三端MMC-HVDC换流站直流母线双极短路故障特性分析

对于柔性直流输电系统的双极短路故障问题,以三端基于模块化多电平换流器的高压柔性直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current transmission,MMC-HVDC)为研究对象,阐述了MMC的工作原理及其直流母线主要故障类型,分析了换流器内部直流母线双极短路故障特性及短路电流计算方法,并搭建基于PSCAD的三端MMC-HVDC系统,对其直流母线故障进行仿真分析。仿真结果表明,当发生直流母线双极短路故障时,直流电压骤降,直流侧电流、交流侧电流和桥臂电流激增,严重影响三端MMCHVDC系统的安全稳定运行。     

基于对称双极接线的全桥型MMC-HVDC直流侧短路故障穿越控制 方法

基于模块多电平换流器的高压直流输电技术(High Voltage Direct Current Transmission Technology Based on Modular Multilevel Converte, MMC-HVDC)因开关频率低、运行损耗小及易于扩展多端网络等优点被广泛应用。直流侧短路故障因短路电流大,故障电流上升速率快且难以抑制,对MMC-HVDC的发展造成了严重困扰。提出一种MMC-HVDC直流侧短路故障穿越控制方法,该方法基于对称双极接线的全桥型MMC-HVDC,且在直流侧采用高阻接地及金属回线,在发生直流侧短路故障时利用全桥型模块多电平换流器及时反转输出直流电压极性,实现故障电流抑制。同时利用金属回线构建成新的功率回路,快速恢复故障期间的有功功率传输。所提出的故障穿越策略,可以有效消除MMC-HVDC系统在发生直流侧短路故障时换流设备受到的故障电压及电流应力,同时避免换流器闭锁,防止功率缺失。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证了所提出的直流侧短路故障穿越控制方法的有效性。     

适用于交流保护整定的MMC-HVDC接入母线故障等效模型

模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统接入电网后将对交流系统短路电流产生影响,但目前交流保护整定计算通常忽略MMC-HVDC接入母线故障时模块化多电平换流器对短路电流的贡献。文中以交流保护整定计算为出发点,提出了MMC-HVDC系统简化分析原则。在分析MMC-HVDC系统控制特性的基础上,建立了适用于交流保护整定计算的MMC-HVDC等效模型,提出MMC-HVDC接入母线故障时可以将直流侧等效为一个正序电流源。研究了MMC-HVDC接入母线故障时不同故障点残压下MMC-HVDC直流侧响应特性,确定了等效电流源的幅值和相位,并进行了仿真验证。最后,提出了MMC-HVDC对交流保护整定计算影响的定量评估指标及其计算方法。     

基于改进时域法的多端MMC-HVDC故障电流计算

为解决基于模块化多电平换流器 (modular multilevel converter,MMC) 的柔性直流输电 (high voltage direct current,HVDC) 故障电流解析计算精度不足的问题,提出一种计及远端站影响的多端MMC-HVDC故障电流改进时域求解法。首先,在分析故障后子模块电容放电路径的基础上,推导换流站等效电容值等系统参数,建立MMC-HVDC系统故障后网络等效模型。其次,将直流电网各换流站解耦,以故障后各支路电流近似解为初值,逐次修正计及远端站影响的多端MMC-HVDC线路等效电阻及等效电感,得到多端MMC-HVDC系统中各支路的故障电流值。最后,基于RT-LAB仿真平台搭建四端柔性直流电网模型,对故障电流计算值与详细电磁暂态仿真结果进行对比。结果表明,所提故障电流求解方法能够准确、有效地计算出多端MMC-HVDC短路故障后各支路电流值,最大误差小于5%。     

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。     

考虑放电耦合的MMC-HVDC系统直流线路单极接地故障电流的计算方法

直流线路单极接地短路故障是基于模块化多电平换流器的高压直流输电（modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC）系统中最常见的故障类型,分析其故障特性、掌握故障电流水平对于继电保护的设计及相关参数的优化具有重要意义。作为分析基础,首先分析并得出MMC直流侧故障电流表达式,然后重点针对金属回线单侧接地方式的MMC-HVDC系统,分析了直流线路故障后的故障点两侧系统在接地电阻上的耦合作用,根据耦合作用的产生原因及本质提出了等效解耦方法,从而得出一种针对单极接地故障电流的实用计算方法。通过对比所提方法与PSCAD/EMTDC的电磁暂态仿真结果,验证了所提计算方法的正确性。     

考虑线路电容的MMC-HVDC系统 直流接地故障电流计算方法

研究模块化多电平换流站直流侧故障的暂态特性,对直流系统保护配置的设计、系统参数的优化等有重要的工程意义。考虑直流线路对地电容的影响,提出了一种直流侧单极接地故障电流计算方法。首先对直流线路进行π型等效处理,分析了MMC-HVDC系统在三种不同接地方式下的直流侧单极接地故障电流的产生机理。对不同接地方式下的换流站进行数学建模,基于基尔霍夫定律建立系统的微分方程,通过Matlab求解系统的故障电流。基于PSCAD/EMTDC仿真平台,建立MMC-HVDC直流系统模型。仿真结果验证了故障电流算法的精确性。     

向无源网络供电的MMC-HVDC送端交流故障穿越策略

向无源网络供电的模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统的送端交流系统发生故障时,功率传输的不平衡会使MMC-HVDC直流电压严重跌落直至系统崩溃。首先分析了送端交流系统发生故障时MMC电容放电的机理,然后设计了一种向无源网络供电的MMC-HVDC送端交流故障穿越策略,该策略的核心思想是在送端故障期间降低无源网络吸收的功率从而使MMC-HVDC直流侧功率尽量平衡。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了向由感应电动机和静态特性负荷组成的无源网络供电的MMC-HVDC系统,验证了送端系统故障时MMC电容放电机理。仿真结果表明,在所设计的故障穿越策略的作用下,MMC-HVDC在送端交流系统故障期间能够遏制直流电压跌落而保持稳定运行,提高了系统的故障穿越能力。     

