基于源网配合的MMC直流电网自适应故障清除方案

随着模块化多电平换流器(modularmultilevel converters,MMC)在架空线直流输电和柔性直流电网中的广泛应用,直流线路故障清除问题越来越突出,如何实现直流线路故障的快速清除成为制约MMC柔性直流电网发展的关键问题之一。作为直接有效的解决方案,混合高压直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)还不够成熟,高速大开断容量DCCB的研制仍有困难。文中通过挖掘和利用MMC控制的灵活性,提出一种适用于架空线半桥型MMC柔性直流电网的源网配合自适应故障清除方案。在直流故障期间,该方案利用MMC调压控制策略减少源侧子模块投入数量,降低换流器桥臂单元输出电压,并与网侧断路器预充电电容电压自适应配合,使MMC桥臂单元输出电压小于预充电电容电压,利用电压差使故障电流迅速下降至零,达到切断故障电流并清除故障的目的。首先介绍所提故障清除方案中源侧MMC调压控制原理和网侧断路器拓扑结构,然后分析该方案的工作原理,并推导该方案下半桥型MMC的直流故障电流计算方程,给出调压控制器控制系数和网侧断路器元件参数设计方法,最后在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台上搭建基于半桥型MMC的四端柔性直流电网模型,对所提故障清除方案的有效性进行仿真验证。     

柔性直流电网主动限流开断直流故障研究

基于混合型模块化多电平变换器的柔性直流输电系统可通过主动控制来限制直流故障电流,即将在昆柳龙三端混合直流输电工程中应用。然而,关于混合型MMC的主动限流开断原理、故障电流演变特性、限流控制效果与影响因素尚缺少相关理论研究。针对上述问题,该文首先分析采用直流电压前馈的主动限流控制策略限流机理,研究计及延时后,换流器直流电压、电流在故障期间的演变特性。提出换流器与直流断路器协调控制策略,并分析采用不同协调控制策略时故障线路电流的动态演变过程。分析采用主动限流控制策略后的柔性直流电网对DCCB的开断电流大小需求。针对基于半桥MMC构建的直流电网和基于混合型MMC构建的直流电网2种技术方案,在DCCB开断电流需求、DCCB经济性以及直流电网故障特征等方面对二者进行对比分析。研究表明,与半桥MMC型直流电网相比,基于混合型MMC的直流电网在使用主动限流控制技术后,DCCB开断电流大小减小为原来的22%,使得DCCB的成本减小为原来的45%,故障后换流站直流功率最短时间恢复时间减小为原来的30%,故障后功率模块电容过电压减小为原来的33.3%。最后,通过仿真验证理论分析的合理性。     

半桥MMC型柔性直流电网自适应限流控制研究

柔性直流电网直流故障短路电流具有上升速度快、峰值高等特点。当前,尚不成熟的故障电流抑制技术在一定程度上阻碍了柔性直流电网的大规模建设和发展。已有学者通过在直流电网中增加直流限流器或改进换流器拓扑的方式来抑制直流故障电流。然而上述技术方案会增加直流电网的建设成本。该文通过充分挖掘半桥型模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的控制潜力,提出一种适用于半桥型MMC的自适应限流控制策略。该控制策略通过在直流故障期间快速改变投入的子模块数量,从而快速降低换流器直流电压达到抑制故障电流的目的。首先介绍限流控制的基本原理以及控制器结构,分析并推导半桥型MMC的直流故障电流和桥臂故障电流的计算方程,进一步仿真验证限流控制作用下故障电流的计算方程,最后在基于半桥型MMC的四端柔性直流电网中对限流控制策略的有效性进行仿真验证。仿真结果表明:限流控制使得直流断路器((DC circuit breaker,DCCB)的开断电流减小4.92k A(46.95%),耗散能量减小26.1MJ(67.93%),并且减小故障期间桥臂电流的峰值,降低了换流器过流闭锁的风险。     

