基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统设计

换流阀是柔性高压直流输电工程中完成电能变换的核心模块,其运行可靠性直接关系到整个直流输电系统的稳定性,因此需对换流器阀进行严格的型式试验.运行试验是型式试验的重要一环,主要检测换流阀对电流、电压和温度应力的耐受情况.依据模块化多电平换流器(MMC)型电压源换流阀实际工程运行工况,采用等效试验的方法,设计了一种基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统,可对换流阀的稳态工况和暂态工况进行模拟,进而实现对换流器阀的导通、关断和有关电流特性的检验.详细介绍了基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统的主回路和控制系统设计,并以实际工程换流阀组件为试验对象,验证了所设计的基于MMC柔性直流输电换流阀试验系统的正确性和实用性.     

HVDC换流阀桥臂短路电流耐受分析

提出一种高压直流(HVDC)输电换流阀短路电流仿真模型和晶闸管承受短路电流的结温预测方法,可证明换流阀晶闸管在系统最大短路电流工况下的耐受能力.分析换流阀桥臂短路原理,得出短路电流计算方法,通过基于PSCAD/EMTDC的6脉动换流阀桥臂短路电流仿真,获得短路电流、暂态电压、恢复时间等关键参数,结合晶闸管瞬态热阻,采用数据拟合与迭代法,实现晶闸管在短路电流下结温曲线的预测,进而得出晶闸管承受阀桥臂短路电流后的暂态电压耐受能力.试验结果表明该方法有较高的可靠性.     

用于高压直流输电的晶闸管换流阀短路故障分析及其试验方法研究

晶闸管换流阀作为传统高压直流输电的重要设备,其可靠性和故障耐受性能与高压直流输电工程的安全可靠运行密切相关。而短路故障是晶闸管换流阀可能出现的最严重的故障之一,有必要对其进行故障分析和试验验证。文章研究了相关标准中对于短路故障的试验要求,分析了高压直流输电晶闸管换流阀的各种典型故障特性和现有的分别采用短路发电机和电容器组作为短路试验电源的两种故障电流试验方法,并从故障电流热效应等效性和故障电流试验电压等效性方面分析了两种试验方法的特点。     

柔性直流换流阀改进运行试验方法

为了实现对柔性直流换流阀更准确的综合应力考核,针对换流阀中含有二次环流等分量的阀电流,提出了柔性直流换流阀改进运行试验方法,可满足不同功率等级下柔性直流换流阀含有不同特征电流运行工况的试验要求。首先,对柔性直流换流阀的典型运行工况进行了应力分析,重点分析了换流阀的电流特征;其次,结合应力分析,考虑到实际工程中换流阀运行时未投入环流抑制时的桥臂电流中包含较大的二倍频分量的工况,在柔性直流换流阀的阀段试验装置和不增加试验成本的基础上,通过调制控制策略,提出了针对含二次环流分量的阀电流应力和电压应力考核的试验方法,并阐述了其运行机理;最后,搭建了实际的试验系统,并进行了验证。试验结果表明,该柔性直流换流阀改进运行试验方法具有可行性和有效性。     

模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑及其控制方法

为了考核模块化多电平换流阀应力及其运行可靠性,针对高压大容量柔性直流换流阀子模块电压逐步提高的情况,提出了一种模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑及其控制方法。首先对柔性直流换流阀的典型运行工况进行了应力分析;其次,结合应力分析,提出一种模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑,并建立了该试验拓扑的数学模型,阐述了其运行机理;同时,通过控制量的对称性,实时消去了交直流控制量中的直流分量;最后,搭建了仿真模型并进行了验证。结果表明,提出的模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑及其控制方法具有正确性和有效性,所提试验拓扑降低了直流试验电源的电压需求,其控制方法简化了试验电路的控制。     

