MMC-UPFC单相接地故障下运行特性分析及整体保护策略设计

基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器(MMC-UPFC)是目前最全面的柔性交流输电系统(FACTS)设备,具有广阔的研究前景。但当线路发生接地或短路故障时,MMC-UPFC串联变换器可能承受过电压和短路电流的冲击而导致烧毁。结合国内外研究现状,为弥补研究空白,该文首先介绍了MMC-UPFC的基本结构,针对交流系统故障,通过分析MMC-UPFC装置在交流母线上发生单相接地故障情况下的运行状态,分析其故障特性,提出定义比例参数k,并合理选择k的值,可以使故障接地电流为0,并能保持故障线路的持续运行。针对站内故障,根据MMC-UPFC本身的拓扑结构特点及并联侧、串联侧不同的交流侧结构,提出将并联侧及串联侧分区进行保护,设计了装置的整体保护配置方案,并研究了与交流系统上其他保护的配合运行,为实际工程提供参考。然后,结合PSCAD软件搭建模型进行仿真分析。最后,以220 kV南京西环网UPFC项目中人工短路实验进行分析,验证所提故障运行特性和保护配置方案的合理性和可行性。     

基于限流电抗器的统一潮流控制器故障渡越策略及其与保护的配合

详细分析了基于模块化多电平换流器(MMC)的统一潮流控制器(UPFC)接入线路发生故障时的UPFC本体响应特性,提出一种基于限流电抗器的UPFC故障渡越策略。通过限制经过直流母线的故障电流,可使得UPFC外部故障期间并联侧MMC不闭锁,从而实现故障渡越。在此基础上,研究并提出了UPFC故障渡越策略与线路距离保护的协调配合方案,可有效解决UPFC接入后对线路距离保护的不利影响。通过PSCAD/EMTDC进行了大量仿真试验,验证了所提策略和方案的有效性。     

MMC-UPFC不同接地设计的故障特性及对本体保护配置影响

根据MMC-UPFC示范工程的实际需要,提出3种可行的交流侧接地方式:仅并联变阀侧中性点经大电阻接地、仅串联变阀侧中性点经大电阻接地及仅并联变阀侧中性点经小电阻接地。结合示范工程系统参数与实时数字仿真(RTDS)实验,详细分析了不同接地方式对故障特性与保护配置的影响,重点讨论接地点位置对串联变网侧单相接地故障及对应保护配置影响,以及接地电阻阻值对阀侧短引线单相接地故障、换流器桥臂单相接地故障及相应保护配置影响。最终得出仅并联变阀侧中性点经大电阻接地为较优的MMC-UPFC接地方案。     

基于MMC的统一潮流控制器交流侧故障特性及保护方案

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的统一潮流控制器(unified power flowcontroller,UPFC)是适应高压大容量输电的高度可控型灵活交流输电系统装置,其交流侧结构特点突出,故障影响不容忽视,对保护要求高。为此介绍了基于MMC的UPFC整体结构及工作原理,分析了交流侧几种典型故障的故障特性,考虑阀控制的影响。结合MMC-UPFC示范工程,指出变压器阀侧短引线单相接地故障过流程度低,差动保护可能灵敏度不足,并且,串联侧变压器网侧绕组直接串接在交流系统中,传统差动保护仅利用一端电流无法可靠反应绕组两侧的故障。针对上述问题,提出阀侧短引线差动保护采用两段式比率制动特性,以及利用网侧绕组等效电流并增加绕组差动的辅助判据构成改进的串联变压器差动保护,并且保证交流侧保护配置与阀控制保护协调配合。结合RTDS实时数字仿真结果,验证了保护方案的可行性。     

基于分裂电感的限流式MMC-UPFC

为了降低交流系统短路故障给基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器(MMC-UPFC)带来的大电流冲击风险,保障电力电子设备的安全运行,提出了一种基于分裂电感的限流式MMC-UPFC。通过对桥臂电感的分裂设计和串联变压器阀侧晶闸管旁路开关空间配置的调整,实现换流器的快速保护和故障电流的有效限制。详细地阐述了该拓扑结构的限流原理,并进行了关键参数的优化设计。通过PSCAD/EMTDC软件对所提限流式MMC-UPFC拓扑结构进行建模仿真与分析,仿真结果证明了该拓扑结构具有灵活的潮流调节特性和显著的故障限流能力。     

