模块化多电平换流器型高压直流输电系统控制保护体系框架

在介绍了MMC-HVDC系统拓扑结构的基础上,阐述了MMC-HVDC控制保护系统的设计原则和主要功能,指出采用冗余配置和分层设计的必要性.控制保护系统是MMC-HVDC系统的核心之一,在搭建了MMC-HVDC控制保护系统总体结构的基础上,提出建立4层结构的MMC-HVDC控制保护体系框架,即直流系统控制层、极控制保护层、阀组控制层、子模块控制保护单元,并进一步阐述了各控制层的控制功能及各层相互关系.     

一种具有直流故障限流能力的模块化多电平换流器

为解决传统半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法限制直流故障电流的问题,提出一种改进型子模块的MMC拓扑。与传统半桥型子模块拓扑不同,交流输出端口增加了阻断IGBT及其旁路吸收回路。本文首先分析改进型子模块的工作原理,在此基础上开展基于该子模块的MMC的故障限流机理及其主要功率开关器件的电气应力的研究,并通过仿真算例对所提出的拓扑进行了验证。仿真结果表明基于改进型子模块的MMC拓扑在原有正常模式下不需要改变控制策略与调制策略,而在故障阶段能够迅速实现故障电流阻断效果,通过引入旁路吸收回路,进一步降低了对电路触发脉冲一致性的要求,因此在未来高压直流输电系统领域具有良好的工程应用前景。     

一种具备故障阻断能力的低导通损耗模块化多电平换流器

论文面向具备直流侧故障阻断能力的MMC子模块拓扑开展研究,通过详细分析半桥型和全桥型MMC子模块在直流侧故障时的工作特性,提出一种基于逆阻型元件的新型子模块:该拓扑无需向子模块正常电流通路中插入额外功率器件,即可改变故障电流路径。与现存具备故障阻断能力的子模块拓扑相比,提出的拓扑在正常工况下具有更低的导通损耗。为了验证提出拓扑的有效性,在Matlab/Simulink环境下搭新型MMC换流器仿真平台,并搭建相应样机,全面验证所提的子模块拓扑具备直流侧故障阻断能力。     

模块化多电平换流器直流输电控制策略

模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统的控制策略及电流内环控制器对其故障时的运行特性有着重要影响。设计了电网电压不平衡下负序电流抑制策略和对应的限流环节。为解决正负双序同步旋转坐标下电流序分量分解和控制器较多问题,构建了基于比例积分和谐振控制的混合电流矢量控制。此外为降低桥臂环流对系统运行的影响,在分析桥臂电流构成成分的基础上,针对环流序分量2倍频特点设计了桥臂环流抑制器。仿真结果表明混合电流矢量控制能够实现直流和2倍频交流电流信号的统一控制,达到了负序电流和桥臂环流的抑制效果。     

模块化多电平换流器的直流侧主动充电策略

柔性直流输电工程中,无源端的换流阀通过有源端进行预充电,子模块电压最多只能充到额定电压的一半。如果按照正常解锁逻辑,会产生非常大的直流过电流,因此必须通过主动充电策略将子模块的电压充到额定值。文中结合模块化多电平换流器直流侧不控充电及正常运行的特点,设计了通过逐步递减投入子模块个数的直流侧主动充电策略,可以实现无源端换流阀从直流侧不控充电状态至正常解锁运行状态的平滑过渡。同时,分析了直流侧主动充电过程的桥臂电流特性。最后,通过仿真和实际工程应用验证了设计的直流侧主动充电策略的可行性。     

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。     

模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计

换流器阀组是柔性直流输电系统的关键设备。文中介绍了模块化多电平换流器阀组的基本原理和组成结构,基于舟山五端柔性直流输电工程对阀组过电流和过电压故障进行了仿真、分析研究,提出了阀组保护的关键需求,以此为基础构建了由子模块控制电路、阀控系统及柔性直流控制保护系统组成的多层次的完整的阀组本体保护系统及保护策略,提出了系统性的过流保护策略和系统性过电压判据,有效提高了阀组的过电流、过电压穿越能力。阀组保护系统及保护策略经过了±6kV两端柔性直流输电系统的试验验证和舟山、南澳工程现场试验的验证。     