高结温无延迟的VSC-HVDC阀合成试验方法

为了实现对电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)换流阀稳态应力和直流双极短路暂态应力的综合考核,提出了一种高结温无延迟的VSC-HVDC阀合成试验方法及其电路拓扑。无延迟的特点保证了注入带直流偏置的短路大电流时换流阀开关器件处于最高稳态结温状态,同时该方法有效地降低了换流阀的试验成本及电源需求。首先,分析了VSC-HVDC换流阀稳态运行和直流双极短路故障时的电应力。其次,结合应力等效机理,提出了高结温无延迟的VSCHVDC合成试验方法,并阐述了其运行机理。最后,通过搭建仿真模型和试验平台进行了验证,结果证明了提出的合成试验方法及其电路拓扑的可行性和有效性。     

集成化直流换流阀短路试验研究

基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电(HVDC)技术已经取得了快速发展.这里根据MMC-HVDC换流阀半桥子模块的拓扑结构,分析了最为严重的直流双极短路故障工况,得出了短路电流的解析表达式.短路电流试验是考核换流阀耐受短路电流能力的重要型式试验项目,根据试验的等效性原则,提出了基于合成方法的短路试验系统拓扑方案,并建立了合成试验回路的仿真模型,进行了仿真研究.最后,搭建了实际的短路试验系统,对集成化柔直换流阀进行了短路电流试验.试验波形与仿真结果一致,证明了仿真和试验回路设计的正确性.这里的研究结果可为后续换流阀的试验考核提供参考.     

舟山柔直工程混合式直流断路器短路试验方案设计及现场实践

含混合式直流断路器的柔性直流工程直流极线短路试验尚属国际空白。为检验柔直电网中直流断路器故障清除的可靠性以及与换流阀的配合逻辑,获取实际短路过程中断路器周围空间的电磁干扰数据,并为后续柔直工程开展短路试验积累经验,有必要在现有柔直工程中开展直流极线短路试验。该文针对装设有混合式高压直流断路器的舟山200 kV柔直电网定海换流站,结合直流断路器和换流阀不同的动作配合逻辑,设计了换流站直流极线正极、负极和双极短路试验方案。该方案克服了电缆输电系统难以形成人工短路故障的困难,在现场实践中验证了单极故障下直流断路器分断换流阀不闭锁的动作逻辑,首次完成了柔性直流输电工程的双极短路试验,并获取了短路试验过程中直流极线瞬态电压、瞬态电流及空间电磁场数据,可为混合式直流断路器本体研制和后续直流电网工程应用提供技术支撑。     

HVDC换流阀非周期触发试验方法

高压直流输电(HVDC)换流阀单阀非周期触发试验是换流阀绝缘型式试验中的难点。按照IEC 60700-1标准要求,通过对实际应力的分析及试验电路拓扑的设计,给出了满足工频补能型换流阀要求并可兼容换流阀抗电磁干扰试验的试验电路。在上述研究的基础上,顺利完成了宁东-山东直流输电工程±660kV HVDC换流阀的非周期试验,复现了工程中的非周期触发电压、电流应力。试验电压峰值达685kV,电流峰值为8.1kA,最大电流变化率达到1.4kA/μs,均满足实际工程中非周期触发试验应力的要求,并考验了换流阀的电流和电压耐受能力。试验结果表明宁东工程换流阀能够耐受规定的非周期触发应力。该试验电路设计合理,准确反映了晶闸管导通后前10μs的电压、电流应力,并实现了各强应力源μs级的时序配合。     

张北关键设备短时电流试验方法

现有试验技术在输出功率及能量方面不能满足张北工程对柔性直流换流阀(MMC换流阀)和直流断路器提出的短时电流耐受要求。为了解决该问题,对MMC换流阀和直流断路器的短时电流应力进行了分析,提出了基于超级电容储能和功率变换的试验方法。设计的试验电路采用超级电容储能降低了对试验电源容量的需求,采用基于Buck变换器实现高功率输出,采用交错并联调制方式降低功率模块的电流应力。搭建了PSCAD电磁暂态仿真模型和试验平台对丰宁站关键设备进行了短时电流耐受试验仿真,仿真和试验结果表明试验电路所输出的试验电流可有效跟踪电流指令变化,具有试验要求的输出电流等价性。     

