混合型MMC拓扑及应用于MTDC直流故障穿越能力分析

模块化多电平换流器(MMC)已成为高压直流输电领域最具前景的换流器技术之一。然而,与低电平电压源型换流器(VSC)相同,目前研究较多的半桥型MMC缺乏闭锁直流故障的能力。文中分析了不同结构的MMC在发生直流故障时短路电流的情况,提出了一种改进的MMC拓扑结构,基于错位层叠理论和换流器闭锁直流故障的原理,设计了一种适用于多端柔性直流(VSCMTDC)输电系统的混合型MMC拓扑结构,并结合VSC-MTDC系统直流故障时的"握手原则"详细说明了实现故障线路切除、非故障线路恢复的过程。最后,以典型的四端直流输电系统为例,通过PSCAD/EMTDC建模仿真,对故障后果最为严重的直流侧双极短路故障下的系统特性进行了分析验证。结果表明,基于该拓扑结构的多端直流系统能够在直流侧发生故障时快速闭锁换流器,并在短时间内恢复非故障线路的正常运行。     

基于晶闸管的直流可控避雷器关键技术

电网换相换流器(LCC)与模块化多电平换流器(MMC)级联系统具备诸多独特优势,但其低压端模块化多电平换流器(MMC)由多个电压源换流器(VSC)换流器并联组成,当发生交流侧故障时会引起低压端直流母线过电压。为抑制MMC过电压问题,提出在直流母线侧安装直流可控避雷器。对交流侧故障时MMC过电压机理进行了理论分析,提出了直流可控避雷器拓扑结构。在深入分析直流可控避雷器不同运行方式的基础上,给出了直流可控避雷器的直流混合可控开关所需的极限电流耐受能力。为实现开关触发的快速性,提出在直流混合可控开关中采用串联晶闸管阀组方案。通过晶闸管Cauer计算模型仿真研究了极限电流下晶闸管阀组瞬态结温,验证了设计方案的合理性。基于某规划直流工程进行直流可控避雷器设计,并给出了主设备布置方案。基于PSCAD/EMTDC平台搭建了系统的仿真模型,验证了所提出的直流可控避雷器拓扑抑制系统MMC过电压的有效性。     

采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制

模块化多电半换流器（modularmultilevelconveer,MMC）是应用于电压源换流器直流输电（voltagesourceconverter-highvoltageDC,VSC．rrvoc）的新型多电平换流器拓扑。该文介绍了MMC的拓扑结构及相应的工作原理。针对该新型换流器拓扑的特点及其在高压直流输电领域中的应用,提出一种新颖的适用于模块化多电平换流器的载波移相调制策略（carrierphase．shiftedSPWM,CPS．SPWM）。与其他调制策略相比,该策略动态调节能力强,且使MMC在较低开关频率的同时,亦具有良好的谐波特性。换流器中子模块的电容电压平衡问题,是MMC亟待解决的难点之一。该文根据子模块能量均分和电压均衡两种原则,结合换流器拓扑结构特点和调制策略,提出一种子模块电容电压平衡控制策略,有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围。仿真结果验证了所提策略的正确性与有效性。     

常规直流输电系统改造用的混合直流输电技术

基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和电压源型换流器(voltage source converter,VSC)的混合直流输电技术结合了LCC的经济优势和VSC的技术优势。该文针对常规直流工程改造,首先给出了受端LCC改造成真双极和伪双极VSC两种主回路拓扑结构,并对两者的工程改造范围和工程改造量进行了对比分析,指出了真双极和伪双极结构作为改造拓扑的优缺点。然后,通过对国内外模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑及其变结构拓扑的调研,详细研究了5类MMC优化拓扑结构在直流故障清除、送端交流故障功率不间断、低电压运行、潮流反转等方面的技术特性以及在改造成本、运行损耗等经济方面的优劣性,并直观地对比总结了5类MMC优化拓扑的综合特性,为未来MMC技术在常规直流输电系统受端换流阀改造中的应用提供了技术参考。     

适用于架空线的MMC-HVDC换流站子单元拓扑系列

本文提出一系列新型故障隔离型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子单元拓扑结构。与全桥型MMC拓扑结构相比,使MMC柔性直流输电具备直流侧故障处理能力的同时,优化了建设成本与运行损耗。本文详细描述了几种新型拓扑结构的直流侧故障电流阻断机理,介绍了一种基于故障隔离型子单元的新型换流站拓扑思路,并搭建了单相实验样机平台,实验进一步验证了该类拓扑结构的有效性。     

