基于半桥型MMC的柔性直流电网故障限流方法综述

现阶段投运的柔性直流电网通常采用半桥型模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC),具有惯量低、阻尼小等基本特征,存在故障演变迅速、设备过流能力弱、故障电流开断难等技术挑战。妥善处理柔性直流电网的故障电流限制问题,具有重要的理论价值与现实意义。针对于此,阐明了柔性直流输电技术的发展需求和引入故障限流措施的必要性,系统地总结了国内外研究现状。依据实体限流和虚体限流技术方案进行了分类整理和性能比较,论述了两类限流措施的技术优势及不足之处。最后,提出了半桥型MMC柔性直流电网故障限流方法的未来发展方向,探讨了其中的难点问题和解决思路。     

柔性直流电网紧急限流控制策略研究

柔性直流电网对高速大容量直流断路器的需求限制了其发展和应用。基于混合型模块化多电平换流器(modular multi-levelconverter,MMC)的限流控制方案受限于拓扑结构,不适用于广泛采用的半桥型MMC柔直工程。该文提出了一种具有拓扑结构通用性与故障类型通用性的紧急限流控制策略,能够降低直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)的开断电流和耗散能量。该文首先介绍了紧急限流控制的原理以及其与DCCB的协调策略,分析并推导了限流控制作用下故障电流的计算方程;研究了限流控制不同投入时刻对故障电流发展的影响;最后在基于半桥型MMC的四端直流电网中进行了仿真验证。仿真结果表明:紧急限流控制使得DCCB的开断电流减小了4.29kA(40.74%),耗散能量减小了23.4MJ(60.47%),并且适用于高阻性故障。     

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。     

应对柔性直流电网线路故障的混合型MMC直流电压目标预设控制

随着国内外基于混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的架空线柔性直流输电工程的建设,研究其直流故障穿越控制技术将具备较大的工程应用价值。为减小故障电流峰值,且加快故障清除后直流电网功率恢复速度,提出一种适用于混合型MMC的直流电压目标预设控制策略。其充分利用了混合型MMC的宽范围直流电压输出能力,通过预先设定的直流电压目标控制曲线,优化直流电压站在直流故障发生后的暂态特性。进一步研究直流电压目标预设控制的基本原理与具体实现方式。针对直流电压目标预设控制分别在两端柔性直流输电系统以及直流电网中的应用,讨论故障期间电压站直流电压预设指令值的选取方法,分析比较不同直流电压预设控制曲线对故障后直流母线电压跌落、直流母线电流峰值以及直流功率恢复时间的影响。仿真分析表明,直流电压目标预设控制能够在一定程度上降低直流故障峰值电流,并较为明显的加快直流故障清除后直流电网功率恢复速度,具备一定的工程应用前景。     

高压柔性直流电网分层协同自适应下垂控制

为实现直流电网的潮流优化及扰动后不平衡功率的合理分配,提出一种直流电网分层协同自适应下垂控制策略。其中,系统控制层基于各站直流电压、有功功率等信息,以直流电网运行中网损和直流电压偏差最小为优化目标,实时分析并优化各站的直流电压、有功功率指令,以实现稳态时直流电网潮流最优;换流站控制层以本地信号为依据,综合考虑各换流站功率裕度以及电压偏差影响,通过实时自适应调整下垂系数,合理分配扰动后直流电网内部的不平衡功率,同时减小直流电压的偏差。系统控制层的指令值优化与换流站控制层的下垂系数优化协同作用,实现直流电网功率的协调控制。以七端直流电网为例的仿真结果验证了所提策略的有效性和优越性。     

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。     

含混合型MMC的四端柔性直流电网改进自适应重合闸策略

柔性直流电网是进行大规模新能源远距离架空线传输的重要技术手段。但架空线比直流电缆更容易发生瞬时性短路故障,待故障消失后需迅速重合闸。若直流电网发生永久性故障,常规基于换流器主动信号注入的故障性质判别方法易对直流电网的稳定运行产生较大干扰。针对上述问题,提出一种基于混合型模块化多电平换流器（MMC）主动信号注入的柔性直流电网改进型自适应重合闸方法,在混合型MMC极控制器中附加主动信号控制,使柔性直流电网在不中断功率传输的前提下实现故障性质辨识。此方法具备较强的耐过渡电阻能力,且不影响柔性直流电网功率传输的稳定性。在PSCAD/EMTDC搭建了混合型MMC四端柔性直流电网的电磁暂态模型,通过仿真验证了该方法在配备混合型MMC和机械式直流断路器的柔性直流电网中的有效性。     

