柔性直流配电系统故障后快速恢复方法研究

由于电力电子装置耐受冲击电流能力差,直流线路故障后所有换流器(包含非故障区域的换流器)均在1～2ms左右闭锁且闭锁后多变换器间存在较大压差,导致系统恢复速度慢,这极大地降低了直流配电系统的供电可靠性。因此,提出了一种适用于多端柔性直流配电系统故障后的快速恢复方法。该方法首先改进了DC/DC变换器的拓扑,然后分析了直流电压波动机理,利用能量守恒原理提出了波动量引入的直流电压稳定控制,最终将改进的拓扑和所提控制策略相互结合,形成多端柔性直流配电系统故障后的快速恢复方法。该方法解决了多端柔性直流配电系统闭锁后多换流器间存在压差导致系统恢复速度慢的问题,极大地缩短了系统失电时间,使系统可在30ms内恢复可靠供电。最后利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建多端柔性直流配电系统模型,验证了所提方法的有效性。     

多端柔性直流输电系统直流故障保护策略

直流故障保护是多端柔性直流输电系统的一个关键性问题。本文在全桥型模块化多电平换流器的基础上,提出适用于多端直流输电系统的换流器级和系统级直流故障保护策略。根据全桥型模块拓扑特性,换流阀闭锁实现故障电流快速清除;然后换流器等效为双星型级联H桥STATCOM并联运行,为故障清除和隔离开关动作隔离故障点提供条件;最后转换换流器运行模式完成多端柔性直流输电系统的快速恢复。在PSCAD/EMTDC中搭建了三端柔性直流输电系统仿真模型,分析了直流故障和系统重新启动的运行特性,仿真结果证明了控制策略的有效性。     

计及换流站闭锁的多端直流系统限流电抗器优化配置策略

多端直流系统故障电流上升速度快,仅靠直流断路器无法可靠隔离故障,需要配置故障限流器降低故障电流上升速度.目前,多端直流系统故障限流器配置方法大多未考虑故障后换流站闭锁的情形.文中提出了一种计及换流站闭锁的多端直流系统限流电抗器(CLR)优化配置策略,给出了换流站闭锁方案,以减小换流站闭锁对交流电压的影响.提出用于优化配置分析的故障位置选取方法,可以获得最严重故障场景,从而保证了最终的CLR配置方案最优.基于柔性四端直流系统,详细分析了2种不同场景下CLR的优化配置.结果表明,所提策略能够得到不同换流站闭锁情形的CLR优化配置方案,可为实际直流电网工程的CLR配置提供参考.     

海上多端直流输电系统协调控制研究

为了避免多端直流输电系统(multi-terminal DC,MTDC)对各换流站之间高速通信的要求,实现各换流站间的自主协调控制,基于电压源型换流器的电压?电流特性和故障时减少风功率注入的思想,提出了种应用于大规模海上风电场功率远距离外送的多端直流输电系统协调控制策略。在多端直流输电系统正常运行时,网侧换流器不仅可以控制直流电压的稳定,而且可灵活对电网进行风电功率传输。在多端直流输电系统故障运行时,风场侧换流器来保持直流电压的稳定和协调风场间各风机出力。后,搭建了Matlab/Simulink仿真模型,针对所提出控制策略的动态性能进行了仿真验证,结果表明所提控制策略能够保持直流电压在交直流故障等大扰动下相对稳定,维持系统正常运行。     

基于快速重合闸的多端直流配电网极间故障隔离恢复策略

为快速识别并隔离直流极间故障、实现多端直流配电网的极间故障快速恢复,提出了一种基于直流断路器快速重合闸的故障隔离恢复策略。研究了由半桥式模块化多电平换流器组成的环形多端直流配电网极间故障暂态特性,并结合目前典型的保护配置、故障选线及控制方法,形成一种基于直流断路器重合闸的控制保护一体化协调配合策略。各保护区内的快速保护检测到故障后立即闭锁换流器、跳开直流断路器以快速隔离故障;控制保护一体化装置获取故障定位信息后,重合非故障区域内已经跳开的直流断路器、解锁已经闭锁的换流器,在新拓扑结构下实现直流极间故障的快速恢复。最后在PSCAD/EMTDC软件下搭建了六端柔性直流配电网仿真模型并测试了极间故障隔离及恢复特性,验证了所提方案的可行性。     

