基于MMC闭锁与负直流电压无闭锁的综合直流故障限流策略

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网存在抗直流故障扰动能力弱的问题。为此,在无闭锁和闭锁限流的基础上,提出了一种适用于柔性直流电网的无闭锁与闭锁的综合直流故障限流策略。故障发生后,各换流站首先根据直流侧出口电流进行基于负直流电压控制的无闭锁限流,若某换流站由于无闭锁降压限流失效而发生过流,则主动将该换流站闭锁。故障消失或隔离后,无闭锁换流站第一时间恢复正常工作模式,而无须等待重启过程较长的闭锁换流站,以尽量减小系统功率损失。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提综合直流故障限流策略可快速阻断故障电流,并兼顾限流过程的安全性和快速性,最大限度保证系统功率传输,提高了直流电网的抗故障扰动能力。

集成直流故障换流电路的改进型混合MMC

基于全桥(FB)与半桥(HB)子模块的传统混合式模块化多电平换流器(MMC)是典型的具有直流故障自清除能力的MMC。然而,常规混合MMC中FB占比通常大于50%,增加了成本与损耗。鉴于此,为了减少混合MMC中FB的数量,提出一种集成晶闸管开关电容直流故障换流电路的改进型混合MMC。所提MMC中HB-MMC与FB-MMC均保留了各自完整的主体,并在交流侧采用三绕组变压器进行连接,在直流侧进行串联连接。同时,由于直流侧集成了一个基于晶闸管的开关电容结构,所提MMC能够实现直流故障的清除。研究表明,所提MMC中FB占比可降低至10%~25%,甚至更低(限制于交流电压的波形),在降低换流器成本的同时降低了通态损耗。仿真结果验证了分析的正确性。

具备直流故障阻断能力的新型双子模块拓扑

传统的半桥子模块(HBSM)拓扑因其拓扑简单、投资成本低等优点,被广泛应用于柔性直流输电领域。然而,当输电线路发生直流故障时,HBSM无法快速阻断故障电流。因此,这里提出一种基于双电容的二极管箝位型双子模块(CDCDSM)拓扑,该拓扑通过将子模块电容接入故障回路的方式迅速切除直流故障。此外,CDCDSM具有同时输出3个电平、控制方法简便、闭锁后可迅速重启等优点。与其他子模块相比,CDCDSM的投资成本较低。通过仿真和实验对该子模块特性进行验证,结果表明,CDCDSM-模块化多电平换流器(MMC)具有快速阻断直流故障的能力。

基于耦合电感的直流故障限流器

柔性直流电网存在故障电流上升速度快、幅值高,感性元件储存能量大等问题,这造成故障电流难以分断,并且使得直流断路器的耗能支路承受巨大压力。为了限制故障电流峰值并且降低直流断路器耗能压力,提出一种基于耦合电感的直流故障限流器。当发生短路故障时,该故障限流器利用电感耦合特性等效投入电阻与电容组成的限流支路,以实现无延时的故障限流;当直流断路器分断故障电流时,该故障限流器利用耗能电阻耗散耦合电感储存的能量,从而分担直流断路器耗能压力,以达到降低避雷器容量需求、加快故障电流分断速度的目的。大量电磁暂态仿真结果表明,所提故障限流器具有良好的限流效果,能极大降低直流断路器的耗能压力。且该故障限流器制造成本低,易于实现。

子模块混合型MMC直流输电系统的优化设计及其直流故障穿越策略

短路故障是影响柔性直流输电系统安全运行的主要问题之一,针对直流侧双极短路故障,首先研究基于串联双电容子模块(SDSM)与半桥子模块(HBSM)的混合型模块化多电平换流器(MMC)结构,该结构与传统的半桥-全桥子模块混合MMC相比具有较低的成本和损耗,分析直流侧短路暂态运行下SDSM和HBSM的配置比例设计要求;其次考虑到SDSM无自主负电平输出能力,提出基于电流相位的故障穿越策略,采用分层控制的思想,构建相电流状态矩阵并结合其相位差,保障换流站在故障期间能降压运行,维持系统稳定工作;最后在Matlab/Simulink中仿真验证上述分析以及所提故障穿越策略的可行性。

