具有故障隔离能力的新型MMC子模块及混联桥臂拓扑

针对半桥型模块化多电平换流器不具有直流故障阻断能力,柔性直流输电架空线方案存在较高暂态故障率问题,首先提出了一种三电容钳位型双子模块(TCDSM)拓扑。该拓扑与现有钳位双子模块相比,改善了基于钳位双子单元模块柔性直流输电直流侧短路反向电流故障隔离能力。然后,详细介绍了TCDSM拓扑的工作原理和性能分析,并提出了一种新型混联型桥臂换流站方案。新提出的混联型桥臂方案与钳位双子模块和半桥子模块组成的混联型桥臂方案相比,在不牺牲阻断能力的前提下,运行损耗基本相当,初始建站成本更低,从整体上优化了换流站建设成本。最后,通过仿真和实验结果验证了该拓扑及新型混联型桥臂方案的可行性。     

具备直流故障阻断能力的新型双子模块拓扑

传统的半桥子模块(HBSM)拓扑因其拓扑简单、投资成本低等优点,被广泛应用于柔性直流输电领域。然而,当输电线路发生直流故障时,HBSM无法快速阻断故障电流。因此,这里提出一种基于双电容的二极管箝位型双子模块(CDCDSM)拓扑,该拓扑通过将子模块电容接入故障回路的方式迅速切除直流故障。此外,CDCDSM具有同时输出3个电平、控制方法简便、闭锁后可迅速重启等优点。与其他子模块相比,CDCDSM的投资成本较低。通过仿真和实验对该子模块特性进行验证,结果表明,CDCDSM-模块化多电平换流器(MMC)具有快速阻断直流故障的能力。     

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。     

基于单箝位型子模块的MMC及拓扑改进方案

半桥型模块化多电平换流器(HBMMC)无法通过闭锁来迅速切断直流故障电流,严重制约了其在远距离输电场合的应用。在不影响控制策略、调制策略和均压策略的基础上,提出一种单箝位型子模块(SCSM)拓扑结构,介绍基于单箝位型子模块MMC(SCMMC)的拓扑结构及特点,分析SCMMC柔性直流输电系统的直流故障穿越机理。针对SCMMC器件用量和运行损耗仍然偏大的问题,提出采用SCSM和双箝位型子模块(CDSM)级联的混合MMC、SCSM和半桥子模块(HBSM)级联的混合MMC 2种拓扑改进方案。仿真验证及对比分析表明,可以灵活配置SCSM,使其与多种子模块进行混合级联,在充分发挥不同子模块结构优点的基础上,可以根据工程造价和控制保护性能灵活配置不同子模块结构和数量。     

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。     

一种可阻断直流故障电流的双逆阻型MMC研究

可阻断直流故障电流的模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)在高压直流输电工程中具有广泛的应用前景。提出一种可阻断故障电流的基于新型双逆阻型子模块(DualReverseBlockingSub-Module,DRBSM)的MMC拓扑结构。在输出相同电平数的前提下,与现有拓扑相比,DRBSM型MMC具有较强的直流故障电流阻断能力和更低的功率损耗,且DRBSM型MMC可直接移植半桥子模块(HBSM)型MMC拓扑的控制和调制策略。亦对该子模块结构的拓扑构成、运行原理及故障电流阻断机理进行分析。最后,采用PSCAD/EMTDC仿真验证了该拓扑结构的可行性和有效性。     

具有直流故障阻断能力的电容嵌位子模块拓扑及其特性

针对半桥子模块无法清除直流故障电流的问题,提出了一种具有直流故障阻断能力的新型电容嵌位子模块拓扑。正常运行时,子模块中各IGBT均衡导通,无需采用具有特殊通流能力的附加功率器件;当发生直流故障时,闭锁子模块中所有IGBT通过子模块中的电容提供反向电压来阻断交流系统能量的馈入。IGBT闭锁后,利用二极管的单向导通性抑制桥臂电抗器的续流作用,具有较强的故障电流阻断能力。在PSCAD/EMTDC仿真平台上进行了仿真分析,验证了提出的电容嵌位子模块比全桥子模块、箝位双子模块具有更好的直流故障阻断能力。     

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。     

具备阻断直流故障电流能力的MMC钳位双电容子模块

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是柔性直流输配电领域的优选拓扑之一,但其传统半桥子模块(half-bridgesubmodule,HBSM)不具备阻断直流故障电流的能力。为此,推导了一种基于双向开关的钳位双电容子模块(clamp dual capacitor submodule,CDCSM),该子模块包含两个电容,能够输出3个电平,通过将电容引入故障回路可实现对故障电流的快速阻断。与其他能够阻断直流故障电流的子模块相比,CDCSM具有一定的成本优势,且运行损耗较低。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,CDCSM-MMC可快速阻断直流故障电流,且故障后电容电压较为均衡,有利于MMC的快速重启。     

