基于平均电容的MMC直流故障电流计算方法研究

MMC直流故障电流计算方法是研究柔性直流电网直流故障暂态特性、实现快速故障隔离的核心与关键。首先,针对两种典型MMC故障等效模型,对比分析了二者的拓扑结构和故障时刻等效电容电压变化规律;其次,考虑MMC各桥臂子模块电容电压均衡机制,提出了MMC平均电容的计算方法,在此基础上提出了基于平均电容的MMC直流故障电流计算方法;最后,通过在PSCAD/EMTDC搭建MMC-HVDC模型进行仿真,验证了提出MMC直流故障电流计算方法的准确性和适用性。     

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。     

远海风能集中接入的多端直流系统直流故障分析与故障检测方法

二电平电压源换流器(VSC)和半桥模块化多电平换流器(MMC)在直流故障期间缺乏对直流短路电流的调控能力。在多端直流系统中,为了避免整个系统因换流阀的闭锁而停运,有必要在直流故障后的第一阶段(即电容放电阶段)快速识别并隔离故障。因此,对多端直流系统故障检测而言,直流故障电容放电阶段的短路电流计算至关重要。提出了适用于多端直流系统故障分析的暂态等效模型,该模型仅保留原故障网络中的高频成分,使故障初期的电路分析大为简化。基于此模型,可以得到故障线路和健全线路的故障电流解析表达式。根据故障线路和健全线路电流的差异,提出了基于暂态电流均值的故障检测方法,该方法具有计算复杂度小、耐过渡电阻能力强、采样率低等优点。通过EMTP仿真验证了暂态等效模型的准确性和故障检测方法的有效性。     

可仿真任意工况的MMC等值电磁暂态仿真模型与平均值模型

基于对MMC在启动以及直流故障期间桥臂电容电压动态过程的分析,提出了改进的MMC等值电磁暂态仿真模型,并根据桥臂总电容电压的动态特性提出了可仿真任意工况的MMC平均值模型。在PSCAD/EMTDC下搭建了21电平MMC的详细电磁暂态仿真模型、等值电磁暂态模型和平均值模型,通过启动、电流阶跃、交流故障和直流故障、环流抑制器投切仿真,验证了所提出的等值电磁暂态仿真模型和平均值模型可以分别在换流站级和电力系统级的研究上取代详细开关模型并提高仿真速度。     

基于桥臂电流控制的MMC改进电容电压均衡控制策略研究

子模块是模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)交直流之间能量交互的缓冲环节,在稳态、暂态下子模块电容电压保持均衡对于MMC不间断运行至关重要。首先,分析电网故障对无变压器MMC内部动态特性以及对交直流侧电压电流的影响。其次,为了提升MMC电容电压控制性能,提出一种基于桥臂电流控制的MMC改进的四层结构子模块电容电压均衡控制策略,包括子模块全局电容电压平均值控制、相间电容电压平衡控制、上下桥臂电容电压平衡控制和桥臂内子模块电容电压平衡控制,由此得到内环桥臂电流控制的电流指令值。最后,通过仿真研究和样机实验验证所提控制策略的可行性和有效性。结果表明：所提的控制策略在交流电网不对称故障和直流极对极短路故障下均能保持MMC子模块电容电压的均衡,并有效地消除交流侧谐波电流和桥臂内部的正序、负序及零序交流环流。     

故障子模块切除后MMC运行特性分析和直流电流波动抑制

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的桥臂由大量子模块构成,器件故障的可能性很高。切除故障子模块后三相桥臂将处于不对称运行状态,交流相电流在故障相上下桥臂无法平均分配,导致直流电流波动。为此,首先建立子模块故障下MMC等值电路,然后推导分析了桥臂电流和直流电流波动分量和谐波构成。设计了一种新的抑制直流电流波动的控制策略。该策略的核心思想是在故障桥臂电压参考波上附加补偿电压分量。最后通过电磁暂态仿真验证了该方法的有效性与可行性。仿真结果表明:基频和二次谐波是直流电流波动分量的主导成分;应用本策略后,测试算例中直流电流波动分量被抑制到1%以下;电容电压动态修正环节可有效保证子模块投切计算数量与实际需求量一致。     

采用桥臂电抗器耦合的MMC直流侧故障过电流抑制新方法

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)直流侧发生短路故障时换流站闭锁前桥臂过电流的抑制问题,提出了一种采用桥臂电抗器耦合的过电流抑制新方法。该方法不仅有效抑制故障电流,还能够改善系统的稳态运行。首先建立了采用桥臂电抗器耦合的MMC拓扑,阐明桥臂电抗器耦合原理。然后对该系统直流侧故障过电流进行分析,继而选取最佳的耦合系数。最后在Matlab中搭建了双端31电平系统仿真模型,分别在正常运行和故障两个阶段,将采用普通电抗器与采用耦合电抗器的系统各参数进行对比。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析

新型模块化多电平换流器(MMC)在直流输电和电能变换领域得到了广泛的研究与应用。但是,由于子模块采用了半桥型拓扑,在直流侧线路故障时,MMC不具有直流故障自清除能力。文中在不改变现有MMC调制和均压策略的前提下,利用续流二极管反向阻断特性和桥臂模块电容充电效应,设计了改进复合拓扑结构,解决了半桥拓扑中电容单向充电问题。通过分析闭锁时储能电容不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电压关系,定义了反映子模块故障抑制能力的电流抑制系数。根据系统启动过程中不控整流阶段电容电压的不同,设计了自励启动方法。仿真结果验证了启动方法和复合拓扑对直流侧故障电流抑制的有效性。     

具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC

具有直流故障阻断能力的模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输配电技术的重要支撑设备。针对传统半桥型MMC无法阻断直流短路故障的问题,通过结合现有的故障阻断方案,提出了具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC。该拓扑增加了断流支路、桥臂阻断支路以及能量吸收支路。直流故障发生后,通过断开断流支路,一方面主动转移故障电流,另一方面实现桥臂电流的换向,进而利用半桥子模块吸收MMC内部故障能量。同时,能量吸收支路中的全桥子模块在闭锁过程中也投入电容以吸收线路侧的故障能量,从而实现了短路故障的快速阻断。文中通过建立电流主动转移型MMC拓扑,详尽分析了故障阻断机理,并在MATLAB/Simulink中搭建了单端100 kV/25电平仿真模型,验证了该拓扑的可行性与有效性。     

交流系统电压对MMC-HVDC接地故障时换流器闭锁前桥臂电流的影响机理

直流线路接地故障是模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的主要故障类型。发生故障时,为满足直流断路器切断电流要求,应在MMC闭锁前切除故障,而MMC的闭锁时刻取决于子模块中绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)承受故障时桥臂电流的能力,因此对故障时单桥臂电流的特性分析提出了更细致具体的要求。首先介绍了真双极MMC的拓扑结构和工作原理,分析了在发生直流线路单极接地故障时闭锁前故障电流不同成分在MMC桥臂上的流通路径。然后采用复频域计算法,构建了故障时桥臂电流的数学模型,推导了交流系统电压对MMC闭锁前桥臂短路电流的影响机理。研究表明交流系统电压相角对故障时桥臂电流的幅值影响显著。最后,基于PSCAD仿真实验平台,搭建31电平单端及51电平双端MMC-HVDC,在不同电压幅值与相角取值下的仿真结果验证了该机理的正确性。