电容换相换流器直流输电系统稳态及暂态特性

电容换相换流器（capacitor commutated converter,CCC）是通过对传统直流输电系统主回路结构进行改造,串入适当的电容,补偿换流器吸收的无功功率,使得实际的换相电压在幅值和相位上发生变化,从而减少了换流器无功功率的吸收,降低了逆变侧发生换相失败的概率,提高了直流系统运行的稳定性。但是,在拥有上述优点的同时,CCC直流系统也有其固有的缺陷,为此首先对整流侧、逆变侧基于CCC的高压直流输电系统机理、稳态特性进行了研究,并基于电磁暂态仿真软件（PSCAD）建立的模型进行了仿真验证,将结果与传统直流输电系统进行了对比;重点分析了CCC直流输电系统抵御换相失败特性、逆变侧单相短路故障后的恢复特性和持续故障机理,研究了串联电容大小对恢复过程的影响。研究结果对于进一步优化CCC直流输电系统的动态特性及推广CCC直流输电技术具有重要意义。     

直流系统采用电容换相换流器技术的特性研究

对直流输电采用电容换相换流器(capacitor com- mutated converter, CCC)技术时的系统特性进行了研究。导出了描述CCC结构直流系统稳态特性的数学模型,它由15个基本方程构成。采用数值计算方法对CCC结构直流系统的稳态数学模型进行详细的分析,并与电网换相换流器(line commutated converter, LCC)结构直流系统进行了比较,揭示了CCC结构直流系统的一些重要优势。推导出了CCC换流阀电压峰值的表达式,并在此基础上提出了选择换相电容值的方法,采用该方法所选择的换相电容值能充分发挥CCC结构直流系统的技术优势,但又不会过多增加阀的成本。采用仿真工具电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC,以葛南直流单极输电系统为研究对象,交流系统发生单相对地短路故障为例,对CCC和LCC系统的暂态特性进行仿真比较,表明CCC结构直流系统具有较好的故障恢复特性。     

CCC的补偿度对HVDC系统的影响分析

利用MATLAB中的SIMULINK仿真工具对逆变器为电容换相换流器(CCC)的高压直流(HVDC)输电系统的稳态特性和暂态特性进行了仿真计算,并对仿真结果进行了详细的分析。研究了整流侧定电流、逆变侧定电压控制方式下,CCC中串联电容器补偿度对稳态运行中的HVDC输电系统的熄弧角、换流器与系统间交换的有功功率、无功功率、换流母线电压以及换流器的基波功率因数等的影响。对整流站换流母线处分别发生单相接地和相间短路两种故障形式进行了仿真计算,并研究了换流母线电压的恢复过程及电压暂降与临界补偿度的关系。研究表明考虑到稳态和暂态特性,在整流侧定电流、逆变侧定电压这种控制方式下,CCC的串连电容器补偿度的选择要兼顾防止换相失败和防止引起交流系统不稳定来考虑,并非越大越好。     

电容换相换流器（CCC）直流输电系统故障特性及恢复策略

研究了电容换相换流器（capacitor commutation converter,CCC）逆变侧的故障特性,以及避免逆变侧单相短路故障后发生后续持续故障的对策、原理及操作时序。借鉴交流系统高压线路串联补偿补技术原理,首次运用"可控旁通开关"思想,成功解决了CCC直流输电系统逆变侧发生故障后不易恢复的缺陷,并通过仿真验证了策略的可行性。研究结果对于进一步提高CCC直流输电系统的动态特性及CCC直流输电技术的进一步推广具有重要意义。     

CCC在直流输电系统中的运行特性分析

在串联电容换流装置中CCC与传统的换相换流器相比,有一些优点.当运用高压直流输电技术连接两个大型非同步电力系统时,所连接电网的短路容量与额定直流功率相比可能降低,尤其当系统运行在逆变侧系统为弱交流故障的情况下,这可能导致高压直流系统发生严重的次同步振荡.本文采用暂态仿真软件PSCAD对CCC的运行特性进行了评估.     

