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。     

柔性直流电网直流线路故障主动限流控制

针对架空线柔性直流电网线路故障,提出了基于混合型MMC的主动限流控制方法,从而降低对直流断路器开断速度、开断容量以及吸收能量的要求,减少直流电网建设成本、提高直流电网可利用率。该文首先研究了换流器的交/直流电压解耦可控性,给出了主动限流控制器的控制架构。为了解决直流故障穿越期间,桥臂电容电压可能会短时越限的问题,提出了在内环直流电流控制器附加直流电流指令动态限幅控制器的方案。提出了主动限流控制策略的一种优化手段—电流目标预设控制,分析了不同控制器延时对主动限流控制的影响。计及主动限流控制,研究了单换流器系统和直流电网故障前后直流故障电流演变机理。最后,分别在单换流器系统和直流电网系统中仿真验证了前文理论分析的正确性的有效性。     

柔性直流电网故障限流技术分析与探讨

故障限流技术是实现柔性直流电网保护和故障隔离的重要过渡手段。基于柔性直流电网的故障特征,结合国内外研究成果,从交流侧限流、换流器限流以及直流侧限流3个方面分析了柔性直流电网各类限流技术和方法的原理及性能,对相关限流技术和方法进行了仿真测试和比较。基于对比分析结果,提出了一种改进的电感型限流电路拓扑。所提出的限流电路能够有效抑制故障电流,在配合直流断路器开断故障的情况下,可加速故障电流衰减。最后探讨了未来直流电网故障限流技术可能的研究方向。     

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。     

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。     

基于主动限流控制的直流配电网保护及故障隔离方案

柔性直流配电网中直流故障易引起系统过流,严重威胁电网的安全运行。基于全桥子模块的模块化多电平换流器(FBSM-MMC)的柔性直流配电网大多利用MMC闭锁来切断故障电流,但其闭锁会导致整个直流配电网的短时停电,降低供电的可靠性,迄今尚无有效的解决方案。对此,文中提出一种基于FBSM-MMC主动限流控制的柔性直流配电网保护及故障隔离方案,共包含3个阶段:故障发生后首先利用MMC主动限流控制将换流器输出直流电流限制在1.2倍额定电流附近(阶段1),进而根据各条线路两端直流电流是否具有同步性过零特征实现故障线路的识别(阶段2),在此基础上,进一步提出基于直流断路器与快速机械开关协同配合的故障隔离方案(阶段3)。通过断开故障关联的直流断路器,并控制相应换流站的输出直流电流降低为0,使得故障线路上的机械开关亦能快速开断,从而实现故障隔离。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了四端柔性直流配电网模型,通过大量仿真验证了所提保护及故障隔离方案的可行性。     

柔性直流电网直流侧故障下500kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

柔性直流电网直流侧故障下500 kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

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。     

风电经架空柔性直流输电线路并网的交直流故障穿越技术

针对永磁同步风电机组远距离大规模并网的问题,研究了采用半桥型模块化多电平换流器(MMC)和直流断路器(DCCB)进行架空直流输电的并网方案。但架空线路故障率高,在发生直流侧故障、网侧交流故障时,基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)系统保护装置会动作,导致MMC闭锁,不能不间断运行。为解决MMC-HVDC穿越交、直流故障的问题,基于DCCB和耗散电阻,提出了一种MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越方案。在故障发生后,通过设计DCCB风电场侧MMC降压协调控制策略,以及高压直流侧耗散电阻和风电场侧制动电阻间的控制策略和配合方案,实现了MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越。最后,通过PSCAD/EMTDC下的多组仿真,验证了上述交直流故障穿越方案的有效性和正确性。仿真结果表明,所设计的穿越方案能够使MMC-HVDC系统在不闭锁MMC的前提下,安全穿越故障期;在故障清除后,系统快速恢复到正常运行状态。     

