基于MMC多端柔性直流输电保护关键技术研究

基于MMC的多端柔性直流输电是直流输电的重要发展方向。对MMC多端柔性直流输电控制保护系统进行了研究,介绍了一种基于子模块电容电压优化平衡控制算法的控制策略,详细给出了柔性直流输电系统保护配置,对阀侧交流母线差动保护策略和换流器区保护策略等保护关键技术问题进行深入研究,给出了具体的解决策略。并搭建了多端MMC-HVDC仿真试验系统验证控制保护研究策略,详细分析了阀侧交流母线两相短路接地故障和换流器上桥臂短路故障仿真结果。所研究内容对多端MMC-HVDC工程的研究和发展有重要的借鉴意义。     

基于直流高速开关的换流站在线投退策略

特高压多端直流工程中,采用直流高速开关(HSS)配合全/半桥混合模块换流阀的方式来实现直流故障清除和换流站在线投退是现有技术水平下的较佳选择,但HSS极弱的直流电流分断能力对控制保护设备提出了苛刻要求,且该方式下的换流站在线投退策略尚未见报道。基于HSS的电气特性和混合模块换流阀的能力,分析了多端直流系统中HSS的配置原则并设计了HSS典型电路;研究了基于HSS的换流站在线投退策略和多电压源换流器(VSC)换流站协同充电方案;为了保障系统和设备安全,提出了HSS的详细保护策略和动作结果。所提策略均已在昆柳龙混合直流工程中进行了应用,研究结果可为多端直流工程的单站投退方案提供借鉴和参考。     

LCC-FHMMC换流阀出口交流单相接地故障特性分析及保护方案设计北大核心CSCD

文中针对混合直流输电系统受端柔性直流换流阀交流出口处发生单相接地故障导致子模块电容过电压的问题展开研究。首先,详细剖析了故障后换流阀动态过程,并设计了提高换流阀故障穿越能力的保护方案及控制策略,建立了故障后换流阀等效电路,进而根据交直流电气量变化特性分析了子模块过电压机理。其次,为有效抑制子模块电容过电压,设计了一种分相导通晶闸管的旁路装置,故障时触发该支路将桥臂进行隔离,同时受端故障识别方案与送端换流站快速移相措施配合,可以有效抑制子模块电容过电压。最后在MATLAB/Simulink电磁暂态仿真软件中搭建了混合直流输电系统模型,通过仿真验证故障期间受端换流阀保护的两种方案,结果表明所提策略在发生瞬时性和永久性故障下对过电流和过电压均具有良好的抑制效果。     

混合直流输电系统电压裕度控制策略研究

高压直流输电系统采用混合拓扑模块化多电平换流阀(modular multilevel converter,MMC)和电网换相变流器(line commutate converter,LCC)换流站相互协调控制,可实现直流和交流故障的穿越,但在受端交流系统严重故障工况下,易出现系统过压,以及依赖站间通信协调双端换流站切换的控制方式在长距离输电系统中延时较大等问题,为此提出柔性直流换流站的电压裕度控制方法。首先基于中国南方电网有限责任公司乌东德混合直流输电工程,利用PSCAD仿真软件搭建混合多端直流输电系统模型;继而研究受端系统交流故障特性和穿越方法,设计定直流电压外环和定子模块电容电压平均值外环的平滑切换方法;最后对受端换流站交流三相接地故障和直流线路故障进行仿真,证明所提控制方法能够有效抑制暂态过程中受端换流站子模块电容电压的升高,实现交流故障的穿越。     

子模块混合型LCC-MMC混合直流输电系统的启动控制策略

为了充分发挥电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)各自的优势,并使MMC具有直流故障穿越能力,研究了一种新型LCC-MMC混合直流输电系统。该系统主要特点是整流侧采用传统LCC,逆变侧采用由半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块构成的混合型MMC,具有可过调制运行和直流故障穿越的功能。重点分析了此种混合直流输电系统的启动过程,并给出了LCC和MMC的启动控制策略。最后,在物理动模混合直流输电试验系统上进行了验证,结果表明了该启动策略的可行性和有效性。     

基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统设计

换流阀是柔性高压直流输电工程中完成电能变换的核心模块,其运行可靠性直接关系到整个直流输电系统的稳定性,因此需对换流器阀进行严格的型式试验.运行试验是型式试验的重要一环,主要检测换流阀对电流、电压和温度应力的耐受情况.依据模块化多电平换流器(MMC)型电压源换流阀实际工程运行工况,采用等效试验的方法,设计了一种基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统,可对换流阀的稳态工况和暂态工况进行模拟,进而实现对换流器阀的导通、关断和有关电流特性的检验.详细介绍了基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统的主回路和控制系统设计,并以实际工程换流阀组件为试验对象,验证了所设计的基于MMC柔性直流输电换流阀试验系统的正确性和实用性.     

