一种具备直流故障隔离能力的经济型MMC拓扑

基于模块化多电平换流器(Multilevel Modular Converter,MMC)的柔性直流输电系统在电压源换流器高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)领域得到了广泛应用.如何处理直流侧故障是MMC所要面对的难题之一.由于混合式大容量高压直流断路器技术的研究尚未成熟,利用换流器自身清除故障电流成为未来柔性直流输电系统清除直流故障的首选策略.在分析已有子模块的基础上,提出一种新型的具备直流故障隔离能力的经济型MMC拓扑.该新型子模块拓扑由两个半桥型子模块串联组成,每个半桥型子模块电容被一分为二,这使得子模块内部附加器件的耐压值得以降低.在换流器闭锁后,无论电流正向或负向流入子模块,子模块内部电容都会提供一个反极性的电容电压将故障电流隔离.在PSCAD/EMTDC平台下搭建单端5电平MMC-HVDC系统及经济性分析结果表明,该新型子模块故障隔离能力良好,其经济性高于现有各类具有直流故障隔离能力子模块拓扑.

含综合能源的多直流电压等级互联电网运行控制及其直流故障隔离策略

为了满足不同地区的电力分配、电压等级和灵活调度需求,采用柔性直流输电技术构建互联电网成为了当前的主要趋势。文中分析了风电、光伏、DC/AC及DC/DC等关键组网设备的运行控制策略,组建了含新能源的多直流电压等级互联电网,分析了其结构特点和运行原理。为了应对不同位置的直流故障,提出了基于DCCB的故障隔离策略,在PSCAD/EMTDC平台下搭建了仿真模型,进行了不同工况的仿真分析,仿真结果验证了所提出的控制运行与直流故障隔离策略的有效性。

推挽式直流自耦变压器直流故障隔离策略

推挽式直流自耦变压器功率传输效率高,但其并不具备电气隔离能力。通过配置直流断路器或全桥子模块等现有技术虽能够隔离直流故障,但存在成本高昂问题。为了降低直流故障隔离成本,研究了推挽式直流自耦变压器的直流故障隔离策略。首先,介绍了推挽式直流自耦变压器的拓扑与工作原理,分析了四绕组变压器的运行特性,推导建立了推挽式直流自耦变压器端口电压与桥臂输出电压间的关系。然后,基于直流故障响应特性的分析结果,提出配置直流故障隔离组件的推挽式直流自耦变压器,给出相应的直流故障隔离策略。当发生直流故障时,推挽式直流自耦变压器可以快速控制端口电压、阻断故障电流,从而维持非故障直流系统稳定运行,并降低设备造价。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真验证了推挽式直流自耦变压器直流故障隔离策略的可行性与有效性,并对比了多种具备直流故障隔离能力的直流变压器的技术经济性。

MMC-HVDC输电系统直流故障隔离综述

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)是一种新型的灵活输电方式。同交流输电技术相比,MMC-HVDC输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点。在当前各类MMC拓扑中,半桥型MMC具有所用器件少、运行效率高、经济性好等特点,但缺乏直流故障清除能力。本文简单介绍了半桥型MMC发生故障的原因,对目前MMC-HVDC输电系统直流故障隔离技术的国内外研究现状进行综述,并结合当前研究现状,展望了MMC-HVDC输电系统直流故障保护的新的研究方向。

可隔离直流故障的直流电网用DC/DC变换器拓扑

直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的重要手段,近些年获得了快速发展。DC/DC变换器作为直流电网中电压变换和隔离直流侧故障的关键设备也日益受到关注。提出了一种适用于直流电网的可隔离直流故障的新型DC/DC变换器拓扑,该拓扑基于半桥模块化多电平换流器型DC/DC变换器,增加故障转移支路,发生直流故障时更易切断故障电流,同时提出了其故障隔离策略。对比该拓扑与半桥式DC/DC变换器的技术性和经济性差异发现,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,提出的DC/DC变换器方案不仅可以更快地切除故障线路,还减少了故障隔离对于直流断路器的依赖。在PSCAD/EMTDC中,针对两个直流电网的典型场景,进行了直流双极短路故障仿真。仿真结果表明,所提出的拓扑具备直流故障穿越能力,非常适用于大规模直流电网系统。