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。     

柔性直流输电系统交流侧线路继电保护适应性研究

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电（MMC-HVDC）系统运行控制特性与常规直流输电（LCC-HVDC）差别较大,其对交流侧继电保护的影响也不同于LCC-HVDC。基于MMC换流站控制器的动态响应特性,推导了交流电网故障下MMC逆变站交流侧短路电流表达式,分析了逆变站输出短路电流幅值、相位特性与MMC控制方式之间的关系;在此基础上,提出了基于MMC控制方式的等效矢量分析方法,直观刻画了保护电气量之间的相位关系。通过推导故障电气量及保护动作方程,分析了逆变站在不同控制方式下纵联电流差动保护、距离保护和零序电流保护的动作特性,明确了MMC对交流侧继电保护的影响范围,所得结论为MMC-HVDC交流侧线路保护的配置及整定提供了参考依据,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了理论分析的有效性。     

考虑Chopper动作的双馈风电机组三相短路电流分析

直流母线并接直流卸荷电路(Chopper)以保护转子侧变频器(RSC)是一种较常用的双馈风电机组低电压穿越改造方案。目前对称故障下双馈风电机组短路电流特性研究以故障后投入撬棒(Crowbar)电阻为主,Chopper动作下双馈风电机组短路电流特性研究几乎没有,故而难以分析其作用下双馈风电机组短路电流特性对系统中保护动作可靠性和设备安全的影响。类比双馈风电机组故障后投入Crowbar电阻的分析思路——转子回路串入电阻,通过分析对称故障后Chopper动作下的转子电流回路,将被闭锁的RSC和Chopper等效为可变电阻,分析了该等效电阻阻值随电压跌落程度和故障前转差率的变化规律。根据故障后双馈感应发电机的磁链、电压关系,通过数学解析得到Chopper动作下对称短路电流解析表达式。在MATLAB/Simulink中搭建配置Chopper的双馈风电机组模型,仿真验证了该表达式的有效性。     

MMC-UPFC接地设计及其站内故障特性分析

统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)是一种能够独立、快速、精确、连续控制系统电压和潮流的第3代FACTS装置,基于模块化多电平(modular multi-level converter,MMC)的UPFC(简称MMC-UPFC),更加适合高压大容量的输电领域。根据MMC-UPFC的功能需求,参考MMC-HVDC接地方式,提出3种可行的MMC-UPFC接地方案,分别为联接变压器阀侧绕组星接接地、交流侧大电抗接地和交流侧接地接地变压器接地,并探讨3种接地方式下联接变压器的绕组形式和接地阻抗。然后结合仿真,在3种接地方式下分别对站内交流母线单相金属性接地和直流单极接地的故障特性分析,得出接地阻抗和阀内外部电气量的关系。结合故障性能和国内技术能力对3种接地方式进行比较,得出联接变压器阀侧绕组星接接地是MMC-UPFC较优的接地方案,并提出改进建议。     

模块化多电平换流器直流双极短路特性分析

模块化多电平换流器(MMC)的直流双极短路故障特性分析是MMC故障管理、系统电气设计以及含MMC电网规划的重要研究内容之一。文中对MMC的双极短路故障特性进行了研究。首先,分析了双极短路故障脉宽调制(PWM)闭锁前后的暂态过程,定义了导通重叠角。然后,结合导通重叠角的大小分析了4种稳态短路电流通路及7种不同情况,定性分析了交流侧和直流侧稳态电流的特性,以及电抗分布系数和短路等效电阻对稳态短路电流的影响,并推导了交流侧和直流侧稳态短路电流的实用工程计算方法。最后,采用算例与仿真验证的方式验证了分析方法的有效性。     

