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。     

模块化多电平换流器子模块拓扑设计及其控制

根据直流故障电流切断位置不同,首先分析基于交流断路器、直流断路器和模块化多电平换流器子模块拓扑的3种故障抑制技术方案及其特点。然后从切断故障电流角度出发,利用双向可控开关对半桥拓扑进行改进设计以抑制直流故障,并与传统半桥子模块相结合构成混合双子模块拓扑以降低单位电平成本和运行损耗。同时研究在闭锁期间混合双子模块内部电容不均衡充电所导致的电容电压不平衡问题及其应对策略。最后在PSCAD/EMTDC中搭建两端仿真模型,对混合双子模块拓扑直流故障抑制特性及电容电压控制策略进行仿真验证。     

子模块混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略

半桥和全桥子模块混合型模块化多电平换流器在具备直流故障穿越能力的同时降低了开关器件的数量。介绍其拓扑结构以及子模块数量的确定方法。阐述半桥和全桥子模块阀段自身平机理和调制电压基本分配原则,并结合最近电平逼近调制提出一种半桥和全桥阀段间平衡的控制策略。分析直流故障期间换流器的等效电路,为了减少暂态期间直流故障电流对子模块电容电压平衡的影响,提出一种基于虚拟电阻的优化控制策略。整个故障穿越期间无需闭锁换流器,且还能持续保证交流系统对无功功率的需求。基于PSCAD/EMTDC,搭建两端子模块混合型模块化多电平换流器HVDC仿真模型,针对双极直流短路工况进行仿真分析,验证了所提出的控制策略的有效性。     

基于快速重合闸的多端直流配电网极间故障隔离恢复策略

为快速识别并隔离直流极间故障、实现多端直流配电网的极间故障快速恢复,提出了一种基于直流断路器快速重合闸的故障隔离恢复策略。研究了由半桥式模块化多电平换流器组成的环形多端直流配电网极间故障暂态特性,并结合目前典型的保护配置、故障选线及控制方法,形成一种基于直流断路器重合闸的控制保护一体化协调配合策略。各保护区内的快速保护检测到故障后立即闭锁换流器、跳开直流断路器以快速隔离故障;控制保护一体化装置获取故障定位信息后,重合非故障区域内已经跳开的直流断路器、解锁已经闭锁的换流器,在新拓扑结构下实现直流极间故障的快速恢复。最后在PSCAD/EMTDC软件下搭建了六端柔性直流配电网仿真模型并测试了极间故障隔离及恢复特性,验证了所提方案的可行性。     

基于MMC的中压直流配电网极间短路故障保护策略

近年来基于模块化多电平换流器(MMC)的直流配电网得到快速发展,但因其直流线路极间短路电流上升速度快,电力电子器件耐流能力差等原因,直流侧故障保护成为了亟需解决的问题。针对这一问题,考虑半桥型MMC(HBMMC)和全桥型MMC(FBMMC)2种不同的拓扑结构,分别分析中压直流线路极间短路情况下的故障特性并推导了故障电压电流的解析表达式。对于HBMMC提出一种桥臂限流模块和直流断路器配合的保护策略,解决了故障电流衰减缓慢和稳态电流过大的问题,降低了对直流断路器开断能力的要求。利用FBMMC子模块的故障电流自清除能力,提出一种改进的基于换流器解锁的快速恢复保护策略,减少瞬时性故障的系统停运时间。最后结合实际工程参数,在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了保护策略的有效性和实用性。     

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。     

一种新型MMC并联双端口子模块及其三阶段故障电流阻断机理

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter,?MMC)具备直流故障自清除能力和电容电压均衡能力,提出了一种新型并联双端口子模块：钳位双全桥子模块(clamp double full bridge submodule,?CD-FBSM)。该子模块器件成本和运行损耗较低,正常工作时相邻子模块之间具有多种协同运行模式,通过特有的并联模式可提高电容电压均衡度。故障闭锁时,模块内部电容并联、模块之间电容串联且反向接入电路,能够可靠阻断故障电流并均衡电容电压,有利于系统快速重启。此外,提出了三阶段故障电流阻断机理分析方法,对CD-FBSM的故障电流阻断过程进行了研究。通过Matlab/Simulink的仿真结果表明,所提子模块电容电压均衡度较高,可快速阻断故障电流,且故障电流阻断过程与理论分析一致。     

