基于主动探测的直流微电网故障区段辨识与快速恢复策略

直流微电网是未来智能配用电系统的重要组成部分.直流系统故障时,冲击电流上升速度快,可供保护获取的数据信息极少,严重影响直流保护的故障诊断.将电力电子变流器的故障控制与保护相结合,提出了一种基于主动探测的直流微电网故障区段辨识与快速恢复策略,通过增加AC-DC变流器的故障控制模块,使其具有主动注入短路电流的能力,进一步协同直流保护装置,实现对故障位置的准确识别和快速隔离.同时,各变流器还能基于本地电压和探测电流信息自动诊断故障消除情况,以快速恢复系统运行.基于实时数字仿真平台的仿真结果表明,所提策略能够在故障发生后100 ms内完成故障定位与隔离,大幅降低了对系统供电的影响,具有一定的工程应用价值.     

直接驱动型风力发电系统低电压穿越控制策略

提出了直接驱动型永磁同步风力发电系统在电网故障前后的控制策略。采用基于二阶广义积分闭环电网电压跌落检测方法,可精确得出电网电压故障信号、正序分量幅值、相位角。电网电压故障信号送给变桨距执行机构,最大限度地调节桨距角,屏蔽部分输入功率,提高系统低电压穿越能力;探索直驱风电系统在电网电压跌落发生后的控制策略,并实现与正常运行模式的快速平滑切换。故障前,网侧变流器运行在单位功率因数状态,保持直流侧电压恒定;故障后运行在STATCOM模式,依据检测环节所提供的电网电压正序分量幅值和相位角来决定变流器所发无功电流的量值,为电网提供动态无功支持。基于超级电容器的双向DC/DC变换器作为直流侧保护电路,来快速维持直流侧电压稳定。     

环形直流微网短路故障分析及保护方法

以环形风电直流微网为研究对象,深入分析直流母线发生双极短路故障时电压源变流器(VSC)的故障特性,并据此提出以电流差动保护为主保护、欠电压保护为后备保护的环形直流微网故障定位与保护方案。该方案通过检测直流线路的输入、输出电流及其差动电流来定位和隔离故障线路,并配备欠电压后备保护以确保故障下直流微网系统的安全运行。基于MATLAB/Simulink对环形直流微网进行仿真研究以验证所提保护策略的可行性。仿真结果表明,在线路发生双极短路故障时,保护系统能够根据线路差动电流值做出快速响应,从而实现了直流微网系统短路故障的定位和隔离。     

无源负荷侧无功功率快速供给的VSC-MTDC系统故障穿越协调控制

考虑到无源负荷对电压变化敏感,同时交流故障期间直流电压会出现大幅波动,研究了向无源负荷供电的基于电压源型换流器的多端直流输电(VSC-MTDC)系统交流故障穿越策略,提出了一种故障穿越协调控制方法：受端站在满足无功优先的原则下,依据交流电压跌落情况直接计算电流指令,仅采用电流内环控制以实现对无源负荷侧无功功率的快速供给,为负荷侧交流电压的恢复提供无功支持;为与受端站协调,连接电网的送端站也切换至快速电流控制,故障电流指令值由直流电压变化大小和方向直接计算得到,并满足多端VSC-MTDC系统的I-V下垂特性,以优先保证VSC-MTDC系统的有功需求,快速实现系统功率平衡,减小故障期间直流电压的波动幅度。在MATLAB/Simulink中搭建了向无源负荷供电的三端VSC MTDC系统模型,仿真结果表明所提协调控制策略能够提高无源负荷的故障穿越能力,实现VSC MTDC系统的稳定运行。     

