基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器的开断能力,降低半导体器件的使用成本,提出了一种基于串联晶闸管强迫过零关断技术的具备双向开断能力的混合式直流断路器拓扑方案。在分析关断过程的基础上,推导了串联晶闸管阀与二极管阀组件反向恢复过程中均压回路的参数设计方法,然后以10 k V样机为例,开展了主支路和转移支路器件选型与参数设计,并搭建了10 k V直流断路器原理样机及其实验回路。研究结果表明：正常运行时,主支路由机械开关和少量的全控型半导体器件串联构成,其损耗较小;在开断电流时,故障电流首先转移至晶闸管阀支路,再通过放电回路注入反向电流迫使晶闸管阀过零关断,最后通过耗能支路吸收系统感性能量。原理样机实现了直流电压10 k V下短路电流峰值为8.8 k A的过零快速关断、且开断时间小于3 ms;转移支路可通过调整半导体器件的串联数量和选型大幅提升直流断路器的电压等级和故障电流耐受能力;串联二极管阀能在大电流关断暂态过程中抑制晶闸管器件的反向恢复过电压,降低晶闸管器件的损坏风险;在混合式直流断路器的换流和关断阶段,无需针对串联的晶闸管器件调整触发时间与匹配参数。综上所述,所提出的混合式直流断路器具有快速直流短路故障清除能力,可以作为未来柔性高压直流输电系统组网的工程实施方案之一。     

直流输电系统逆阻型IGCT换流阀研究

换相失败是基于晶闸管换流阀的高压直流（HVDC）输电系统常见故障,严重威胁电网安全运行。为有效解决换相失败难题,此处从电力电子器件的基本特性出发,提出了基于逆阻型集成门极换流晶闸管（IGCT）换流阀的换相失败抑制方法和直流输电系统拓扑方案。搭建了系统仿真模型,对比研究了在直流系统逆变侧出现换相失败故障后,采用晶闸管换流阀和逆阻型IGCT换流阀对直流系统的影响情况。仿真结果表明,逆阻型IGCT换流阀对换相失败故障的抑制效果良好。根据目前IGCT器件的研制水平,设计了逆阻型IGCT换流阀,并提出了控制逻辑。基于研究成果,进行了逆阻型IGCT换流阀样机研制。为验证样机性能,搭建了合成试验回路系统,开展了逆阻型IGCT换流阀的通流试验和电流关断试验,试验结果证明IGCT换流阀的设计和研制满足要求。研究结果可为以后直流输电工程的系统研究和换流站关键设备设计提供参考。     

基于直接测量的换相失败检测及预测方法研究

换相失败是高压直流输电系统逆变侧换流阀较易发生的典型故障,连续换相失败会对电网造成严重危害,传统基于交流或直流运行参数的间接判断法存在响应时间慢、误判率高等缺陷。此处首先分析了换相失败机理,换相失败后晶闸管阀将继续导通,不会承受正向电压,而实际关断角小于最小关断角是导致换相失败的根本原因之一。利用换相失败后晶闸管阀电压波形特征,提出了通过设置采样窗口,直接测量晶闸管阀电压来检测换相失败故障的方法,同时测量晶闸管阀的实际关断角,用于评估换相失败风险。搭建了基于RT-LAB的闭环测试平台,验证了此处所提换相失败检测方法和关断角测量功能,为解决高压直流输电换相失败故障奠定了坚实的技术基础。     

可控电流源型换流器换流应力分析EI北大核心CSCD

可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)是解决直流输电换相失败问题的有效方法之一。对其开展电气应力分析是换流器电气、绝缘和试验设计的理论基础,其相关研究仍属空白。该文在分析CSC运行原理和调制方法的基础上,首先研究在主动换相与强迫换相过程中,换流阀及关键部件的应力特性;其次,给出逆阻集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate commutated thyristor,RB-IGCT)周期关断的建模方法,提取4500V/3000A器件的建模参数。最后,建立“器件–换流阀–系统”详细仿真模型,对250kV/750MW的直流系统进行仿真分析,提取主动和强迫换流过程中的整机和关键部件的应力特性。结果表明,所提理论分析方法和参数计算能够为CSC的电气设计和等效试验提供技术支撑。     