风电经混合型MMC外送的暂态能量转移机理与限流耗散策略

混合型模块化多电平换流器(MMC)具有交直流解耦控制、抑制故障电流、维持并网电压等独特优势,在基于模块化多电平换流器的风电并网系统中具有广阔的应用前景。已有基于混合型MMC的交直流故障穿越策略大多仅考虑直流电网本体,并未结合风电并网考虑暂态能量转移与耗散的问题。首先,研究了基于混合型MMC的风电并网系统在交直流故障期间的暂态发展过程,归纳出能量转移机理,分析了不同故障阶段的关键因素。然后,提出了一种具备故障识别能力的自动限流耗散方法,研究了加入限流耗散措施后的暂态能量转移变化。最后,在四端风电直流电网下验证了自动限流控制及耗散方法的有效性。     

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。     

考虑故障限流器动作的直流电网限流电抗器优化配置

模块化多电平换流器(MMC)型柔性直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的有效手段,其直流故障限流是线路保护所面临的重要技术挑战之一。根据直流电网双极短路故障后电容放电机理,考虑故障限流器投入过程与直流断路器的切断过程,并兼顾了金属氧化物避雷器(MOA)的能量耗散特性,在PSCAD/EMTDC电磁仿真平台下,基于相域频变架空线模型,研究了投入故障限流器后的直流故障电流特性。在对称双极四端直流电网拓扑中,以各个直流出口故障点的直流断路器切断电流之和最小、故障限流器和直流断路器中的MOA吸收的能量之和最小作为两个目标函数,采用simplex算法对直流电网中各条直流线路的限流电抗器进行了多目标优化配置,并给出不同权重下的各条直流线路的限流电抗优化配置方案。     

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...     

基于改进型MMC的风电直流联网系统直流故障穿越协调控制策略

采用双极架空线柔性直流输电技术进行大规模风电远距离外送是其友好型并网的有效手段.针对风电直流联网系统直流故障阻断和功率盈余问题,提出了一种改进电流转移型模块化多电平换流器(M-CT-MMC),使其同时具备直流故障阻断和能量耗散的功能,从而在充分发挥耗散电阻作用的同时实现直流故障穿越.在直流故障阻断方面,通过将M-CT-MMC桥臂吸收支路的引出线互联构造三相中性点,避免了桥臂开关额外承受直流电压偏置导致的成本增加问题,并利用辅助支路间的协调配合,有效阻断了直流故障电流.在盈余功率耗散方面,针对自消纳和非自消纳工况设计了双极M-CT-MMC控制模式切换策略,在提高非故障极功率转带能力的同时自主吸收盈余功率,并基于功率耗散需求设计了耗散电阻分组投切控制策略,避免非故障极M-CT-MMC过载,从而实现不同运行工况下风电直流联网系统的直流故障穿越.最后,基于MATLAB/Simulink仿真平台验证了所提直流故障阻断及盈余功率耗散协调控制策略的有效性和可行性.     

直流电抗器与电容型限流器多目标优化配置方法

直流电网中直流故障电流抑制是亟须解决的关键问题之一.为了抑制故障电流的上升速率与峰值,针对含有电容型限流器的直流断路器,综合考虑电感和电容的故障电流抑制效果,分析了投入电容型故障限流器前后的故障电流特性,提出了在满足直流断路器开断容量限制和换流器桥臂电力电子器件电流限制的约束条件下直流电抗器和电容型限流器的优化配置方案...     

模块化多电平换流器自适应故障限流控制策略

直流断路器(DCCB)的造价和体积与其开断电流大小密切相关.文中从降低DCCB的开断电流层面出发,设计了适用于半桥模块化多电平换流器(MMC)故障限流的自适应限流控制器.通过在直流故障工况下调整MMC直流电压和子模块电容电压参考值,可自动快速限制故障电流发展速度.采用数学解析的方法对自适应控制器的限流原理进行了分析.在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建四端柔性直流电网进行仿真验证.仿真结果表明:相比于无任何限流措施的控制方案,自适应限流控制可有效降低断路器的开断电流,明显减少避雷器吸收的能量,同时可加快故障后的系统恢复.