具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）可通过改进子模块拓扑实现对直流故障电流的清除,但大多数子模块不具备电容电压自均衡能力。在全桥子模块的基础上,推导了一种兼具故障电流自清除能力和模块电容电压自均衡能力的新型子模块：移位全桥子模块（OCFBSM）。该子模块由2个全桥子模块通过移位组合构成,正常工作时根据2个电容的连接关系运行在旁路、串联和并联3种状态,可不依赖于外加均压控制自动实现模块内电容电压均衡。发生直流短路故障时,OCFBSM通过将2个电容反向接入故障回路可自动清除直流故障电流。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了OCFBSM在直流故障电流清除和自均压方面的有效性,且故障闭锁后各子模块电容电压均衡,有利于MMC重启。     

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。     

C-MMC直流故障穿越机理及改进拓扑方案

采用基于箝位双子模块(clamp double sub-module, CDSM)的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),是MMC-HVDC实现直流故障快速自清除的理想选择之一。首先研究箝位双子模块正常和闭锁工作模式;然后分析闭锁前后故障等值电路和故障电流特性,指出利用二极管阻断特性和模块电容所提供的足够大的反电势能够实现直流闭锁;最后,提出两点改进措施：1）桥臂由半桥子模块和箝位双子模块混合而成,降低了稳态运行损耗和半导体器件数量;2）在子模块内部箝位二极管处串联阻尼电阻,以加快闭锁期间能量耗散和降低电容电压增高幅值。PSCAD/EMTDC 仿真结果验证了所提出的改进拓扑结构方案的可行性和有效性。     

新跨接双极三电平子模块拓扑及其控制策略

基于半桥型子模块拓扑的模块化多电平换流器不具备直流短路故障电流阻断能力,影响了低成本架空线的应用.为抑制直流故障时的短路电流,研究了 一种新跨接单极三电平子模块拓扑,解决了混合拓扑中电容不均衡充电问题.然后为应对子模块闭锁对换流站和电网可能产生的不利影响,设计了 一种新跨接正、负极三电平子模块拓扑,并分析了其过调制运行...     

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。     

基于储能和序分量控制的直驱永磁风电系统非对称故障穿越研究

为避免电网非对称故障时直驱永磁风电机组发生脱网事故,分析了电网电压不对称跌落时机、网侧能量不平衡引起直流链电容电压骤升的机理,提出了一种并联超级电容储能与序分量协调控制策略。考虑了电网非对称故障时电压的跌落程度、传动系统的储能限度和变流器的约束条件,通过对机、网侧变流器进行双闭环控制,实现快速平衡母线有功功率,同时补偿无功以改善电网电压。根据超级电容器寿命等影响因素选取电容容量,采用DC-DC变换器对超级电容的储能模式进行控制,限制故障阶段直流链支撑电容的电压。仿真结果表明了控制策略的有效性,提高了直驱永磁风电系统非对称故障的穿越能力和运行稳定性。     

基于换相面积的CSCC-HVDC输电特性研究

受端电网的直流接入能力是高压直流输电系统规划和运行的关键问题之一。从可控电容换相换流器接入弱交流受端电网对换相失败的影响出发,在对可控电容换相换流器基本原理和拓扑结构进行分析的基础上,建立了可控电容换相换流器的稳态数学模型。为更接近工程实践和提升控制精度,考虑了高压直流控制系统的响应特性,并研究了以换相电压时间面积为控制目标的含可控电容换相换流器的响应控制策略。针对短路故障引起的换相失败,提出了利用限压器-并联间隙组合保护装置的故障恢复策略以缩短电容换相换流器的故障恢复时间。最后基于PSCAD/EMTDC平台,通过仿真验证并和其他方案的对比研究证明了上述控制策略对于降低弱受端逆变站换相失败风险和故障恢复的有效性。     

