基于IDCB-MMC的混合直流输电系统

提出了一种由集成直流断路器的模块化多电平换流器(modular multilevel converter integrated with DC circuit breaker,IDCB-MMC)和晶闸管换流器组成的混合直流输电系统。在发生直流短路故障时,通过换流器与直流断路器在控制上的配合,IDCB-MMC可以将故障电流的能量转移到并联于直流母线间的能量吸收支路中,从而可以避免使用成本高且占地大的电力电子开关支路。晶闸管换流器则可以通过快速转换到逆变状态实现直流故障电流的清除。对1 000 MW/±320 kV的双端混合直流输电系统中的一极进行了仿真研究。仿真结果表明IDCB-MMC可以有效清除直流短路故障电流,实现系统的自动恢复,结果也验证了由IDCB-MMC与晶闸管换流器组成的混合直流输电系统的可行性。     

集成直流断路器功能的模块化多电平换流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流短路故障电流清除能力是柔性直流输电系统在架空线应用场合必须解决的问题。提出了一种集成直流断路器功能的MMC拓扑结构(MMC integrated with DC circuit breaker,IDCB-MMC)。IDCB-MMC在换流器部分采用了带有双向旁路晶闸管的子模块,在直流断路器部分采用快速机械开关和辅助电子开关串联作为主支路。在发生直流短路故障时,通过换流器部分与直流断路器部分控制方式的配合,可以将故障电流的能量转移到并联于直流母线间的能量吸收支路中,从而可以避免使用成本高且占地大的电力电子开关转移支路来分断故障电流。通过对一个1000MW/±320k V的双端柔性直流输电系统中的一极进行仿真研究,验证了IDCB-MMC可以有效清除直流短路故障电流。IDCB-MMC仅需在常规半桥MMC的基础上增加少量电容和开关器件,以及一个快速机械开关,在成本和占地上相对常规混合直流断路器方案有很大优势。IDCB-MMC在损耗方面也远小于各类具有直流故障阻断能力的改进型MMC拓扑结构。     

基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器的开断能力,降低半导体器件的使用成本,提出了一种基于串联晶闸管强迫过零关断技术的具备双向开断能力的混合式直流断路器拓扑方案。在分析关断过程的基础上,推导了串联晶闸管阀与二极管阀组件反向恢复过程中均压回路的参数设计方法,然后以10 k V样机为例,开展了主支路和转移支路器件选型与参数设计,并搭建了10 k V直流断路器原理样机及其实验回路。研究结果表明：正常运行时,主支路由机械开关和少量的全控型半导体器件串联构成,其损耗较小;在开断电流时,故障电流首先转移至晶闸管阀支路,再通过放电回路注入反向电流迫使晶闸管阀过零关断,最后通过耗能支路吸收系统感性能量。原理样机实现了直流电压10 k V下短路电流峰值为8.8 k A的过零快速关断、且开断时间小于3 ms;转移支路可通过调整半导体器件的串联数量和选型大幅提升直流断路器的电压等级和故障电流耐受能力;串联二极管阀能在大电流关断暂态过程中抑制晶闸管器件的反向恢复过电压,降低晶闸管器件的损坏风险;在混合式直流断路器的换流和关断阶段,无需针对串联的晶闸管器件调整触发时间与匹配参数。综上所述,所提出的混合式直流断路器具有快速直流短路故障清除能力,可以作为未来柔性高压直流输电系统组网的工程实施方案之一。     

具有直流故障清除能力的主动接地式模块化多电平换流器

针对传统半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法阻遏故障电流,以及现有具备故障清除能力的MMC故障清除时间过长的问题,提出一种具有直流故障清除能力的主动接地式MMC拓扑。在传统半桥型MMC基础上,在换流器各相上、下桥臂电感外侧增加电流转移支路,在换流器直流出口增加断流支路和能量吸收支路。当MMC直流侧发生双极短路时,断流支路能够有效地隔离断路器和直流线路,电流转移支路能够消耗交流电流和电感电流,能量吸收支路能够快速清除故障电流。文中对主动接地式MMC的拓扑结构及其实现故障隔离和清除的过程进行详细分析,给出了关键参数的设计和计算方法,并利用RT-LAB OP5607软件搭建双端和四端MMC仿真模型,对比分析可知,所提出的主动接地式MMC能够在十几毫秒内清除故障,在经济性和实用性方面具有很大的优势。     