MMC系统级拓扑及其直流故障电流阻断能力研究

由于直流断路器成本较为昂贵,尚处于试验阶段,具备直流故障电流阻断能力的MMC拓扑才是实现输配电网可控性,提高MMC运行可靠性的关键。文中在分析传统半桥型模块化多电平换流器(half bridge sub module based modular multilevel converter,HBSM-MMC)直流侧故障机理的基础上,对具有直流故障电流阻断能力MMC相关研究进行综述。分析了桥臂优化MMC的拓扑结构及直流故障抑制能力,包括子模块混合型MMC及二极管阻断型MMC;分析了单相优化MMC拓扑结构及直流故障电流阻断能力,包括桥臂交替导通MMC和混合级联型MMC。仅从理论角度来说,具备直流故障电流阻断能力的MMC拓扑结构研究已经较为成熟,但混合子模块优化控制、改进子模块封装、串联子模块和开关器件的协调配合、器件冷却等工程实现诸多问题还有待进一步研究。     

混合型MMC系统直流故障穿越性能研究

针对半桥子模块(HBSM)、全桥子模块(FBSM)及箝位双子模块(CDSM)这3种子模块混合级联模块化多电平换流器(MMC),首先研究了混合型MMC的直流故障机理,此处提出了混合型MMC具备直流故障穿越的约束条件。然后,基于直流电压为±1 200 V、额定容量为20 kVA的21电平混合型MMC系统试验样机,对混合型MMC系统直流故障穿越特性进行研究。试验结果表明,直流故障发生后,混合型MMC系统通过闭锁换流器以阻断短路故障电流,在直流短路故障期间,交流断路器无跳间,且直流短路故障清除后,换流器在10 ms内重新解锁并恢复至稳定运行。     

适用于直流电网的组合式高压直流断路器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在直流电网中具有较大的应用潜力。当前各类MMC拓扑中,半桥型MMC具有最佳的经济效益,但缺乏直流故障清除能力。目前主要有两种直流故障清除方法:一种是采用具有直流故障清除能力的子模块,但会引入额外的功率损耗,同时,需要通过闭锁MMC来达到清除直流故障的目的;另一种是采用混合式高压直流断路器,它具有快速隔离直流故障的能力,但投资费用较大。为有效解决上述弊端,提出一种组合式高压直流断路器,并对其控制时序进行了研究。组合式直流断路器以混合式直流断路器为设计背景,对其主要设备进行重新配置并加以改进,更加适用于多端柔性直流输电系统及直流电网。在保证同等直流故障处理能力的前提下,相比混合式高压直流断路器,其投资成本大幅度降低。为验证组合式直流断路器的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个三端单极直流网络模型。仿真结果验证了组合式直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。     

直流故障下MMC-HVDC的两段式限流保护策略

如何对直流故障电流进行有效抑制是实现柔性直流电网大规模发展的关键。为此，研究模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)的控制方法，提出一种针对半桥型MMC的两段式限流保护策略，通过减少子模块的投入数目来降低换流站直流出口电压，达到限制短路电流的目的。首先，介绍MMC的拓扑结构及基于MMC的高压直流输电(MMC based high voltage direct current, MMC-HVDC)系统控制策略；其次，分析两段式限流保护策略的原理与直流故障电流特性，介绍MMC-HVDC系统的直流故障保护策略；最后，通过双端MMC-HVDC系统仿真实验，对所提限流保护策略的有效性进行验证。仿真结果表明，两段式限流保护策略可以有效降低断路器开断电流和吸收能量，节约成本。     

一种新型的MMC直流故障保护三电平子模块拓扑

MMC的直流短路故障保护直接关系到其在柔性直流输电和直流电网领域的应用。提出一种无需任何附加保护功率器件的具备直流故障清除能力的三电平子模块拓扑。该拓扑利用子模块电容电压来关断续流二极管,从而快速地清除直流短路电流。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了该子模块拓扑的直流故障保护能力。     

具有直流故障自清除能力的新型MMC子模块及其混合拓扑

针对传统半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)在高压大功率领域不能通过换流器自身控制来实现直流故障的阻断问题,提出一种新型的类半桥型(Similarity Half Bridge Sub-Module,SHBSM)子模块拓扑结构。直流侧发生极间短路故障时,需同时闭锁所有IGBT脉冲信号。为降低IGBT触发一致技术要求,进一步提出一种类半桥-半桥混合型子模块,无需所有IGBT同时闭锁。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的类半桥型子模块,类半桥-半桥混合型子模块MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。相比于传统半桥型子模块MMC,类半桥型子模块MMC以及半桥-半桥混合型子模块MMC均无需增加IGBT的投入,即可以实现对直流侧故障电流的有效阻断,因此,具有较好的应用前景。     