基于最大调制比的LCC-MMC混合直流交流侧故障控制策略

对现有常规直流工程进行逆变站柔性化改造,是解决多馈入直流输电系统潜在级联换相失败问题的一个有效方案,改造后的混合直流系统整流站沿用电网换相换流器,逆变站新建模块化多电平换流器。首先对电网换相换流器和模块化多电平换流器(LCC-MMC)混合直流系统的拓扑结构、基本控制方法以及整流站交流侧故障时功率骤降问题进行了阐述。然后,针对上述问题,提出了基于最大调制比的交流侧故障控制策略,在整流站交流侧故障时,该策略能够通过调节逆变站模块化多电平换流器的调制比,维持直流电流的恒定,降低混合直流系统传输有功功率的跌落幅度,从而减小传输功率骤降对逆变站交流系统的冲击。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了混合直流输电系统的仿真模型,验证了所提控制策略的有效性。     

电流源型混合直流输电系统建模与仿真

为解决传统直流输电系统换相失败问题,针对电压源型混合直流输电系统存在直流故障难以处理、平波电抗与直流电容容易产生谐振、无法进行潮流反送等缺点,分析了一种新型电流源型混合直流输电系统,其特点是整流侧采用传统的电网换相换流器,逆变侧采用基于全控型器件的新型电流源型换流器。重点推导了电流源型换流器在dq旋转坐标系下的低频和稳态数学模型,并设计了相应的控制器和控制策略。在PSCAD/EMTDC中以葛南直流系统为基础搭建了电流源型混合直流系统。详细阐述了启动和潮流翻转的步骤和过程,测试了逆变侧发生三相短路故障下系统的响应和恢复特性,研究了系统的直流故障自清理能力和重启动策略。仿真结果表明,该系统具有良好的性能,是直流输电系统在远距离、大功率应用领域一种可行的改进方案。     

直流输电系统典型暂态响应特性分析

基于PSCAD/EMTDC仿真程序研究了CIGRE直流输电标准测试系统在各种故障下的典型响应特性,包括整流侧交流系统发生三相故障、逆变侧交流系统发生三相故障和单相故障,以及直流线路发生短路故障时直流输电系统及其控制器的响应特性.特别研究了交流系统故障时直流输电系统的换相失败及其恢复过程,同时研究了直流线路短路时直流输电控制器的动作特性和直流线路的过电流水平.     

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。     

整流侧交流系统故障引发逆变器换相失败的原因分析及抑制方法研究

在高压直流输电系统中，交直流耦合作用日益紧密。当整流侧交流系统发生故障时，若直流控制系统响应不当则可能引发逆变器换相失败。首先分析了整流侧交流系统故障后，直流控制系统的响应过程以及逆变侧换相电压的变化特点。然后结合关断角的计算表达式，探讨故障恢复过程中关断角下降的原因。分析表明整流侧交流系统故障情况下，逆变侧换相电压在小范围内变化，换相失败发生的主要原因是故障恢复过程中直流电压和直流电流的快速上升。在此基础上，提出通过改进整流侧触发角以减缓直流电压恢复速度的方法，提出通过减小电流裕度以及改进整流侧电流指令值以减缓直流电流恢复速度的方法。最后基于CIGRE直流输电标准模型，在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台上验证了所提换相失败抑制方法的有效性。仿真结果表明，2种方法都能抑制整流侧交流系统故障下的换相失败，且共同作用时效果更佳。     

