电流源型混合直流输电系统建模与仿真

为解决传统直流输电系统换相失败问题,针对电压源型混合直流输电系统存在直流故障难以处理、平波电抗与直流电容容易产生谐振、无法进行潮流反送等缺点,分析了一种新型电流源型混合直流输电系统,其特点是整流侧采用传统的电网换相换流器,逆变侧采用基于全控型器件的新型电流源型换流器。重点推导了电流源型换流器在dq旋转坐标系下的低频和稳态数学模型,并设计了相应的控制器和控制策略。在PSCAD/EMTDC中以葛南直流系统为基础搭建了电流源型混合直流系统。详细阐述了启动和潮流翻转的步骤和过程,测试了逆变侧发生三相短路故障下系统的响应和恢复特性,研究了系统的直流故障自清理能力和重启动策略。仿真结果表明,该系统具有良好的性能,是直流输电系统在远距离、大功率应用领域一种可行的改进方案。

新型混合级联多电平换流器调制策略

重点研究了不同运行模式下混合级联多电平换流器的调制策略。首先,为降低导通开关的开关频率和稳态损耗,提出了具有基频开关特性的不对称方波调制策略;分析了该调制方式下整形电路与外界系统的能量交换特性,并给出了电压调制比和占空比的取值范围。其次,提出了适于整形电路的改进载波移相调制方法和子模块电容电压均衡策略;研究了混合级联多电平换流器的直流闭锁模式和静止同步补偿器运行模式,指出通过修正调制参考波稳态调制策略,其仍可适用于静止同步补偿器运行模式。最后,PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所述调制策略的有效性和可行性。

MMC-HVDC换流器阻抗频率特性分析

分析模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)交直流侧呈现的阻抗频率特性是系统设计的重要内容。首先根据MMC的基本运行机理和连续模型,推导交直流侧阻抗的等效表达公式;然后提出基于测试信号法的阻抗计算方法和详细实现流程;最后利用PSCAD/EMTDC对典型系统进行仿真计算。结果表明:1)在电压源激励和电流源激励下所呈现的交流侧阻抗特性不同,而直流侧阻抗特性一致;2)交流侧阻抗特性难以利用无源元件简单串并联模拟,而直流侧阻抗可等效为单调谐滤波器;3)稳态运行点变化对交直流侧阻抗几乎没有影响;4)不同控制模式下交直流阻抗特性曲线基本趋势一致,主要在低频范围内略有不同。

采用不同子模块的MMC-HVDC阀损耗通用计算方法

针对模块化多电平换流器型高压直流输电系统(MMC-HVDC)提出了一种阀损耗通用计算方法,可统一分析现有子模块结构:半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块。首先基于系统运行参数和调制控制策略解析出各子模块元件的电流、电压时域变化波形,然后利用厂商提供的特性曲线对半导体器件特性参数进行拟合,最后结合器件电流、电压波形和开断次数计算其损耗和结温。所提方法能够计及优化电容电压附加控制,且便于编程实现。基于所提方法开发了MMC-HVDC阀损耗通用分析程序,可快速计算各种工况下的换流器功率损耗分布和器件结温。通过算例计算验证了所提方法的有效性。算例结果表明:3种典型MMC拓扑中H-MMC损耗最少,C-MMC次之,F-MMC最差;环流抑制后个别运行工况下换流器损耗特性可能恶化;降低器件开关频率和提高电压调制比均可降低损耗;当器件开关频率低于某特定值(本算例为500 Hz)后,器件的通态损耗成为主导分量。

LCC-C-MMC混合高压直流系统直流低电压穿越控制策略

现有传统混合高压直流(HVDC)存在3个关键问题:直流侧故障的自清除问题、电压源型换流器(VSC)输送容量难以与电网换相型换流器(LCC)相媲拟、整流侧交流故障引起的直流低电压穿越问题。为此,提出了一种新型的LCC-C-MMC混合高压直流方案,逆变侧由C-MMC改进型拓扑串并联组合构成。研究了混合直流稳态运行控制特性,分析了整流侧故障引起输送功率中断的原因。提出了带投旁通的后备定电压控制策略,分析了投旁通对过程中系统的等值电路和桥臂充电特性。通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所提控制策略的可行性。仿真结果表明:引入的3次谐波注入调制和无功功率动态调整策略扩展了系统的稳态和暂态调节范围,使得系统在交流电压跌落10%时运行特性良好;当故障严重时(如测试算例中交流电压跌落50%),旁通对快速旁路高位端的换流单元使系统进入半压运行模式,剩余健全的换流单元可维持功率的持续输送;投旁通对过程中,箝位二极管所串联的电阻可以有效抑制充电电流,减少处于闭锁状态的桥臂电容的上升幅值。

