计及柔性限流装置与直流断路器协同动作的电弧抑制暂态特性研究

直流系统的故障隔离是保证直流系统稳定运行的重要技术。针对传统故障隔离策略对直流断路器(direct current circuit breaker, DCCB)的性能要求较高的问题,提出了一种利用柔性限流装置(flexible current limiting device,FCLD)与DCCB协同动作的故障隔离策略。首先,研究了直流系统永久性故障和瞬时性故障情况下FCLD与DCCB的协同作用机理。其次,分析考虑FCLD电流抑制作用下DCCB开断过程的电弧暂态特性。最后,在Matlab/Simulink平台中进行仿真,验证所提协同策略的可行性。结果表明：FCLD可有效抑制DCCB的开断电弧;基于所提故障隔离策略,直流系统可在瞬时故障情况下实现平稳穿越,永久故障情况下实现DCCB的无弧开断。该策略降低了直流系统故障隔离过程中对DCCB的开断要求,提升了直流系统的故障穿越能力。     

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。     

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。     

考虑MMC主动限流控制影响的直流断路器参数优化方法EI北大核心CSCD

直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)成本是制约高压柔性直流系统发展的重要因素之一。为降低直流系统对断路器的要求,文中首先介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)主动限流控制策略,提出状态空间平均模型下的直流短路电流时域解,分析采用主动控制方案改变电容放电状态占空比优化DCCB参数的可行性。提出考虑MMC主动限流控制的混合式DCCB参数的计算方法,分析占空比对DCCB的最大关断电流、机械开关时间、金属氧化物避雷器(metaloxide surge arrester,MOA)吸收能量的影响,设计DCCB的选型优化流程,降低DCCB的成本。最后,通过仿真和实验验证理论分析的合理性。     

大规模风电接入的柔性直流电网故障电流协同抑制方法

基于模块化多电平换流器(MMC)柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、多能互补和友好型并网的有效手段。针对直流断路器大电流开断成本高和技术难度大的问题,提出了一种适用于大规模风电接入的柔性直流电网故障电流协同抑制方法。通过分析直流故障特性,揭示了故障电流的关键影响因素,在此基础上,提出了MMC主动限流控制方法,并针对网侧和风电场侧换流站分别设计了参数选取原则,其中网侧换流站的限流性能可自适应于直流母线电压,在抑制故障电流的同时兼顾直流电网的快速恢复。针对风电场侧换流站,提出了集成限流功能的耗散电阻配置方法,使其同时具备解决直流电网功率盈余问题和降低桥臂换流阀电流应力的能力,并提出了其与主动限流控制以及直流断路器的协调配合方法,在保证风电场安全运行的同时协同抑制故障电流,从而降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求。最后,基于RTLAB OP5600实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,验证了所提方法的有效性和可行性。     

一种具有限流能力的耦合型直流断路器

针对直流断路器(direct current circuit breaker, DCCB)故障清除时间慢、限流能力弱以及容量设计小等问题,提出了一种具有限流能力的耦合型直流断路器(current-limiting coupled DCCB,CL-CDCCB)拓扑结构,首先介绍了CL-CDCCB拓扑结构与工作原理,对分断过程进行理论推导,然后给出主要器件参数的选择;最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建直流系统接地短路仿真实验模型。仿真结果表明,CL-CDCCB可以有效地缩短故障分断时间,降低吸能元件的电气应力,能够达到直流故障开断的要求。     

具备限流能力的混合式高压直流断路器拓扑

直流断路器（DCCB）是解决直流系统短路故障的重要手段,针对现有DCCB存在的限流效果差、避雷器使用寿命短和故障隔离速度慢等一系列缺陷,文中提出一种具备限流能力的混合式高压直流断路器拓扑（CLC-HDCCB）方案。CLC-HDCCB载流支路和转移支路采用双桥式结构,具备双向通断能力;限流部分采用限流电阻和限流电感并联限流方式,显著降低了故障电流峰值及上升率;设计泄能电阻在断路过程中将限流电感旁路,减少了避雷器单次开断吸收的能量;对所提CLC-HDCCB方案分断故障电流、正常合闸和分断小电流等直流系统出现的各种工况进行了详细分析,并给出参数选定的方法。最后在PSCAD/EMTDC平台进行仿真验证,结果表明所提CLC-HDCCB方案与现有DCCB方案相比在故障限流、避雷器吸能和故障清除时间等方面具有一定的优势。     

适用于MMC直流电网的源网配合式电容型直流断路器

为充分发挥模块化多电平换流器(modularmultilevel converters,MMC)的控制能力,解决直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)开断电流和开断速度要求高、造价昂贵等问题,文中提出一种适用于MMC直流电网的源网配合式电容型DCCB。预充电电容是该DCCB最主要的部分,安装于每条直流出线上。所提DCCB利用MMC主动调压控制策略,在故障期间自适应调节子模块投入数量,使换流器直流出口电压与预充电电容电压相等,从而为快速机械开关提供低电压、零电流分断条件。文中详细介绍所提DCCB的拓扑结构、MMC主动调压控制原理、所提DCCB工作原理及其控制时序,并给出所提DCCB元件参数的设计方法。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建四端MMC柔性直流电网模型,通过仿真及对比验证该方案的有效性。     