大规模交直流电力系统仿真计算的相关问题

针对大规模交直流电力系统仿真计算中涉及到的几个相关问题进行了讨论。指出用于大规模交直流电力系统仿真计算的最有效的工具是带有用户自定义功能的交直流电力系统数字仿真程序，传统的动模试验和最新出现的实时数字仿真器并不适合于对大规模交直流电力系统进行系统研究。通过考察直流输电换流器准稳态模型导出的条件，阐明了直流输电换流器的准稳态模型在交流系统不对称故障期间是不适用的。论证了影响逆变器换相失败的因素有多个，重点研究了触发越前角、换流站交流母线电压跌落，直流电流增大以及换流变压器短路阻抗等因素对换相失败的影响。通过实例论证了交流系统故障时直流输电系统的动态响应特性，必须在仿真过程中通过对直流输电系统及其控制器的行为进行精确的仿真计算才能得出，凭经验事先估计直流输电系统在交流系统故障时的响应特性是不科学和不可靠的。     

交流系统故障对滤波换相换流器的影响分析

交流系统故障引发换流器换相失败是直流系统中常见的故障。滤波换相换流器(FCC)作为一种新型的换流器电路拓扑结构,研究其在交流系统故障条件下的换相特性是十分必要的。本文分析计算了在三相对称和不对称故障条件下实际熄弧角,研究了换相电压变化ΔU与熄弧角、直流电流及换相电压过零点相位移之间的关系。基于FCC数学模型,详细分析了阀侧无功补偿度对直流系统的熄弧角、换相角、换流母线电压以及换相电抗等运行参数的影响。最后参考实验室背靠背直流输电系统参数,对FCC逆变器和电网换相换流器(LCC)逆变器在交流系统故障下的动态特性进行了仿真对比。结果表明:逆变器在交流系统单相故障条件下要比三相对称故障条件下更容易发生换相失败;FCC的换相电压中谐波含量更少,在相同熄弧角下,其能承受更大的电压暂降而不发生换相失败;FCC阀侧无功补偿度的大小直接影响到换相电压和换相电抗,选择时必须防止换相失败和换相电抗过大。     

换流站内的交流系统故障分析及保护动作特性研究

换流站内发生的交流系统故障会对交直流系统产生严重的危害。通过对换流阀换相电压的特性分析指出：站内发生交流接地时会伴随桥臂短路及交流系统复故障的出现;相间故障则表现为不平衡换相。通过接地故障发生后换流阀的电流时间函数来说明故障电流呈现交流多相短路的特征。通过故障等效交流电路来研究交直流保护特性,并得出结论：对于接地故障,电流互感器（current transformer,CT）安装在不同位置时,阀短路保护、桥差保护均能正确动作;但发生相间故障时,却会造成某些工况下保护不能动作;在连接高端阀的交流系统接地时交流保护的距离元件有时会有超越现象。最后提出采用零序补偿分量的方法来提高启动元件的性能。CIGRE高压直流（high voltage direct current,HYDC）模型验证了分析结论。     

换流器保护在交流故障下的出口时序特性分析

当交流故障的故障条件不同时,换流器保护的出口结果和出口时间均具有不确定性,针对该问题展开系统的研究。梳理了换流器区故障和换流器保护的类型,并基于实际特高压直流工程的RTDS实验结果分析了交流故障下可能动作的换流器保护及其动作机理。详细分析了换流器保护的故障后电气特征离散性和计时原理,指出这是导致换流器保护动作时间不确定的两个原因。进一步深入对比了交流故障下存在出口时序离散性的3种换流器保护的动作逻辑,并结合上述特高压直流工程的RTDS实验结果分析了不同故障条件下这3种保护的出口时序特性。分析结果表明,这些保护延时定值极为接近,而且可能相互闭锁,不同故障条件下三者的出口时序关系决定了不同的动作结果。     

Enhancement of continuous operation performance of HVDC withself-commutated converter

