一种新型限流式统一潮流控制器的设计与研究

限流式统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)是一种能有效应对系统短路故障的新型柔性交流输电装置。为提高短路故障切除速度、降低装置成本,将基于集成门极换向晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)的桥式限流器与UPFC结合起来,构建了一种新型限流式UPFC拓扑,分析了其短路限流工作原理,建立了短路数学模型。以系统限流指标、UPFC的功率模块安全限度、限流器模块IGCT电压电流限值和直流电容电压限值为依据,给出了限流电感和直流电容的参数设计方法。对新型限流式UPFC与已有装置的工作性能和主要元件参数选择进行了比较。PSCAD/EMTDC对比仿真表明,新型限流式UPFC减少了短路切除时间,减小了元件参数,降低了短路电流对电网的冲击。     

MMC-UPFC在南京西环网的应用及其谐波特性分析

基于模块化多电平换流器(MMC)的统一潮流控制器(UPFC)是当前最新型的柔性交流输电技术,与柔性直流输电中MMC交流电压在额定值附近不同,理论上UPFC串联侧MMC输出电压可在零到额定值之间任意可调,在调制比较小时,换流器输出电压中将含有较大的谐波成分。结合南京西环网UPFC实际工程,为研究基于MMC的UPFC对电网谐波的影响,从UPFC工作原理出发分析MMC谐波理论计算方法及分布特性,给出了UPFC接入系统后电网谐波的计算公式,用于评估系统各种运行方式下UPFC在不同子模块数量及电压调制比下的谐波特性及其对电网电压谐波的影响,为工程设计和系统运行维护提供依据。最后,理论计算和仿真结果验证了所提出的谐波分析计算方法的有效性。     

限流式UPFC中UPFC模块与限流器模块的交互影响分析

统一潮流控制器（UPFC）在电力系统发生故障时,其串联变换器易承受系统高电压与大电流的冲击而损坏。为了解决该问题,提出了一种采用饱和变压器耦合新型固态限流器的限流式UPFC拓扑。此拓扑由UPFC模块与限流器模块通过串联饱和变压器连接而成,正常运行时,UPFC模块实现常规优化控制功能并可动态补偿固态限流器所引起的压降;故障情况时,SS FCL模块呈现高阻抗状态限制系统及流入UPFC串联侧变换器的短路电流。该拓扑中串联饱和变压器的应用降低了SS- FCL侧整流桥的电压等级与容量,并将系统短路电流限制到设定值范围内,保证继电保护动作后可靠跳开故障回路断路器。最后通过100 V/3 kVA小样机试验证明此新型UPFC拓扑的正确性和可靠性。     

采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

模块化多电半换流器（modularmultilevelconveer,MMC）是应用于电压源换流器直流输电（voltagesourceconverter-highvoltageDC,VSC．rrvoc）的新型多电平换流器拓扑。该文介绍了MMC的拓扑结构及相应的工作原理。针对该新型换流器拓扑的特点及其在高压直流输电领域中的应用,提出一种新颖的适用于模块化多电平换流器的载波移相调制策略（carrierphase．shiftedSPWM,CPS．SPWM）。与其他调制策略相比,该策略动态调节能力强,且使MMC在较低开关频率的同时,亦具有良好的谐波特性。换流器中子模块的电容电压平衡问题,是MMC亟待解决的难点之一。该文根据子模块能量均分和电压均衡两种原则,结合换流器拓扑结构特点和调制策略,提出一种子模块电容电压平衡控制策略,有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围。仿真结果验证了所提策略的正确性与有效性。     

南京西环网串联侧换流器谐波特征分析

分析了采用模块化多电平换流器(MMC)结构的统一潮流控制器(UPFC)的谐波特性,推导了MMC子模块电压波动与网侧输出电压谐波之间的关系。分析表明,电容电压的2次谐波波动频率与换流器输出电压的3次谐波分量密切相关。结合UPFC现场测试数据,分析对比UPFC运行前后串联线路的零序分量变化规律,线路中3次谐波分量大小可为串联变压器性能的评价提供参考依据。     

基于混合子模块的MMC故障阻断及谐波特性分析

针对模块化多电平换流器(MMC)所存在的直流侧故障无法自清除的问题,许多新型的子模块拓扑在原有半桥型子模块(HBSM)的基础上进行调整修正,利用其自身的拓扑特点,在直流侧发生短路故障时通过使短路电流给子模块电容充电的方法实现故障电流的快速阻断。在研究了众多新型子模块拓扑的基础上,设计了电流阻断能力较强的新型子模块。并考虑了损耗特性,采用新型子模块与HBSM结合的混合拓扑结构,从调制策略到谐波特性以及故障阻断性能进行了分析。推导了各次谐波电压幅值的表达式,并通过仿真验证了其准确性与实用性。     