风电场经MMC-MTDC系统并网的几个关键问题

随着风电大容量远距离输送需求的增长,柔性直流输电技术的快速发展,基于模块化多电平换流器(module multilevel converter,MMC)的多端柔性直流系统在大规模风电场并网应用中优势凸显,前景广阔。为此,首先考虑2种直流线路保护方案,从经济性和技术性2方面阐述了3类多端柔性直流风电并网系统的拓扑结构以及优缺点;接着,分析了3种系统级协调控制策略在风电并网多端系统中的应用与改进,包括主从控制、直流电压裕度控制和直流电压下垂控制;然后,针对风电并网运行中较为突出的故障穿越问题,从交流故障和直流故障2方面,讨论了提高含风电并网多端柔性直流系统故障穿越能力的方法;最后,对未来大规模风电并网其他关键技术问题进行了展望。     

混合型MMC拓扑及应用于MTDC直流故障穿越能力分析

模块化多电平换流器(MMC)已成为高压直流输电领域最具前景的换流器技术之一。然而,与低电平电压源型换流器(VSC)相同,目前研究较多的半桥型MMC缺乏闭锁直流故障的能力。文中分析了不同结构的MMC在发生直流故障时短路电流的情况,提出了一种改进的MMC拓扑结构,基于错位层叠理论和换流器闭锁直流故障的原理,设计了一种适用于多端柔性直流(VSCMTDC)输电系统的混合型MMC拓扑结构,并结合VSC-MTDC系统直流故障时的"握手原则"详细说明了实现故障线路切除、非故障线路恢复的过程。最后,以典型的四端直流输电系统为例,通过PSCAD/EMTDC建模仿真,对故障后果最为严重的直流侧双极短路故障下的系统特性进行了分析验证。结果表明,基于该拓扑结构的多端直流系统能够在直流侧发生故障时快速闭锁换流器,并在短时间内恢复非故障线路的正常运行。     

基于控保协同的多端柔性直流配电系统线路保护

柔性直流配电系统中电力电子装置耐受冲击电流能力差,系统1～2ms左右闭锁。目前绝大多数直流保护利用极短数据窗暂态信号构成判据,容易受到噪声、量测误差和控制切换暂态影响,其动作性能受到考验。因此,该文提出了一种基于控保协同的多端柔性直流配电系统线路保护。该保护利用端口的本地保护与系统中各变换器间协调控制配合,通过控制切换的方式改变系统中变换器的调制频率,进而将各端口变换器变为具有特征信号的注入源,然后利用特征信号进行计算与检测,最终形成直流线路保护。该保护与传统直流保护相比,解决了变换器快速闭锁后无法给保护提供有效故障信息的问题,同时不需要增加额外设备且无需较高的数据采样频率,有效的在电力电子设备中实现控制保护相结合,原理简单可靠。最后在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建多端柔性直流配电系统,验证了所提保护方法的有效性。     

可隔离直流故障的直流电网用DC/DC变换器拓扑

直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的重要手段,近些年获得了快速发展。DC/DC变换器作为直流电网中电压变换和隔离直流侧故障的关键设备也日益受到关注。提出了一种适用于直流电网的可隔离直流故障的新型DC/DC变换器拓扑,该拓扑基于半桥模块化多电平换流器型DC/DC变换器,增加故障转移支路,发生直流故障时更易切断故障电流,同时提出了其故障隔离策略。对比该拓扑与半桥式DC/DC变换器的技术性和经济性差异发现,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,提出的DC/DC变换器方案不仅可以更快地切除故障线路,还减少了故障隔离对于直流断路器的依赖。在PSCAD/EMTDC中,针对两个直流电网的典型场景,进行了直流双极短路故障仿真。仿真结果表明,所提出的拓扑具备直流故障穿越能力,非常适用于大规模直流电网系统。     

