三种MMC-HVDC直流故障处理方法下电力系统暂态稳定性分析

首先介绍在远距离大容量输电场合,3种基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)拓扑及其处理直流故障的方法:基于半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)的HMMC-HVDC跳换流站交流侧断路器,基于箝位双子模块(clamp double sub-module,CDSM)的CMMCHVDC通过换流器控制实现直流侧故障自清除,以及基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和MMC的混合拓扑在MMC直流出口处加装大功率二极管(LCC-D-MMC-HVDC)。然后,在由MMC-HVDC和交流线路构成的交直流并列简化系统中,基于等面积法则,对上述3种直流故障处理方法的暂态过程进行理论分析,并提出评价指标。最后通过仿真验证了分析结果。     

考虑锁相环动态的MMC-HVDC机电暂态模型

锁相环对柔性直流系统具有重要影响。针对目前机电暂态建模普遍忽略PLL动态特性的情况,文中基于PSD-BPA程序提出考虑锁相环动态的MMC-HVDC机电暂态仿真模型。分析PLL对柔性直流系统相关电气量和控制量的影响,重点建立3类典型结构锁相环的机电暂态模型,提出对相关变量的修正方法和交直流接口计算方法,阐述考虑PLL动态的模型计算流程。仿真结果表明,交流系统扰动下,锁相环不能理想跟踪交流电压相位,dq坐标轴位置变化,对交流电压、交流支路电流以及换流器功率尤其是无功功率产生显著影响。所提出的模型能够精细模拟这一动态过程,仿真曲线与电磁暂态详细模型高度吻合,有效提升了MMC-HVDC系统机电暂态仿真精度。     

MMC-HVDC典型扰动暂态响应特性分析

为揭示具有新型拓扑结构的基于模块化多电平换流器直流输电系统MMC-HVDC(modular multilevel converter high voltage direct current)的电磁暂态特性,对该系统进行典型扰动暂态响应的特性分析根据MMC拓扑结构,推导了交流电网不平衡时的MMC交流侧电磁暂态模型,并基于...     

双极MMC-HVDC系统直流故障特性研究

直流故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)的主要故障类型,目前国内外对于MMC-HVDC直流侧故障的研究主要集中于伪双极系统,而对于真双极系统直流侧故障的研究还处于起步阶段。首先,介绍真双极MMC的拓扑结构和工作原理,并根据实际交直流系统电气参数、桥臂子模块电容及电抗的放电机制,建立真、伪双极两种拓扑MMC-HVDC系统直流故障状态下的对应等效电路。然后,对比分析两种拓扑不同阶段故障电流在MMC桥臂上的流通路径,重点研究了故障短路电流对换流站桥臂阀组影响程度的差异,并指出三种电气参数与故障短路电流变化之间的内在关系。最后,基于RT-LAB仿真平台,搭建51电平双极MMCHVDC双端直流输电模型,仿真结果证明了直流故障特性研究方法的正确性。     

MMC-HVDC通用启动控制策略研究

在基于模块化多电平换流器高压直流输电系统(MMC-HVDC)正常运行之前需对换流器桥臂子模块电容充电,为了减少预充电阶段产生的电压电流冲击,需对系统的预充电启动策略进行设计。以电容电压实时排序算法为基础,分析了换流器不可控充电阶段特性。在可控阶段,根据子模块闭锁和旁路的运行状态提出了子模块的开环预充电方案,该方案适用于不同类型子模块且无需PI参数整定。最后,在Matlab/Simulink中搭建换流站预充电模型对所提策略进行验证。     

一种新型的高压直流输电技术——MMC-HVDC

介绍了模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)的基本结构、工作原理和技术特点,比较了MMC-HVDC相对于电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)的优势;对MMC-HVDC目前在国内外的研究进展和工程应用情况进行了回顾,分析了MMC-HVDC技术的不足之处和未来发展中可能的重点方向,包括主电路拓扑的相关问题研究、系统设计、故障保护、接地、谐波和损耗等,指出目前研究所采用的MMC-HVDC分析模型精度较低;因自身拓扑限制,目前成熟的VSC-HVDC控制方法无法直接用于MMC-HVDC;MMC-HVDC拥有较强的故障保护能力,当前研究着重于故障仿真分析,亟待探讨适合工程应用的保护策略;由于直流侧无需安装高压电容器组,MMC-HVDC接地实现困难;由于MMC-HVDC子模块数较多,采用较低的开关频率可得到较好的输出电压波形,使得系统损耗大幅降低;最后探讨了适合我国国情的MMC-HVDC工程实践。     