特高压混合级联多端直流输电系统的协调控制策略研究

逆变侧采用电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)串联组成的特高压混合级联多端直流输电系统,为特高压直流输电提供了一种更为经济、灵活、快捷的输电方式。基于现有直流电网的协调控制策略,文中对受端MMC阀组之间的协调控制策略进行了深入的分析研究,并考虑了5种协调控制策略。然后,在PSCAD/EMTDC中,对上述5种策略遭受不同故障的响应特性分别进行仿真,故障包括送端交流故障、直流线路故障、受端LCC交流故障、受端MMC1交流故障及MMC1紧急闭锁退出。最后,基于仿真结果,对上述5种协调控制策略的适用性进行了对比分析。仿真结果表明:策略1和策略3遭受各种故障均能有效穿越;策略2、策略4和策略5在遭受直流线路故障时均发生不同程度的功率倒转,需要采取措施抑制。     

计及运行工况的MMC换流阀可靠性建模与分析

模块化多电平换流器(MMC)换流阀作为高压直流输电系统的核心设备,其可靠性关系到整个输电系统的安全稳定运行。以典型高压直流输电MMC换流阀为例,考虑换流阀运行工况,建立基于故障树分析方法的MMC换流阀的可靠性模型,并对其薄弱环节进行分析。首先,建立融入换流阀运行工况IGBT、二极管等元件的故障率模型;其次,考虑MMC换流阀功率模块和外围控制保护系统等,运用故障树分析方法,建立MMC换流阀故障树模型,得到相应可靠性指标的表达式;最后,根据可靠性指标公式计算各元件的故障率,采用概率灵敏度和关键灵敏度指标,辨识MMC换流阀的薄弱环节。结果表明:在整流和逆变工况下,MMC换流阀和元件的故障率最大,而在纯无功工况下故障率最小; IGBT模块和电源供给是MMC换流阀的薄弱环节,MMC子模块性能对换流阀可靠性的影响最为显著。     

换流阀杂散电容计算及其对MMC电压应力水平的影响

换流阀为柔性直流输电系统的核心设备,由于设备结构等因素,换流阀存在杂散电容可能会影响换流阀的电压应力水平。首先建立换流阀的三维有限元电场分析模型,通过电场分析的方法得到换流阀的杂散电容;然后在其基础上建立包含换流阀杂散电容的MMC-HVDC系统宽频带模型;并分别计算MMC-HVDC系统在正常运行和故障工况下换流阀的电压应力水平;并以此指导换流阀的设计与优化。研究表明:MMC杂散电容会导致故障工况下MMC换流阀电压应力水平的增加。     

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.     

特高压多端混合直流输电系统线路故障重启功能及策略分析

分析以晶闸管为换流元件的常规LCC整流站和以功率模块为换流元件的VSC逆变站所组成的混合三端特高压直流系统发生线路故障时的重启功能及策略,并通过RTDS系统进行模拟仿真,验证直流线路故障后自清除策略的有效性,对其他多端混合直流输电系统线路故障后的策略选择具有较好的参考意义。     

柔性直流架空线路故障自清除技术北大核心

柔性直流架空线路故障自清除技术,采用具有直流侧故障清除能力的混合型模块化多电平换流器(MMC)拓扑及故障电流清除策略,实现直流架空线路不同类型故障的快速清除和高速再启动,无需配置直流断路器等外部设备。该技术首次应用于昆柳龙直流工程。工程送端云南昆北站采用常规电网换相换流器(LCC)特高压换流阀;受端广西柳州站和广东龙门站均采用全桥、半桥功率模块混合型MMC特高压换流阀,     

半桥–全桥子模块混合型MMC的换流阀损耗分析方法

随着架空线路在直流输电工程中的应用和多端直流电网的逐步建设,半桥–全桥子模块混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converters,MMC)具有广阔的应用前景,其损耗计算也具有重要的工程意义。针对控制环节中加入二次环流抑制和三倍频电压注入的半桥–全桥子模块混合型MMC,对其工作原理和调制策略进行了阐述,对换流阀的损耗进行了分类并给出了计算方法:根据桥臂电流方向对通态损耗进行分段计算;根据桥臂电流方向和桥臂电压变化情况对开关损耗进行分段计算。在PSCAD/EMTDC中进行仿真,验证了采用的半桥–全桥子模块混合型MMC损耗分析方法的正确性。计算和仿真结果表明,半桥–全桥子模块混合型MMC的阀损耗和全桥子模块比例正相关,且受到功率因数角和调制比的影响,在允许范围内功率因数角越接近零损耗越低,调制比越高损耗越低。     

多端柔性直流输电系统直流故障保护策略

直流故障保护是多端柔性直流输电系统的一个关键性问题。本文在全桥型模块化多电平换流器的基础上,提出适用于多端直流输电系统的换流器级和系统级直流故障保护策略。根据全桥型模块拓扑特性,换流阀闭锁实现故障电流快速清除;然后换流器等效为双星型级联H桥STATCOM并联运行,为故障清除和隔离开关动作隔离故障点提供条件;最后转换换流器运行模式完成多端柔性直流输电系统的快速恢复。在PSCAD/EMTDC中搭建了三端柔性直流输电系统仿真模型,分析了直流故障和系统重新启动的运行特性,仿真结果证明了控制策略的有效性。     