基于负直流电压控制的MMC快速无闭锁故障穿越策略

传统半桥子模块无法阻断直流短路电流,基于新型子模块的闭锁式故障穿越策略则存在换流器不可控、系统重启过程复杂等缺点,降低了模块化多电平换流器的可靠性。为此提出了一种基于负直流电压控制的无闭锁故障穿越策略,在直流侧短路后通过调制波下移将直流电压控制为负值,从而实现直流故障电流的快速清除。此外,针对无闭锁故障穿越过程中输出正负电平子模块之间电容电压不均衡的问题,提出了双排序控制算法以实现电容电压的快速均衡,同时设计了从故障发生至换流器重启整个过程中系统的无闭锁故障穿越流程。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,基于负直流电压控制的无闭锁穿越策略可快速阻断直流故障电流,在此过程中子模块电容电压保持均衡,可实现换流器的快速重启。     

基于三相交错变流器的直流微网稳压技术研究

微电网中电源和负荷经过变流器并入直流母线,DC/DC变流器具有能量双向流动的特点。采用三相交错式变流技术进行直流微电网并网运行时抑制功率波动,保持直流母线电压稳定;孤岛运行时为直流微电网提供母线电压支撑。为验证微电网孤岛运行时三相交错式变流器稳定直流母线电压的能力,搭建了物理实验平台,对三相交错式变流器稳定直流母线的电压进行了实验验证。     

基于超导磁储能和变流器重构的DFIG连续故障穿越方案

由高压直流输电系统换相失败引起的送端风电场母线低高电压连续故障,会对双馈感应发电机(DFIG)产生严重的暂态冲击,现有单一的风机低压、高压故障穿越方案难以完全适应此类连续故障穿越的要求。为此,提出了一种结合重构式网侧变流器与超导磁储能装置的软硬件协同穿越方案,以提升DFIG的连续故障穿越能力。在故障期间,网侧变流器由并联运行模式切换至串联运行模式,以维持定子端电压不变为目标,并控制转子侧变流器根据并网点电压自适应发出动态感性/容性无功电流。仿真结果表明,所提方案既可以维持DFIG的机端电压,又可以为电网提供无功支撑,有效地实现DFIG的低高电压连续故障穿越。     

可隔离直流故障的直流电网用DC/DC变换器拓扑

直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的重要手段,近些年获得了快速发展。DC/DC变换器作为直流电网中电压变换和隔离直流侧故障的关键设备也日益受到关注。提出了一种适用于直流电网的可隔离直流故障的新型DC/DC变换器拓扑,该拓扑基于半桥模块化多电平换流器型DC/DC变换器,增加故障转移支路,发生直流故障时更易切断故障电流,同时提出了其故障隔离策略。对比该拓扑与半桥式DC/DC变换器的技术性和经济性差异发现,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,提出的DC/DC变换器方案不仅可以更快地切除故障线路,还减少了故障隔离对于直流断路器的依赖。在PSCAD/EMTDC中,针对两个直流电网的典型场景,进行了直流双极短路故障仿真。仿真结果表明,所提出的拓扑具备直流故障穿越能力,非常适用于大规模直流电网系统。     

直流微电网电压等级的选择及其稳定控制策略研究

针对直流微电网电压等级的选择与确定,在已有直流标准和直流工程电压等级基础上,考虑微电网容量和供电半径,进行运行损耗计算,从而选择最优的直流母线电压等级。针对直流微电网电压稳定控制,并网运行时采用储能DC/DC变流器控制直流母线电压稳定,AC/DC逆变器控制直流微电网并网功率。孤岛运行时采用储能DC/DC变流器控制直流母线电压稳定。在PSCAD/EMTDC中搭建直流微电网仿真模型,进行不同运行模式下的电压稳定控制策略仿真验证。结果表明,所采用的电压稳定控制策略,在光伏发电功率和负荷功率波动的情况下,能很好地控制直流微电网电压稳定。     