具有直流故障清除能力的MMC子模块关键性能研究

由于直流故障熄弧问题,柔性直流系统中、大容量直流断路器的商业应用尚不成熟。利用换流器自身实现直流故障自清除成为未来柔性直流系统直流故障隔离的主要手段。针对近年来国内外学者提出的各类具有直流故障自清除能力的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块,该文对其关键性能进行了详细的分析比较。通过理论计算,分析了各类子模块的故障隔离速度和交流源阻断能力,并通过仿真进行验证。此外,从投资成本和附加功率损耗两个角度,结合算例分析,对各类子模块的经济性进行了分析比较。所取得的研究成果能够为工程实际中换流器子模块的选择提供理论依据与参考。

具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器

为解决柔性直流电网中混合式直流断路器成本高以及盲目重合闸的问题,提出了一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器。所提断路器能够在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器,配合电容充电回路的导通,将本应经避雷器耗散的限流电抗器能量转移到电容中,从而有效减少了故障隔离时间与避雷器能量耗散压力,并为故障性质的判别提供了能量支持。同时,该断路器通过共享主断路器的方式实现故障隔离,结合避雷器泄能需求的下降,大大降低了断路器的制造成本,在经济性方面优势明显。此外,该断路器利用故障识别电流与电容电压在永久性故障与瞬时性故障下的幅值差异来识别故障性质,实现了自适应重合闸,操作简单且易于控制。最后,利用PSCAD/EMTDC在三端MMC柔性直流系统环境下对所提方案的有效性进行了仿真验证,并通过与其他方案的对比分析,证明了所提方案的优越性。

一种具有故障隔离能力的MMC-HVDC换流站子模块拓扑研究

针对典型半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法阻断直流短路故障电流的固有缺陷,提出一种串联型双电容箝位型子模块,并结合传统半桥型子模块,设计成混联型桥臂拓扑,采用更低额定工作电压的IGBT,实现子模块基本功能的同时,增加了故障电流隔离能力。与全桥子模块结构和箝位双子模块结构相比,所提出的子模块拓扑方案进一步降低了器件成本。详细描述了该方案故障电流阻断机理,并通过电磁暂态仿真模型验证了基于该子模块拓扑的换流站方案的可行性。

一种能够阻断直流故障电流的新型子模块拓扑及混合型模块化多电平换流器

针对常规半桥型模块化多电平换流器无法隔离直流故障电流的问题,提出一种新型的应用于模块化多电平换流器的自阻型子模块拓扑,并列出自阻型子模块的4种结构。这4种类型的自阻型子模块在隔离直流故障电流时,需要同时闭锁IGBT的触发脉冲。为了降低触发同时性的要求,进一步提出无需同时闭锁IGBT触发脉冲的2种增强自阻型子模块拓扑。模块化多电平换流器技术(modular multilevel converters,MMC)的全部子模块采用增强型子模块时所使用的电力电子器件较多,为了进一步减少MMC中电力电子器件的数量,提出一种由增强型子模块和常规半桥子模块构成的混合型MMC。PSCAD/EMTDC下的仿真研究表明,所提出的自阻型子模块、增强型子模块及混合型换流器能有效隔离直流故障。相比于常规半桥型MMC,该混合型MMC仅需提高25%的IGBT即可具备隔离直流故障电流的功能,因此具有良好的工业应用价值。

多端柔性直流电网保护关键技术

多端柔性直流电网直流故障后故障电流快速上升、无自然过零点等特点使得直流线路保护和故障处理技术成为柔性直流电网发展的关键技术难点。理论分析了多端柔性直流电网线路保护的特殊性,借鉴传统直流输电线路保护原理和点对点式柔性直流输电线路保护原理的研究现状,对多端柔性直流电网线路保护的发展方向进行了探讨。同时,全面分析了各类直流故障隔离方法的基本原理,从故障隔离能力、经济性、控制保护耦合影响等多个方面阐述了其进一步的发展趋势。最后,考虑到架空线路输电的应用前景,设计提出了一种适用于点对点式柔性直流输电系统、具有低电流危害的新型故障重合闸判断方法,较现有重合闸策略而言,该方法重合于永久性故障时能够彻底避免对系统的二次过电流冲击。在此基础上,讨论了多端柔性直流电网对重合闸策略的性能要求。