柔性直流架空线路故障自清除技术

正柔性直流架空线路故障自清除技术,采用具有直流侧故障清除能力的混合型模块化多电平换流器(MMC)拓扑及故障电流清除策略,实现直流架空线路不同类型故障的快速清除和高速再启动,无需配置直流断路器等外部设备。该技术首次应用于昆柳龙直流工程。工程送端云南昆北站采用常规电网换相换流器(LCC)特高压换流阀;受端广西柳州站和广东龙门站均采用全桥、半桥功率模块混合型MMC特高压换流阀,     

混合多端高压直流输电线路的行波传播过程分析

为解决直流换相失败问题并获取更高的传输容量,混合多端高压直流（High Voltage Direct Current,HVDC）输电技术开始在电力系统中应用。整流站大多采用的是基于晶闸管的换流阀（Line Commutated Converter,LCC）,逆变站采用的是模块化多电平换流阀（Modular Multi-level Converter,MMC）。基于整流站与逆变站的不同结构,同时考虑星形连接高压直流输电线路多端拓扑结构,故障后行波的传播过程亟待进一步分析,为行波保护或测距新原理的研究提供理论基础。给出LCC整流站和MMC逆变站处的行波折、反射系数计算方法,并基于典型±400 kV星形连接三端LCC-MMC-HVDC拓扑结构分析行波传播过程。     

一种混合子模块柔直换流阀启动方法

目前,国内已建和在建的模块化多电平柔性直流输电(HVDC)工程均采用半桥型子模块(HBSM)换流阀技术路线。HBSM换流阀不具备直流故障穿越能力,极大地限制了HVDC技术的应用。国内外学者又相继提出了诸多新型换流器,其中HBSM和全桥子模块(FBSM)混合型模块化多电平换流器(MMC)在具备直流故障穿越能力的同时降低了开关器件的数量,成为目前HVDC发展的主要方向。FBSM具备与HBSM不同的充放电特性,因此混合子模块之间的电压均衡控制是传统的排序均压算法无法胜任的。在此提出一种半桥和全桥混合子模块均压控制启动策略,解决了半桥和全桥混合子模块换流阀不同模块之间均压和直流电压突变的问题。     

3种混合直流输电系统的交流故障特性对比

综合电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)的优点,并针对我国西电东送的实际场景,对如下3种目前比较有应用价值的混合直流输电系统方案进行研究：方案1的送端采用LCC,受端采用半桥子模块型MMC串联二极管阀;方案2的送端采用LCC,受端采用全桥子模块与半桥子模块构成的子模块混合型MMC;方案3的送端采用LCC,受端采用LCC和半桥子模块型MMC构成的串联混合型换流器。首先,分别介绍了3种混合直流输电系统的拓扑结构、数学模型及控制方式;然后,在PSCAD/EMTDC中搭建了3种混合直流输电系统,对3种混合直流系统在送端交流系统故障和受端交流系统故障情景下的响应特性进行对比分析;最后,基于仿真结果总结了每种拓扑结构的优劣势。仿真结果表明,在送端交流系统故障的情景下,方案1可能会出现功率中断;在受端交流系统故障的情景下,方案1的故障响应特性要优于其他2种方案。     

基于全桥MMC柔直换流阀损耗分析方法

基于全桥MMC的柔性直流输电系统,能迅速隔离直流线路故障,得到了广泛的应用。损耗是衡量换流阀的重要指标,文中对基于全桥MMC换流阀的损耗进行分析,运用分段解析计算的方法给出具体的计算表达式。首先,将MMC换流阀的总损耗分为通态损耗和开关损耗两部分。然后,根据桥臂电流的方向,桥臂电压与投入子模块个数之间的关系,运用分段解析方法得到MMC换流阀的通态损耗;之后,根据每个子模块投切状态变化对应的能量损耗进行分段解析计算,求得MMC换流阀的开关损耗;将这两部分损耗进行综合,从而得出基于全桥MMC换流阀的总损耗。仿真结果验证了文中所提出的损耗分析方法的准确性。     

适用于架空线柔直的嵌套式全桥型混合MMC方案

应用全桥子模块的负电平输出能力,基于子模块混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电系统可以有效清除直流故障,但全桥子模块在投资成本和稳态损耗上均需作出较大牺牲。该文提出一种基于嵌套式全桥阀段的混合MMC方案,该阀段的拓扑结构使其具备整体输出负电平能力,同时阐述直流故障无闭锁穿越控制理论,在发生直流侧故障时无需闭锁MMC,且能在故障期间对交流系统提供无功支撑。以一个简单仿真电路说明嵌套式全桥阀段的工作原理,并在典型的双端柔直系统中仿真验证其故障清除能力。最后从成本、占地、运行损耗3个方面对EFB-MMC的经济性进行分析,结果表明,其相比于传统半–全混合MMC更具备经济性优势,应用于架空线柔性直流输电系统中具有一定的前景。