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。     

复杂多端柔性直流电网源网限流设备协同优化配置

利用源网限流设备协同优化配置解决复杂多端柔性直流电网的故障电流抑制难题,成为相关领域的研究热点.首先,结合模块化多电平换流器(MMC)与电网的耦合程度,提出适用于复杂多端柔性直流电网的区域划分原则,以提高多端柔性直流电网限流设备参数优化的计算效率;然后,根据各区域的限流需求,结合MMC、直流变压器、限流电抗器及故障限流...     

基于源网配合的MMC直流电网自适应故障清除方案

随着模块化多电平换流器(modularmultilevel converters,MMC)在架空线直流输电和柔性直流电网中的广泛应用,直流线路故障清除问题越来越突出,如何实现直流线路故障的快速清除成为制约MMC柔性直流电网发展的关键问题之一。作为直接有效的解决方案,混合高压直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)还不够成熟,高速大开断容量DCCB的研制仍有困难。文中通过挖掘和利用MMC控制的灵活性,提出一种适用于架空线半桥型MMC柔性直流电网的源网配合自适应故障清除方案。在直流故障期间,该方案利用MMC调压控制策略减少源侧子模块投入数量,降低换流器桥臂单元输出电压,并与网侧断路器预充电电容电压自适应配合,使MMC桥臂单元输出电压小于预充电电容电压,利用电压差使故障电流迅速下降至零,达到切断故障电流并清除故障的目的。首先介绍所提故障清除方案中源侧MMC调压控制原理和网侧断路器拓扑结构,然后分析该方案的工作原理,并推导该方案下半桥型MMC的直流故障电流计算方程,给出调压控制器控制系数和网侧断路器元件参数设计方法,最后在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台上搭建基于半桥型MMC的四端柔性直流电网模型,对所提故障清除方案的有效性进行仿真验证。     

基于混合型MMC和快速真空开关构建的柔性直流电网

采用架空线的柔性直流电网在大规模风电、光伏等新能源的汇集、输送和并网中有很好的应用前景。由于直流故障电流上升速度快、峰值高,柔直工程中一般采用高速大容量直流断路器隔离直流故障。然而,直流断路器制造难度大、成本高,降低了直流电网的经济性,并且其可行性还有待实际工程验证,这在一定程度上阻碍了直流电网的大规模发展与建设。为此,本文提出了一种基于混合型MMC和快速真空开关的直流电网组网方案。该方案充分利用混合型MMC强大的控制能力,可以保证换流器在直流故障期间不闭锁,使得直流电网在直流故障被清除后可以快速、柔性地切换到新的运行状态,缩短直流电网功率中断时间,提高直流电网的利用率。同时可以在直流线路中安装快速真空开关来替代高速大容量直流断路器,以减小直流电网的建设成本,大幅度提高直流电网的经济性。最后,基于PSCAD/EM TDC平台仿真验证了本方案的正确性与合理性。     

基于MMC的直流电网分层能量平衡控制

直流电网的瞬时能量平衡控制是其安全稳定运行的关键。当前,研究人员在进行直流电网的能量平衡控制策略设计时,重点关注了换流器之间的功率平衡控制,而忽视了换流器内部的瞬态能量平衡控制,因此无法满足直流系统暂稳态能量在较小时间尺度上进行平衡调控的要求。以基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流电网为研究对象,重点对MMC的内部瞬态能量平衡控制进行了研究。首先,从MMC桥臂瞬时功率转移出发,对MMC的换流过程进行了分析;然后,以不同换流回路瞬态能量平衡为控制目标,分别提出了基于子模块电容能量平均值反馈控制和波动值预估控制策略;最后,通过PSCAD电磁暂态仿真,验证了所提出方法的有效性。     

多端柔性直流电网公共直流电压协同控制方法

与传统交流电网相比,柔性直流电网具有较强优势,在可再生能源等多能源接入应用中引起了高度重视。为避免多端柔性直流电网中各子系统争夺电压控制权问题,提出了一种多端柔性直流电网公共直流电压协同控制方法。该方法利用柔性直流电网公共直流电压作为公共信息源,根据负载单元、可再生能源单元、储能单元和辅助供电单元的不同工况,分别由可再生能源单元、储能单元以及辅助供电单元独立地将公共直流电压控制在规定范围之内,实现电网电压稳定。通过Saber软件进行的仿真表明,所提方法能够有效控制多端柔性直流电网公共直流电压,维护系统功率平衡。     