基于LCC-MMC的混合直流输电系统优化控制方法

混合直流输电系统常会出现不同类型的故障,传统控制方法的故障处理时间过长,对此,研究基于换相换流器（LCC）和模块化多电平换流器（MMC）的混合直流输电系统优化控制方法。根据系统结构特征绘制拓扑结构图,建立LCC数学模型和MMC数学模型;利用三角星型接法和星型接法控制整流侧直流电压,实现整流侧LCC的优化控制;利用电压源逆变器（VSC）双闭环控制器对逆变侧MMC进行优化控制;通过从系统直流侧直接充电,减少中间电流转接过程,利用MMC数学模型计算电压调制波,实现均衡电压,控制系统稳定运行。仿真结果表明,应用所提方法可以在5 s内控制整流站交流故障,面对直流线路单极故障问题,所提方法在5 s内快速反应,将LCC和MMC的电流控制在稳定的区间内,同时对三组电流的控制均有较好的效果,能够实现混合直流输电系统优化控制,快速解决输电系统故障。     

两电平VSC与MMC通用型平均值仿真模型

提出了两电平电压源型换流器(VSC)与模块化多电平换流器(MMC)的通用型平均值仿真模型。首先总结了两电平VSC与MMC的工作原理,进而理论推导了两者的平均值模型,通过分析两电平VSC与MMC在直流故障下的响应,提出了一种能仿真两电平VSC和MMC直流故障响应的通用建模方法。随后在PSCAD/EMTDC下搭建了一个两电平VSC与21电平MMC的详细电磁暂态仿真模型与平均值模型,对比验证了详细模型与平均值模型在稳态运行、直流故障以及交流故障下的响应。结果表明,所提出的平均值模型能在稳态运行、直流故障以及交流故障下得到与详细模型高度吻合的仿真结果。所提出的平均值模型能极大地提高仿真速度,且提速效果随电平数以及系统规模的增大而愈加明显。所提出的建模方法适用于研究含多个VSC和MMC的较大规模电力系统电磁暂态特性。     

基于钳位双子模块的MMC故障清除和重启能力分析

针对当前已投入运行的高压直流(HVDC)输电工程中模块化多电平换流器(MMC)不具备直流侧故障电流闭锁能力的问题,分析了一种可自清除直流侧故障电流并且可重启动的MMC拓扑——基于钳位双子模块的MMC。这种拓扑可在发生直流故障时通过闭锁所有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的触发信号和利用二极管的反向阻断能力迅速完成闭锁过程,从而达到无需交流断路器动作实现清除直流故障的目的。这种拓扑将半桥模块化MMC的调制方法和控制策略与可清除直流故障能力结合在一起,且具有结构简单、造价经济等特点。通过对半桥模块化MMC和钳位双子模块MMC在直流侧双极短路故障情况下的故障电流进行分析和仿真,验证了基于钳位双子模块的MMC在处理直流侧故障方面的能力和效果。     

多端柔性直流电网故障隔离技术研究EI北大核心CSCD

直流故障隔离技术是多端柔性直流输、配电系统发展的关键技术。然而,直流系统直流侧故障存在电流快速上升、过流幅值大等特点,对隔离技术提出了极为苛刻的要求。该文针对工程实际中最为典型的两电平电压源换流器(two-level voltage source converter,two-level VSC)型和模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)型直流系统,结合国内外研究成果,以交流断路器、换流器和直流断路器为分类依据,归纳、阐述了各自适用的隔离措施。同时,对各种隔离措施的优缺点进行了分析说明。基于Matlab/Simulink仿真平台,分别搭建了基于两电平VSC和MMC的直流系统,对相关隔离方法进行了仿真测试、验证与比较,为工程实际中隔离措施的配置提供理论依据。     

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。     

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。     

风电经架空柔性直流输电线路并网的交直流故障穿越技术

针对永磁同步风电机组远距离大规模并网的问题,研究了采用半桥型模块化多电平换流器(MMC)和直流断路器(DCCB)进行架空直流输电的并网方案。但架空线路故障率高,在发生直流侧故障、网侧交流故障时,基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)系统保护装置会动作,导致MMC闭锁,不能不间断运行。为解决MMC-HVDC穿越交、直流故障的问题,基于DCCB和耗散电阻,提出了一种MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越方案。在故障发生后,通过设计DCCB风电场侧MMC降压协调控制策略,以及高压直流侧耗散电阻和风电场侧制动电阻间的控制策略和配合方案,实现了MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越。最后,通过PSCAD/EMTDC下的多组仿真,验证了上述交直流故障穿越方案的有效性和正确性。仿真结果表明,所设计的穿越方案能够使MMC-HVDC系统在不闭锁MMC的前提下,安全穿越故障期;在故障清除后,系统快速恢复到正常运行状态。     

适用于架空线路的双极混合MMC-HVDC拓扑

为应对柔性直流输电在远距离大容量架空线输电领域应用问题,基于钳位双子模块和双晶闸管子模块拓扑构成的两种模块化多电平换流器,设计了串联双极混合直流输电系统,既提高了输电容量,又能缓解单种拓扑能耗较大或直流故障抑制时间较长问题。重点分析了双极混合拓扑在不同直流故障下等值电路和直流故障穿越机理及其抑制特性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建双极混合直流输电模型,对系统稳态运行工况和直流故障穿越特性进行了对比研究。仿真结果表明,双极混合系统既体现出灵活多样的稳态运行特性,又具有直流故障穿越与快速恢复能力,较好地适用于远距离大容量架空线路输电应用领域。     

