基于电容换流的限流式直流断路器

随着柔性直流输电技术逐渐扩展到架空线输电场合,故障线路的快速识别和隔离显得尤为重要。相比于电缆线路,架空线输电易发生短路、闪络等瞬时故障,必须采取相应措施隔离故障线路,避免系统停运。直流断路器作为隔离故障线路的核心设备受到了国内外的高度重视。简要阐述了现有混合型直流短路器的研究现状,在已有直流断路器技术方案的基础上提出了一种新型混合型直流断路器拓扑。该断路器通过限流电感可有效抑制短路电流幅值,依靠电容缓冲作用,避免了大数量级IGBT串联的同步驱动及均压问题。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了四端对称双极柔性直流电网模型,仿真验证该直流断路器可满足高压直流电网快速切除故障线路的需求。     

基于自定义差分电流的MMC-HVDC输电线路纵联保护

为可靠检测模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电线路故障并实现故障选极,提出一种纵联保护新原理。基于MMC-HVDC系统自身特点,综合使用两端换流站不同极线路电压量和电流量构造保护特征量——自定义差分电流。分析研究表明,直流侧故障时的自定义差分电流绝对值明显大于系统正常运行和交流侧故障时的自定义差分电流绝对值;直流侧正极接地故障、负极接地故障和双极短路故障时自定义差分电流正负性不同。根据此特征,构造纵联保护判据来识别直流侧故障并完成故障选极。仿真结果表明,该原理在一定故障条件下可快速可靠地识别直流线路故障并实现故障选极。     

基于电压源换流器的柔性配电系统故障限流方案

基于电压源换流器的直流配电系统故障线路电流因电容放电而迅速上升,换流器中大量电力电子器件使系统对故障隔离时间提出较高的要求,而故障限流器接入直流系统不仅能限制直流侧故障线路电流,还能限制交流侧以及换流器中的电流。从系统整体限流的角度出发,提出一种基于全控型晶体管的新型限流模块,根据两极短路的故障暂态过程对限流原理进行详细分析,并给出限流模块参数选择的一般原则及其理论计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,通过大量的仿真测试、对比,验证该限流方案的有效性。     

电网换相换流器和电压源换流器串联组成的混合直流换流器控制和保护研究

基于电网换相换流器和电压源换流器串联的混合直流换流器在克服交流故障时的换相失败和直流故障时的重启动具有优势。分析了该混合直流换流器运行方式、控制策略、电压源换流器保护原理、抵御换相失败原理和直流线路重启过程,认为由该混合直流换流器组成的高压直流输电系统,可克服传统直流和柔性直流输电的主要缺点。当逆变侧的交流系统发生故障时,电压源换流器可提供电压支撑来抑制直流电流增加,缓解电网换相换流器换相失败效应。当直流线路发生故障时,逆变侧电网换相换流器可阻断电压源换流器产生的故障电流,具备直流线路故障重启能力。另外,电压源换流器还为电网换相换流器提供无功功率,从而减少换流站无功设备配置。     

架空线双极MMC-HVDC系统直流短路故障分析和保护

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的提出,推动了高压直流输电(high voltage direct current transmission,HVDC)技术的发展。随着柔性直流输电技术逐渐扩展到架空线输电场合,直流故障清除和故障保护问题变得尤为重要。该文针对架空线双极MMC-HVDC系统,研究其直流短路故障特性,分别建立经小电阻和经大电阻短路时的等效电路模型,推导故障电流的解析计算公式。利用PSCAD/EMTDC软件,搭建双极系统的仿真模型,仿真结果验证了解析计算公式的正确性。最后,提出一种应对直流短路故障的桥臂旁路保护方法,仿真结果表明,该保护方法不仅能够减小故障后流过子模块和直流侧的电流,还能缩短故障恢复时间,对子模块器件和交流系统起到了良好的故障保护作用。     

直流故障下MMC-HVDC的两段式限流保护策略

如何对直流故障电流进行有效抑制是实现柔性直流电网大规模发展的关键。为此，研究模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)的控制方法，提出一种针对半桥型MMC的两段式限流保护策略，通过减少子模块的投入数目来降低换流站直流出口电压，达到限制短路电流的目的。首先，介绍MMC的拓扑结构及基于MMC的高压直流输电(MMC based high voltage direct current, MMC-HVDC)系统控制策略；其次，分析两段式限流保护策略的原理与直流故障电流特性，介绍MMC-HVDC系统的直流故障保护策略；最后，通过双端MMC-HVDC系统仿真实验，对所提限流保护策略的有效性进行验证。仿真结果表明，两段式限流保护策略可以有效降低断路器开断电流和吸收能量，节约成本。     

