混合式MMC及其直流故障穿越策略优化

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)应用于大容量架空线输电系统是柔性直流输电技术的研究热点,直流故障的处理是研究的难点。针对一种整流侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC)、逆变侧采用混合式模块化多电平换流器的混合直流输电系统,重点研究混合式MMC的优化设计、过调制及直流故障穿越问题。推导在满足低直流电压过调制运行、直流故障穿越和子模块电容电压平衡条件下其全桥子模块(full bridge sub-module,FBSM)和半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)的数目配置要求。并提出混合式MMC直流故障穿越的优化控制策略,可以更好地平衡子模块电容电压,且在直流故障期间仍可保持对交流系统的无功功率补偿。最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立该混合直流输电系统模型,对直流故障穿越和过调制运行进行仿真研究,结果证明优化策略的有效性。     

基于钳位双子模块的MMC故障清除和重启能力分析

针对当前已投入运行的高压直流(HVDC)输电工程中模块化多电平换流器(MMC)不具备直流侧故障电流闭锁能力的问题,分析了一种可自清除直流侧故障电流并且可重启动的MMC拓扑——基于钳位双子模块的MMC。这种拓扑可在发生直流故障时通过闭锁所有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的触发信号和利用二极管的反向阻断能力迅速完成闭锁过程,从而达到无需交流断路器动作实现清除直流故障的目的。这种拓扑将半桥模块化MMC的调制方法和控制策略与可清除直流故障能力结合在一起,且具有结构简单、造价经济等特点。通过对半桥模块化MMC和钳位双子模块MMC在直流侧双极短路故障情况下的故障电流进行分析和仿真,验证了基于钳位双子模块的MMC在处理直流侧故障方面的能力和效果。     

基于半压钳位子模块的MMC直流短路故障穿越研究

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的柔性直流输电技术,在高压大容量输电领域有广阔的应用前景。直流故障穿越是MMC应用必须解决的关键问题。目前,具有直流故障穿越能力的MMC改进拓扑在功率器件成本和换流器损耗方面依然偏高,并且缺乏物理实验验证。首先,提出一种基于半压钳位子模块的MMC改进拓扑;然后利用子模块电容电压来主动抑制二极管续流效应,迅速清除故障电流和实现自动重启,并且额外成本很低;最后,相应地搭建了1 k V/20 k W物理样机,通过物理实验详细地研究了所提拓扑的直流故障清除和恢复过程,并验证了该拓扑的直流故障穿越能力。     

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.     

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。     

混合型MMC拓扑及应用于MTDC直流故障穿越能力分析

模块化多电平换流器(MMC)已成为高压直流输电领域最具前景的换流器技术之一。然而,与低电平电压源型换流器(VSC)相同,目前研究较多的半桥型MMC缺乏闭锁直流故障的能力。文中分析了不同结构的MMC在发生直流故障时短路电流的情况,提出了一种改进的MMC拓扑结构,基于错位层叠理论和换流器闭锁直流故障的原理,设计了一种适用于多端柔性直流(VSCMTDC)输电系统的混合型MMC拓扑结构,并结合VSC-MTDC系统直流故障时的"握手原则"详细说明了实现故障线路切除、非故障线路恢复的过程。最后,以典型的四端直流输电系统为例,通过PSCAD/EMTDC建模仿真,对故障后果最为严重的直流侧双极短路故障下的系统特性进行了分析验证。结果表明,基于该拓扑结构的多端直流系统能够在直流侧发生故障时快速闭锁换流器,并在短时间内恢复非故障线路的正常运行。     

一种基于故障限流器的混合级联直流输电系统故障穿越方法

针对混合级联直流输电系统逆变侧低端模块化多电平换流器(MMC)易受过压、过流影响导致闭锁的问题,提出一种基于故障限流器(FCL)的混合级联直流输电系统故障穿越方法。所提方法既适用于交流故障使得逆变侧高端电网换相换流器(LCC)换相失败,从而导致低端MMC充电造成的过流场景,又适用于直流侧单极接地,导致MMC子模块放电造成的过流场景。通过逆变侧LCC换相失败和MMC单极接地故障导致过流原因的统一分析,明确了所提FCL的拓扑结构、工作机理、控制方法以及参数设计。LCC换相失败故障发生时,FCL将限流电阻接入,控制MMC直流电流在2倍额定电流内,防止MMC闭锁;MMC单极接地故障发生时,利用FCL自身拓扑阻断故障回路,防止子模块电容向故障点放电,保护MMC阀组。仿真结果表明,所提FCL在2类故障下均具备良好的穿越能力,工程应用价值良好。     

具备直流故障穿越能力的混合MMC可靠性分析和冗余配置方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)已经成为高压直流输电领域具有很大应用前景的换流器技术。目前已有许多具有直流故障穿越能力的MMC子模块(sub-module,SM)拓扑,并且由不同类型的SM构成的混合MMC同时具备了较强的直流故障箝位能力和低投资、低损耗的优点。重点研究具备直流故障穿越能力的混合MMC的可靠性分析和冗余配置方法,首先研究同时满足支撑直流电压和直流故障穿越能力的混合MMC中两类不同拓扑子模块的初始临界数目比例,进而同时考虑半导体器件的有效利用率及MMC的可靠性,通过计算三维曲面的一阶差分,提出两种子模块的最优冗余配置方案,最终得到具备直流故障穿越能力的混合MMC中子模块的最优配置方案。以实际工程参数为基准,分别计算两种混合MMC的最优子模块冗余配置方案,与采用单一可切断直流故障电流子模块拓扑的MMC相比,在满足可靠性需求的前提下,混合MMC所需器件数目明显降低。     

MMC-HVDC典型扰动暂态响应特性分析

为揭示具有新型拓扑结构的基于模块化多电平换流器直流输电系统MMC-HVDC(modular multilevel converter high voltage direct current)的电磁暂态特性,对该系统进行典型扰动暂态响应的特性分析根据MMC拓扑结构,推导了交流电网不平衡时的MMC交流侧电磁暂态模型,并基于...     