用短路发电机进行换流阀故障电流试验

阀故障电流试验作为考核换流阀短路电流耐受能力的运行型式试验项目,必须在与实际运行工况最为等价的试验回路上进行。短路发电机系统既能提供阀故障电流试验要求的短路电流,同时又能够在短路电流过零时刻立即提供预期恢复电压,具有较高的等价性,是进行阀故障电流试验的一种理想回路。短路发电机系统进行阀故障电流试验时,先利用阀运行试验合成回路提供换流阀正常工况下的运行条件,在换流阀结温及运行参数满足要求时,通过短路发电机系统模拟实际运行中的突发短路故障,使换流阀流过标准规定的短路故障电流,并承受恢复电压,以考核其故障电流耐受能力。     

基于直流断路器转移支路动态电阻特性的柔性直流输电系统保护动作分析与改进

当直流断路器通过其各支路间的换流清除故障电流时,会导致系统的故障暂态电气量发生变化。现有直流保护在进行原理设计时大多未考虑直流断路器动作特性的影响,因而有可能不正确动作。因此对于柔性直流输电系统,分析了直流短路故障过程中直流断路器的动作特性,给出了考虑直流断路器各换流支路故障电流熄灭特性的短路电流解析表达式,验证了现有的电流微分保护、低压过流保护以及差动保护的动作适应性,进而提出一种基于电流积分值的保护算法,解决了电流微分保护会出现误动的问题并且具有较强的抗过渡电阻和噪声的能力。最后利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建 ±320 kV双端柔性直流输电系统模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和保护算法的适用性。     

±500kV柔性直流阀段等效试验设计和控制

对±500kV柔性直流多电平换流器桥臂的工作原理进行了分析,在对阀段稳态工况和直流侧短路工况的基本特征进行总结的基础上,基于稳态和短路状态下电压应力、电流应力和热应力的等效工作原理,设计了一种功率模块试验装置等效试验电路,可满足不同功率等级的至少一个功率子模块在稳态工况和短路工况下的试验要求,针对该等效试验电路,在模型分析的基础上设计了满足试验要求的控制策略,以及设计了基于三层结构的阀段控制保护系统。搭建了一个五模块的2组阀段系统组成的2个桥臂,进行了相关的试验验证。试验结果表明,所提功率模块试验装置等效试验电路以及阀段控制保护系统能够满足试验要求,对多组阀段系统的控制方法是有效的。     

海上风电柔性直流换流阀端间绝缘试验异常分析及改进方法

柔性直流输电是海上风电远距离规模化集中开发的重要技术。作为柔性直流输电的核心设备,换流阀运行工况复杂,其安全运行直接影响整个系统的可靠性与稳定性,因此必须通过系列型式试验,从运行和绝缘等方面考核换流阀的设计。针对某海上风电柔性直流输电换流阀端间绝缘耐压试验中出现的直流局部放电异常情况,分析了异常产生的原因,并提出了一种基于回路补偿的端间绝缘改进试验方法。该方法在符合相关国家标准规范的前提下,能够有效验证同类拓扑结构多重阀单元外绝缘及各个单阀之间的电压耐受能力和局部放电水平,为以后采用更高电压等级换流阀端间绝缘试验的顺利开展提供借鉴。     

基于桥臂阻尼阀组的模块化多电平换流器故障快速清除与系统恢复技术

针对柔性直流故障快速清除与系统快速恢复技术难题,介绍了基于桥臂阻尼阀组的故障快速清除与系统恢复技术方案。在分析柔性直流双极短路和桥臂短路2种故障机理的基础上,提出适用于工程的桥臂阻尼阀组的具体电气拓扑和阻尼阀组的控制保护策略以及桥臂阻尼参数的选取原则和工程参数设计流程。以某多端柔性直流输电工程为例进行了仿真验证,仿真结果表明,在直流双极短路故障条件下,所提方案可加快直流短路电流的衰减,实现故障清除后系统快速重启动;在桥臂短路条件下,所提方案可加速阀侧交流电流中直流分量的衰减,加快交流开关的开断过程,降低了换流阀故障损坏的风险。仿真结果验证了所提方案的有效性和可行性。     