考虑过渡电阻影响的柔性直流配电系统电流突变量保护

柔性直流配电系统中,直流故障下,其换流器自身保护的闭锁速度快,有效故障信息极少,系统保护需要高速检测故障。基于有限的故障暂态信号,研究快速、准确识别故障区域的保护是直流配电系统发展的迫切需求。因此,提出了一种适用于多端柔性直流配电系统的暂态量保护。利用直流双极短路故障后的直流电流波形变化特征,计算电流波形曲率并以此为判据,与电流突变量(di/dt)算法相结合,实现不同过渡电阻故障的快速、可靠识别。该保护基于本地测量实现直流线路保护,计算量小,解决了传统电流突变量保护受过渡电阻故障影响无法正确动作的问题。最后,在PSCAD中搭建精细化多端柔性直流配电系统仿真模型,验证了所提出的电流波形曲率保护方法的动作性能,保障了直流配电系统的安全可靠运行。     

基于虚拟惯量的DC换流器并联直流配电网控制策略

直流配电系统中电源或者负荷大多通过DC变换器接入系统,其负阻尼特性会导致系统振荡甚至诱发失稳,直流配电系统的稳定性面临着越来越多的挑战。基于动态导纳建模方法,建立了含多台DC换流器的直流配电系统小扰动稳定模型。基于奈奎斯特稳定判据,分析了并联DC台数、直流配电线路等因素对稳定性的影响。提出了基于虚拟惯量的DC换流器分散控制策略,在不改变平衡运行点的基础上,有效提高了多DC换流器并联的稳定性。最后通过时域仿真验证了所提策略的有效性和正确性。     

含高比例分布式电源的直流配电系统故障恢复过电压机理及其抑制

针对直流配电系统故障恢复过程中出现的过电压问题,本文研究了该过电压的产生机理及其抑制方法。首先介绍了典型直流配电系统的拓扑结构,给出两种核心换流装备(两电平VSC和DC/DC换流器)在双极短接故障下的电流及电压故障特征。基于故障点隔离后的健全区系统等效电路,研究了故障恢复过电压机理及影响因素,揭示了故障存续期间各换流器电压跌落速度不一致是导致故障恢复过电压的根本原因。在此基础上,以保障换流器电压跌落速度相同和直流断路器开断容量为约束,提出各换流器出口限流参数匹配设计原则,同时兼顾限制故障电流和抑制故障恢复过电压效果。最后在PSCAD/EMTDC进行了仿真验证。     

多端口分布式光伏接入直流配电系统整体故障穿越协调控制

因新能源渗透率高,多端口光伏分布式接入直流配电系统在并网换流器交流送出线路发生故障时应具备故障穿越的能力.然而,并网换流器与光伏直流变压器的容量、控制方式不同,即使两者在故障穿越期间可以相互高速通信协调,但是由于不同换流设备功率调节响应存在差异,直流母线电压容易发生较大波动,进而导致整个系统脱网.为此,提出了基于光伏端口电压调节的变功率控制方式,对直流配电系统有功功率进行动态补偿,可使直流母线电压快速恢复至额定运行点,解决交流故障导致的直流母线电压大范围波动问题,并给出了调节系数的整定与电压触发阈值的选取方式,从而实现可靠的故障穿越.PSCAD仿真结果表明,与传统控制策略相比,所提方法在不同故障程度、系统在交流故障前运行在不同有功功率的情况下,光伏电站均能有效且快速调节有功功率,避免了直流配电系统中换流器闭锁,保障了并网换流器故障穿越的实现.     