适用于架空线路输电的新型双极MMC-HVDC拓扑

在充分借鉴传统直流输电工程结线方式的基础上,提出了一种适用于架空线路输电的新型双极模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统拓扑。该拓扑中换流器采用基于箝位双子模块的改进型模块化多电平换流器(MMC),接地极线从上下2个换流器串联构成的双极结构中间引出。重点分析了换流器在故障条件下的等值电路和直流闭锁机理,并设计了直流侧故障后的详细控制策略,并用PSCAD/EMTDC仿真软件验证了该系统拓扑的有效性和可行性。结果表明:双极拓扑具有运行方式灵活、系统可靠性高等优点;由于二极管反向阻断和箝位作用,换流器在封锁所有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)触发脉冲后数ms内就能实现直流闭锁,因此无需交流断路器动作,仅依靠换流器自身动作就能抑制短路电流;所设计的控制时序可有效处理直流侧的故障,并在暂时性故障下帮助系统迅速重启动,减少系统停运时间。     

永磁直驱式风机采用混合直流并网的控制策略

提出一种永磁直驱式风机经混合直流系统并网的拓扑,直流系统整流侧采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),逆变侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC)。该系统结合了MMC和LCC各自的优点,既可以为风电场无源系统提供电压支撑,又可以降低投资成本和运行损耗。MMC可以通过子模块投切瞬间改变直流侧级联子模块输出的总电压。基于此项特性,提出整流侧MMC控制直流电流的方法,将MMC的控制维度从交流侧拓展至直流侧。仿真结果表明,在逆变侧主网发生远区故障时,整流侧MMC可以抑制直流电流增长,降低换相失败发生的机会;在逆变侧发生换相失败后,可以帮助系统平稳地恢复直流功率,实现故障穿越功能。     

采用逆阻型子模块的新型模块化多电平换流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是高压直流输电系统领域中极具工程应用前景的电压源拓扑之一。在分析典型子模块拓扑特点的基础上,该文提出一种新型的逆阻型半桥子模块(reverse blocking half bridge sub-module,RB-HBSM)的MMC拓扑,用于解决传统MMC的故障穿越能力问题。开展了RB-HBSM及其构成的MMC拓扑的故障电流阻断机理及其主要功率开关器件的电气应力分析研究,提出了故障控制流程,最后通过仿真算例对所提出的子模块拓扑进行了验证。仿真结果表明,新型RB-HBSM-MMC拓扑在不改变原有控制策略与调制策略的情况下,能够迅速实现故障电流阻断效果,有助于进一步降低系统的复杂程度。     

混合直流输电系统直流故障处理策略比较分析

基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)以及模块化多电平换流器(modular multilevel converter,M M C))的混合型高压直流输电技术是实现远距离大容量输电的有效技术手段。为了快速清除直流短路故障,主要有2种实现方法:一是逆变侧换流器采用具有直流故障自清除能力的子模块,如全桥型子模块及箝位双子模块;二是在逆变侧直流出口加装大功率二极管以切断故障后的电流流通通路。该文通过研究不同直流故障处理策略的物理机理及控制流程,对其可行性及适用性进行深入研究。通过在PSCAD/EMTDC中搭建典型模型,考察直流故障下的系统响应特性,对不同处理策略下的系统暂态特性进行综合比较。最后,对基于全桥型子模块的不闭锁穿越式直流故障处理策略进行了仿真验证,仿真结果表明此种策略不适用于真双极直流系统,无法实现直流短路故障的有效清除。     

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。     

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。     

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。     

基于MMC的高压直流三极输电技术

在借鉴传统高压直流三极输电和模块化多电平换流器型直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)的基础上,提出基于MMC的高压直流三极输电技术。该技术采用五电平子模块来满足极3直流电压极性和直流电流方向周期性变化的要求。首先分析了五电平子模块的工作模式和闭锁后故障等值电路,而后分析了基于MMC的高压直流三极输电的电流调制策略,设计了MMC相应的控制策略。最后基于PSCAD/EMTDC搭建了基于MMC的高压直流三极输电系统,仿真算例结果验证了该系统的可行性。     

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。     

常规直流输电系统改造用的混合直流输电技术

基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和电压源型换流器(voltage source converter,VSC)的混合直流输电技术结合了LCC的经济优势和VSC的技术优势。该文针对常规直流工程改造,首先给出了受端LCC改造成真双极和伪双极VSC两种主回路拓扑结构,并对两者的工程改造范围和工程改造量进行了对比分析,指出了真双极和伪双极结构作为改造拓扑的优缺点。然后,通过对国内外模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑及其变结构拓扑的调研,详细研究了5类MMC优化拓扑结构在直流故障清除、送端交流故障功率不间断、低电压运行、潮流反转等方面的技术特性以及在改造成本、运行损耗等经济方面的优劣性,并直观地对比总结了5类MMC优化拓扑的综合特性,为未来MMC技术在常规直流输电系统受端换流阀改造中的应用提供了技术参考。     

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。