MMC-HVDC输电线路双端非同步故障测距方法

提出了一种基于模块化多电平变换器的高压直流(MMC-HVDC)输电线路双端非同步故障测距方法。首先,通过分析MMC-HVDC系统直流侧线路故障时的电流环路,将跳闸后的双端MMC的两侧环路分别等效为RLC串联电路,并先后控制双端MMC桥臂子模块的投入,为两侧RLC串联电路提供一个初始电压;然后根据RLC电路的零输入响应特性,分别提取双端MMC子模块电容电流的最大值以及该时刻的电压;最后利用双端非同步测量的数据计算故障距离。该方法不依赖于电容的初始电压,并且不受过渡电阻影响,可重复测量,提高了测距的可靠性。在PSCAD/EMTDC中搭建了21电平的MMC-HVDC模型,并对所提故障测距方法进行仿真,验证了其有效性。     

基于无差拍电流控制的MMC-HVDC系统控制策略研究

随着电平数的增加,基于dq0旋转坐标系MMC-HVDC的控制器运算量会非常大。为了提高运算速度,根据MMC换流器的等效电路设计了基于三相静止坐标系下的MMC-HVDC系统控制器。该控制器将无差拍电流控制与最近电平调制算法相结合,并对电流参考值的采样选取方法进行了改进,提高了控制器精度。该控制器不仅动态响应快,精度高,实现了解耦控制,而且减少了坐标转换与PI调节环节,降低了控制系统的运算量。通过在PSCAD/EMTDC下建立MMC-HVDC的仿真模型,仿真结果验证了控制器的有效性。     

含风电的混合直流输电并网系统暂态特性分析

为了提高直流输电并网系统的暂态稳定运行特性,文中基于送端采用双馈风电机组(DFIG),建立LCC-二极管-MMC混合直流输电并网系统,研究该系统的并网暂态运行特性,其整流侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC),逆变侧采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)。为解决MMC无法清除直流故障的问题,在逆变侧的直流出口处加装大功率二极管以阻断故障电流通路。在MATLAB/Simulink平台搭建LCC-二极管-MMC风电并网仿真模型,通过设置直流及并网点接地故障,仿真分析LCC及MMC的各种优越性。研究结果表明:该系统不存在逆变侧换相失败的问题且发生直流故障时系统中大功率二极管能够阻断故障电流通路,在故障期间逆变侧直流电压也无突增现象且有功功率波动极小,从而增强了系统的暂态稳定特性。     

MMC-HVDC系统主设备参数的非线性规划设计方法

模块化多电平换流器(MMC)已成为柔性直流输电系统的主流拓扑结构,其主设备参数的设计对系统的投资和运行性能具有决定性作用。基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMCHVDC)系统关键主设备参数包括联接变压器二次侧额定电压、变压器漏抗、桥臂电抗、子模块电容等,单个主设备参数的独立设计忽略了不同设备多个参数之间的耦合特性。文中构建了不同设备多个参数设计的约束方程组和目标函数,并提出了基于非线性规划法对MMC-HVDC系统主设备参数设计的整体算法,该整体算法综合考虑多个参数和不同设备设计原则之间的耦合特性,从而达到可靠的优化设计结果。最后针对某MMC-HVDC系统工程进行了参数优化设计,基于PSCAD/EMTDC的计算和仿真结果基本吻合,验证了所提算法的有效性。     

MMC-HVDC输电系统直流故障隔离综述

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)是一种新型的灵活输电方式。同交流输电技术相比,MMC-HVDC输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点。在当前各类MMC拓扑中,半桥型MMC具有所用器件少、运行效率高、经济性好等特点,但缺乏直流故障清除能力。本文简单介绍了半桥型MMC发生故障的原因,对目前MMC-HVDC输电系统直流故障隔离技术的国内外研究现状进行综述,并结合当前研究现状,展望了MMC-HVDC输电系统直流故障保护的新的研究方向。     

基于自定义差分电流的MMC-HVDC输电线路纵联保护

为可靠检测模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电线路故障并实现故障选极,提出一种纵联保护新原理。基于MMC-HVDC系统自身特点,综合使用两端换流站不同极线路电压量和电流量构造保护特征量——自定义差分电流。分析研究表明,直流侧故障时的自定义差分电流绝对值明显大于系统正常运行和交流侧故障时的自定义差分电流绝对值;直流侧正极接地故障、负极接地故障和双极短路故障时自定义差分电流正负性不同。根据此特征,构造纵联保护判据来识别直流侧故障并完成故障选极。仿真结果表明,该原理在一定故障条件下可快速可靠地识别直流线路故障并实现故障选极。     

