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。     

新型四电容组合的半桥MMC子模块拓扑

随着模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在柔性直流输电工程的广泛应用,架空线路的直流侧短路故障频发,如何快速清除故障电流成为柔直工程中亟待解决的关键问题之一。传统的半桥子模块拓扑缺乏对直流侧故障清除的能力,而全桥子模块拓扑可以通过输出负电平来清除故障电流,但是其投资成本较高。基于此,在半桥子模块的基础上,提出了一种四电容组合的半桥子模块(four capacitor combined half bridge sub-module,FCC-HBSM)拓扑。FCC-HBSM通过4个半桥级联组成一个四电容的子模块,不仅可以快速有效地清除直流故障电流,还能够自均衡故障前后的电容电压。并且,相较于一些其他改进型子模块拓扑,所提子模块拓扑具有更简单的控制方式,同时减少了功率器件的数量,能够进一步降低换流站的建设成本。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,FCC-HBSM具有良好的直流故障清除和保持故障前后电容电压均衡的能力。     

一种具备直流故障清除能力的新型MMC子模块拓扑

当基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流线路发生短路故障时,传统半桥子模块存在无法通过闭锁阻断直流故障电流的问题.对此,提出一种具备直流故障清除能力的基于半桥的五电平新型子模块(FLHBSM)拓扑.FLHBSM与传统半桥子模块具有相同的控制结构,并具备了直流故障清除能力.相比其他具备...     

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。     

具备故障电流对称清除能力的双向开关钳位式全桥子模块

实现对直流侧故障的快速隔离与穿越是基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流输电系统亟需解决的问题。在对现有子模块进行归纳与改进的基础上,提出了一种双向开关钳位式全桥子模块(bidirectional switch clamped full bridge sub-module,BCFSM),该子模块具备直流短路故障电流对称清除能力,闭锁后可引导故障电流对桥臂内所有电容进行串联充电,从而快速清除故障电流并保证闭锁期间桥臂内电容电压的均衡。同时,由于双向开关兼具钳位与旁路通道作用,与其他具备故障穿越能力的子模块相比,BCFSM具有良好的经济性。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,BCFSM-MMC可快速清除直流短路故障电流,且能够快速重启,具有高直流故障穿越可靠性的同时降低了换流站的建造与运行成本。     

适用于直流配网的故障自清除型电力电子变压器

基于MMC-ISOP电力电子变压器结构的直流配电系统发生中压直流母线双极短路故障后,若采用常规半桥型MMC子模块,交流母线会与故障点构成三相短路而产生较大故障电流损坏功率器件,后级ISOP变换器输入侧若采用直接串联方式同样无法避免输入电容对地放电问题。提出具有故障电流自清除能力MMC子模块拓扑,未提高器件数量、电容耐压等级,且保证了阻断能力。提出DAB变换器输入侧混合串联型ISOP拓扑,可有效切断故障后电容放电通路,降低电容电压应力及电感电流脉动,缩短故障后系统恢复时间。利用Simulink软件搭建了直流配网稳态及故障状态仿真模型,仿真结果验证拓扑结构有效性及理论分析准确性。     

基于混合子模块的MMC故障阻断及谐波特性分析

针对模块化多电平换流器(MMC)所存在的直流侧故障无法自清除的问题,许多新型的子模块拓扑在原有半桥型子模块(HBSM)的基础上进行调整修正,利用其自身的拓扑特点,在直流侧发生短路故障时通过使短路电流给子模块电容充电的方法实现故障电流的快速阻断。在研究了众多新型子模块拓扑的基础上,设计了电流阻断能力较强的新型子模块。并考虑了损耗特性,采用新型子模块与HBSM结合的混合拓扑结构,从调制策略到谐波特性以及故障阻断性能进行了分析。推导了各次谐波电压幅值的表达式,并通过仿真验证了其准确性与实用性。     