张北柔性直流电网换流阀故障穿越策略与保护定值优化

不同于以往端对端柔性直流工程,应用直流断路器的柔性直流电网要求直流线路故障时换流站可实现故障穿越。文中以张北柔性直流电网工程为背景,首先,建立了直流线路故障时换流阀暂态电流的数学模型;然后,基于传统阀控过流保护策略,分别提出了保证换流阀故障穿越能力的定值设计方法和保证换流阀安全性的定值设计方法,解决了传统的阀控过流保护策略无法兼顾直流线路故障下换流阀的故障穿越能力要求和站内故障时换流阀的安全性要求的问题;最后,提出了基于分桥臂闭锁的新型阀控过流保护策略,并设计了详细的动作时序。在PSCAD中搭建张北柔性直流电网仿真模型,验证了所建立数学模型的准确性和所提出策略的有效性。     

基于全桥MMC柔直换流阀损耗分析方法

基于全桥MMC的柔性直流输电系统,能迅速隔离直流线路故障,得到了广泛的应用。损耗是衡量换流阀的重要指标,文中对基于全桥MMC换流阀的损耗进行分析,运用分段解析计算的方法给出具体的计算表达式。首先,将MMC换流阀的总损耗分为通态损耗和开关损耗两部分。然后,根据桥臂电流的方向,桥臂电压与投入子模块个数之间的关系,运用分段解析方法得到MMC换流阀的通态损耗;之后,根据每个子模块投切状态变化对应的能量损耗进行分段解析计算,求得MMC换流阀的开关损耗;将这两部分损耗进行综合,从而得出基于全桥MMC换流阀的总损耗。仿真结果验证了文中所提出的损耗分析方法的准确性。     

模块化多电平换流器直流双极短路故障耐受能力研究

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在直流侧发生双极短路的故障情况,建立了MMC闭锁后的故障电流回路,给出了二极管以及保护晶闸管的电流分配和结温理论计算方法,考核直流双极短路故障耐受能力。在MATLAB/Sinulink下进行了换流阀闭锁后故障电流回路的建模与仿真,并在MMC背靠背试验系统中进行了试验研究。仿真和试验结果表明,所提分析和计算方法准确可行,该方法对校核模块化多电平换流器在实际工程中的直流双极短路故障耐受能力以及器件选型具有重要的理论指导意义。     

特高压混合直流工程LCC换流阀短路保护优化研究

首先基于昆柳龙直流工程与云广直流工程控制保护系统RTDS仿真实验数据,通过对比分析阀区故障时的故障特征及换流阀短路保护的动作特性,发现传统LCC换流阀短路保护判据在特高压混合直流系统中存在误动的风险。根据特高压混合直流系统与常规直流输电系统在系统结构和运行特性上的不同,分析出传统LCC换流阀短路保护判据直接应用于特高压混合直流系统时存在的缺陷。针对这一缺陷,改进了LCC换流阀短路保护判据,并通过仿真分析验证了新判据的有效性,为特高压混合直流输电工程的送端常直阀短路保护提高了有效的解决方案。     

合成试验方法在VSC-HVDC换流阀短路电流试验中的应用

合成试验方法是用多套电源分别提供试品在试验中所需应力的试验方法。为检验由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)构成的电压源换流器高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)换流阀设计的正确性及其对暂态工况应力的耐受性,研究了MMC阀暂态运行试验的试验方法,分析了与过电流关断试验和短路电流试验相关工况的应力,提出了2种等效试验方法,并将合成试验方法应用于试验电路的设计中,给出了试验电路与实际工况下阀的应力波形,结合关键应力等效性分析,验证了上述试验方法和试验电路的正确性和有效性。