基于分段解析公式的MMC-HVDC阀损耗计算方法

针对基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统(MMC-HVDC),提出了一种采用分段解析公式计算换流站阀损耗的方法。首先,通过移除最近电平逼近中的取整函数,将桥臂电压转化成理想的光滑波形,根据桥臂电流过零点时刻,对换流阀通态损耗进行分段解析计算。其次,将开关损耗分为必要开关损耗和附加开关损耗。对于前者,通过引入变化率函数进行分段解析计算;对于后者,给出了估算其大小的方法。随后,给出了使用分段解析公式计算MMC-HVDC阀损耗的详细流程。最后,基于时域仿真软件PSCAD/EMTDC下搭建的300 MW/±150kV数字仿真模型,验证了所提方法的有效性。     

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。     

应用于MMC-HVDC控制器的改进软件锁相环

分析了在三相电压不对称情况下传统软件锁相环相位输出产生误差的原因,提出一个改进的单同步坐标变换软件锁相环方法,即通过筇坐标变换,并延迟T／4周期计算来实现正、负序分量的分离,跟踪三相电压的正序分量以减小误差。基于RTDS搭建了MMC—HVDC一次系统模型,将改进软件锁相环应用于基于FPGA的MMC—HVDC控制器上,采用相关的控制和平衡策略,能有效地调节母线电压和有功功率,说明了改进软件锁相环相位输出的准确性。     

伪双极MMC-HVDC系统联接变阀侧中性点电阻参数设计

针对模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter based HVDC)直流单极接地故障暂态特性研究,提出了联接变阀侧中性点经电阻接地的伪双极MMC-HVDC系统发生直流单极接地故障时换流器电容放电的简化模型。将与故障极相连的三相桥臂电容放电回路等效为3个独立的RLC二阶零输入放电回路,从而简化了换流器电容放电与中性点故障电流的分析过程。基于简化模型分析得到的桥臂故障时刻导通子模块电容电压与中性点故障电流计算公式,研究了联接变阀侧中性点电阻参数设计与电容电压放电水平及控制保护系统闭锁换流器延时时间的配合关系,提出了中性点电阻的参数设计原则。最后,针对鲁西背靠背异步联网工程,在搭建的控制保护系统与RT-Lab形成的硬件闭环系统功能性试验平台上,验证了所提联接变阀侧中性点电阻参数设计原则的有效性。     

基于电压源换流器型直流输电拓扑结构和调制策略

作为新一代直流输电技术,基于电压源换流器型直流输电由于采用全控电力电子器件,能够灵活实现有功功率和无功功率的独立控制,动态补偿交流母线无功功率进而实现交流电压控制,因此在新能源并网和交流电网互联等方面越来越显示出其独特的优势。而换流器作为直流输电系统中的核心部件,其不同的拓扑结构和调制方式会对换流器的输出性能带有一定的影响。以ABB公司和Siemens公司所提出的拓扑结构为例,对比分析了电压源换流器型直流输电两电平和模块化多电平的拓扑结构以及优缺点,并通过仿真分析了载波移相和最近电平逼近调制策略对输出电压电流波形的影响以及ABB公司CTL拓扑结构在环流抑制上的优越特性。     

并网变换器的暂态同步稳定性研究综述

随着可再生能源渗透率的提高,并网变换器对系统动态及稳定性的影响逐渐突显出来,如目前广泛讨论的低惯性和宽频振荡问题等。该文探讨与并网变换器同步环节非线性动态紧密相关的暂态同步稳定问题。首先分析并网变换器与同步机在同步机制方面的相似性,揭示了变换器的暂态同步稳定性与同步机的功角稳定性在研究方法上的内在联系;其次针对当前变换器的暂态同步稳定性研究,从失稳机理、研究方法、镇定方法 3个方面展开全面的综述;接着总结了暂态同步稳定性研究所面临的难点,探讨了暂态同步的致稳方法,展望了未来的研究方向。该文全面地梳理和总结了并网变换器暂态同步稳定性问题的研究成果和一般性方法,为解决工程问题和未来更深入的研究提供了借鉴和思考。