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。     

适用于半桥型MMC附加限流控制的直流线路纵联保护方案

半桥型模块化多电平换流器的附加限流控制能有效降低对线路保护速动性的要求、增强实体限流装置的限流效果,降低了故障暂态电流的上升梯度及其幅值,因此,基于故障暂态电流信息的直流线路保护会受到限流控制器影响。提出了计及附加限流控制器影响的直流线路自适应纵联保护方案：利用极线电压及其零模电压变化率构成或逻辑来启动限流控制器;推导了限流控制器作用下的直流侧故障电流解析关系,并根据限流控制器对故障电流抑制程度和换流阀两侧的故障电流信息,建立了一种基于换流阀两侧差流的纵联保护方案。该方案仅用到各站端的本地量,通过与其对端换流站交换判别结果,其不受线路分布电容影响、无需多端数据同步,具有自适应性。大量仿真实验验证了利用限流控策略的有效性和保护方案的可靠性。     

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。     

适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC

柔性直流电网对价格高昂的高压大容量直流断路器(DC circuit breaker, DCCB)的需求限制了其发展与应用.论文提出了适用于直流电网的故障电流主动转移型低成本直流故障隔离方案,对半桥型模块化多电平换流器进行局部改造,使其在具备主动转移故障电流辅助分断故障线路的同时,降低了换流器桥臂子模块内器件的过流程度与...     

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。     

基于耦合电感的直流故障限流器

柔性直流电网存在故障电流上升速度快、幅值高,感性元件储存能量大等问题,这造成故障电流难以分断,并且使得直流断路器的耗能支路承受巨大压力。为了限制故障电流峰值并且降低直流断路器耗能压力,提出一种基于耦合电感的直流故障限流器。当发生短路故障时,该故障限流器利用电感耦合特性等效投入电阻与电容组成的限流支路,以实现无延时的故障限流;当直流断路器分断故障电流时,该故障限流器利用耗能电阻耗散耦合电感储存的能量,从而分担直流断路器耗能压力,以达到降低避雷器容量需求、加快故障电流分断速度的目的。大量电磁暂态仿真结果表明,所提故障限流器具有良好的限流效果,能极大降低直流断路器的耗能压力。且该故障限流器制造成本低,易于实现。     

直流电网中超导限流器与高压直流断路器的协调配合方法

为缓和直流电网中直流断路器(DCCB)的最大切除时间和切断故障电流大小之间的矛盾,研究超导限流器(SFCL)抑制直流故障电流的方法,提出一种SFCL与DCCB的协调配合方案。分析了不同阻值SFCL的限流特性,并针对超导体并联电阻值、限流电抗值等影响因素进行了比较,在此基础上提出了SFCL与DCCB的时序配合条件。在PSCAD/EMTDC中搭建了含SFCL的5端直流电网测试模型,仿真结果验证了SFCL的故障限流特性,通过合理选择SFCL参数与限流电抗器值可以有效抑制故障电流值,减少DCCB中耗能支路耗散的能量,加速故障隔离过程。     

含多类型故障限流设备动作的直流电网保护时序配合

柔性直流电网作为新能源并网的有效手段,要求能够可靠开断直流故障电流。直流电网中配置的多种类型故障限流设备间的故障保护时序配合亟须研究。文中基于直流电网直流线路双极短路故障,研究了故障限流器、直流断路器、半桥全桥混合型模块化多电平换流器以及DC/DC变换器这几类多类型故障限流设备的故障保护时序配合。针对包含环网状以及辐射状结构的复合型多端直流电网系统中的不同区域,配置不同类型的故障限流设备,同时采用检测故障电流变化率的方法判断直流断路器是否可靠动作。根据不同的故障区域,提出了相应的故障限流设备间的保护时序配合方案,并且考虑了部分限流设备如直流断路器拒动后其他限流设备的动作逻辑。在PSCAD/EMTDC仿真中验证了提出的直流电网中多类型限流设备保护时序的可靠性和有效性。     

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.在PSCAD/EMTDC中搭建了六端直流电网模型,以直流电抗器电感值、限流电容两端电压和直流断路器分断电流作为多目标函数,对直流电抗器和电容型限流器进行参数优化,并给出针对不同电气应用场景的直流电抗器和电容型限流器优化配置方案.     

适用于MMC型直流变压器的直流故障主动限流控制方法

为满足模块化多电平换流器(MMC)型直流变压器对直流故障电流快速限制的要求,有必要对其主动限流控制方法进行研究。文中通过对双极短路故障机理的详细分析和故障电流的建模,得到了考虑上升阶段交流馈入量后的桥臂电流,以及短路电流峰值和峰值时间的表达式,然后给出了可以通过降低在故障发生后每相子模块投入数量来限制故障电流的结论。基于此结论,设计了一种新型主动限流控制方法。该方法通过产生附加直流偏置和交流增益,进而调整桥臂电压的直流分量和交流分量,再经调制环节达到限流目的。最后通过仿真验证了所提出方法的有效性和优越性。