C-MMC型电力电子变压器直流故障分析与保护方法研究

对模块化多电平换流器 (Modular Multilevel Converter,MMC)型电力电子变压器的拓扑结构及实现原理进行介绍。分析了在采用半桥子模块的MMC中发生中压直流母线双极短路故障后的电流流通路径,以及其不能实现直流故障闭锁的原因。为解决上述问题,选取箝位双子模块代替半桥模块,并分析了其故障电流流通路径和故障闭锁原理。但由于箝位双子模块在直流故障闭锁后可能出现子模块过电压问题,为此,提出了电力电子变压器隔离级延时闭锁的策略,并分析了MMC闭锁后在该策略下隔离级闭锁前的故障电流流通路径。最后,通过PSCAD仿真平台对箝位双子模块的闭锁功能和隔离级延时闭锁策略进行了仿真验证。     

适用于直流配网的故障自清除型电力电子变压器

基于MMC-ISOP电力电子变压器结构的直流配电系统发生中压直流母线双极短路故障后,若采用常规半桥型MMC子模块,交流母线会与故障点构成三相短路而产生较大故障电流损坏功率器件,后级ISOP变换器输入侧若采用直接串联方式同样无法避免输入电容对地放电问题。提出具有故障电流自清除能力MMC子模块拓扑,未提高器件数量、电容耐压等级,且保证了阻断能力。提出DAB变换器输入侧混合串联型ISOP拓扑,可有效切断故障后电容放电通路,降低电容电压应力及电感电流脉动,缩短故障后系统恢复时间。利用Simulink软件搭建了直流配网稳态及故障状态仿真模型,仿真结果验证拓扑结构有效性及理论分析准确性。     

一种具备直流故障阻断能力的新型子模块研究

针对在柔性直流工程中得到广泛应用的半桥子模块无法处理直流侧故障的问题,提出了一种具有直流故障电流自阻断能力的子模块拓扑结构。首先,阐述了新型子模块拓扑的基本结构和运行特性;基于直流故障期间系统等效电路,详细分析了新型子模块的故障电流阻断机理和器件耐压水平;然后对该子模块的混合实施方案进行计算同时对阻断能力和经济特性做出了比较分析;最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了仿真模型,对所提出的子模块阻断能力进行验证。经验证,该型子模块拓扑能够快速有效地清除直流侧故障电流。     

多端口电感耦合型直流限流断路器快速重合闸策略

高压直流（high voltage DC,HVDC）电网是连接可再生能源与交流主网的主要载体,直流故障后的恢复速度对整个交直流电网的稳定性有重要影响。基于多端口电感耦合型高压直流限流断路器,提出一种与直流电网换流器控制策略相配合的快速重合闸策略。介绍了多端口限流断路器的拓扑结构,分析了换流器控制策略对故障隔离后直流电压的影响,并对限流断路器的重合闸时序进行了选择,形成了与风电场等弱交流系统连接的换流器-断路器协调配合重合闸的控制策略及逻辑流程。在4端双极直流电网仿真模型中,验证了所提重合闸策略具有冲击电流较低,故障恢复时间较短的优势。     

模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制

介绍了模块化多电平换流器型直流输电系统(modularmultilevel converter based high voltage direct current system,MMC-HVDC)的起停控制策略。启动分为不控启动阶段和可控启动阶段,对不控启动阶段模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)的等效电路进行数学建模,得出了限流电阻与最大充电电流之间的数学关系,为限流电阻的选取提供了理论基础。停机分为能量反馈阶段和放电阶段,能量反馈阶段将MMC各子模块电容存储的能量部分反馈回电网,充分利用了MMC子模块储能的优势,提高了能量的利用率。放电阶段,通过一定的触发方式,逐步将能量耗散掉,该方法有效地降低了放电电阻的功率、阻值和耐压水平。最后,对建立的两端有源网络的MMC-HVDC系统进行了数字仿真,仿真结果验证了该启停控制策略的有效性。