基于对称双极接线的全桥型MMC-HVDC直流侧短路故障穿越控制 方法

基于模块多电平换流器的高压直流输电技术(High Voltage Direct Current Transmission Technology Based on Modular Multilevel Converte, MMC-HVDC)因开关频率低、运行损耗小及易于扩展多端网络等优点被广泛应用。直流侧短路故障因短路电流大,故障电流上升速率快且难以抑制,对MMC-HVDC的发展造成了严重困扰。提出一种MMC-HVDC直流侧短路故障穿越控制方法,该方法基于对称双极接线的全桥型MMC-HVDC,且在直流侧采用高阻接地及金属回线,在发生直流侧短路故障时利用全桥型模块多电平换流器及时反转输出直流电压极性,实现故障电流抑制。同时利用金属回线构建成新的功率回路,快速恢复故障期间的有功功率传输。所提出的故障穿越策略,可以有效消除MMC-HVDC系统在发生直流侧短路故障时换流设备受到的故障电压及电流应力,同时避免换流器闭锁,防止功率缺失。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证了所提出的直流侧短路故障穿越控制方法的有效性。     

架空线柔性直流电网的直流短路电流限制研究

建立了±500 kV架空线柔性直流电网的电磁暂态仿真模型,较为详细地计算、分析、比较了极间短路等严重故障下的短路电流与换流站闭锁时间。研究结果表明,合理地配置限流电抗器是限制短路电流、防止多个换流站闭锁的有效手段。研究了限流电抗器的配置方案以及改进的限流措施,使得站外直流线路故障不会造成任何换流站闭锁,满足设计与运行的要求。     

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。     

基于辅助电路的MMC-HVDC直流故障处理策略

直流线路故障是基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统必须解决的关键问题。文中提出一种基于辅助电路的直流故障处理策略,即双向晶闸管与开关型零损耗限流装置相配合的保护方案。首先分析了直流故障电流自然衰减的直流保护原理及现有方案的缺陷,进而提出采用双向晶闸管代替背靠背晶闸管集中配置在交流侧的方法来简化其控制回路;通过与开关型零损耗限流装置相配合,并对限流电抗器进行合理设计,能够使保护在不增加运行损耗的同时具有快速抑制短路电流的能力,降低清除直流故障时对交流系统长时间的冲击。此外,进一步提出相应的故障检测及恢复策略。最后,基于PSCAD仿真平台验证了所述保护方案的有效性。     

三端MMC-HVDC换流站直流母线双极短路故障特性分析

对于柔性直流输电系统的双极短路故障问题,以三端基于模块化多电平换流器的高压柔性直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current transmission,MMC-HVDC)为研究对象,阐述了MMC的工作原理及其直流母线主要故障类型,分析了换流器内部直流母线双极短路故障特性及短路电流计算方法,并搭建基于PSCAD的三端MMC-HVDC系统,对其直流母线故障进行仿真分析。仿真结果表明,当发生直流母线双极短路故障时,直流电压骤降,直流侧电流、交流侧电流和桥臂电流激增,严重影响三端MMCHVDC系统的安全稳定运行。     

基于单端暂态电流的MMC-HVDC输电线路保护方案研究

高效可靠的直流线路保护是模块化多电平换流器高压直流输电(high voltage direct current transmission based on modular multilevel converter,MMC-HVDC)系统安全经济运行的重要保证。为了快速检测直流输电线路故障并识别故障类型,该文提出一种基于单端暂态电流的MMC-HVDC直流输电线路保护方案。当直流输电线路发生故障时,线路保护安装处电流频率成分丰富,基于经验模态分解的时频局部化特性,利用固有模态能量熵评估电流能量在频域分布的离散度,构建直流侧故障判据,以区分交流侧和直流侧故障。直流线路电流在直流线路双极短路、单极接地和断线故障时分别对应上升、平稳和下降趋势,利用滑动平均滤波提取电流变化趋势,构造了故障类型识别判据。RTDS仿真结果表明,该方案在不同故障位置和过渡电阻下均能够快速可靠地检测直流线路故障并准确识别故障类型。     

MMC-HVDC系统直流侧故障暂态特性分析

近年来,国内外对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的研究主要集中于系统建模仿真、控制系统设计等方面。对基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统(modular multilevel converter based high voltagedirect current system,MMC-HVDC)直流线路故障的研究也仅是在简单的故障定性仿真分析上。为了比较精确地定量分析MMC-HVDC系统直流侧故障瞬间电气应力的暂态特性、短路故障状态下的等值电路模型,分析了系统直流侧故障的机理,给出了故障电压、电流的数学表达式。基于RT-LAB软件搭建了双端MMC-HVDC仿真模型,验证了故障暂态特性分析的结果,单极接地故障使得直流非故障极的对地电压与换流站交流侧的相电压增大;双极短路故障会引起换流站的桥臂产生严重的过电流现象;单极断线故障会导致整流站很大的直流电压变化率,引起严重直流过电压。针对上述问题,文章结合分析结果给出了相应的故障保护要求和策略。     