具备直流故障电流阻断能力的MMC改进型拓扑的快速仿真算法

模块化多电平换流器(MMC)主要采用半桥子模块(HBSM),但HBSM不能阻断直流故障电流,为此,国内外提出了多种具有直流故障电流阻断能力的MMC改进型拓扑。为了提高各MMC改进型拓扑的仿真效率,基于各改进型拓扑基本工作原理,研究了几种典型改进型拓扑的戴维南等效模型,该模型考虑了模块闭锁后桥臂残余电流的影响,提出了改进型拓扑闭锁后的模块电容电压修正方法,并与基于真实开关器件的详细模型进行了仿真对比。仿真表明,提出的改进型拓扑的戴维南等效模型与详细模型的仿真结果一致,能正确仿真MMC闭锁后的故障响应,而仿真时间大大缩短,该仿真模型有良好的研究和应用前景。     

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。     

C-MMC直流故障穿越机理及改进拓扑方案

采用基于箝位双子模块(clamp double sub-module, CDSM)的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),是MMC-HVDC实现直流故障快速自清除的理想选择之一。首先研究箝位双子模块正常和闭锁工作模式;然后分析闭锁前后故障等值电路和故障电流特性,指出利用二极管阻断特性和模块电容所提供的足够大的反电势能够实现直流闭锁;最后,提出两点改进措施：1）桥臂由半桥子模块和箝位双子模块混合而成,降低了稳态运行损耗和半导体器件数量;2）在子模块内部箝位二极管处串联阻尼电阻,以加快闭锁期间能量耗散和降低电容电压增高幅值。PSCAD/EMTDC 仿真结果验证了所提出的改进拓扑结构方案的可行性和有效性。     

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。     

基于SSPFM-MPC的MMC-HVDC直流故障穿越研究

模块化多电平变流器(MMC)具有大规模、少谐波、低开关损耗等特性,其运用在高压直流输电(HVDC)领域非常普遍。针对传统半桥子模块(HBSM)不具备直流侧故障穿越的能力,全桥子模块(FBSM)和箝位双子模块(CDSM)所用开关器件成倍增加的问题,在分析HBSM拓扑基础上,提出一种开关器件少且具有直流故障穿越能力的子模块(SM)拓扑,并给出能够快速随动的希尔排序质因子算法-模型预测控制(SSPFM-MPC)策略。在PSCAD/EMTDC平台上搭建401电平实验模型,对所提SM拓扑性能测试检验,并搭建了21电平实际物理模型进行故障穿越,实验表明所提改进型SM具有良好的直流故障穿越能力。     

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。     

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...     

一种具备直流故障清除能力的新型MMC子模块拓扑

当基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流线路发生短路故障时,传统半桥子模块存在无法通过闭锁阻断直流故障电流的问题。对此,提出一种具备直流故障清除能力的基于半桥的五电平新型子模块(FLHBSM)拓扑。FLHBSM与传统半桥子模块具有相同的控制结构,并具备了直流故障清除能力。相比其他具备直流故障清除能力的子模块拓扑,FLHBSM减少了开关器件的数量以及换流站占地面积,降低了损耗,且其控制灵活度高,在提高了MMC经济性的同时增强了其运行可靠性。同时,FLHBSM可以较好地兼容适用于半桥子模块的电容均压策略,并可根据实际需要在均压方案中择优。在MATLAB/Simulink仿真平台搭建了基于FLHBSM的双端 ±100 kV 21电平MMC-HVDC系统仿真模型,验证了其利用子模块闭锁模式清除直流故障的有效性。     

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。     

双极MMC-HVDC系统直流故障特性研究

直流故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)的主要故障类型,目前国内外对于MMC-HVDC直流侧故障的研究主要集中于伪双极系统,而对于真双极系统直流侧故障的研究还处于起步阶段。首先,介绍真双极MMC的拓扑结构和工作原理,并根据实际交直流系统电气参数、桥臂子模块电容及电抗的放电机制,建立真、伪双极两种拓扑MMC-HVDC系统直流故障状态下的对应等效电路。然后,对比分析两种拓扑不同阶段故障电流在MMC桥臂上的流通路径,重点研究了故障短路电流对换流站桥臂阀组影响程度的差异,并指出三种电气参数与故障短路电流变化之间的内在关系。最后,基于RT-LAB仿真平台,搭建51电平双极MMCHVDC双端直流输电模型,仿真结果证明了直流故障特性研究方法的正确性。     

架空线柔性直流输电换流站拓扑研究

对适用于架空线的柔性直流输电换流站拓扑进行研究。介绍了已有具备直流侧故障穿越能力的柔性直流输电换流站拓扑结构方案,阐述了各方案在架空线柔性直流输电系统中的应用研究价值,比较了各类换流站拓扑的优点和不足。根据架空线柔性直流输电系统的特点和要求,提出该领域未来的发展方向和研究重点。