基于数值拉普拉斯逆变换的MMC-HVDC故障电流计算

对模块化多电平换流器型高压直流输电 (MMC-HVDC)系统的故障暂态分析是保护策略精细化设计和设备参数选取的重要依据。为真实反映故障后架空线路上电流行波过程,有必要在分析中引入传输线分布参数模型。首先,对故障阶段的MMC进行合理等效;然后,在复频域下建立直流系统故障等值电路,采用节点分析法求解故障电流,并通过数值拉普拉斯逆变换(NILT)将复频域中获得的分析结果转换为时域响应;最后,将基于NILT的计算结果与电磁暂态仿真结果进行对比验证。结果表明：所提方法具有较高精确度,可以有效反映故障行波的传播特性,对MMC-HVDC系统的保护设计具有积极意义。     

MMC-HVDC孤岛供电系统直流故障穿越协调控制策略

针对基于架空线输电的MMC-HVDC孤岛供电系统直流线路故障率较高的问题,配置直流断路器隔离故障是有效的解决方案之一。综合考虑了双极换流站灵活的运行方式、直流断路器的故障清除能力和双馈风机的快速响应能力,提出一种适用于MMC-HVDC孤岛供电系统的直流故障穿越协调控制策略,实现了自平衡和非自平衡工况下的功率协调。自平衡工况下,通过合理切换双极MMC的控制方式,可在维持交流电压稳定的同时提高非故障极MMC输出功率,使其自主平衡孤岛系统功率缺额;非自平衡工况下,设计了风电场精确提升其输出功率的控制策略,通过换流站与风电场间的协调配合维持孤岛系统的功率平衡。最后,基于Matlab/Simulink仿真模型验证了所提策略的有效性。     

基于虚拟能量调节偏差的MMC-HVDC输电线路保护方案

柔性直流输电对继电保护的速动性及可靠性提出了更高的要求。为实现直流故障的快速可靠识别,文中分析了模块化多电平换流器(MMC)的控制参数在系统发生故障时的响应特性,并提出了一种MMC型高压直流输电线路保护新方案。根据MMC控制参数定义了虚拟能量调节偏差,利用虚拟能量调节偏差对系统故障时的响应特性识别直流线路故障,并结合虚拟能量调节偏差的比值进行故障类型的判别。该保护方案融合了交直流侧的故障信息,提高了保护的可靠性,保护判据利用了换流器控制参数信息,无须测量线路的电气量。仿真结果表明,所提保护方案可以快速准确动作且具有较强的耐过渡电阻能力。     

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。     

MMC-HVDC系统中阀侧交流母线故障保护策略研究

模块化多电平换流器直流输电系统(Modular Multilevel Converter HVDC,MMC-HVDC)的阀侧交流母线与换流器直接相连,其故障对换流阀造成的危害相对于网侧交流母线故障要严重的多。对其控制保护策略进行深入的研究分析有助于提高MMC-HVDC系统电力传输的安全性和可靠性。首先对MMC基本结构及原理进行了介绍。然后对阀侧交流母线故障进行了分类,就单相接地故障对系统的影响进行了深入的研究分析,并提出了针对性的控制保护策略。最后通过对阀侧交流母线单相接地故障进行仿真,验证了故障特性分析的正确性和对应保护策略的可行性。     

Control and protection sequence for recovery and reconfiguration of an offshore integrated MMC multi-terminal HVDC system under DC faults

A comprehensive process of the control and protection against a DC fault in a voltage source converter (VSC) based high-voltage direct current (HVDC) system typically includes fault detection, fault isolation and system recovery. Regarding an offshore wind farm (OWF) integrated modular multilevel converter (MMC) based multi-terminal HVDC (MTDC) system with two control paradigms, i.e. master-slave control and droop control under DC faults, this paper presents the fault isolation, including the isolation of the faulted line section, with detailed control and protection sequence, which would be useful for practical engineering. The control and protection sequence at the system recovery/reconfiguration phase is comprehensively investigated, which includes: (1) when to start the recovery/reconfiguration control; (2) the sequence between deblocking the MMCs and reclosing the AC circuit breakers (AC CBs); and (3) the recovery sequence of each HVDC terminal. Based on the analysis of the system characteristics, a preferred recovery/reconfiguration scheme is proposed. Simulation results on the real-time digital simulator (RTDS) validate the proposed scheme and demonstrate the advantages through comparison with a different recovery sequence. The impact of transient and permanent DC faults on the system recovery/reconfiguration control is discussed. In addition, the recovery/reconfiguration control of the MTDC in radial and meshed topologies is compared and demonstrated. Based on the analytical and simulation studies, a general guideline on the recovery/reconfiguration control of MMC MTDC systems is proposed.