C-MMC直流故障穿越机理及改进拓扑方案

采用基于箝位双子模块(clamp double sub-module,CDSM)的模块化多电平换流器(modular multileve lconverter,MMC),是MMC-HVDC实现直流故障快速自清除的理想选择之一。首先研究箝位双子模块正常和闭锁工作模式;然后分析闭锁前后故障等值电路和故障电流特性,指出利用二极管阻断特性和模块电容所提供的足够大的反电势能够实现直流闭锁;最后,提出两点改进措施:1)桥臂由半桥子模块和箝位双子模块混合而成,降低了稳态运行损耗和半导体器件数量;2)在子模块内部箝位二极管处串联阻尼电阻,以加快闭锁期间能量耗散和降低电容电压增高幅值。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所提出的改进拓扑结构方案的可行性和有效性。

子模块故障下C-MMC型高压直流系统的保护设计和容错控制

从子模块级、换流器级和系统级3个层次上设计了基于箝位双子模块(CDSM)的新型模块化多电平换流器(MMC)的冗余保护控制策略。提出了基于双晶闸管保护策略,其中一个晶闸管稳态长期导通来分担二极管电流以减少损耗,并分析了子模块的失效机制。设计了改进型最近电平调制和电容电压平衡策略。该方法动态调节电容电压参考值,通过引入故障因子对电容电压测量值进行修正以防止故障元件参与投切。利用3次谐波注入调制、变压器分接头档位控制和有功无功调节等手段,优化提高动态备用子模块数目和增强系统不间断功率运行能力。在PSCAD/EMTDC中搭建每桥臂105个子模块的仿真模型,仿真结果表明:引入双晶闸管保护策略后,整流侧和逆变侧二极管总损耗分别下降9.8%和5.3%;即使36个模块电容切除后,系统仍可正常运行,且换流器桥臂环流的增量不超过额定值的5%。

桥臂交替导通多电平换流器电容电压平衡控制

重点研究了桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的电容电压平衡控制。首先阐述了AAMC的运行特性和工作原理;其次基于子模块充放电的基本原则,提出了适用于AAMC的改进最近电平调制策略,根据桥臂电流方向和子模块电容排序结果确定子模块的投切状态;并通过引入最大电压波动系数优化选择子模块投切时机,降低了开关频率并减少了损耗。在PSCAD/EMTDC中搭建了每桥臂10个子模块的模型,时域仿真结果表明,所提出的平衡控制策略能够满足电容电压均衡。

同塔双回高压直流工程交流滤波器设计

同塔双回高压直流(DCT-HVDC)工程在世界上尚未见到设计和实际运行的经验,而以往的交流谐波计算和滤波器设计算法,只适用于传统单回直流工程,无法满足双回共站直流工程的设计要求。文中对双回共站直流工程设计存在的技术难点进行了分析,提出了改进算法和解决方案。首先,根据直流输电系统的特点,假设直流输电线路入口处的谐波电压为0,使整流侧和逆变侧的谐波电流计算相互解耦,避免了计算过程中对直流线路的建模,这样,DCT-HVDC工程可以等效为2个常规的单回直流工程分别加以考虑;然后,将2个单回直流工程运行工况合成为一个新的双回运行工况,在该运行方式下,取各种功率组合的各次最大不相容电流作为滤波器性能定值校核的谐波电流源,从而消除了不同功率组合方式对谐波电流的影响且大大减少了计算量;接着,研究了DCT-HVDC工程滤波器投切策略的确定方法和基本原则;最后,以溪洛渡送电广东±500k VDCT-HVDC工程为例,通过工程初步设计和计算,验证了所提出的改进模型的合理性和工程应用价值。

