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。     

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。     

半桥MMC型柔性直流电网自适应限流控制研究

柔性直流电网直流故障短路电流具有上升速度快、峰值高等特点。当前,尚不成熟的故障电流抑制技术在一定程度上阻碍了柔性直流电网的大规模建设和发展。已有学者通过在直流电网中增加直流限流器或改进换流器拓扑的方式来抑制直流故障电流。然而上述技术方案会增加直流电网的建设成本。该文通过充分挖掘半桥型模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的控制潜力,提出一种适用于半桥型MMC的自适应限流控制策略。该控制策略通过在直流故障期间快速改变投入的子模块数量,从而快速降低换流器直流电压达到抑制故障电流的目的。首先介绍限流控制的基本原理以及控制器结构,分析并推导半桥型MMC的直流故障电流和桥臂故障电流的计算方程,进一步仿真验证限流控制作用下故障电流的计算方程,最后在基于半桥型MMC的四端柔性直流电网中对限流控制策略的有效性进行仿真验证。仿真结果表明:限流控制使得直流断路器((DC circuit breaker,DCCB)的开断电流减小4.92k A(46.95%),耗散能量减小26.1MJ(67.93%),并且减小故障期间桥臂电流的峰值,降低了换流器过流闭锁的风险。     

基于MMC子模块两级主动控制的直流短路限流方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)直流侧故障后短路电路急剧上升,严重影响直流电网安全。为限制故障电流,提出一种基于子模块两级主动控制的直流短路限流控制方法(submoduletwo-stage active control,STAC),通过两段故障检测判据和预设最大短路电流,构造关于直流电流的分段函数K,其输出决定减投子模比例,故障后降低直流电压抑制短路电流,同时设计适应于不同运行条件换流站MMC的控制参数,并且仅通过控制动作限流不产生额外成本。STAC不影响系统正常运行,限流过程维持功率传输。最后在四端直流电网中对STAC限流效果及其性能进行仿真分析。结果表明,所提限流方法能有效抑制故障电流,流经直流断路器故障电流降低49.7%,桥臂电流峰值降低23.15%,故障后100 ms恢复直流电压。     

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。     

MMC直流侧故障有源限流策略

为了避免直流短路故障威胁到模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型柔性直流电网的安全可靠运行,该文提出了一种适用于半桥型MMC直流侧故障的有源限流策略,限制直流短路电流和桥臂电流的峰值及上升速率。首先,该文阐述了故障期间系统控制策略对故障电流的影响,然后通过反馈桥臂电流分别调整差、共模调制波,进而改变上、下桥臂中子模块的数量及分配,达到快速抑制交、直流侧故障电流的目的。其次,推导了考虑有源限流策略下的故障电流解析式,并分析了该限流策略对控制系统稳定性的影响,为有源阻尼参数选取提供理论依据。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建四端柔性直流电网模型,仿真结果表明：有源限流策略不仅能够显著降低直流断路器开断故障电流,且能保证桥臂内器件的安全。     

柔性直流电网主动限流开断直流故障研究

基于混合型模块化多电平变换器的柔性直流输电系统可通过主动控制来限制直流故障电流,即将在昆柳龙三端混合直流输电工程中应用。然而,关于混合型MMC的主动限流开断原理、故障电流演变特性、限流控制效果与影响因素尚缺少相关理论研究。针对上述问题,该文首先分析采用直流电压前馈的主动限流控制策略限流机理,研究计及延时后,换流器直流电压、电流在故障期间的演变特性。提出换流器与直流断路器协调控制策略,并分析采用不同协调控制策略时故障线路电流的动态演变过程。分析采用主动限流控制策略后的柔性直流电网对DCCB的开断电流大小需求。针对基于半桥MMC构建的直流电网和基于混合型MMC构建的直流电网2种技术方案,在DCCB开断电流需求、DCCB经济性以及直流电网故障特征等方面对二者进行对比分析。研究表明,与半桥MMC型直流电网相比,基于混合型MMC的直流电网在使用主动限流控制技术后,DCCB开断电流大小减小为原来的22%,使得DCCB的成本减小为原来的45%,故障后换流站直流功率最短时间恢复时间减小为原来的30%,故障后功率模块电容过电压减小为原来的33.3%。最后,通过仿真验证理论分析的合理性。     