基于广义H桥电路的混合式直流断路器

基于多端直流电网快速发展的现状,针对直流故障清除问题,提出了一种基于广义H桥电路的高压混合式直流断路器。利用H桥结构电流双向流动的特点,将转移开关和主断部分以二极管H桥的形式实现复用,并且取消了常见的反并联二极管,在保证直流故障处理能力不变的前提下,所需IGBT(绝缘栅双极型晶体管)数量大幅减少。为了验证基于广义H桥电路的混合式直流断路器及其故障隔离方法的有效性,在PSCAD/EMTDC平台搭建了四端直流电网测试系统,仿真验证了其可行性。同时将本方案和其他方案进行了拓扑、器件成本方面的对比,结果表明本方案具有良好的经济性。

南澳三端柔性直流输电工程加装直流断路器的实时仿真

直流输电系统因系统惯性小,故障发展快,且直流电流没有过零点,因此对断路器的开断能力要求很高。结合即将投运的南澳三端柔性直流输电系统加装直流断路器工程,对世界上首台工程应用的机械式直流断路器进行了研究,并针对加装直流断路器后三端柔性直流输电系统的控制保护策略进行了分析和研究,增加了青澳站在线投退、故障隔离等功能。通过实时仿真实验平台连接实际工程控制器进行了实时仿真试验,对加装断路器后的系统特性和控制保护策略进行了验证。对南澳站典型故障进行了分析,试验表明在加装直流断路器后,可以实现青澳站故障和青汇线(青澳站至金牛站)的有效隔离和切除,其他两站可以正常运行。为工程现场调试方案的制定提供了理论和试验依据。此外,在调试现场还进行了人工负极接地短路试验,充分地验证了直流断路器具备可靠切除直流故障的功能。

基于钳位开关电容的高频模块化直流变压器

直流变压器是构建直流配电网的核心设备。鉴于此,为了促进直流配电网的工程化进程与运行可靠性,提出一种基于钳位开关电容的高频模块化直流变压器方案(clamping switched capacitors-based high-frequency modular DC transformer,CSC-DCT)。相比于传统的直流变压器,该文所提的方案不仅集成了原有方案的功率密度高、体积小、运行噪音低、高低压侧隔离等优点,同时也克服了原有方案应用时的众多不足,是一个集冗余子模块设计功能、直流故障处理能力、灵活控制方法、升降压型高频链电压调节能力以及单步直接电压变换功能于一体的换流开关一体化直流变压器。同时,为了更好地利用CSC-DCT的优势,对CSC-DCT的子模块基本调制策略、直流故障处理策略、冗余子模块在线切换策略、控制系统架构及电流、电压以及传输功率特性等进行详细的分析与研究。实验结果验证了该文所提的CSC-DCT及其控制策略的可行性与有效性。

一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器

针对构建未来多电压等级多端直流电网的技术需求,提出一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器,并建立了相应数学模型。该拓扑主要由半桥子模块和一种新型的、具有故障电流阻断能力的T型全桥子模块构成,进一步提高了经济性。在此基础上,设计了高压大功率DC/DC变换器的调制策略和电容电压平衡策略,利用T型全桥子模块负电平输出实现直流电压下降时变换器的正常工作,保证多电压等级互联直流系统的降压稳定运行。然后分析了高压大功率DC/DC变换器的直流故障隔离原理。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了含高压大功率DC/DC变换器的直流试验系统仿真模型,通过稳态和暂态仿真分析,结果表明该变换器能够实现降压运行并具有直流故障隔离能力,在未来多电压等级多端直流电网中具有良好的应用前景。

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。