基于时频域联合阈值判定的光伏电站直流故障电弧在线检测系统

直流故障电弧是引起光伏电站火灾、造成重大损失的主要原因之一。现已提出多种检测方法对直流故障电弧进行防控,但大部分方法需要通过人工电弧进行验证,缺乏现场实用性和可靠性;且光伏电站现场直流故障电弧的偶发性和检测装置的复杂性,导致真实直流故障电弧的检测验证难以实施。针对该问题,基于时频域联合阈值判定法,搭建了云边协同的光伏电站直流故障电弧在线检测系统,并在光伏电站现场对其检测效果进行了实验验证。验证结果表明:该直流故障电弧在线检测系统可有效检测真实直流故障电弧,但存在42.1%的误判率,现场检测的抗干扰性仍需进一步提高;同时,发现了光伏组件MC4端子在直流故障电弧影响下的失效过程,可为MC4端子直流故障电弧类火灾防控技术的研究提供参考。

具有直流故障清除能力的双端口半桥MMC子模块

半桥型模块化多电平换流器无法通过自身来清除直流侧故障,通过改进子模块拓扑,可以实现故障电流的自清除功能。在半桥的基础上,提出了一种具有直流故障阻断能力的双端口半桥子模块,具有负电平输出能力,使用相同规模开关器件的情况下,可以输出全桥两倍的电平数。基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型进行验证。结果表明,所提出的子模块具有良好的故障电流阻断能力,输出电平多,能够显著改善电压输出质量。

基于储能优化控制的风电柔直并网直流故障穿越

柔直并网直流是解决新能源高渗透、远距离接入电网消纳的一种有效途径。但是,由于输电线路的高故障率,迫切需要对输电线路的直流故障跨越问题进行研究。针对风力发电系统中已有的分布式能量存储,提出了一种基于风力发电的柔性直流输电系统柔性接入的协调控制方法。首先,对多端柔性直流输电中的风力发电系统、风电场储能等关键部件进行研究,并对其进行理论分析。其次,针对大型柔性接入电网中的直流故障,量化分析无故障极的功率余量,并通过对已有的风电机组并联储能装置进行控制,消除故障时的不平衡电能。针对多种电力接入方案,研究储能系统-换流站-直流断路器-风电场协同运行的故障穿越策略,依据直流断路器动作信号对故障类别进行分级,通过变换换流站的控制模式和风电场的出力,实现各类故障的快速恢复。提出了一种新的自适应控制方法,即保证了系统在不发生故障的情况下,保证了系统的安全稳定。最后,对多端柔直输电系统中风电场的直流故障穿越策略进行深入研究,以保证故障时的功率均衡、快速恢复和顺利穿越。研究成果将为新能源柔性接入电网提供理论基础与借鉴。

适用于少子模块混合型MMC直流故障穿越的均压调制策略

针对混合型模块化多电平换流器(HMMC)在中低压场景子模块个数受限以及直流故障穿越期间的电容电压平衡问题,提出适用于少子模块HMMC直流故障穿越的调制技术以及直流故障穿越期间的电容电压平衡控制方法。从虚拟半桥子模块角度对全桥子模块拓扑进行解耦,统一HMMC的内部拓扑。基于虚拟调制改进载波移相脉宽调制方法,提出适用于HMMC多工况运行模式切换的混合调制技术。进一步考虑直流故障穿越期间的子模块电容电压平衡需求,基于优化子模块充、放电能量分布的思想,重构脉冲映射关系,提出分层脉冲自适应平衡控制方法。仿真结果表明,所提策略实现了少子模块HMMC直流故障穿越,并有效保障了直流故障穿越过程中子模块的动态电容电压平衡。

基于储能的风电柔直并网系统直流故障穿越协调控制策略

采用具有明显技术和经济优势的架空线柔性直流输电是大规模可再生能源并网的理想方案。然而,架空线故障率较高且直流系统故障发展迅速,仅靠直流断路器隔离故障线路并不能完善地解决系统的故障穿越问题。为解决该问题,针对大规模风电场经柔性直流输电并网系统的直流线路故障工况,充分利用风电场中广泛配置的储能系统,提出从故障定位隔离到故障类别判断,再到储能系统与换流站、风电场之间协调控制的一套完整直流故障穿越策略,并从能量角度展开故障特性分析。与现有工程中采用的耗能电阻方式相比,所提策略调节系统不平衡功率的灵活性更高,控制效果更优,且对所储存能量可以再利用,避免能量浪费。此外,为降低对储能系统的功率及容量需求,提出风电机组转子加速控制以减少风电场出力的方案。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提方法的有效性。