高渗透率光伏发电的直流微电网故障穿越控制策略研究

为使直流微电网具备一定的故障穿越能力,考虑增强系统对直流母线电压的调节能力,提出了基于电池储能的故障穿越方案。引入基于非线性扰动观测的前馈项,设计了基于储能单元改进下垂控制的直流微电网故障穿越控制策略。这种控制策略可以有效抑制直流母线电压波动,缩短电压调节时间,使直流母线电压保持在安全运行范围内,从而实现直流微电网在直流支路短路故障下的故障穿越。最后在Simulink中搭建有高渗透率光伏发电的直流微电网仿真模型,对所提出的方案和所设计的故障穿越控制策略进行验证。     

直流微电网并离网切换母线电压平滑控制技术研究

直流微电网通常通过DC/AC变流器并联到交流微电网,形成直流微电网与交流微电网并列运行模式,此时直流母线电压的稳定控制由DC/AC变流器稳定控制实现,当DC/AC出现故障退出或者发生交流电网故障时,将导致直流微电网失去电压平衡单元,在直流微电网并离网转换期间会出现供电中断以及母线电压偏差较大等问题,提出了一种直流母线电压控制方式切换过程中电压平滑稳定控制方法,该方法无须通信和集中控制器即可实现直流微电网在并离网转换过程中对直流母线电压的平滑稳定控制。实验验证得出该方法具有很好的控制效果,对今后工程实践中直流母线电压在并离网转换期间的电压稳定控制提供了很好的技术基础支撑。     

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。     

基于控保协同的环形直流微网单端测距保护技术

目前,直流微网的保护方案大都依赖于线路两端直流断路器的快速开断能力与通信设备的可靠性,然而现阶段直流断路器成本高昂,且线路两端通信将会大大增加直流微网的建设运行成本。基于以上背景,文中以四端环形直流微网系统为研究对象,提出了一种基于控保协同的单端测距式保护技术。该方法分为故障控制与保护实施2个阶段。在故障控制阶段,通过改变电压源型换流器(VSC)自身以及外加可控元件的主动控制策略,使直流线路故障电流为零;在保护实施阶段,基于采用主动控制后VSC直流侧输出电压的周期性(20 ms)与电力电子元件的可控性,构建VSC与故障点的唯一回路,然后基于传统RL算法即可实现单端无差故障定位,接下来会出现线路电流持续过零,在此基础上,通过快速隔离开关实现故障隔离。该方法基于控保协同思想,消除了环网系统单端故障测距中对端电流的干扰,且线路两端无需配置直流断路器,仅利用快速隔离开关与故障控制策略进行时序逻辑上的相互配合即可实现故障隔离。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建四端环形直流微网系统模型,验证了该控制和保护方案的有效性。     

全桥型MMC-HVDC直流短路故障穿越控制保护策略

直流故障穿越是柔性直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission,VSCHVDC)技术面临的重要问题之一。全桥型模块化多电平换流器(full bridge modular multilevel converter,FBMMC)能够快速清除直流侧故障,是实现直流故障穿越的理想拓扑。该文首先分析现有换流阀闭锁保护策略下电容放电阶段和换流阀闭锁阶段的等效电路,推导电容电压和电流的解析式。针对实际工程中功率模块具有恒功率负载特性,换流站闭锁期间功率模块电容电压逐渐发散并最终导致交流断路器跳闸的问题,提出一种FBMMC-HVDC的故障穿越控制保护策略。在故障穿越期间,换流器处于可控状态,能够避免电容电压发散,无需切断交直流系统连接;在故障清除后能够立即恢复正常运行,具备暂时性和永久性直流故障穿越能力。在PSCAD/EMTDC软件中构建了FBMMC-HVDC仿真模型,对比上述两种保护策略,分析两种策略各自的优缺点。     

