全直流海上风电场高压直流变压器及其换流失败故障穿越策略

全直流海上风电场是发展大规模远距离海上风电的重要技术手段之一,其核心装备是连接中压直流汇集端口和高压直流送出端口的高压直流变压器,但目前面临高电压应力、大电流应力和高升压比等技术挑战。提出了一种基于子模块桥臂、晶闸管阀和二极管阀的混合型模块化高压直流变压器拓扑,子模块桥臂可分别并联至中压直流端口均分大电流及串联至高压直流端口均分高电压,晶闸管阀和二极管阀辅助拓扑实现并联和串联的换流。相比于其他高压直流变压器拓扑,所提拓扑具有效率高、轻量化和安装容量小等优点。此外,分析了晶闸管阀未可靠关断引起的拓扑换流失败的故障特性和故障电流清除过程,提出了故障穿越策略以提高拓扑的工作可靠性,并研究了故障穿越过程的影响因素及参数选取。最后,通过仿真和实验验证了所提拓扑结构和故障穿越策略的可行性。     

应用于海上风电场柔性直流接入系统的直流故障穿越协同控制策略

近年来越来越多的海上风电场采用柔性直流输电的方式接入大电网。然而,传统半桥式子模块模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的拓扑特点决定了直流系统在发生直流双极短路故障时,不能有效抑制故障电流,而闭锁和交流断路器跳闸会导致海上风电场脱网。为解决这一问题,提出了一种基于半桥加全桥子模块混合式MMC拓扑的协同控制策略。通过换流器的直流电压控制,在直流双极短路故障发生后,故障电流能够得到迅速抑制。为保证系统中有功功率平衡,海上风电场将根据直流电压调整输出功率限幅。该控制策略能够在不闭锁换流器的情况下进行直流故障穿越,并维持换流阀内子模块电压稳定。最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,验证该策略的可行性和有效性。     

全直流海上风电场高升压比DC/DC变换技术综述

采用直流汇聚、直流传输的全直流海上风电场,可以避免使用笨重的工频交流变压器,在功率密度、建设成本、系统损耗等方面具有较大的优势,因此基于直流汇聚、直流传输的全直流海上风电是目前海上电能传输的研究热点。在全直流海上风电系统中,风机端口电压需进行高变比升压后才能远距离传输,所以高升压比DC/DC变换器是整个风能变换传输系统中的重要环节。首先从变比、容量、故障隔离等角度对适用于全直流海上风电的直流变换器进行需求分析。其次对各种直流变换器的拓扑实现进行总结分类,并指出各种拓扑的优缺点以及应用前景。最后对各种拓扑结构及控制方法进行比较,对未来适用于全直流海上风电场的高升压比直流变换器进行展望。     

海上风电混合级联直流输电系统直流短路故障分析与隔离

针对海上风电混合级联直流输电系统三种典型的直流短路故障造成系统整体停运问题,提出一种利用模块化多电平换流器进行故障隔离的方法,来提升系统运行的可靠性和灵活性。首先,对海上风电混合级联直流输电系统进行潮流分析,介绍其控制策略。然后,分析系统的直流故障特性,为了隔离直流短路故障电流,以自阻型模块化多电平换流器为例进行隔离策略分析和子模块冗余设计。最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建海上风电混合级联直流输电系统的仿真模型,仿真结果表明了本文提出的直流短路故障分析的正确性和隔离策略的有效性。     

基于复用桥臂的储能型模块化多电平换流器

基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)输电技术已成为大规模、远距离风电场并网的理想解决方案。在风电渗透率较高时,风电场经MMC-HVDC并网系统呈现低惯量特性,增加储能系统并辅以适当的控制策略是提高系统惯量的方法。文中提出了一种基于复用桥臂的储能型模块化多电平换流器类全桥子模块拓扑,研究了该拓扑的调制和控制策略,并通过类全桥子模块和半桥子模块的混合,降低系统的成本和损耗。与单级式半桥子模块拓扑相比,所提拓扑对电池电压的要求显著降低,可以平滑电池电流;与两级式半桥子模块相比,所提拓扑具有直流故障阻断能力。最后,仿真和实验结果验证了所提拓扑和调制及控制策略的有效性。     

