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。

增强型电网换相换流器的关断角测量控制方法

结合自定义γ角测量原理和增强型电网换相换流器(evolutional line commutated converter,ELCC)的工作状态,设计了ELCC的关断角测量方法和控制输出流程。在PSCAD/EMTDC中建立了具备关断角测量输出模块的新ELCC模型,并与CIGRE标准测试模型在暂态和稳态等不同条件下进行了仿真对比。结果表明,新ELCC模型与CIGRE标准测试模型在稳态工况下具备高度的等价性;在故障期间,新ELCC模型较CIGRE标准测试模型具备更强的交流侧单相故障抵御能力,有效地防止了换相失败的发生。验证了ELCC关断角测量输出模块的准确性,也为换流阀拓扑改造设计提供了参考。

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。

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。

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。

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。

兼具换相电压补偿和直流电流抑制能力的电网换相换流器拓扑

为提高传统直流输电系统抵御换相失败的能力,改善系统故障期间的动态特性,提出了一种基于晶闸管型全桥子模块(T-FBSM)的复合型电网换相换流器拓扑,在故障期间可以通过控制工作模式的切换同时实现换相电压的补偿及直流电流增长的抑制,从而提高换相失败的免疫能力。研究了T-FBSM与换流阀的协调控制策略,并设计了T-FBSM电气参数。最后,在PSCAD仿真环境中设置不同仿真案例,验证了所提新拓扑的电压、电流应力及换相失败抑制效果。仿真结果表明,所提复合式电网换相换流器拓扑协调控制策略及所设计的T-FBSM电气参数合理、有效,同时所提拓扑可以有效降低换相失败概率,并可改善系统的恢复特性。

电压跌落影响换流阀晶闸管可靠关断的机理研究

交流系统故障引起的换相电压跌落,是导致基于晶闸管的电网换相换流器发生换相失败的重要原因。为了研究电压跌落对换流阀晶闸管可靠关断的影响,首先分析换相失败的产生机理,然后基于晶闸管器件的电流分段特性和电荷连续性建立晶闸管关断模型,结合电荷连续性方程,推导晶闸管关断过程的载流子复合表达式,通过分析晶闸管电流和载流子复合变化过程,揭示电压跌落影响换流阀晶闸管可靠关断的作用机理。SABER仿真实验结果表明,电压跌落会延长晶闸管的关断过程,不利于换流阀可靠换相。其中,随着电压跌落幅度增大,晶闸管载流子主恢复过程逐渐延长,反向恢复电荷逐渐减少,但正向阻断恢复时间会逐渐缩短,原因是剩余载流子的减少。同时,在系统条件一定的情况下,得到了反压幅值与晶闸管各关断参数的定量关系,为抵御换相失败方案的设计提供了更可靠的理论依据。