模块化多电平换流器的预充电控制

为保证模块化多电平换流器的正常运行(modular multilevel converter,MMC),必须预先对子模块中的储能电容器充电。在分析MMC拓扑及运行机理的基础上,针对单端MMC及其在高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)领域的应用,提出了一种适合工程应用的两阶段预充电方案。仅利用自身交流系统,就可将电容电压快速提升至额定值。同时为避免充电过程中的过电流,对定直流电压控制进行了改进。通过MATLAB仿真,验证了所提方案的正确性。     

模块化多电平换流器型高压直流变压器的直流故障特性研究

下一代高压直流电网技术成为未来电网发展的重要方向,高压直流变压器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备,也是制约直流电网推广的技术瓶颈之一。然而有关模块化多电平换流器型高压直流变压器(modular multilevel converter based HVDC transformer,M-HVDCT)拓扑的故障响应特性和故障穿越能力的研究尚未见诸报道。在搭建PSCAD/EMTDC仿真模型的基础上,首先分析了M-HVDCT的直流侧线路双极短路、单极接地短路故障机理,分析了系统的故障输出特性。结果表明,双极短路时的子模块电容放电是造成瞬态电流冲击的主因,而变压器耦合的阀侧馈能则是稳态故障电流的原因;M-HVDCT对双极短路故障具有故障隔离能力,而单极接地短路故障则会因为变压器的耦合作用而传到非故障侧,从而给系统带来负面影响。仿真实验结果验证了理论分析的正确性,研究结果将为直流电网技术的工程化研究提供重要的理论和工程应用基础。     

模块化多电平换流器型直流输电的调制策略

介绍了模块化多电平换流器(MMC)的拓扑结构和工作原理.对MMC可以使用的几种调制策略进行了比较,当MMC用于直流输电这样的高压大功率场合时,需要的电平数很多,而最近电平逼近调制(NLM)正适用于这类情况.提出了NLM在MMC中的实现方法,给出了计算NLM基波和各次谐波幅值的解析表达式,绘出了NLM的基波分量和总谐波畸变率随电平数和调制波幅值的变化而变化的情况.指出了当系统进入严重过调制区时,NLM性能会明显恶化.利用PSCAD/EMTDC下搭建的仿真系统对NLM的基波和谐波特性进行了仿真.理论计算和仿真结果均表明使用NLM策略的MMC在较大的工作范围内都具有很好的调制波跟踪能力和较低的谐波水平.     

一种MMC-HVDC的直流电压波动抑制新方法

针对柔性直流输电系统常规直流电压波动抑制算法中存在的缺陷,提出一种适用于模块化多电平换流器型高压直流输电系统(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)的直流电压波动抑制方法。该方法利用MMC特有的“储能”特性,在交流系统不对称时,控制 MMC 交、直流侧瞬时有功功率不再平衡,从而实现MMC交流侧电流依然保持对称运行,同时直流侧电压、电流和功率保持为恒定。为了实现上述控制功能与目标,建立三相交流系统不对称时 MMC 直流回路的模型,设计αβ0坐标系下以比例谐振调节器为基础的控制策略,且探讨MMC-HVDC中的协调控制问题。最后,搭建71电平背靠背 MMC-HVDC 系统模型进行数字仿真,结果验证了所提控制方法的有效性。     

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。     

基于补偿原理的MMC-HVDC系统不对称故障控制策略

为提高模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统交流侧发生不对称故障时控制系统的运行特性,研究了电网发生不对称故障下的负序电流抑制和直流电压稳定的控制策略。针对双序内环电流控制系统需要进行电压电流的旋转变换且d轴和q轴之间存在耦合的问题,设计了二阶复数滤波器对电网电压的正负序分量进行提取,并采用电压补偿原理对提取出来的负序分量设计了负序内环电压控制器,对双序内环电流控制器进行了有效的改进,简化了控制系统的结构。为实现不对称故障下直流电压的稳定,基于模块化多电平换流器(MMC)低频连续模型,在不对称故障下推导出桥臂功率和子模块电容电压中均含有二倍频的负序波动分量和二倍频的零序波动分量,进而设计了二倍频零序补偿控制器。在PSCAD/EMTDC中搭建了上述控制器,仿真结果表明所提出的控制策略可以有效抑制负序电流、稳定直流母线电压。     