新型双降压式模块化多电平直流变压器

为保证直流配电网稳定运行,直流变压器起到了至关重要的作用。针对半桥和全桥型模块化多电平直流变压器存在的直通和死区问题,本文提出了一种新型双降压式模块化多电平直流变压器,详细阐述了其拓扑结构和工作原理。基于类方波调制方法,分析了在不同外移相角和桥臂子模块内移相角的情况下该拓扑的变压器漏感电流变化以及功率传输特性。并提出了结合子模块电容电压变化量与当前电容电压值的排序算法,实现了桥臂内的电容电压平衡。基于PSIM平台对比了传统桥式模块化多电平直流变压器（HB-MMDCT）与本文所提出的双降压式模块化多电平直流变压器(DB-MMDCT)在类方波调制方法下的运行特性,验证了本文所提拓扑和控制方法的可行性和有效性。     

40kV两级升压型全直流海上风电场用直流断路器的技术参数与样机设计

采用直流进行能量汇集和传输的全直流海上风电场代表了未来海上风电场的一种发展趋势.直流断路器是构建全直流风电场的核心设备.文中通过对全直流海上风电场的调研和分析,提出一种多端海上直流风电场系统拓扑,并结合海上风电场的主流参数要求对其电压等级和容量等级等参数进行配置;基于该风电场搭建仿真模型,进行稳态和故障仿真分析,提取出...     

海上风电直流单极接地故障下容错运行的组网方案与控制

随着远海大容量海上风电的发展,基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的高压柔性直流输电技术成为实现远海风电输送的重要方案。然而,由于高压直流外送电缆距离长,敷设环境恶劣,外送电缆易遭受各类意外事件。该文针对海底电缆最为常见的单极永久性接地故障,结合海上半桥型MMC—岸上混合型MMC的输电拓扑,分别提出利用海上换流站一主一备变压器和接入低电压等级变压器2种组网方案,进而提出实现容错运行的换流站、风电场容错控制策略。最后仿真验证了在所提组网方案下,该文所提控制策略可实现海底电缆单极接地故障下海上风电经柔直并网系统容错运行,并分析对比了所提方案的技术难度、作用效果、经济性及适用场景。     

一种适用于深远海全直流风电汇集网络的保护方法

随着海上风电向深远海发展,全直流型风电场由于不存在过电压问题等优点逐渐受到重视。针对全直流海上风电场的汇集线路继电保护问题,首先分析了直流汇集网络在不同故障类型及不同故障位置下的故障特征,计算对应故障情况下的故障电流,并与仿真值进行对比验证。根据故障特征提出一种利用汇集侧暂态电流变化率的单端量故障选线方案,利用区内外故障的故障暂态电流变化率极性和幅值差异,可在换流器过流闭锁前快速识别故障类型、故障线路及极性。通过在母线处设置附加选线流程,使线路末端高阻接地故障时也能准确选线。在PSCAD/EMTDC平台中搭建了全直流海上风电场模型,进行多种故障场景下的仿真分析,验证了所提故障选线方法的有效性。     

海上全直流型风电场的研究现状与未来发展

随着海上风电场的快速建设,经济有效的大规模海上风能汇聚和传输方式已被日益关注。为了使未来的海上风电场更好地采用高压直流输电并网,先进的直流变换和直流风机的概念被引入,以形成全直流型风电场。针对海上全直流型风电场4大关键科技问题的国内外研究现状进行梳理,包括:组网方式(有无升压站)与评价方法;关键设备(直流风电机组、海上升压站中直流变压器、岸上换流站和直流断路器)技术;运行与控制;故障与保护。结合以上关键技术的发展趋势,对未来海上全直流型风电场进行展望,并给出一种基于模块化多电平技术的推荐配置。     

