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。

半控和全控器件串联的耦合关断模型及协调配合策略

换流器拓扑改造是从器件角度彻底解决换相失败(commutation failure,CF)问题的尝试。然而,目前相关研究忽略器件开关特性,导致关断模型不清晰,无法准确判断晶闸管阻断能力恢复过程并分析作用机理。文章基于器件层面的考虑分析CF的原因,研究一种半控和全控器件串联的结构。首先,分析其耦合关断过程的电流流通路径,进而建立耦合关断特性模型并详细分析其作用机制。然后,基于该机制,提出一种考虑器件阻断特性的半控和全控器件串联协调配合策略。最后,仿真验证半控和全控器件串联结构能够改善晶闸管的关断特性,提高双馈入高压直流输电系统抵御CF的能力。

并联LC换相换流器拓扑、换相特性与控制策略

改进型并联电容换相换流器(evolutional shunt capacitor commutated converter,ESCCC)通过在交流母线侧投切电容,可以实现降低直流线路损耗的单位功率因数控制,但是存在交流线路电感较大、阀电压应力大等问题。针对此问题,提出一种并联LC换相换流器(shunt LC commutated converter,SLCCC)及其控制策略,可有效降低换流器占地面积,改善系统性能。建立拓扑结构和数学模型,分析其换相特性,通过多目标规划方法设计电感、电容等参数,并设计可实现有功、无功功率解耦的闭环控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC环境中对参数设计和控制策略进行仿真验证,结果表明,新型换流器拓扑不仅可以降低换流器占地面积和直流线路损耗,提高抵御换相失败的能力,而且实现了闭环解耦单位功率因数控制。

一种新型柔性直流电网金属回线不停电融冰方案

冰雪灾害引起的输电线路覆冰对直流电网危害极大,因此融冰技术研究与应用对于直流电网抗击冰灾具有重大的意义。正常情况下,金属回线电流为零,不具有防冰效果,因此对其进行融冰尤为重要。采用电流的热效应对金属回线进行融冰,首先计算了四端柔直电网中金属回线的临界融冰电流和不同融冰电流对应的融冰时间,并建立了含金属回线的直流电网潮流计算模型。采用双极换流站功率异向的方式对金属回线进行融冰,选取了不同的融冰工况对四端电网进行融冰分析,得到最为适用的融冰工况,并对融冰控制过程进行仿真分析。最终得出结论,双极功率异向方式较适用于金属回线融冰,可实现不停电融冰,且对换流站功率要求较小。

基于电流源换流器的混合型海上风电直流输电系统

基于二极管整流器(DR)的海上风电并网方案能大幅降低投资成本,但其控制和启动问题难以解决。主动换相型电流源换流器(CSC)具有较高的功率密度和较强的控制性能,但成本相对较高。文中提出一种基于DR与辅助CSC混合级联的海上风电直流输电并网系统,既能实现海上平台轻型化,又能解决DR的控制和启动问题。首先,对拓扑结构和数学模型进行分析;然后,提出海上风电并网系统的稳态控制策略和黑启动控制策略,并基于PSCAD/EMTDC进行仿真验证;最后,对所提方案进行经济性分析。结果表明,混合级联型海上风电并网系统能平稳完成风电场黑启动,具有良好的稳态特性,并能适应风电出力的波动。

考虑谐振特性和无功特性的改进型并联电容换相换流器

传统直流输电存在换相失败问题,且交流侧需要大量的滤波器和无功补偿装置,体积大、成本高。串联电容换相换流器可以抑制换相失败的发生,但无法补偿大量无功功率;并联电容换相换流器能够降低换相失败概率,但存在谐振等风险。针对此问题,提出一种改进型并联电容换相换流器(ESCCC),在换流阀交流出口侧并联电容的基础上,引入了串联滤波电感。分析了其换相特性和无功特性,并考虑谐振特性和无功需求,对并联电容和滤波电感的参数进行了优化设计,最后在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型进行验证。仿真结果表明,ESCCC稳态交直流侧谐波均满足要求,交流侧无需额外的滤波器和无功补偿装置;故障时能降低换相失败发生的概率,且换相失败后的恢复特性良好。

基于主动换相型电流源换流器的远海风电并网系统

主动换相型电流源换流器(current source converter,CSC)无需较大储能电容且兼具黑启动能力,为远海风电直流并网提供了可行方案;然而,现有CSC因采用脉冲宽度调制,存在直流谐波大、开关损耗高等缺点。对此,提出一种基于基频调制电流源换流器的远海风电并网系统,首先分析其拓扑结构和数学模型,并对CSC进行参数设计,然后提出稳态控制策略和黑启动控制策略,最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中,对提出的控制策略和设计的参数进行仿真验证。仿真结果表明,提出的远海风电并网系统能平稳完成风电场黑启动,能稳定控制风电场交流电压/频率,具有良好的稳态特性,并能适应稳态下风电出力的波动。