柔性直流电网工程

正柔性直流采用全控型电力电子器件,具有动态无功支撑能力。基于柔性直流构建的直流电网具有更好的灵活性和可靠性,可将风电、光伏、抽水蓄能与负荷中心直接连接,构成多种形态能源灵活互补的能源互联网,实现多电源供电、多落点受电和新能源孤岛接入,有效平抑新能源间隙性和波动性。     

含多种限流设备的柔性直流电网RT-LAB实时仿真建模

柔性直流电网具有"低惯性、弱阻尼"的特点,其故障电流上升速度快且峰值高.针对包含大量电力电子器件的限流设备不仅增加系统复杂性,同时也降低直流电网仿真效率的问题,提出不同限流设备的等效建模方法.首先,搭建包含多种限流设备的17端柔性直流输电网数字仿真模型;其次,依据单端口子模块等效建模方法,分别针对其中4种典型故障限流设...     

计及主动故障限流策略的柔性直流电网纵联保护

针对传统直流保护原理应用于柔性直流电网中存在可靠性降低、灵敏度下降的问题,提出计及换流器主动故障限流策略的柔性直流电网纵联保护原理.分析了故障电流在换流器电容放电阶段和换流器主动故障限流阶段的极性特征,进一步构造了改进型故障电流极性特征序列,引入基于斯皮尔曼相关性系数的电流波形特征判别方法,实现柔性直流电网故障区域判别...     

基于混合型MMC和直流开关的柔性直流电网直流故障保护研究

提出了采用混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multilevel converter,hybrid MMC)和直流开关构建柔性直流电网进行架空线远距离电能传输的方案。针对由全桥型子模块和半桥型子模块组成的混合型MMC,分析了其拓扑结构、基本运行原理和直流电压运行区间,提出了混合型MMC的三自由度控制架构,并详细分析了直流故障穿越控制策略,进而设计了混合型MMC构成的柔性直流电网的故障清除策略和多次重启动时序。故障期间,混合型MMC无须闭锁IGBT,可控制故障电流至0,从而保持不间断运行、持续向交流系统提供无功支撑。3次重启动失败后,架空柔性直流电网配置的直流开关在零故障电流下开断以隔离故障电流通道,直流电网重启,线路潮流发生转移。最后在PSCAD/EM TDC仿真平台验证了所提出的故障清除策略及重启动时序的可行性。     

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...     

连接风电系统的柔性直流电网MMC在线投入分析与验证

针对大规模海上风电的送出,组成柔性直流电网,能够极大地提高系统的可靠性,有效避免大规模停机,弃风问题。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电（MMC-HVDC）系统组成柔性直流电网后,处于有源运行的换流器的投退不影响柔直电网的稳定运行,进而保证了海上风电的可靠送出。在线投入过程中,换流器和直流电网之间会产生一定的冲击电流,冲击电流的大小和投入策略有较大关系。提出了改进型换流器机电暂态模型,分析了换流器投入冲击电流的影响因素,研究和比较了转控制模式同步并入策略和先并入后转控制模式策略这2种换流器在线投入策略。最后,采用RTDS建立了±500 kV双极四端柔性直流输电系统模型,对2种投入策略进行了仿真和对比,结果表明,策略1具有控制简单可靠、受极母线开关特性影响小、冲击较小等特点,适用于海上风电经柔直电网送出工程应用。     

柔性直流电网协调控制策略

针对包含新能源孤岛送出、孤岛供电以及双极结构的复杂柔性直流电网,提出了一种协调控制策略。整个协调控制系统包含广域协调控制系统和换流站协调控制系统。发生换流站故障或直流线路故障后,广域协调控制系统根据工况对各柔性直流换流站及其他子系统进行总功率调控,同时各换流站根据工况和指令切换控制模式或改变自身功率,配合进行协调控制。通过对典型柔直电网中典型工况的仿真,验证了本文提出的协调控制策略可明显改善故障情况下的柔性直流电网响应特性,提高柔性直流电网安全稳定运行能力。