隔离直流线路故障并缩小故障影响范围。最后,在PSCAD/EMTDC中建立混合直流输电系统模型,仿真验证了所提策略的可行性。结果表明,所提控制策略在所联接电网交流故障情况下可相应提高直流系统的输送功率,降低功率输送中断发生的概率;直流线路故障时基于直流断路器的直流电流突变率保护策略能够快速隔离故障,提高供电可靠性。     

具有直流故障清除能力的主动接地式模块化多电平换流器

针对传统半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法阻遏故障电流,以及现有具备故障清除能力的MMC故障清除时间过长的问题,提出一种具有直流故障清除能力的主动接地式MMC拓扑。在传统半桥型MMC基础上,在换流器各相上、下桥臂电感外侧增加电流转移支路,在换流器直流出口增加断流支路和能量吸收支路。当MMC直流侧发生双极短路时,断流支路能够有效地隔离断路器和直流线路,电流转移支路能够消耗交流电流和电感电流,能量吸收支路能够快速清除故障电流。文中对主动接地式MMC的拓扑结构及其实现故障隔离和清除的过程进行详细分析,给出了关键参数的设计和计算方法,并利用RT-LAB OP5607软件搭建双端和四端MMC仿真模型,对比分析可知,所提出的主动接地式MMC能够在十几毫秒内清除故障,在经济性和实用性方面具有很大的优势。     

模块化多电平换流器的桥臂平均值模型

模块化多电平换流器（MMC）的快速仿真模型是进行柔性直流输电系统相关研究的基础。在众多模型中,MMC的桥臂戴维南模型应用最为广泛,通过研究发现其仿真速度可以进一步提高。在MMC桥臂戴维南等效电路的基础上,利用能量均分思想提出了一种新的桥臂平均值模型。该模型显著减小了戴维南等效模型的计算负担,提高了模型的仿真效率。通过仿真验证了该模型可以适用于环流抑制、交直流侧故障仿真等应用场景。     

基于滑模观测器的MMC IGBT开路故障诊断

为了提高模块化多电平变换器(MMC)系统的可靠性,提出了一种基于滑模观测器的MMC子模块(SM)开路故障诊断方法.首先根据MMC的运行原理设计了滑模观测器.再利用观测器估计的输出与传感器测量的输出构造残差信号,通过对残差信号的分析实现子模块开路故障的检测.然后根据故障子模块输出电压特性确定故障位置.最终,在MATLAB/Simulink中搭建单相MMC仿真模型,模拟其中的一个子模块的IGBT发生开路并进行故障诊断.结果表明提出故障诊断方法的正确性.     

LCC-FHMMC混合直流输电系统阀侧故障特性及保护策略

送端采用电网换相换流器(LCC)、受端采用半桥与全桥混合型模块化多电平换流器(FHMMC)的LCC-FHMMC混合直流输电系统,在受端发生阀侧单相接地故障时,具有与半桥或全桥型MMC不同的故障特性.分别从交流电源贡献、直流电源贡献以及高低端阀组差异3个角度对阀侧单相接地故障下子模块过电压机理进行了分析.随后,针对FHMMC混合直流输电系统直流侧无直流断路器的特点,提出了一种基于选相型单向晶闸管旁路支路的故障隔离策略,以及适用于LCC-FHMMC混合直流输电系统阀侧单相接地故障的保护策略.最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了相关模型,通过仿真验证了理论分析的正确性以及所提保护策略的有效性.