电网电压不对称工况下模块化多电平变换器控制策略

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)各部分之间的功率关系,提出一种适用于电网电压不对称工况的MMC综合控制策略,包括直流母线电压控制、桥臂电容电压控制和交流侧电流控制。其中,桥臂电容电压采用层次化方法控制,在电网电压不对称时,通过调整直流母线功率在MMC三相桥臂间的分配,实现交流侧电流对称。内环采用桥臂电流直接反馈控制,可实现交流侧电流、直流母线电流和环流的三重控制,在电网电压不对称时无需交流侧三序电流控制器以及三序环流控制器。提出通过在桥臂电流参考值中添加零序电流抑制器,消除由桥臂不对称损耗引入直流母线的基频零序电流。搭建了10k VA三相MMC实验样机,实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

半桥型MMC直流侧故障恢复过程过流机理及抑制方法

直流侧发生短路故障后,半桥型模块化多电平换流器（MMC）易闭锁,故障恢复期间不当解锁导致桥臂过流,MMC存在连续闭锁风险,引发系统性安全问题。针对该问题,文中理论分析了故障恢复期间绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的解锁过流机理,并提出了一种新的故障恢复控制。首先,指出欠阻尼状态的故障回路必然导致IGBT闭锁。其次,揭示了故障恢复期间IGBT解锁过流的根源是直流侧和交流侧的压差。进一步,提出了故障恢复控制,在闭锁期间切除功率外环,抬高交流侧调制波以减少压差,抑制桥臂电流。计及闭锁期间子模块电容电压和重合闸时序,构建了自适应外环参考值曲线,解决功率盈余造成的过压问题。结果表明,和现有串联交流侧启动电阻方法相比,在不同工况下所提故障恢复控制最低可将桥臂电流峰值由1.57 p.u.降至0.79 p.u.,解锁后调控功率侧MMC直流电压为额定值,有助于加快故障恢复。     

计及三相短路故障的MMC光伏并网系统电压补偿方法

模块化多电平变流器(mudular multilevel converter,MMC)在主电路结构中可以有效提高光伏并网系统的光能利用率。提出了一种光伏电站直流并网方案,通过大功率高变比的有源箝位Boost全桥隔离变换器串联升压,然后经MMC实现光伏高压直流并网。针对光伏并网后交流侧电压的稳定性,提出了基于电压前馈的双闭环控制策略。在MATLAB/Simulink中搭建串联型光伏电站经MMC并网模型,并应用基于电压前馈的双闭环控制策略,验证所提拓扑方案的正确性以及控制策略的可行性。结果表明,控制策略可以在发生三相短路故障时及时补偿电压,提高交流系统侧的可靠性。     

MMC换流器桥臂电感短路故障特性研究

在以MMC为核心构建的高压直流输电系统中,因桥臂电感过热或过流等造成的短路故障会破坏系统的稳定运行。本文对MMC的单相上桥臂电感短路故障进行数学建模,推导故障后的MMC环流、传输功率、直流侧电压和直流侧电流等变量的解析表达式,并利用Matlab/Simulink仿真试验进行了验证。进而比较3种桥臂电感短路故障的特性,指出故障主要表现为直流侧电压和电流的轻微振荡、MMC环流的剧烈振荡和传输功率的轻微震荡。     

混合型MMC非闭锁型直流故障穿越的故障等效模型

由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型MMC相比全桥型MMC能够在降低成本的同时具备直流故障穿越能力,直流故障暂态分析是混合型MMC器件选型和配比设计的基础。为分析混合型MMC直流侧故障的暂态特性,建立了额定运行状态下和降压运行状态下发生极间短路的混合型MMC非闭锁型直流故障穿越过程的故障等效模型,分析了直流故障穿越期间混合型MMC各桥臂子模块的动态投切过程,将非闭锁型直流故障穿越控制策略切换前的暂态过程等效为不可控的子模块电容放电过程,将控制策略切换后的暂态过程等效为带有电感初始储能和反向电压源的限流过程,并给出了直流侧短路电流的解析计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了本文所提模型和计算方法的有效性,能够为混合型MMC的优化设计提供参考。     

直流故障下基于交流侧馈能的MMC换流站主动限流策略

模块化多电平换流器(modular multi-level converter, MMC)直流侧发生接地短路时,故障电流具有上升快、峰值高的特点。为减小断路器开断应力,从能量角度出发,对子模块和桥臂动态过程进行分析,建立考虑交流侧功率影响的直流故障下MMC等效放电模型,推导出了故障电流表达式。提出一种基于交流侧馈能的主动限流策略,通过引入前馈控制,对含物理限流电阻的控制框图进行变换,等效增大直流侧限流电阻。并对其参数进行整定,进而将故障时电容部分能量馈入交流侧,达到了降低故障时电流上升率和电流峰值的目的。该控制方式不仅抑制交流侧电源向故障点放电,而且减小了直流电容向故障点的放电电流。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了四端环状MMC输电网模型,验证了所提方案的可行性。     

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。     

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。     

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。     

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。