采用LCC技术的特高压直流输电

电网换相换流器(LCC)的主要换流器件为晶闸管,由交流系统提供换相电压。基于LCC的高压直流(LCC-HVDC)输电技术,通过控制直流电压的大小与方向实现功率灵活传输,广泛应用于高电压、长距离、大容量输电场合及交流电网的异步互联,是目前最为成熟的高压直流输电方式。     

主动抵御换相失败的增强型电网换相换流器控制策略

为了进一步提高增强型电网换相换流器对换相失败的防御能力,结合换相回路的阻抗分流特性和晶闸管的关断特性,提出了一种应用于基于增强型电网换相换流器的高压直流(ELCC-HVDC)系统的新型协调控制策略.该策略分为辅助换相控制和主动可靠关断控制,前者加速了换相过程,提高了系统换相裕度;后者可靠关断退出导通的阀臂,保障了阀内晶闸管恢复阻断能力的物理条件.此外,分析了子模块全控器件在所提策略下的电气应力并为其设计了最佳初始电容电压.PSCAD/EMTDC仿真结果表明,子模块全控器件的电气应力与理论分析相符,新型协调控制策略提高了ELCC-HVDC系统的换相失败防御能力.     

混合双馈入直流输电控制系统交互影响机理分析

针对由彼此落点接近的一条基于模块化多电平换流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)线路和一条电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)线路所构成的混合双馈入直流输电系统,基于多变量反馈控制理论建立可定量分析和评估MMC-HVDC与LCC-HVDC控制系统之间交互影响的等效独立控制通道。在此基础之上,定量分析评估LCC定关断角控制器、锁相环以及MMC锁相环、外环控制器、环流抑制器对MMC-HVDC与LCC-HVDC控制系统交互作用及小干扰稳定性的影响。最后,在PSCAD/EMTDC上搭建混合双馈入直流输电系统的电磁暂态详细仿真模型,仿真验证理论分析结果的有效性。     

混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。     

考虑电压无功耦合特性的多馈入系统换相失败预防控制方法

基于晶闸管的高压直流输电(LCC-HVDC)以其在大容量远距离输电的优势得到了广泛应用,直流密集接入交流电网形成了复杂的多馈入直流输电系统.在多馈入直流输电系统中,不同LCC-HVDC间的无功电压耦合关系密切,单回LCC-HVDC换相失败后控制器响应会对相邻LCC-HVDC产生交互影响,可能造成继发性的换相失败.目前,...     

半控和全控器件串联的耦合关断模型及协调配合策略EI北大核心CSCD

换流器拓扑改造是从器件角度彻底解决换相失败(commutation failure,CF)问题的尝试。然而,目前相关研究忽略器件开关特性,导致关断模型不清晰,无法准确判断晶闸管阻断能力恢复过程并分析作用机理。文章基于器件层面的考虑分析CF的原因,研究一种半控和全控器件串联的结构。首先,分析其耦合关断过程的电流流通路径,进而建立耦合关断特性模型并详细分析其作用机制。然后,基于该机制,提出一种考虑器件阻断特性的半控和全控器件串联协调配合策略。最后,仿真验证半控和全控器件串联结构能够改善晶闸管的关断特性,提高双馈入高压直流输电系统抵御CF的能力。     

半控型H桥子模块提高HVDC换相失败免疫力的机理

为提高传统直流输电(line-commutated-converter high voltage direct current,LCC-HVDC)换相能力,提出一种适用于串入LCC-HVDC阀臂的半控型H桥子模块拓扑结构。它由晶闸管和电容器构成,从提高LCC-HVDC系统阀臂电压可控性的角度增大换相电压裕度。设计了子模块的工作原理及其基本控制策略,分析了子模块晶闸管电压电流应力及电容器相关参数,仿真计算了换相失败免疫因子与子模块个数关系。PSCAD仿真表明,阀臂串入半控型H桥子模块的LCC-HVDC,系统对称及不对称故障下其换相失败发生概率明显降低。研究结果验证了子模块拓扑的有效性及可行性,为解决换相失败问题提供了一定的思路。     