基于分散式储能的风电柔直并网直流故障穿越协调控制

采用架空线的柔性直流输电技术是解决高渗透率、远距离可再生能源并网消纳的有效方案。然而,架空线路故障率较高,其直流故障穿越问题亟待研究。本文提出利用风场现有分散储能实现风电柔直并网直流故障穿越协调控制。首先,研究风电场接入多端柔性直流输电系统(multi-terminal HVDC based on MMC, MMC–MTDC)中MMC及风电场储能系统等主要组成部分的拓扑结构和基本工作原理;其次,针对大规模风电经柔直并网系统的直流故障,定量分析非故障极功率裕量,通过控制风电机组全功率变流器现有并联储能系统来消纳故障期间的不平衡功率;针对不同功率消纳方案,提出由储能系统、换流站、直流断路器和风电场协调配合进行故障穿越,根据直流断路器动作信号进行故障分类,改变换流站控制方式与风电场出力,从而实现不同故障类型的快速恢复。该策略能够保持系统在故障期间并网运行且不出现闭锁、过载等问题,提升系统的稳定性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建上述仿真模型,详细研究了风电场经MMC–MTDC并网系统的直流故障穿越策略,验证了本文所提出的基于储能系统的直流故障穿越策略能够维持故障期间的功率平衡,实现故障快速恢复,平稳实现直流故障穿越。本文所提故障穿越策略有望对新能源柔直并网提供必要的依据和参考。

具有直流故障自清除能力的改进MMC子模块

高压直流输电领域中,典型的半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)无法阻断直流侧故障电流,为此,提出一种具备直流故障自清除能力的改进子模块拓扑。分析其子模块的拓扑结构和运行状态;根据子模块闭锁后的特征,画出其系统故障等效电路图,阐明其故障阻断原理;在此原理基础上,为降低成本和损耗,提出改进子模块与半桥型子模块的混联拓扑。然后从耐压性与经济性两个方面,与其他经典的子模块作比较分析。最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端21电平MMC直流系统,对改进的子模块阻断电流特性进行验证,仿真结果表明,所提改进子模块拓扑能够快速有效阻断直流侧故障电流。

一种嵌套型MMC拓扑及其直流故障穿越策略

半全混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multi-level converter,hybrid-MMC)能够利用全桥子模块清除直流故障,但其器件成本和运行损耗均较半桥型MMC增加一半以上,而半桥型MMC本身不具备故障清除能力。该文设计一种嵌套型MMC(converter embedded MMC,CE-MMC)方案,将子模块混合型MMC扩展到换流站混合型MMC,该拓扑结构使换流站整体具备负电平输出能力,故障后输出负电压清除故障。介绍CE-MMC拓扑的原理及故障穿越策略,分析方案中各支路器件参数的选取原则。仿真结果表明,CE-MMC方案在故障发生后4.2ms即可清除故障,相对多种典型方案具有经济性优势。

直流故障下MMC-HVDC的两段式限流保护策略

如何对直流故障电流进行有效抑制是实现柔性直流电网大规模发展的关键。为此,研究模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的控制方法,提出一种针对半桥型MMC的两段式限流保护策略,通过减少子模块的投入数目来降低换流站直流出口电压,达到限制短路电流的目的。首先,介绍MMC的拓扑结构及基于MMC的高压直流输电(MMC based high voltage direct current,MMC-HVDC)系统控制策略;其次,分析两段式限流保护策略的原理与直流故障电流特性,介绍MMC-HVDC系统的直流故障保护策略;最后,通过双端MMC-HVDC系统仿真实验,对所提限流保护策略的有效性进行验证。仿真结果表明,两段式限流保护策略可以有效降低断路器开断电流和吸收能量,节约成本。

基于CEEMDAN-HT和SAE的直流故障电弧诊断方法研究

为了解决直流系统中工况变动及负载变更条件下造成的故障电弧识别准确率低的问题,提出了一种基于自适应噪声的完全集合经验模态分解-希尔伯特(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise-Hilbert transform,CEEMDAN-HT)包络谱和堆叠自编码器(stacking automatic encoder,SAE)的直流串联故障电弧诊断方法。首先参考雄安高铁站区直流系统典型负载搭建含混合负载的直流串联故障电弧实验平台,采集多工况下的电流信号并建立故障电弧数据库。其次采用CEEMDAN对原始信号进行分解得到多个固有模态函数(intrinsic mode function,IMF),然后进行HT变换(Hilbert transform)分析包络谱,组成首尾相接的高维特征样本,最后将样本输入SAE模型中学习特征,实现变负载下的直流故障电弧识别。实验结果表明:该方法能够很好地发挥CEEMDAN-HT从原始信号中提取故障电弧特征和SAE无监督学习的能力,不需要人工设置阈值即可准确识别故障电弧并进行负载分类,平均准确率可达98.9%。