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。     

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。     

MMC-HVDC的稳态运行范围研究

针对基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统（modular multilevel converter based high voltage direct current, MMC-HVDC）,研究了交流系统对MMC-HVDC稳态运行范围的影响并且揭示了限制直流功率输送能力的关键因素。首先,文章基于一个单端的MMC-HVDC系统,列写出完整的数学模型。其次,分别研究了交流系统短路比、换流变压器容量和换流站容量对换流站稳态运行范围的影响。最后,研究了并联无功补偿电容器对MMC-HVDC运行范围的影响。计算结果表明,当交流系统短路比较大时,MMC-HVDC的运行范围主要受到换流变压器容量的限制;当交流系统短路比较小时,MMC-HVDC的运行范围主要受到交流系统短路比的限制。此外,无功补偿电容能改善MMC-HVDC的运行范围。     

适用于交流保护整定的MMC-HVDC接入母线故障等效模型

模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统接入电网后将对交流系统短路电流产生影响,但目前交流保护整定计算通常忽略MMC-HVDC接入母线故障时模块化多电平换流器对短路电流的贡献。文中以交流保护整定计算为出发点,提出了MMC-HVDC系统简化分析原则。在分析MMC-HVDC系统控制特性的基础上,建立了适用于交流保护整定计算的MMC-HVDC等效模型,提出MMC-HVDC接入母线故障时可以将直流侧等效为一个正序电流源。研究了MMC-HVDC接入母线故障时不同故障点残压下MMC-HVDC直流侧响应特性,确定了等效电流源的幅值和相位,并进行了仿真验证。最后,提出了MMC-HVDC对交流保护整定计算影响的定量评估指标及其计算方法。     

MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流计算方法

为研究基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流侧短路电流的工程实用计算方法,基于金属性短路故障电流通用解析式,分析了MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障时换流站放电电流的相互抑制作用以及放电回路的耦合机理,并基于所推导的解析表达式提出了故障电流的解耦计算方法。基于PSCAD/EMTDC对MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障工况进行仿真分析,将仿真结果与解析计算值进行对比验证。搭建数字-物理混合仿真实验模型,在数字端和物理端分别设置短路故障,对比实验值与解析计算值。验证结果表明,所提故障电流计算方法能准确地表征MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流的演变趋势。     

基于基频调制电流源换流器的直流线路全线速动保护EI北大核心CSCD

基频调制电流源换流器(fundamental frequency modulation-based current sourced converter,FFM-CSC)作为一种新型电流源换流器,能够解决传统直流输电工程面临的换相失败及无功消耗问题,兼具电流源和电压源换流器部分优势。直流线路接地作为直流系统中几乎最严重的故障,针对FFM-CSC换流站短路过程研究缺乏定量分析,不利于系统参数设计和故障保护识别,限制了FFM-CSC的推广应用。论文针对双极12脉动FFM-CSC系统,建立短路故障等效电路,推导故障初期过电流的解析计算公式;并针对直流线路短路特点,提出基于单端监测量的保护算法,可作为直流线路主保护。该算法计算要求低,数学原理清晰,可随系统参数和运行工况的改变灵活调整。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建FFM-CSC直流系统详细模型,验证数学表达式准确性,同时证明保护算法的安全可靠性。     

直流短路故障下基于暂态能量抑制的MMC-HVDC电网主电路电感参数优化

基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)电网的桥臂电抗器(armreactor,AR)、平波电抗器(current limiting reactor,CLR)在保证系统稳态性能下,与故障限流器(fault current limiter,FCL)合理配合,可有效降低直流断路器的分断电流,实现直流短路故障穿越。该文通过对直流短路故障条件下,MMC-HVDC电网系统储能元件及交直流区域的暂态能量流(transient energy flow,TEF)时空分布与直流短路故障电流演化相依关系的分析,提出基于TEF抑制的参数综合优化模型,以交流区域和子模块电容及相邻线路暂态能量流抑制率和抑制效率极大化作为评价目标,以AR、CLR、FCL参数为优化变量。以张北四端直流电网的拓扑结构和单极对地直流故障为例,采用该模型对AR、CLR和FCL进行优化设计。优化结果及分析表明：建立的优化模型可以充分发挥AR、CLR和FCL各自在抑制短路故障电流方面的能力,较好地兼顾了故障电流抑制技术及经济性能指标,降低了限流成本。