降低直流线路损耗的并联电容换相换流器单位功率因数控制策略

电网换相换流器的交流滤波器组和无功补偿装置占地面积大,在交流电网故障时容易发生换相失败;改进型并联电容换相换流器(ESCCC)能减小换流器占地面积,提高抵御换相失败的能力,但通过阀侧电容投切实现单位功率因数控制会影响谐波特性。针对此问题,并考虑直流线路损耗优化,文中提出了一种基于ESCCC并结合交流母线侧电容投切的新型单位功率因数控制策略。首先,建立了拓扑结构和数学模型,分析了单位功率因数控制的原理;然后,提出新型控制策略,采用新的谐波评价指标设计了滤波电感、电容等参数;最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,验证控制策略的有效性和参数设计的合理性。仿真结果表明,ESCCC能在全工况下实现单位功率因数控制,并且降低了直流线路损耗和换相失败概率。

主动抵御换相失败的增强型电网换相换流器控制策略

为了进一步提高增强型电网换相换流器对换相失败的防御能力,结合换相回路的阻抗分流特性和晶闸管的关断特性,提出了一种应用于基于增强型电网换相换流器的高压直流(ELCCHVDC)系统的新型协调控制策略。该策略分为辅助换相控制和主动可靠关断控制,前者加速了换相过程,提高了系统换相裕度;后者可靠关断退出导通的阀臂,保障了阀内晶闸管恢复阻断能力的物理条件。此外,分析了子模块全控器件在所提策略下的电气应力并为其设计了最佳初始电容电压。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,子模块全控器件的电气应力与理论分析相符,新型协调控制策略提高了ELCC-HVDC系统的换相失败防御能力。

混合串联换流阀抑制换相失败的作用原理及动态均压电路参数设计

采用全控型电力电子器件改造电网换相换流器高压直流输电技术(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)来抑制换相失败(commutation failure,CF)是目前研究热点,但忽略器件差异性会对拓扑作用原理和器件电气应力分析产生关键影响,降低了工程应用的参考意义。文中研究一种由晶闸管与可关断管串联构成的混合换流阀(hybrid series converter valve,HSCV),考虑器件特性的差异。设计HSCV的工作状态,分析HSCV的抵御CF的作用原理。对HSCV器件进行合理选型并设计关断时序。分析关断过电压现象,并基于电压电流应力提出可关断管动态均压支路参数的设计原则。SABER和PSCAD/EMTDC仿真结果表明,HSCV能够增大晶闸管恢复正向阻断能力的时间,防止该阀重新导通和倒换相;提出的参数设计原则可以合理设计动态均压支路,有效解决可关断管的过电压问题,满足器件参数要求;相较于LCC-HVDC系统和其他经全控型电力电子器件改造的LCC-HVDC系统,基于HSCV的高压直流输电系统具备更强的CF抑制作用。

基于全控阻容模块的电网换相换流器方案设计及机理分析

为提高电网换相换流器(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)在严重故障情况下抵御换相失败的能力,提出了一种基于全控阻容子模块(fully controlled resistance-capacitance sub-module,FCRM)的电网换相换流器拓扑方案,通过提供换相电压支撑,限制故障电流,提高了系统抵御换相失败的能力。首先提出FCRM的基本结构和工作模式,分析基于FCRM的电网换相换流器抵御换相失败的作用原理,然后研究故障态FCRM的作用机理和开关器件电气应力。通过对阻尼电阻能量耗散进行计算,提出阻尼电阻的设计原则。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,在严重故障下,FCRM电压电流应力满足器件要求,基于FCRM的电网换相换流器可以快速完成换相,增强系统的换相失败免疫能力。

低容值半桥型模块化多电平变换器直流故障辅助清除策略

通过谐波电流注入方式可有效减小子模块电容容值,进而降低模块化多电平变换器(MMC)的体积和质量,实现MMC的轻型化。该文通过对低容值半桥MMC直流故障工况特性的理论分析,指出在其他参数不变的情况下,低电容容值下的子模块电容存在放电速度快的现象,可导致故障清除过程中子模块低压闭锁问题。从等电荷角度出发,提出一种基于低容值半桥MMC的直流故障辅助清除策略。通过在MMC故障清除过程中根据电容比调整相投入子模块总数,可有效减小MMC子模块电容的放电量并实现系统的快速恢复。基于PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建仿真程序,通过仿真和实验验证了低容值MMC故障辅助清除策略的有效性。