一种新型多目标串联型短路限流控制器的研究

提出一种串联型短路限流控制器,采用背靠背换流器与限流电抗器串联的方式,在系统未发生短路故障时,背靠背换流器可以实现电压补偿、谐波抑制等功能,当发生短路时,将换流器切出,使短路限流电抗器工作。分析了电路的拓扑结构和控制原理,采用完全补偿法对电压进行补偿,采用电源电流检测法滤除系统中的谐波,然后用PSCAD进行了仿真和实验验证。     

具有短路限流功能的统一潮流控制器设计

统一潮流控制器(UPFC)在电力系统发生短路故障时,其串联变换器极有可能因承受系统高电压和大电流的冲击而损毁。针对该问题,提出了一种新型柔性交流输电系统装置——具有短路限流功能的统一潮流控制器(简称限流式UPFC),给出了其主电路拓扑结构、工作原理和控制策略。PSCAD/EMTDC软件的建模和仿真结果表明,在电网正常运行状态下,该装置特性等效为常规UPFC;当电网在装置安装点附近发生短路故障时,装置中的限流器模块能立即自动从零阻抗转变为高阻抗,将系统及流经UPFC的短路电流限制到较低数值,保护了UPFC免受系统高电压和大短路电流的冲击,同时也降低了系统的短路电流水平,增加了系统的可靠性和经济性。     

基于自抗扰控制技术的MMC环流抑制器

模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）是一种新型的电压源换流器,已经成功应用于高压直流输电领域,发展前景广阔,然而桥臂环流的存在影响了MMC的工作特性和损耗,对环流进行抑制是MMC工程应用必须解决的问题。考虑到系统非线性、鲁棒性和动态性能的要求,引进自抗扰控制（active disturbance rejection control, ADRC）技术,基于自抗扰控制技术设计了一种MMC环流抑制器（circulating current suppressing controller, CCSC）,所设计环流抑制器对MMC的环流详细模型依赖小,并具有优异的适应性和鲁棒性。最后通过在PSCAD/EMTDC环境下建立的两端MMC系统,仿真验证了所提出的环流抑制器的有效性。     

新型限流式统一潮流控制器限流分析与参数设计

统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)在电网系统发生短路故障时,极易受到大电流冲击而损毁。虽然具有短路限流功能的统一潮流控制器(限流式UPFC)在一定程度上限制了大电流冲击,但短路电流峰值仍然很大,限流时间较长。为此,提出一种采用RLC串联谐振电路的限流器二次侧拓扑结构,分析了其工作原理和限流动态过程,建立了发生故障时的数学模型。针对限流式UPFC直流侧电容电压在限流过程中不断上升,极易超出变换器IGBT耐压水平的缺陷,分析了故障模型中直流侧电容电压上升的原理,设计了用于改变短路电流流通路径的桥式电容限压器。仿真结果表明,改进方案能进一步减小短路电流峰值和上升率,使短路电流迅速衰减至零,同时限制直流侧电容电压的不断增大,确保限流式UPFC安全退出运行。     

MMC型统一电能质量控制器故障分析及保护策略

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）拓扑结构引入统一电能质量控制器（unified power quality conditioner, UPQC）,既能够提高UPQC的容量又可以提高UPQC的电压等级,从而扩展了UPQC在中压领域的应用,使UPQC具有更加广阔的适用前景。然而当负载侧出现短路故障时,如何合理地操作保证其安全可靠地运行,不仅是系统对装置的要求,更是装置保护自身的要求。针对上述情况提出了应用于MMC型UPQC（MMC-UPQC）故障保护策略制定的原则,采用反并联晶闸管支路与线路断路器之间的动作配合,将串联MMC与故障线路隔离开,最终实现有效保护装置的目的。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果验证了所提方法的有效性及可行性。     

限流式统一潮流控制器参数设计及设计实例

限流式统一潮流控制器（unified power flow controller with fault current limiting,UPFC-FCL）可以在系统发生短路故障时有效保护UPFC侧装置不受短路电流的冲击而损坏.在结合限流式UPFC工作原理的基础上,给出装置参数的设计方法,根据最大补偿容量和额定电流确定最大补偿电压,从而确定直流母线额定电压,根据补偿容量指标确定滤波电感的取值范围,按照短路电流水平设计限流电感.依据上述设计方法给出了额定电压为10 kV,最大补偿容量为1 MVA的装置设计实例,确定了串联侧注入系统的最大补偿电压、直流母线额定电压、并联侧及串联侧滤波电感、限流器模块限流电感等.PSCAD/EMTDC的仿真结果证明了文中设计的有效性和实用性.     