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。     

采用双电流转移支路的直流电网故障清除策略

为了解决模块化多电平换流器直流故障难以清除的问题,论文提出了一种采用双电流转移支路的直流电网故障清除策略。该策略通过在换流器直流侧增加双电流转移支路和能量耗散支路,使故障期间的故障电流被迫转移到这两个支路中,保证在低压小电流情形下断开故障线路,并可在故障隔离之后迅速恢复电网的正常运行。双电流转移支路安装在直流母线上,采用晶闸管与电容配合的方式起到转移换流器电容放电能量的作用;能量耗散支路安装在直流出线上,通过接地电阻消耗线路电感储存的能量。最后,通过PSCAD/EMTDC验证了所提策略在故障清除和恢复运行方面较优的性能,并与其他直流断路器方案进行对比,体现了其在器件成本和器件数量方面良好的经济性。     

基于主动控制的换流器与直流断路器的协调控制

针对采用直流断路器隔离故障的直流电网,提出了双极短路故障下的直流断路器与换流器协调控制策略。首先经理论推导,建立了双极短路故障时的故障电流表达式,根据表达式中影响故障电流的关键因素,提出了换流器的主动控制策略以减小故障电流。在换流器主动控制策略的基础上,提出了直流断路器与换流器之间的协调控制策略,用以提升直流电网的稳定性。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了四端直流电网仿真模型,仿真结果表明所提出的换流器主动控制策略可以有效减小故障电流,直流断路器与换流器之间的协调控制策略可以在断路器动作后快速提升直流电压,进而提高直流电网的稳定性。     

基于限流器与断路器协调的混合直流输电系统故障隔离方法

为妥善处理混合直流输电系统的故障隔离问题,提出了一种基于限流器和直流断路器协调的故障隔离方法。阐述了限流器和直流断路器的结构与建模思路,设计了两者的时序协调方案。考虑限流器动作和断路器分断各暂态阶段,建立了混合直流输电系统的故障等效电路,理论推导了系统峰值电流、耗散能量和故障清除时间的数学关系。利用PSCAD/EMTDC平台,搭建了320 kV混合直流输电仿真测试系统。仿真比较了不同限流电阻、主断路器延时及故障深度下系统的暂态性能。仿真结果验证了所提方法在抑制短路电流、加速故障隔离与降低断路器耗散能量等方面的积极效应,肯定了其应用于混合直流输电系统的有效性和适应性。     

LCC-FHMMC混合直流输电系统阀侧故障特性及保护策略

送端采用电网换相换流器(LCC)、受端采用半桥与全桥混合型模块化多电平换流器(FHMMC)的LCC-FHMMC混合直流输电系统,在受端发生阀侧单相接地故障时,具有与半桥或全桥型MMC不同的故障特性.分别从交流电源贡献、直流电源贡献以及高低端阀组差异3个角度对阀侧单相接地故障下子模块过电压机理进行了分析.随后,针对FHMMC混合直流输电系统直流侧无直流断路器的特点,提出了一种基于选相型单向晶闸管旁路支路的故障隔离策略,以及适用于LCC-FHMMC混合直流输电系统阀侧单相接地故障的保护策略.最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了相关模型,通过仿真验证了理论分析的正确性以及所提保护策略的有效性.     