基于新型子模块的MMC实验系统设计

提出一种新型子模块拓扑,该子模块不仅具备直流故障电流阻断能力,同时还具备内部电容之间的自均压能力。对于同等电平输出的不同子模块拓扑,该子模块仅需一半的电容电压测量装置,不仅降低了应用成本,还减轻了控制器排序算法压力。实验结果表明,该子模块能够快速清除直流侧故障电流,同时在正常及故障工况下,该子模块内部电容电压都能保持较好的均衡。     

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。     

并联全桥子模块MMC直流故障抑制性能仿真分析

基于并联全桥子模块(P-FBSM)的模块化多电平换流器(MMC)因具备良好的自均压能力和电流通流能力在高电平应用领域得到重视。目前针对P-FBSM-MMC的研究侧重于其自均压特性,而对直流故障阻断机理分析较少。文章为研究P-FBSM-MMC系统在发生直流侧双极短路情况下的故障电流抑制能力和恢复能力,首先分析PFBSM-MMC在发生直流侧双极短路故障时的故障电流通路,然后利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建21电平PFBSM-MMC和半桥子模块(MMC)仿真模型,分析了P-FBSM-MMC在直流侧双极短路故障情况下的故障电流、直流侧电压以及故障恢复能力。通过与HBSM-MMC仿真结果对比验证得出结论:P-FBSM-MMC在发生直流侧双极短路故障情况下通过闭锁所有IGBT能够有效抑制故障电流,且直流电压能在解锁IGBT后的较短时间内恢复到额定值,对未来P-FBSM-MMC的研究有较大参考价值。     

混合型MMC非闭锁型直流短路故障穿越策略分析和比较

针对半桥/全桥子模块和半桥/单极性全桥子模块这2类混合型模块化多电平换流器(MMC)的非闭锁型直流短路故障穿越问题,首先提出了满足故障穿越要求的2类混合型MMC的最优子模块配比方案.其次基于恒定可控MMC总能量控制,提出了混合型MMC非闭锁型直流短路故障穿越控制策略,使混合型MMC在故障穿越期间具备无功补偿及子模块电容电压均衡的能力.最后从故障穿越效果及代价等方面,对这2类混合型MMC非闭锁型直流短路故障穿越策略开展了对比分析,为混合型MMC及非闭锁型直流短路故障穿越策略在柔性直流输电工程中的应用提供借鉴与参考.     

基于MMC的中压直流配电网极间短路故障保护策略

近年来基于模块化多电平换流器(MMC)的直流配电网得到快速发展,但因其直流线路极间短路电流上升速度快,电力电子器件耐流能力差等原因,直流侧故障保护成为了亟需解决的问题。针对这一问题,考虑半桥型MMC(HBMMC)和全桥型MMC(FBMMC)2种不同的拓扑结构,分别分析中压直流线路极间短路情况下的故障特性并推导了故障电压电流的解析表达式。对于HBMMC提出一种桥臂限流模块和直流断路器配合的保护策略,解决了故障电流衰减缓慢和稳态电流过大的问题,降低了对直流断路器开断能力的要求。利用FBMMC子模块的故障电流自清除能力,提出一种改进的基于换流器解锁的快速恢复保护策略,减少瞬时性故障的系统停运时间。最后结合实际工程参数,在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了保护策略的有效性和实用性。     

一种具有故障阻断能力的改进混合型半桥MMC

为克服半桥模块化多电平换流器(MMC)直流侧短路后无法阻断故障电流这一缺点,提出一种具有故障阻断能力的改进混合型半桥MMC,依靠改进半桥子模块的故障阻断能力配合相应辅助电路实现故障电流转移与阻断。分析了直流双极短路故障下改进混合型半桥MMC故障阻断的动态过程,设计了关键器件的参数选择方法,并对比了该拓扑的经济性,与传统半桥MMC相比,改进混合型半桥MMC无需增加开关器件使用,仅增加晶闸管、二极管和1个机械开关,且通态损耗很低。最后,搭建双端51电平改进混合型半桥MMC直流输电模型对所提拓扑的故障阻断能力进行验证,仿真结果表明,所提改进混合型半桥MMC拓扑能够在几十ms内清除直流故障,具有良好的实用性和经济性。     