一种能够清除直流故障和减少传感器数量的MMC子模块及其特性研究

针对模块化多电平换流器(MMC)的直流故障清除问题,提出了一种新型的局部自均压组合电容型子模块。该子模块的拓扑结构具备故障自清除能力,并且能够利用不同工作模式的投切,自动实现子模块内部电容电压的均衡,即每一个新型子模块只需一个电压传感器对其进行监控。利用MATLAB/Simulink对基于新型子模块的MMC在正常状态和直流侧短路故障状态进行仿真,仿真结果表明相比于传统的N电平m相半桥型MMC需要2m(N-1)个电压传感器和2m个电流传感器,所提出的基于新型子模块的MMC所需电压传感器的数量以及参与控制的电压信号数量均减少一半,降低了系统硬件成本,减少了控制器运算负担,提高了系统稳定性;同时,当系统发生直流侧短路故障时,由于子模块具备故障自清除能力,能够阻断交流系统与故障点的电流通路,实现直流故障的闭锁。     

适用于架空线路的双极混合MMC-HVDC拓扑

为应对柔性直流输电在远距离大容量架空线输电领域应用问题,基于钳位双子模块和双晶闸管子模块拓扑构成的两种模块化多电平换流器,设计了串联双极混合直流输电系统,既提高了输电容量,又能缓解单种拓扑能耗较大或直流故障抑制时间较长问题。重点分析了双极混合拓扑在不同直流故障下等值电路和直流故障穿越机理及其抑制特性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建双极混合直流输电模型,对系统稳态运行工况和直流故障穿越特性进行了对比研究。仿真结果表明,双极混合系统既体现出灵活多样的稳态运行特性,又具有直流故障穿越与快速恢复能力,较好地适用于远距离大容量架空线路输电应用领域。     

基于MMC的中压直流配电网极间短路故障保护策略

近年来基于模块化多电平换流器(MMC)的直流配电网得到快速发展,但因其直流线路极间短路电流上升速度快,电力电子器件耐流能力差等原因,直流侧故障保护成为了亟需解决的问题。针对这一问题,考虑半桥型MMC(HBMMC)和全桥型MMC(FBMMC)2种不同的拓扑结构,分别分析中压直流线路极间短路情况下的故障特性并推导了故障电压电流的解析表达式。对于HBMMC提出一种桥臂限流模块和直流断路器配合的保护策略,解决了故障电流衰减缓慢和稳态电流过大的问题,降低了对直流断路器开断能力的要求。利用FBMMC子模块的故障电流自清除能力,提出一种改进的基于换流器解锁的快速恢复保护策略,减少瞬时性故障的系统停运时间。最后结合实际工程参数,在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了保护策略的有效性和实用性。     

适用于直流配网的故障自清除型电力电子变压器

基于MMC-ISOP电力电子变压器结构的直流配电系统发生中压直流母线双极短路故障后,若采用常规半桥型MMC子模块,交流母线会与故障点构成三相短路而产生较大故障电流损坏功率器件,后级ISOP变换器输入侧若采用直接串联方式同样无法避免输入电容对地放电问题。提出具有故障电流自清除能力MMC子模块拓扑,未提高器件数量、电容耐压等级,且保证了阻断能力。提出DAB变换器输入侧混合串联型ISOP拓扑,可有效切断故障后电容放电通路,降低电容电压应力及电感电流脉动,缩短故障后系统恢复时间。利用Simulink软件搭建了直流配网稳态及故障状态仿真模型,仿真结果验证拓扑结构有效性及理论分析准确性。     

基于模块化多电平技术的广义有源电力滤波器

为克服传统广义有源电力滤波器(GAPF)的缺点,提出了一种采用模块化多电平技术的GAPF(GAPF/MMC),提高了装置的电压等级和波形质量。详述了GAPF/MMC的拓扑结构、工作原理、控制方法及调制策略,给出了子模块电容电压的平衡方法。试验结果表明,GAPF/MMC在实现综合补偿的基础上可有效降低输出电压的谐波含量和网侧滤波电抗的容量、功耗,适合在高压大功率领域中应用。