并联混合直流输电系统中传统直流和柔性直流暂态无功协调控制策略研究

针对电网换相换流器的高压直流输电系统(line commutated converter high voltage direct current,LCCHVDC)易于发生换相失败的缺点及柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSCHVDC)具有的有功无功快速独立控制的优点,为了充分发挥VSC-HVDC提高LCC-HVDC抵御换相失败能力的作用,提出了适用于并联混合直流输电系统的基于逆变器关断角γ的暂态无功协调控制策略。将故障时根据γ角得出的无功功率补偿值附加至柔性直流换流器外环无功控制环节,调节柔性直流换流器发出的无功功率,在故障时降低LCC-HVDC的直流电流增加量或调节换流母线电压,达到提高LCC-HVDC换相失败抵御能力的目的。在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建了并联混合双馈入直流输电系统模型,从换相失败免疫性指标(commutation failure immunity index,CFII)的角度研究了不同强度交流系统下基于γ角的暂态无功协调控制策略对LCC-HVDC抵御换相失败能力的影响。结果表明,基于γ角的暂态无功协调控制策略可以显著提高LCC-HVDC抵御换相失败的能力。     

混合双馈入直流输电系统的交互作用机理研究(二):小干扰稳定裕度分析

针对由电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)系统和电压源换流器型高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统构成的混合双馈入直流输电系统,基于推导建立的等值单馈入直流输电模型,采用增益裕度(gain margin,GM)指标、相位裕度(phase margin,PM)指标和灵敏度函数最大峰值指标Ms,定量评估交流系统强度、LCC-HVDC子系统的定关断角和锁相环,以及VSC-HVDC子系统的外环功率控制器、内环电流控制器和锁相环对混合双馈入直流输电系统稳定裕度的影响规律;最后,通过PSCAD/EMTDC下的详细电磁暂态详细仿真,验证所建立单馈入直流输电模型的有效性及理论分析结果的正确性。     

适用于直流开断的IGCT串联均压技术

电力电子器件的串并联是目前解决和实现高压、大功率直流断路器、电力电子变换器的主要组合方式。为此,围绕适用于高压直流开断的电力电子器件串并联技术,开展了面向瞬态开断的多器件静态及动态均压技术研究。首先,分析了集成门极换流晶闸管（integrated gate-commutated thyristor,IGCT）串联不均压原因及IGCT串联均压技术,以给出适用于直流开断的IGCT串联均压方案;其次,分析了缓冲电容、缓冲电阻和关断触发时间的差异对均压特性的影响;最后,搭建4个IGCT串联的电力电子阀组并进行实验验证。研究结果表明：（1）适用于直流开断的IGCT串联静态均压可通过并联静态均压电阻实现,负载侧动态均压可通过并联缓冲阻容电路的无源缓冲方法实现;（2）缓冲电容越大、缓冲电阻越小,过电压就越小;触发信号时间差越大,不均压程度就越大;（3）10.5 k V/1.5 k A阀组开断实验不均压系数为5.71%,均压效果良好;（4）基于模块化电力电子串联阀组,进行了混合式直流断路器整体联调实验,3.0 ms时间后关断短路电流为3.6 k A,关断产生过电压为21 k V。通过实验验证了适用于高压直流开断的IGCT串联阀组均压方案的可行性,可以为实现瞬态开断的模块化电力电子串联阀组工程应用提供技术基础。     

新型可控电网换相换流器拓扑及其控制方法

为保持传统电网换相换流器(line commutated converter,LCC)低损耗、高可靠性和经济性等优点的同时,又避免换相失败故障风险,提出一种新型具有可控关断能力的电网换相换流器(controllable line commutated converter,CLCC)拓扑结构。该拓扑基于全控和半控器件混联的设计思路,首先通过全控型器件转移电流,等待晶闸管关断能力恢复后,再利用全控器件关断电流以快速完成桥臂间换相。可控电网换相换流器主要包括常规换流和可控换流2种运行模式,研究不同运行模式下换流器的工作原理及换流器内部控制策略。通过搭建特高压直流输电系统仿真模型,分析可控电网换相换流器的暂、稳态和典型故障态运行特性。仿真结果表明,在发生交流故障时,可控电网换相换流器可以主动关断桥臂电流实现强迫换相,同时提供一定的无功支撑,解决多馈入直流系统换相失败问题,有利于提高电网安全稳定运行水平,提升多直流馈入受端电网电力接纳能力。     

LCL型高压直流输电系统中换流变压器损耗的仿真研究

针对基于电网换相换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)系统中存在的换流变压器噪声大、逆变侧换相失败等问题,提出了采用LCL型换流器的高压直流输电系统.在PSCAD中建立荆门—上海±500 kV直流输电的LCC-HVDC和LCL-HVDC系统的仿真模型,在该模型中测量了换流变压器阀侧绕组的谐波电流,研究了换流变压器的负...     