多回ＭＭＣ ＨＶＤＣ馈入极弱交流系统的控制策略

随着模块化多电平换流器型直流输电（ＭＭＣ ＨＶＤＣ）工程数量的增多及容量的增大,未来区域电网必将形成多回ＭＭＣ ＨＶＤＣ馈入弱交流系统的场景。本文深入研究了这类场景下的控制策略。为了使ＭＭＣ换流站具有同步发电机一样的特性,提出了一种模拟同步发电机的控制方法。该控制方法包含３ 个控制环,分别为有功功率 频率环、无功功率 电压环和电流内环。其中,利用有功功率 频率环来模拟同步发电机的摇摆过程,利用无功功率 电压环来模拟同步发电机的励磁系统,并采用电流内环来限制故障电流和提高ＭＭＣ响应速度。针对多ＭＭＣ ＨＶＤＣ馈入系统,提出了动态功率分配控制。该控制不仅能够在换流站间精确分配功率,而且可以起到二次调频的作用。在ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ软件中搭建了改进的３ 机９ 节点模型,验证了本文所提控制策略的有效性     

海上风电混合级联直流输电系统直流短路故障分析与隔离

针对海上风电混合级联直流输电系统三种典型的直流短路故障造成系统整体停运问题,提出一种利用模块化多电平换流器进行故障隔离的方法,来提升系统运行的可靠性和灵活性。首先,对海上风电混合级联直流输电系统进行潮流分析,介绍其控制策略。然后,分析系统的直流故障特性,为了隔离直流短路故障电流,以自阻型模块化多电平换流器为例进行隔离策略分析和子模块冗余设计。最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建海上风电混合级联直流输电系统的仿真模型,仿真结果表明了本文提出的直流短路故障分析的正确性和隔离策略的有效性。     

高压直流断路器

正高压直流断路器利用电力电子器件开断直流回路,快速清除直流故障,对柔性直流输电系统的稳定、经济运行具有重要作用。桥式整流型混合式高压直流断路器由主通流支路、分断支路和耗能支路组成,利用IGBT分合控制,配合耗能组件实现大电流切除。2020年6月投运的张北柔性直流电网工程采用了世界上电压等级最高(±535 kV)、     

并联型MMC-MTDC系统直流故障特性分析及保护策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)多用于基于高压直流输电(high voltage direct current transmission,HVDC)的多端输电系统。针对该系统中直流电缆或架空线路的意外短路或断路故障,影响输电线路和换流站安全的问题,提出一种基于三端电压裕度控制下的旁路晶闸管和直流侧IGBT断路器(IGBT-Circuit Breaker)的混合保护方案。分析了子模块闭锁前直流电流超调的数学模型及故障机理,根据直流短路电流的峰值及上升时间动态特性,选取了MMC的参数。利用仿真软件PSCAD/EMTDC对控制方法及保护策略的效果进行验证,结果表明剩余系统主站切换及时,能够持续隔离发生永久故障的线路,使得其余线路继续运行,实现了系统直流故障时及时保护,提高了系统稳定性。     

柔性直流输电系统贡献交流短路电流的特性分析及计算方法

柔性直流输电系统(VSC-HVDC)接入交流系统将会对交流系统短路电流造成影响。基于柔性直流输电系统的拓扑结构特点及其控制系统的调节特点,分析了柔性直流输电系统贡献短路电流的特性和机理,提出了交直流混联系统中柔性直流输电系统贡献短路电流的数学模型和计算方法。柔性直流输电系统贡献的短路电流为同短路点相连的全部VSC换流器贡献的三序短路电流和的叠加,其中正序和负序短路电流受到其电流内环控制器调节可以得到限制,而零序短路电流主要由交流电网和换流变电网侧(Y接侧)等组成的零序网络决定。通过仿真计算和厦门柔性直流输电工程实际短路故障波形,验证所提出的柔性直流输电系统贡献短路电流特性分析的正确性。     

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。     

适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究

针对海上风电并网的需求,提出了采用VSC换流器连接海上风场和弱受端交流系统,LCC换流器连接较强交流系统的混合多端直流输电系统拓扑结构,并对一个混合5端直流输电系统进行了详细研究。分析了5个换流器的电压电流控制特性,设计了直流系统控制策略,研究了系统在风速波动、逆变侧VSC和LCC分别出现三相短路故障以及直流线路故障时系统的动态响应特性,仿真结果表明所提出的混合多端直流输电系统具有较好的运行特性,可以适应海上风电并网的需求。     