基于单向电流型AAMC的海上风电直流送出方案

经济高效的海上风电输电系统是推进海上风电开发的关键因素。据此,提出一种海上换流站采用单向电流型桥臂交替导通多电平换流器(UC-AAMC)的海上风电直流送出方案。首先,对UC-AAMC的拓扑结构和运行原理进行说明。然后,提出了适用于海上换流站UC-AAMC的无源网络控制策略。与常规柔性直流输电方案相比,所提方案能够减少海上换流站的投资成本,提升工程经济性。与基于二极管不控整流单元的直流输电方案相比,所提方案无须改变风电机组控制策略,并且可以实现由陆上电网向海上风电场的功率反送。最后,通过PSCAD/EMTDC中的仿真验证了所提方案的有效性。     

新型混合高压直流输电技术在海上风电场并网中的应用

对由双馈风电机组组成的海上风电场采用混合高压直流输电技术并网时风电场内部的电压和频率控制进行了研究。混合高压直流输电系统由双桥十二脉波不控整流换流器(DBC)、模块化多电平换流器和高压直流输电线路组成。首先,通过深入的理论分析阐明当由双馈风电机组组成的海上风电场采用混合高压直流输电技术并网时,风电场内部的电压可以自动维持在一个合适的范围内并随双馈风电机组输出有功功率的变化而变化。在此基础上,设计了双馈风电机组转子侧换流器的控制器以实现对风电场内部交流系统频率的控制,同时实现了双馈风电机组输出有功功率的最大功率点跟踪。为防止岸上公共连接点发生三相接地短路故障时基于DBC的高压直流输电系统发生过电压,设计了故障时双馈风电机组的控制策略。最后,对建立的采用混合高压直流输电技术并网的海上风电场模型进行了数字仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提出控制策略的有效性。     

模块化海上永磁直流风机设计与仿真研究

针对海上全直流风场的传统风机串联升压拓扑存在的电机绕组额外绝缘问题,以及在风速不均衡和故障情况下复杂的功率分配和电压控制问题,提出一种模块化海上永磁直流风力发电机组(直流风机)拓扑。通过分数槽集中绕组直驱永磁同步发电机和磁集成变压器的结合,能够直接在机端产生高压直流,且故障容错能力强。通过建立发电机本体和电力电子变换器的数学模型,设计该拓扑的发电机绕组电流功率因数校正控制方式和机内低压直流母线稳压控制方式。仿真结果表明机组在启动、变速、故障和停运情况下能够实现工作状态的平稳过渡,以及最大功率点跟踪,这为未来海上全直流风场的研究提供了技术参考。     

适用于海上风电场的新型高压直流变换器与直流故障隔离

传统的海上风电场通常使用占地面积大且价格昂贵的变压器,以及高压交直流变换器具有双向功率流通功能,增加了海上风电升压平台的体积和重量,经济性较差。因此,直流电网技术将成为深远海大型海上风电系统并网有效解决的方案。该文提出一种适用于海上风电系统直流汇集和传输的非隔离型、高升压比直流变换器新型拓扑结构,可以低成本连接高电压差直流电网,设计多工况下单向功率流控制方案。所提直流变换器的主要挑战是平衡每个桥臂上子模块电容电压,为此,提出相关的闭环控制策略。基于Matlab/Simulink软件对所提拓扑进行稳态和短路故障仿真分析,最后,搭建实验平台,验证所提理论分析的合理性。     

DFIG型海上风电混合直流送出的控制策略

为了减少海上风电经采用电压源换流器的直流输电系统送出的系统的造价,提出的基于双馈风机的海上风电经混合直流输电送出的拓扑结构是:风电场侧换流器为电压源换流器,逆变侧换流器为电网换相换流器(LCC)。为保证系统在正常状态下稳定运行并能够对风速变化进行功率追踪,风电场侧换流站采取定交流电压和给定频率的控制,逆变侧采取定直流电压控制。同时,针对电网为弱系统时易发生连续换相失败故障,提出在LCC的控制系统中加入定关断角控制作为故障备用控制,并在定关断角控制启动时在风电场侧整流站加入定直流电压控制来抑制换相失败。在PSCAD仿真软件中模拟海上风电利用混合直流送出电能,仿真结果验证了混合直流输电系统能够跟踪风电场输出的功率变化,在交流侧故障时协调控制策略的转换能够减少换相失败的次数,保证系统恢复正常运行。     