基于MMC的多端直流电网双极短路故障电流计算

直流侧故障切除能力是衡量直流输电系统的重要指标。针对子模块采用半桥拓扑的模块化多电平换流器(MMC)直流侧发生双极短路故障的机理进行分析,定量研究了影响故障电流峰值的主要因素;并将结论延伸至多端直流电网,提出了不同电网拓扑和不同位置发生故障后10 ms内各换流站出口、线路电流的计算方法;在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建三端电磁暂态仿真模型,并将故障电流计算结果与仿真结果进行对比验证,结果表明所提计算方法具有一定的精度和速度,对直流电网规划、直流断路器选型具有一定的指导意义。     

交流系统短路故障下MMC对短路电流的影响及抑制策略

基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统(MMC-HVDC)接入交流系统可能会对交流断路器清除短路故障造成影响。基于MMC的拓扑结构和控制策略,分析了交流系统短路故障下MMC对交流断路器的影响。然后,研究了交流系统发生对称短路故障时,MMC的运行工况对短路电流的影响,发现MMC对短路电流的贡献主要来源于MMC向交流系统注入的无功功率。接着,研究了交流系统发生非对称短路故障时,MMC在不同运行工况下贡献的三序短路电流的计算方法,得出MMC阀侧零序和负序电流为0,阀侧正序电流是三相对称的且大小由运行工况决定的结论。最后,提出了交流系统对称短路和非对称短路故障下抑制MMC贡献的短路电流的控制方法,并通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所得结论的正确性以及控制方法的有效性。     

直流电网输电线路短路故障的单端化近似解析计算方法

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)是消纳可再生清洁能源,构建直流电网的核心技术。输电线路短路故障是直流电网常见故障,其故障电流水平影响着直流电网关键设备的参数设计。以张北直流电网为对象,通过网络开环、健全极开路、接地支路独立化和戴维南等效等方法,逐步解耦降阶,建立了去耦合的单端口简化模型。提出了直流电网短路故障的单端化近似解析计算方法。所提计算方法在PSCAD/EMTDC仿真平台上得到了验证,对故障电流影响因素分析和故障电流水平抑制具有参考意义。     

MMC-HVDC系统换流器桥臂短路故障暂态特性分析

桥臂短路故障是模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统中的严重故障。在换流器不闭锁和闭锁这2种情况下对桥臂短路故障的暂态特性进行分析:针对换流器不闭锁的情况,对两端换流器的桥臂电气量暂态特性进行较为全面的阐述,重点分析了桥臂短路电流的组成;针对换流器的闭锁情况,建立了桥臂短路电流通路的电路模型,推导了桥臂短路电流的解析表达式,分析了系统交直流侧电压电流的动态变化过程并给出了桥臂短路故障的保护配置方案。基于PSCAD/EMTDC搭建双端MMC-HVDC仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和保护配置的有效性。对桥臂短路故障暂态特性进行分析可为MMCHVDC系统换流器保护区的保护配置方案提供参考。     

MMC-HVDC直流极保护对启动过程故障的适应性研究

目前国内外对基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)直流极保护原理与保护定值的研究均针对系统正常运行方式,鲜有针对启动过程的适应性分析。对MMC-HVDC系统启动动态过程进行了理论描述,详细分析了启动过程发生直流双极短路与单极接地故障时的故障特性。针对MMC-HVDC系统典型直流极保护,研究了启动过程故障与正常运行阶段故障时保护特征量的差异以及典型保护对启动过程故障的适应性。基于MMC-HVDC的详细电磁暂态模型,仿真启动过程和正常运行阶段发生双极短路与单极接地故障,验证了启动过程故障特性分析及典型保护对启动过程适应性分析的正确性,并对保护整定计算提出了新的建议。     

基于MMC的多端直流电网通用计算方法及拓扑优化研究

针对现有直流电网直流侧短路简化计算方法普遍不适用于对称单极接线系统及短路故障后故障电流急剧上升导致换流站闭锁的问题,提出了适用于对称单、双极接线方式直流电网的通用计算方法和直流电网拓扑优化方法。首先,分析了不同接线方式下的直流电网直流侧单、双极短路故障特性。其次,基于阻抗频率特性提出了适用于不同接线方式直流电网的故障电流计算方法,并得到了评价故障电流水平的简化指标,有效地评估直流电网拓扑变化时的故障电流水平,实现多端系统的拓扑优化,降低单极接地故障电流水平。最后,通过电磁暂态仿真案例验证了所提计算方法和简化指标的准确性和有效性。     

混合型MMC非闭锁型直流故障穿越的故障等效模型

由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)相比于全桥型MMC能够在降低成本的同时具备直流故障穿越能力,直流故障暂态分析是混合型MMC器件选型和配比设计的基础。为分析混合型MMC直流侧故障的暂态特性,文中建立额定运行状态和降压运行状态下发生极间短路的混合型MMC非闭锁型直流故障穿越过程的故障等效模型;分析了直流故障穿越期间混合型MMC各桥臂子模块的动态投切过程,将非闭锁型直流故障穿越控制策略切换前的暂态过程等效为不可控的子模块电容放电过程,将控制策略切换后的暂态过程等效为带有电感初始储能和反向电压源的限流过程;给出了直流侧短路电流的解析计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了文中模型和计算方法的有效性,能够为混合型MMC的优化设计提供参考。