基于虚拟能量调节偏差的MMC-HVDC输电线路保护方案

柔性直流输电对继电保护的速动性及可靠性提出了更高的要求。为实现直流故障的快速可靠识别,文中分析了模块化多电平换流器(MMC)的控制参数在系统发生故障时的响应特性,并提出了一种MMC型高压直流输电线路保护新方案。根据MMC控制参数定义了虚拟能量调节偏差,利用虚拟能量调节偏差对系统故障时的响应特性识别直流线路故障,并结合虚拟能量调节偏差的比值进行故障类型的判别。该保护方案融合了交直流侧的故障信息,提高了保护的可靠性,保护判据利用了换流器控制参数信息,无须测量线路的电气量。仿真结果表明,所提保护方案可以快速准确动作且具有较强的耐过渡电阻能力。     

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。     

混合直流输电系统直流故障处理策略比较分析

基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)以及模块化多电平换流器(modular multilevel converter,M M C))的混合型高压直流输电技术是实现远距离大容量输电的有效技术手段。为了快速清除直流短路故障,主要有2种实现方法:一是逆变侧换流器采用具有直流故障自清除能力的子模块,如全桥型子模块及箝位双子模块;二是在逆变侧直流出口加装大功率二极管以切断故障后的电流流通通路。该文通过研究不同直流故障处理策略的物理机理及控制流程,对其可行性及适用性进行深入研究。通过在PSCAD/EMTDC中搭建典型模型,考察直流故障下的系统响应特性,对不同处理策略下的系统暂态特性进行综合比较。最后,对基于全桥型子模块的不闭锁穿越式直流故障处理策略进行了仿真验证,仿真结果表明此种策略不适用于真双极直流系统,无法实现直流短路故障的有效清除。     

具有短路限流能力的大变比DC/DC变换器

提出了一种具有短路自动限流和功率双向流动特性的大变比DC/DC变换器,该变换器适合作为接口电路用在高、低压直流线路之间。该DC/DC变换器以三电平方式工作,通过调节占空比和相移,可以改变其传输功率,并且可以实现功率的双向流动;电路以梯形波电流工作,实现了部分软开关,效率较高;在发生直流短路的情况下,流过开关管的电流峰值与正常工作时相等,实现了自动的短路保护。基于以上特点,设计了一个输入电压为12 kV、输出电压为1 kV、传输功率为100 kW的变换器,通过仿真研究验证了理论分析的正确性。     

基于MMC欧拉-拉格朗日模型的HVDC不对称故障控制

基于模块化多电平换流器(MMC)的稳态数学模型,建立了MMC离散化数学模型,并基于模型设计了MMC电流内环离散控制器。针对MMC直流输电故障时系统中存在的负序电流,提出了基于MMC欧拉—拉格朗日模型的正负序无源控制器。为保证故障时系统仍能安全传输指定的有功功率,采用了故障时的有功功率控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC环境下搭建了21电平模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统仿真模型。仿真结果表明,所述控制策略在稳态和暂态过程中具有良好的控制效果,且结构简单,对实际工程具有一定的参考价值。     

MMC-HVDC孤岛供电系统直流故障穿越协调控制策略

针对基于架空线输电的MMC-HVDC孤岛供电系统直流线路故障率较高的问题,配置直流断路器隔离故障是有效的解决方案之一.综合考虑了双极换流站灵活的运行方式、直流断路器的故障清除能力和双馈风机的快速响应能力,提出一种适用于MMC-HVDC孤岛供电系统的直流故障穿越协调控制策略,实现了自平衡和非自平衡工况下的功率协调.自平衡...