海上风电直流送出与并网技术综述

随着深远海风电开发利用的快速发展,风电直流送出与并网成为技术热点.针对风电交流汇集直流送出、低成本直流送出、多端直流送出和多电压等级直流送出技术,全面论述了海上风电直流送出技术在系统拓扑、装备、控制与保护方面的现状和存在的问题,以及研究热点和发展趋势,指出海上风电场集群共享直流集中送出是近期的主流方案,系统的宽频振荡是亟待解决的问题,使整体系统体现主导电源特征是关注的热点.为降低成本,基于二极管整流送出的技术路线具有良好的预期,但纯二极管整流送出需要风电机组的改进.海上风电多端直流并网系统的成熟依赖于低成本直流断路器和暂态控制保护技术的进步,而海上风电多电压等级直流并网系统尚缺乏直流变压器等关键装备的支撑.     

子模块可控放电集中式直流耗能装置及其控制

柔性直流输电技术具有线路损耗低、可以独立控制有功与无功等技术优势,是离岸远海大规模海上风电实现并网的优选方式。采用柔性直流输电技术并网需要解决岸上交流侧发生故障时的穿越问题,目前常用的解决方案为配置直流耗能装置。在对比现有典型直流耗能装置拓扑的基础上,提出一种基于子模块可控放电拓扑的集中式直流耗能装置;采用分组阶梯投切策略降低直流耗能装置动作期间的直流电压尖峰,基于阶梯关断过程提出子模块电容精准可控放电策略,实现了故障穿越期间子模块电容电压的准确控制,电磁暂态仿真与RTDS实验结果表明所提出的直流耗能装置拓扑及控制策略能够支撑系统平稳实现故障穿越。     

MMC-HVDC直流侧故障特性仿真分析

由于拓扑和调制策略的不同,基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统在直流侧发生故障时呈现出与两电平电压源型直流输电(VSC-HVDC)系统不同的故障特性。在PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型基础上,首先分析了MMC-HVDC直流侧线路单极接地、断线和两极短路的故障特性及其对系统运行的影响;然后针对半桥型子模块结构不能够双向阻断故障电流的问题,对子模块拓扑进行了重新设计,通过改变流经子模块电流方向,实现了桥臂电容双向充电,从而提供了续流二极管阻断电压;最后对直流侧两极短路故障进行了仿真分析,仿真结果表明,改进拓扑有效地抑制了直流侧故障电流,避免了交流断路器动作。     

一种具有直流故障穿越能力的MMC子模块拓扑

模块化多电平换流器(multilevel modular converter,MMC)具有高度模块化、输出波形谐波含量低、开关频率低等优点,因而在高压直流输电领域得到了广泛应用.如何处理直流侧故障是MMC需要面对的主要难题.在分析已有子模块拓扑的基础上,提出了一种具有直流故障穿越能力的子模块拓扑,在不改变原有控制策略与调制策略的情况下能够快速切断故障电流.最后在PSCAD/EMTDC下搭建了仿真模型,对所提子模块拓扑进行了验证,仿真结果证明了所提出的子模块拓扑在切断直流故障电流方面的有效性.     

基于半桥子模块的直流卸荷装置

海上风电柔性直流(柔直)送出系统所接入的陆上交流电网发生故障后,风电场持续输出的盈余功率会造成直流过电压。解决盈余功率最有效的手段是采用卸荷装置对盈余功率进行泄放。文中针对功率器件直接串联的集中式直流卸荷装置投退功率冲击大、器件同时开断难以及分布式直流卸荷装置成本高的问题,提出基于半桥子模块的集中式直流卸荷装置方案,并研究所提拓扑的参数设计方法与控制策略。该方案可以克服大规模功率器件直接串联的技术困难和风险,还可以通过子模块逐步投切降低电阻电压变化率,从而降低功率泄放对直流系统的冲击以及卸荷电阻的制造难度。与分布式直流卸荷装置相比,文中方案仅采用集中式电阻而省去了子模块中的泄放支路,大幅降低设备成本。在PSCAD平台进行海上风电柔直送出系统故障穿越仿真,结果表明所提集中式直流卸荷装置拓扑及控制方案具有良好的性能。