兼具开路故障诊断能力的MMC电容电压测量方法

模块化多电平换流器在高电压等级、大输送容量场合的应用中,各桥臂大量子模块的电压需要实时采集并维持在允许范围内,但电压传感器配置数量的增加影响了系统的经济性与可靠性。为解决以上问题,提出了一种基于电容电压预估和组电压测量的子模块电容电压测量方法。该方法对桥臂子模块进行了分组,每组仅配备一个电压传感器,从而使传感器数量得以减少。在该测量方法基础上提出了一种子模块开路故障诊断策略,通过比较电压实测值与预估值完成开路故障的快速诊断,并且对传感器设置了故障冗余,在传感器发生故障的情况下系统仍能保持稳定运行。基于PSCAD/EMTDC搭建了21电平基于模块化多电平换流器的高压直流仿真系统。仿真结果表明,所述方法具有与传统方法近似的测量精度,同时能在较短时间内诊断子模块开路故障与传感器故障。     

Short‐circuit current calculation and performance requirement of HVDC breakers for MMC‐MTDC systems

To evaluate the performance requirement of high‐voltage direct current (HVDC) breakers for modular multilevel converter (MMC)‐MTDC (multi‐terminal high voltage direct current) systems with high efficiency, the equivalent model for calculating the maximum short‐circuit current is presented in this paper. First, the short‐circuit current is decomposed into the steady‐state component and the fault component according to its physical dynamics. Second, the steady‐state component is determined by solving the direct current (DC) network; the fault component is calculated by an equivalent network in which the converters are replaced by a reactance, a resistance, and a capacitance in series. Then, the complete procedure for evaluating the performance requirement of HVDC breakers is described based on short‐circuit current calculation. Verifications have been carried out based on a three‐terminal 800 MW/±400 kV bipolar MMC‐MTDC system. The results show that the proposed methodology is efficient and effective. Lastly, based on the same system, the performance requirement of HVDC breakers and the influence by the sub‐module (SM) capacitance and the smoothing reactor have been studied with the proposed methodology. © 2015 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

含MMC的交直流输电系统短路电流统一求解方法

针对含模块化多电平换流器(MMC)的交直流输电系统短路电流水平校核问题,在考虑MMC的运行方式和控制系统的基础上,建立了MMC交流侧故障模型。在对比分析了同步机电源和MMC输出短路电流的机理后,通过近似求解并网点(PCC)处电压将MMC交流侧故障模型简化为电流源模型以实现PCC处电压和MMC输出电流之间的解耦。对支路进行合理编号并筛选出电源支路和待求短路电流所在无源支路,基于电网络理论将联络节点构成的无源网络用混合参数表征,经推导得到了含MMC的电网短路电流计算的统一求解方法。不同工况下的仿真结果表明,通过建立各控制策略下的MMC交流侧故障模型,所提算法能准确统一求解不同MMC交流侧故障下的短路电流,可用于含MMC的交直流输电系统的设备选型和保护系统设计。     

基于MMC的光伏直流升压并网系统故障分析及限流控制策略

基于模块化多电平换变流器(modular multilevel converter, MMC)的光伏直流升压并网系统为大容量并网提供了更多的可能。而光伏升压系统直流侧发生故障时暂态过程复杂,故障电流上升迅速且峰值过高。针对此问题,首先对系统直流侧双极短路故障时的直流升压变换器与MMC换流站进行了故障过程分析,并通过故障回路分别计算出了可靠闭锁下流经短路点的故障电流。然后针对MMC换流站的故障电流,依据其控制原理,提出基于电压变化的主动限流控制策略。该控制通过引入电压变化量动态改变桥臂参考电压,从而限制故障电流。最后通过PSCAD仿真模型验证了故障分析结果与限流效果,经检验,该控制策略可以有效减小断路器的开断电流以及桥臂过流峰值。     

基于桥臂电压控制的MMC直流短路主动限流方法

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电系统直流短路后电流上升迅速且伴随大量的能量释放,为限制其故障电流,提出一种基于桥臂电压控制的MMC主动限流方法.根据故障电流影响因素分析,针对不同交流出口特性需求,设计了故障期间桥臂电压控制方法,通过减小桥臂电压直流...