基于MMC的多端直流输电系统直流侧故障控制保护策略

基于模块化多电平换流器(MMC)的多端直流(MTDC)输电技术,兼具MMC技术和多端柔性直流输电技术的优势,具有广阔的应用前景。文中分析了MMC的拓扑结构和运行机理,设计了基于电压裕度的多点直流电压控制策略,并对控制器进行了设计。在此基础上,分析了直流侧单极接地故障、极间短路故障、断线故障对基于MMC的MTDC系统的影响,并进一步提出了相应的控制保护策略与保护时序。利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对以上几种直流侧故障及控制保护策略进行了仿真,结果表明所提出的控制保护策略能够实现系统故障后的快速恢复,有效提高多端系统的可靠性和可用率。     

一种新型超导直流故障限流器

与用于交流系统或双极直流系统的限流器不同,用于多端柔性直流系统的故障限流装置应能够在短路故障发生初期有效抑制故障电流的快速上升,避免在线路断路器动作之前换流器桥臂闭锁.针对这一性能要求提出了一种专门用于多端柔性直流电网中的新型超导故障限流器的基本结构和工作原理,并制作了原理验证样机.通过对原理验证样机开展的一系列实验,...     

直流电网用对称型模块化多电平DC/DC变流器

为满足直流电网构建中不同等级直流电压互联的需要,提出了一种基于模块化多电平(MMC)换流器的对称型DC/DC变换器拓扑。首先详细介绍了所提DC/DC变换器的电气拓扑;其次,分别针对DC/DC变换器正常运行和系统故障2种工况,分析了该拓扑的工作原理和故障特性;然后,提出了该拓扑的控制和保护策略;最后,利用MATLAB-Simulink软件仿真验证了该拓扑的工作原理及所提出的控制策略的有效性。结果表明,该拓扑可被用于不同电压等级的直流电网间的互联,尤其在新能源并网场合,且具有升压和降压、能量双向流动及故障双向阻断能力。与现有拓扑相比,该拓扑具有组件和模块数量少、电路简单、成本低、占地小的特点,在直流电网互联中具有显著优势。     

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modular multilevel DC/DC converter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。     

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。     

基于桥臂调制波调整的多端柔直系统直流过电压抑制策略

基于模块化多电平换流器（modularmultilevelconverter,MMC）的多端柔性直流输电系统能够实现多电源供电和多落点受电,运行方式灵活,是解决清洁能源并网和消纳问题的有效技术手段。然而当系统受端交流侧发生故障时将出现盈余功率,导致直流过电压问题。对此,提出一种基于桥臂调制波动态调整的多端柔直系统直流过电压抑制策略。所提策略通过在换流阀桥臂调制波中引入直流电压偏差控制,动态调整暂态期间桥臂调制波的直流电压参考值,从而减少桥臂投入的子模块数量,最终达到抑制直流过电压的目的。为验证所提控制策略的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了送端光水打捆经四端柔性直流输电的外送系统,给出了所提控制策略的参数设计方法。通过设置受端交流系统不同工况,对比研究了所提控制策略投入后的系统直流过电压特性,结果表明所提控制策略可以有效抑制因受端交流侧故障引起的多端柔性直流输电系统的直流过电压。     

基于LCC和FHMMC的混合多端直流系统线路保护方案研究

混合多端直流线路故障的检测和隔离是一个亟待解决的问题。针对基于电网换相型(Line Commutated Converter,LCC)和混合型模块化多电平换流器(Full Half Bridge Modular Multilevel Converter,FHMMC)的混合多端直流系统拓扑架构,在分析直流线路故障影响的基础上,提出了一种多端直流线路保护方案。首先,通过配置快速线路保护系统,在模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)换流器过流闭锁前检测出线路故障。其次,采用在换流站两端配置线路保护系统保护直流线路全长、中间换流站配置线路保护系统分别保护两条线路的配置方案。在此基础上,提出利用线路故障后汇流母线区两侧电流变化量的不同,构造线路故障区域识别判据以解决多端线路故障区域识别问题。最后,通过与控制系统相配合将MMC站直流电压控制为零压或负压,并将LCC站快速移相,实现线路故障的自清除及隔离。仿真结果验证了所提方案的可行性。