MMC直流侧故障有源限流策略

为了避免直流短路故障威胁到模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型柔性直流电网的安全可靠运行,该文提出了一种适用于半桥型MMC直流侧故障的有源限流策略,限制直流短路电流和桥臂电流的峰值及上升速率。首先,该文阐述了故障期间系统控制策略对故障电流的影响,然后通过反馈桥臂电流分别调整差、共模调制波,进而改变上、下桥臂中子模块的数量及分配,达到快速抑制交、直流侧故障电流的目的。其次,推导了考虑有源限流策略下的故障电流解析式,并分析了该限流策略对控制系统稳定性的影响,为有源阻尼参数选取提供理论依据。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建四端柔性直流电网模型,仿真结果表明：有源限流策略不仅能够显著降低直流断路器开断故障电流,且能保证桥臂内器件的安全。     

基于不对称双子模块的混合MMC及其直流故障自清除能力

柔性直流输电技术及能源互联网的迅速发展,大大拓展了电力电子变流技术在电力系统输配电领域的应用。由于柔性直流输电架空线路较常出现瞬时性故障,研究了具有直流故障自清除能力的不对称双子模块结构。首先,详细阐述不对称双子模块的拓扑结构、工作原理和控制方法。在此基础上,详细分析不对称双子模块的直流故障自清除能力,并具体分析计算了不对称双子模块的损耗。然后,针对不对称双子模块损耗高于半桥型模块化多电平换流器(MMC)的问题,提出不对称双子模块和半桥子模块组成的混合MMC系统结构,并给出了两类模块个数的配置原则。最后,利用MATLAB/Simulink仿真软件给出直流侧瞬时故障情况下混合MMC系统的仿真波形,验证了混合MMC系统的直流故障自清除能力。     

风电经混合型MMC-HVDC并网的交直流故障穿越策略

为实现内陆大规模风电的可靠并网,采用高压直流输电技术和架空线路进行远距离电能传输是有效的解决方案。由于架空线易发生线路故障,采用具有故障自清除能力的换流器拓扑是主要解决途径之一。采用混合型模块化多电平换流器来进行风电并网,设计了不依赖于换流站间通信的并网系统交直流故障无闭锁穿越策略。系统无闭锁故障穿越期间并网点交流电压可控,风机可维持正常运行。考虑到故障期间风机持续并网输出功率,设计了耗散电阻和与风机内部斩波电阻相配合的策略,以耗散多余的能量。最后,通过PSCAD/EMTDC的多组仿真,验证了并网系统无闭锁穿越交直流故障及快速恢复的有效性。     

具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）可通过改进子模块拓扑实现对直流故障电流的清除,但大多数子模块不具备电容电压自均衡能力。在全桥子模块的基础上,推导了一种兼具故障电流自清除能力和模块电容电压自均衡能力的新型子模块：移位全桥子模块（OCFBSM）。该子模块由2个全桥子模块通过移位组合构成,正常工作时根据2个电容的连接关系运行在旁路、串联和并联3种状态,可不依赖于外加均压控制自动实现模块内电容电压均衡。发生直流短路故障时,OCFBSM通过将2个电容反向接入故障回路可自动清除直流故障电流。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了OCFBSM在直流故障电流清除和自均压方面的有效性,且故障闭锁后各子模块电容电压均衡,有利于MMC重启。     