基于改进BP神经网络的电视电路直流故障诊断方法

常规的电视电路直流故障诊断方法未融合故障特征,导致其难以准确诊断电路故障。因此,提出基于改进反向传播(backpropagation,BP)神经网络的电视电路直流故障诊断方法。首先对电视电路直流故障进行全局搜索,完成故障点的诊断;其次在已诊断的故障点中,运用小波基函数对故障特征进行提取,在此基础上,改进BP神经网络的故障诊断模型;最后在样本集的训练中完成故障诊断方法的实现。实验中对电视电路的5处节点进行故障诊断,改进后的BP神经网络模型的故障诊断准确率达90%,高于基于机器学习(XGBoost)算法的故障诊断准确率(50%),表明基于改进BP神经网络的故障诊断方法能够有效诊断电路故障。

主动换相型电流源换流器直流故障特性及恢复策略

主动换相型电流源换流器(current source converter,CSC)兼具电压源换流器(voltage source converter,VSC)与电网换相换流器(line commutated converter,LCC)的部分优点,为高压直流输电系统提供了新方案。然而,现有对CSC直流故障特性的研究不够深入,直流故障清除与恢复的控制策略有待探索。首先,分阶段分析刻画了CSC高压直流输电系统的直流故障特性;随后,基于CSC的直流故障特性,提出了直流故障时交流过电压与振荡的抑制方法,以及直流故障后系统重启恢复的控制策略;最后在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了基于CSC的高压直流输电系统,验证了CSC直流故障特性分阶段刻画分析的正确性,以及CSC直流故障抑制方法与重启恢复控制策略的有效性。

包络微分算子增强直流故障电弧特征及其半监督式辨识方法

针对生弧材料弱化故障电弧特征和监督式学习方法依赖于大量标记数据的问题,提出了包络微分算子增强故障电弧特征,并采用半监督学习模型融合该特征辨识直流故障电弧和生弧材料的方法。首先依据UL 1699B搭建直流故障电弧实验平台,采集了铝、黄铜、不锈钢、石墨铸铁以及球墨铸铁常见电力设备材料下的故障电弧信号,再采用包络微分算子增强电弧小波特征,有效提升了多生弧材料条件下的故障电弧特征显著性。然后通过K⁃Means算法进行离群点检测,有效降低了同种生弧材料的特征波动。最后通过采用半监督学习算法MixMatch改进长短期记忆网络(long short⁃term memory,LSTM)模型,实验结果验证了该模型可在有限故障数据条件下获得比现有监督式学习模型更高的故障电弧和生弧材料辨识性能,为直流故障电弧精准运维提供了可行的技术手段。

混合式MMC直流故障穿越特性影响因素研究

混合式MMC利用全桥子模块的负压特性实现直流故障不闭锁穿越,由于直流故障穿越特性是考核换流阀设备与控制保护系统性能的重要指标,因此首先对混合式MMC直流故障穿越特性影响因素及其影响机理进行理论分析,主要包含控制器参数以及子模块配比两方面因素,然后搭建PSCAD系统仿真模型对其影响结果进行仿真验证并给出故障特性优化方法。结果表明,通过优化控制器参数可有效降低换流阀电气应力并缩短故障电流清除时间;故障期间在负投入子模块个数饱和的情况下,通过提升全桥子模块配比可缩短故障电流清除时间。

具有直流故障穿越能力的柔性配网变流器研制

柔性配网变流器将不同低压交流母线互联,可平衡母线间的负荷,提高配网设备的利用率。针对传统的配网变流器在直流故障容易损坏的缺陷,设计了1 500 V/1 MW的具有直流故障穿越能力的柔性配网变流器,首先分析了所设计的柔性配网变流器穿越直流故障的工作原理,然后设计了其主电路参数和控制策略,最后设计了可同时测试两套配网变流器的试验系统,对所设计配网变流器的初级参数和控制策略进行了有效的验证。