This paper describes a converter control scheme to enhance continuous operation performance of HVDC system with voltage source type self commutated (SC) converter. The continuous operation of SC converter can be achieved by suppressing converter overcurrents and AC overvoltages in the case of AC line faults including phase failure. Development of a new control scheme has been accomplished by experiment using an AC/DC power system simulator in CRIEPI and the EMTP (Electro Magnetic Transients Program) analysis. At first, we show that converter overcurrents and AC overvoltages are caused by lack of control information to static limiter and insufficient control performance to negative-sequence current of SC converter. Next, an adequate converter control scheme is proposed which is composed of an ACR's (automatic current legulator) adjustable dynamic limiter to suppress the converter overcurrents, and the limit logic of SC converter to suppress AC overvoltages during phase failure     

含多端柔性直流互联的交直流电力系统静态安全分析

含电压源换流器的多端直流系统在工作原理及控制方式上与常规直流系统存在本质区别,现有静态安全分析无法直接对含多端柔性直流的交直流系统分析计算。文中以传统交流电网静态安全分析为基础,首先,提出了多端柔性直流混联系统的交直流静态安全分析计算框架,阐述了功能实现方法及采用的关键技术。然后,在预想故障计算中考虑了交直流电网运行条件变化情况,保证计算结果与实际电网运行状态一致,提高了静态安全分析计算的准确性。最后,通过构建含四端柔性直流的交直流混联系统仿真模型,验证了算法的有效性和实用性。     

正负序解耦控制的柔性直流系统交流故障特征

柔性直流电网换流站交流侧故障分析是交流侧故障配置的重要基础。针对柔性直流电网交流侧故障分析,提出了正负序解耦控制策略下换流器的序网等效方法,并在此基础上给出了交流侧不对称故障的序网图,从而分析了柔性直流系统交流侧故障特征,讨论了交流故障对直流系统的影响。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了柔性直流电网模型,并通过大量仿真验证了所提分析方法的可行性。     

直流输电系统故障对发电机轴系扭振的影响

通过仿真深入分析了直流输电系统的不同故障对发电机组轴系的影响,这些故障包括换流器故障与直流线路故障,并与交流系统短路故障对轴系扭振的影响进行了对比.研究结果表明,总体而言直流输电系统故障对发电机组轴系造成的冲击小于交流系统三相短路故障对发电机组轴系的冲击,但换流器桥臂短路故障与换流桥母线短路故障对轴系的冲击较严重,应引起特别重视.     

LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统故障穿越控制策略

送端采用电网换相换流器（LCC）、受端采用全半桥子模块混合型模块化多电平变流器（FHMMC）的LCC-FHMMC混合直流输电系统,当受端交流系统发生故障时,受端交流电压跌落,受端功率传输受阻,盈余的功率导致子模块电容过电压,甚至可能造成设备的严重损坏。为此,提出了一种基于FHMMC直流电压降压运行的受端交流系统故障穿越控制策略,使其直流电压始终低于逆变侧交流母线的电压有效值。同时,整流侧LCC保持常规的定直流电流控制,保证逆变侧的直流电流在额定值附近运行,从而实现了进入直流系统的有功功率与逆变器向受端交流系统输出的有功功率之间的平衡。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上对LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统发生的对称故障和不对称故障分别进行了仿真分析,仿真结果验证了所提控制策略能够快速有效地穿越受端交流系统故障,并抑制子模块电容过电压。     

无交流电容的构网型换流器电压电流比例控制及故障限流

通过引入电压电流比例关系,构建了适用于高压构网型换流器的无电容矢量电压控制,可与传统内环电流控制组成构网型换流器级联控制架构,保留正序电流限幅和负序电流抑制能力,防止换流器在电网故障时发生过流闭锁和损坏。与传统外环电压控制不同,该电压电流比例控制不依赖于交流侧并联容性滤波器的电气关系构建,适用于无交流电容的高压构网型换流器的外环电压控制。通过选取特定的交流电压频率指令值,构网型换流器可实现恒电压运行或虚拟同步机运行。时域仿真结果表明,所提高压构网型换流器控制在电网故障时可自动实现换流器的负序电流抑制和故障穿越功能,避免换流器过流闭锁及损坏,并在故障清除后恢复正常运行。