一种新型电容换相混合式直流限流器

采用半桥型模块化多电平换流器的直流电网面临直流故障清除难题,高压直流断路器面临切除时间和切除容量的矛盾。为此,该文提出一种适用于抑制直流侧故障电流的混合式故障限流器(hybridFCL)拓扑,并提出限流效果评价指标。具体而言,该限流器在稳态时负载电流通过低损耗支路通流,故障后通过负载转换开关使故障电流通过限流支路。限流支路是由晶闸管、换相电容和限流电感组成的H桥电路,其目的在于使用半控型电力电子器件节约投资,利用电容充放电来实现特定桥臂的导通和关断,最终使限流电感串联进入放电回路达到限流目的。对所提限流器工作原理、控制模式、电气应力和工程设计进行详细研究和仿真验证,表明所提出拓扑具备良好的工程应用前景。     

±500 kV双端柔性直流架空输电系统中混合式直流断路器重合闸操作暂态特性

±500 kV柔性直流输电系统采用架空线路输电方案时,输电线路出现暂时性短路事故的概率激增,需采用断路器实施重合闸以保障系统的可靠运行,目前直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)重合闸时的暂态操作特性尚不清楚。本文建立了含换流站关键设备和混合式高压直流断路器在内的双端±500 kV伪双极柔性直流架空输电系统模型,研究了柔性直流输电系统单极暂时性对地短路故障发生后,混合式直流断路器开断至重合闸过程的电磁暂态特性以及直流断路器关键参数对其开断和重合闸特性的影响。仿真分析表明直流断路器能够在5 ms内切断该故障;由于换流阀不闭锁,断路器开断后换流变阀侧电流未降至0。150 ms故障去游离时间后断路器可在4 ms内重合闸,换流变阀侧电流和极线电压将在200 ms内振荡上升至额定运行工况。此外,随着RCD支路电容C增大,断路器关断性能降低,而断路器重合时固态开关支路与机械支路电流转移速率则与RCD支路的电容C无关。研究成果可为±500 kV柔性直流架空输电线路断路器性能校验提供相应的数据参考。     

柔性直流输电故障快速清除系统及其用直流断路器

目前的柔性直流输电系统无法实现直流侧短路故障的清除,导致故障时所有换流站长时间停运。为解决该问题,提高系统可靠性,通过对系统故障电流的产生机理及直流开断原理的研究,以及直流断路器转移回路参数对开断性能影响的仿真分析;提出了一种开断电流500 A的机械式直流断路器及使用该断路器快速清除故障的方法;并搭建低频振荡试验回路验证直流断路器的开断性能。试验结果显示:文中提出的直流断路器稳定开断500 A直流电流,并使用该断路器的故障清除方法能够有效地缩短系统恢复时间,提高了系统稳定性,保证了电能质量。     

一种含卸能电阻的直流断路器的参数设计及性能分析北大核心CSCD

为了防止柔性直流输电系统在双极短路故障下过大的短路电流损坏输电系统,且考虑到过大的短路电流也会损坏断路器的避雷器,文中提出了一种可开断故障电流且有效减小避雷器吸能的直流断路器。利用PSCAD搭建了含卸能电阻的直流断路器模型和三端±350 kV柔性直流输电系统模型。在双极短路故障下,通过仿真对比分析了此模型与理想直流断路器模型和不含卸能电阻的直流断路器模型的区别。文中发现,含卸能电阻的直流断路器与理想直流断路器相比更容易切断故障电流,与不含卸能电阻的直流断路器相比有效减小了避雷器吸能。并且,通过仿真分析了使用不同参数的直流断路器的系统直流侧电流、电压波形,从而优化含卸能电阻的直流断路器的参数。