一种实现柔直系统快速恢复的自取能故障阻尼器

针对半桥模块化多电平换流器(MMC)的直流双极短路和单桥臂短路2种典型故障工况,分析了其故障通路和电流波形,并提出相应的桥臂阻尼方案,推导了阻尼电阻的设计依据。提出一种新型自取能模块化故障阻尼器拓扑,分析了其工作模式以及对MMC的影响。该阻尼器串联在MMC的桥臂中,解决了高电位取能问题,实现了阻尼器的自取能,在直流双极短路故障时起到限流和衰减作用,加快故障端的切除,实现柔直系统的快速恢复;在单桥臂短路故障时可以衰减阀侧交流电流的直流分量,有助于阀侧交流开关的跳开。结合工程上使用的MMC结构,提出了即插即用的模块化故障阻尼器实施方案。在舟山五端柔直仿真系统中验证了所提自取能模块化故障阻尼器拓扑的有效性。     

一种能够清除直流故障和减少传感器数量的MMC子模块及其特性研究

针对模块化多电平换流器(MMC)的直流故障清除问题,提出了一种新型的局部自均压组合电容型子模块。该子模块的拓扑结构具备故障自清除能力,并且能够利用不同工作模式的投切,自动实现子模块内部电容电压的均衡,即每一个新型子模块只需一个电压传感器对其进行监控。利用MATLAB/Simulink对基于新型子模块的MMC在正常状态和直流侧短路故障状态进行仿真,仿真结果表明相比于传统的N电平m相半桥型MMC需要2m(N-1)个电压传感器和2m个电流传感器,所提出的基于新型子模块的MMC所需电压传感器的数量以及参与控制的电压信号数量均减少一半,降低了系统硬件成本,减少了控制器运算负担,提高了系统稳定性;同时,当系统发生直流侧短路故障时,由于子模块具备故障自清除能力,能够阻断交流系统与故障点的电流通路,实现直流故障的闭锁。     

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。     

基于虚拟阻抗的多落点混合级联直流系统故障电流抑制方法

多落点混合级联直流系统存在特有的模块化多电平换流器(MMC)功率盈余问题。当受端交流系统发生短路故障时,MMC过流、过压将引起MMC阀组闭锁,进一步可能导致系统功率中断。多落点混合级联直流系统整流侧采用电网换相型换流器(LCC)、逆变侧采用LCC与多台MMC级联。针对该系统提出一种适用于受端交流系统故障的故障电流限制方法,在逆变侧MMC控制中引入虚拟阻抗降低故障电流,无需额外添加设备。对虚拟阻抗的控制引入、计算以及投入实现过程进行了详细阐述,并在PSCAD/EMTDC中搭建模型进行仿真分析。结果表明,所设计的虚拟阻抗控制器可以实现故障电流的有效抑制,并防止功率倒送,从而实现混合级联直流系统的交流故障成功穿越和功率可靠传输。     

模块化限流式统一潮流控制器的改进调制与控制策略研究

统一潮流控制器(UPFC)能灵活调节电网潮流,是能源互联网的重要设备。提出了一种模块化多电平换流器与固态限流器相结合的模块化限流式统一潮流控制器的拓扑结构。首先分析该拓扑结构的工作机理,推导出系统的数学模型。提出一种改进型最近电平调制策略,能有效提高交流输出电压的波形质量。根据数学模型提出了MMC-UPFC的串并联侧的控制策略。同时,提出了交流系统故障时,限流器的控制策略。最后在PSCAD/EMTDC平台建模仿真验证所提拓扑结构、调制策略及控制策略的有效性。     

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.     

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。     

含DAB型直流变换器的中低压直流配电系统极间短路故障穿越方法

极间短路故障是直流配电系统中最为严重的故障类型,当含双有源桥(DAB)型直流变换器的直流配电系统中压侧发生极间短路故障时,DAB闭锁,低压侧电压大幅下跌,故障清除后恢复速度较慢。为解决上述问题,提出了一种新型故障穿越方法。通过对传统DAB结构进行改进,增设故障电流阻断模块和补偿电容支路,能在故障发生后迅速识别、切断故障并投入补偿电容。故障持续期间,DAB无需闭锁,依靠模块电容以及补偿电容向低压侧负荷进行供电,有效改善了低压侧电压跌落。故障清除后电容能够快速充电至正常运行状态。PSCAD/EMTDC平台中的仿真结果验证了所提方法能够有效减小中压侧极间短路故障对于负荷的影响,并且具有良好的故障恢复特性。