双馈风电场柔性高压直流输电系统的故障穿越运行控制

为了实现风电场柔性高压直流(VSC-HVDC)接入结构下的故障穿越(FRT)运行,以双馈风电场为例,构建了双馈风电场通过VSC-HVDC接入电网的数学模型,并分析了电网故障下的系统脱网机理。针对风电场设计了基于电网故障下风电场侧电压源换流器功率变化特性的故障越权控制模块,使得风电场在电网故障情况下快速减载,实现系统直流母线电压的稳定;针对电网侧电压源换流器,分别设计了直流电压外环和电流内环的故障越权控制模块,以期分别实现对故障电网提供无功支持和减少换流器的故障电流冲击。通过这些电网故障越权控制模块的配合,有效地实现了通过VSC-HVDC输电系统接入电网的双馈风电场的FRT运行能力。最后,在MATLAB/Simulink仿真平台上分别对不同的电网电压跌落故障和不对称故障情况进行仿真验证,仿真结果和对比分析都表明所提控制策略的正确性和有效性。     

FBMMC直流故障穿越机理及故障清除策略

针对模块化多电平换流器型直流输电(MMC-HVDC)直流故障的快速清除,对全桥型模块化多电平换流器(FBMMC)直流故障机理及故障清除控制策略进行了研究。研究了全桥子模块的导通模式与运行特性;分析了闭锁前后直流侧双极短路故障机理、故障电流阻断原理和故障清除控制策略。在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型,对全桥子模块的运行特性、直流故障机理、故障清除及快速恢复策略进行了仿真分析,结果验证了所提策略在直流故障穿越方面的有效性。     

基于线路电流二阶导数的中压直流系统故障识别方法

直流线路故障的快速有效识别是基于电压源型换流器的中压直流配电系统发展的关键技术之一。直流线路故障电流上升十分迅速,系统中电力电子器件过载能力小。因此以串入直流线路限流电感的中压直流配电系统为基础,分析直流系统的故障特性,在此基础上提出基于线路电流二阶导数的中压直流配电系统直流线路故障快速识别方案。该方案能够实现故障侧、故障类型及故障线路极性的快速识别,进而实现对线路的保护。最后基于Matlab验证了所提故障检测方案的有效性,并与基于线路电流一阶导数的故障检测方案进行了对比。仿真结果表明所提方法在故障电阻、故障距离及负载发生变化的情况下仍可实现直流线路故障的快速准确检测,且相比基于线路电流一阶导数的直流线路故障检测方案具有更好的选择性。     

一种适用于智能配电网的DC/DC换流器拓扑及其控制策略

由于智能配电网的高故障率特性以及城市土地资源的限制,DC/DC换流器的体积、成本、效率、控制性能和故障穿越能力逐渐成为其在该领域内的限制因素。为此,提出了一种基于电流源换流器（current source converter,CSC）和电压源换流器（voltage source converter,VSC）的混合DC/DC换流器拓扑,提出的换流器拓扑采用高频交流链路,分析了换流器的数学模型和运行约束条件,给出了换流器的参数设计方法。提出了一种换流器CSC侧采用有功功率和无功功率双闭环控制,VSC侧交流电压幅值单闭环控制的DC/DC换流器闭环控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了1 MW/2 000 V/750 V混合DC/DC换流器仿真模型,分别对额定运行工况、功率反转工况和直流短路工况进行了仿真研究。仿真结果验证了提出的混合DC/DC换流器工作性能优越且具备直流短路故障穿越能力。     

交直流混合微电网中AC/DC双向功率变流器的新控制策略

交直流混合微电网中的AC/DC双向变流器,对系统的稳定运行和功率的协调分配有着重要作用。为了使直流微电网部分作为一个电压功率可控的单元接入交流母线,提出了一种新的AC/DC双向变流器控制策略,用于平衡交直流微电网间的功率流动并提高系统联网和孤岛运行的稳定性及可控性。在联网模式时,新方法基于dq坐标系,通过直流侧电压外环给定内环直轴电流参考值,进而控制功率流动和联网运行。孤岛模式时,新方法以交直流母线的电压差值作为外环,控制功率在交直流母线间的流动,使其互为支撑,提高系统稳定性。与传统的并网控制不同,新方法     

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模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)相比于全桥型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,文中建立额定运行状态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;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,验证了文中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。