风电经双极混合型MMC-HVDC并网的直流故障穿越协调控制策略

架空线MMC-HVDC是大规模风电友好型并网和可靠送出的有效手段。针对架空线故障率高的问题,采用对称双极接线方式和具备故障阻断能力的混合型MMC是其主要解决方案之一。基于此方案提出了风电经双极混合型MMC-HVDC并网的直流故障穿越协调控制策略。通过混合型MMC零直流电压控制实现了故障电流的有效阻断,并维持了故障极MMC对交流电压的支撑能力。基于对称双极接线方案运行方式灵活的特点,根据故障极功率能否被非故障极完全吸收,分别提出了自吸收和非自吸收工况下非故障极MMC的控制策略及其参数调整原则。并基于风电场频率响应能力设计了无需通信的精确减载控制策略,以实现非故障极MMC满载运行,在维持系统安全稳定运行的同时降低对受端交流系统的影响。最后,基于Matlab/Simulink搭建并网系统模型,验证了所提直流故障穿越协调控制策略的有效性。     

具备故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器

高压大容量DC/DC变换器作为未来直流电网中的关键设备,近年来成了国内外关注的热点。文中通过将晶闸管和半桥子模块进行有机组合,提出了一种混合式DC/DC变换器拓扑,通过闭锁子模块和晶闸管实现高低压侧短路故障阻断功能,且具有成本低、效率高的优点。对该拓扑结构的工作原理、故障保护机制、控制策略、参数设计和经济性等方面进行了分析论证。最后,搭建了MATLAB/Simulink仿真模型,仿真结果验证了该拓扑和控制策略的可行性。     

含混合型MMC的四端柔性直流电网改进自适应重合闸策略

柔性直流电网是进行大规模新能源远距离架空线传输的重要技术手段。但架空线比直流电缆更容易发生瞬时性短路故障,待故障消失后需迅速重合闸。若直流电网发生永久性故障,常规基于换流器主动信号注入的故障性质判别方法易对直流电网的稳定运行产生较大干扰。针对上述问题,提出一种基于混合型模块化多电平换流器（MMC）主动信号注入的柔性直流电网改进型自适应重合闸方法,在混合型MMC极控制器中附加主动信号控制,使柔性直流电网在不中断功率传输的前提下实现故障性质辨识。此方法具备较强的耐过渡电阻能力,且不影响柔性直流电网功率传输的稳定性。在PSCAD/EMTDC搭建了混合型MMC四端柔性直流电网的电磁暂态模型,通过仿真验证了该方法在配备混合型MMC和机械式直流断路器的柔性直流电网中的有效性。     

交直流交叉跨越碰线故障分析及处理策略

电网交直流系统混联运行中交流/直流线路交叉跨越现象较为常见,较容易出现交直流线路碰线故障。文中从目前国家电网和南方电网直流输电工程针对交直流碰线故障的两种不同处理方法出发,分析其中隐藏的问题。故障无法切除的情况下南网工程采用的闭锁策略出现闭锁后直流过电压;国网工程采用的闭锁再启动逻辑策略实际上不起作用。在分析交直流碰线故障特征的基础上,提出交直流碰线故障由交流线路保护系统切除故障、直流输电控制保护系统报警的处理策略建议。问题分析及所建议处理策略均采用EMTDC仿真予以佐证,还仿真了不同闭锁策略和多线路同时碰线的情形。     

四端柔性直流电网物理平台研制及实验验证

为了开展直流电网故障传播特性和故障清除策略的实验验证研究,依托张北四端直流电网工程研制了四端柔性直流电网物理平台.该平台采用伪双极系统接线形式,各桥臂通过全桥模块化多电平换流器(modular mul-tilevel converter,MMC)子模块进行级联.在控制器架构方面,平台包括上位机、控制机箱、子模块机箱3级...     

基于损耗分析的全桥型MMC参数优化设计

全桥型模块化多电平换流器(MMC)具有直流故障自清除能力,且在发生故障时能够支撑交流侧电压,特别适用于架空线传输的柔性直流输电系统。但是其损耗大的问题十分突出,制约了其在大功率场合的应用。传统设计方法认为在全桥型MMC正常运行时负电平是无效电平,故而提出一种基于模块输出负电平特性的效率优化设计方法。分析子模块输出负电平时全桥型MMC中各电气量满足的约束关系,推导效率最优的直流电压、交流侧电压以及桥臂子模块数的表达式。该方法能在系统额定功率和开关器件型号确定的条件下,准确求解效率最优的MMC系统设计参数。     

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。