抑制直流输电换相失败方法研究

通过剖析换相失败机理，分析发生换相失败的主要原因是基于电网换相换流器的高压直流输电采用的换流元件晶闸管为半控型器件。当关断角小于其固有极限关断角时便会发生换相失败，换相失败会引起换流变压器直流偏磁、换流阀过热、送端电网过压和发电机组脱机等问题，严重情况下可能进一步导致直流闭锁，存在引发大面积停电的风险。整理并总结已有的抑制换相失败的措施，并对这些措施进行分类阐述，一是通过修改控制器定值，二是通过增加额外的组件或设备抑制换相失败，三是进行换流器拓扑局部改造，最后指出了亟待研究的问题，为当前及今后的研究提出可行的技术思路。     

混合双极高压直流输电系统的特性研究

为了充分发挥电网换相换流器高压直流输电系统(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)和电压源换流器高压直流输电系统(voltagesource converter based HVDC,VSC-HVDC)的优势,针对一种新型的混合双极高压直流输电系统(hybrid bipolar basedhigh voltage direct current,HB-HVDC)进行了研究,该系统的正极是传统的12脉动LCC-HVDC系统,而负极是VSC-HVDC系统。建立了由LCC正极和VSC负极组成的混合双极高压直流输电系统的模型,推导了其在稳态时的数学模型,并设计了正负极之间的协调控制策略。在PSCAD/EMTDC环境下对HB-HVDC系统的稳态和暂态运行特性进行了研究分析。最后对HB-HVDC系统和闭锁负极VSC-HVDC后LCC-HVDC系统的运行特性进行了对比研究。结果表明:HB-HVDC系统可以更好地调节交流母线电压,减少LCC极换相失败的可能性,并且具有快速的故障恢复能力;同时也证明所设计的协调控制策略可以有效地改善HB-HVDC系统的稳态和动态特性。     

抑制高压直流换相失败的串联电压换相变流器及控制方法

为有效降低电网换相高压直流(line-commutated converterhighvoltagedirectcurrent,LCC-HVDC)输电系统换相失败的概率,提出串联电压换相变流器(seriesvoltage commutated converter,SVCC)方案。该方案以直接增加换流阀换相电压面积为目标,将级联的全桥子模块变流链接入换流变压器与LCC换流阀交流端口之间,通过灵活控制串联电压对阀组辅助换相。基于全桥子模块的8种工作状态,设计变流链串联电压辅助换相策略及电容电压控制方法;以SVCC临界换相电压为依据,提出子模块电容容值及额定电压的优选方法。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,SVCC拓扑能灵活切换子模块变流链的工作状态,所提出电容电压控制效果良好,与仿真结果吻合度高。相比其他方案,SVCC对交流系统电压暂降的电压补偿响应速度快,可显著提高LCC-HVDC防御换相失败的能力。此外,当交流系统故障超出SVCC抑制换相失败范围,SVCC所采取的紧急应对措施降低了变流链内开关器件的电流应力要求,提高了其工程实用性。     

电压跌落影响换流阀晶闸管可靠关断的机理研究

交流系统故障引起的换相电压跌落,是导致基于晶闸管的电网换相换流器发生换相失败的重要原因。为了研究电压跌落对换流阀晶闸管可靠关断的影响,首先分析换相失败的产生机理,然后基于晶闸管器件的电流分段特性和电荷连续性建立晶闸管关断模型,结合电荷连续性方程,推导晶闸管关断过程的载流子复合表达式,通过分析晶闸管电流和载流子复合变化过程,揭示电压跌落影响换流阀晶闸管可靠关断的作用机理。SABER仿真实验结果表明,电压跌落会延长晶闸管的关断过程,不利于换流阀可靠换相。其中,随着电压跌落幅度增大,晶闸管载流子主恢复过程逐渐延长,反向恢复电荷逐渐减少,但正向阻断恢复时间会逐渐缩短,原因是剩余载流子的减少。同时,在系统条件一定的情况下,得到了反压幅值与晶闸管各关断参数的定量关系,为抵御换相失败方案的设计提供了更可靠的理论依据。