基于三次谐波电流注入的AAMC电容电压均衡策略

介绍了新型桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)的拓扑结构和基本原理。该拓扑包括两个关键部分,即由绝缘栅双极型晶体管串联组成的导通开关和全桥子模块级联而成的整形电路。拓扑结构具有模块数量少、无环流、可处理直流故障等优点,但电容电压平衡是其亟待解决的难点之一。为解决该问题,提出了采用三次谐波电流注入以实现电容电压均衡的具体策略。具体实现过程分为两步:首先,通过换流变压器阀侧中性点和直流侧分裂电容构成能量回馈通路,然后设计了开环控制器控制三次谐波电流大小来保证整形电路总体能量变化均衡;其次,利用改进载波移相调制方法,对整形电路内部子模块进行能量再分配,该方法根据调制波与参考波比较得到需要投入模块的数量,并基于电流和模块电压监测结果触发相应的子模块。在PSCAD/EMTDC平台上建立了每桥臂10个子模块的AAMC模型,仿真结果验证本文所提电容电压均衡策略的有效性。

适用于架空线路输电的新型双极MMC-HVDC拓扑

在充分借鉴传统直流输电工程结线方式的基础上,提出了一种适用于架空线路输电的新型双极模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统拓扑。该拓扑中换流器采用基于箝位双子模块的改进型模块化多电平换流器(MMC),接地极线从上下2个换流器串联构成的双极结构中间引出。重点分析了换流器在故障条件下的等值电路和直流闭锁机理,并设计了直流侧故障后的详细控制策略,并用PSCAD/EMTDC仿真软件验证了该系统拓扑的有效性和可行性。结果表明:双极拓扑具有运行方式灵活、系统可靠性高等优点;由于二极管反向阻断和箝位作用,换流器在封锁所有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)触发脉冲后数ms内就能实现直流闭锁,因此无需交流断路器动作,仅依靠换流器自身动作就能抑制短路电流;所设计的控制时序可有效处理直流侧的故障,并在暂时性故障下帮助系统迅速重启动,减少系统停运时间。

故障子模块切除后MMC运行特性分析和直流电流波动抑制

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的桥臂由大量子模块构成,器件故障的可能性很高。切除故障子模块后三相桥臂将处于不对称运行状态,交流相电流在故障相上下桥臂无法平均分配,导致直流电流波动。为此,首先建立子模块故障下MMC等值电路,然后推导分析了桥臂电流和直流电流波动分量和谐波构成。设计了一种新的抑制直流电流波动的控制策略。该策略的核心思想是在故障桥臂电压参考波上附加补偿电压分量。最后通过电磁暂态仿真验证了该方法的有效性与可行性。仿真结果表明:基频和二次谐波是直流电流波动分量的主导成分;应用本策略后,测试算例中直流电流波动分量被抑制到1%以下;电容电压动态修正环节可有效保证子模块投切计算数量与实际需求量一致。

基于箝位双子模块的MMC-HVDC起动控制策略

分析了基于箝位双子模块的MMC-HVDC正常自励起动过程,将起动过程分为两个基本阶段,即不控充电阶段和可控充电阶段。利用电路原理方法化简了不控充电阶段的系统等值电路,推导了最大充电电流与限流电阻之间的关系,并指出在该阶段由于二极管箝位作用电容无法充电至额定状态。设计了三种可控充电方法以对电容继续充电获取足够的能量,其中方法一利用直流电压控制器和调制均衡策略,而方法二和方法三则通过改变充电回路中等效内电势和等效电容实现电容完全充电。为充分发挥系统故障穿越能力,设计了直流侧暂时性和永久性故障后的系统自动再起动控制时序。在PSCAD/EMTDC中搭建两端有源的MMC-HVDC系统,仿真结果表明所提出的起动控制策略效果良好。

稳态运行和直流故障下桥臂交替导通多电平换流器的控制策略

寻找一种可有效处理直流侧故障的拓扑结构是目前电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)工程应用中的关键性问题。桥臂交替导通多电平换流器(AAMC)具有能够处理直流故障、模块电容数量少、占地空间小等优点,具有广阔的发展前景。针对目前AAMC有关主回路参数确定运维控制等内容有关文献研究不多的情况,首先对AAMC拓扑结构和基本原理进行研究和分析,推导了直流电压和交流阀侧电压的最优关系并分析了子模块数量选取原则;其次研究了稳态运行时正弦波形成电路和导通开关协调配合,并提出了基于电压极性选择的子模块均衡策略;接着分析了直流故障下的控制策略,指出故障期间闭锁导通开关中的IGBT,并通过桥臂模块产生负电平利用串联二极管的反向阻断能力能够完成直流熄弧过程。最后在PSCAD/EMTDC搭建15模块AAMC系统模型,仿真结果验证了设计原则和控制策略的有效性。

500kV固定式直流融冰装置的静止无功补偿器重构方案

针对在线路没有覆冰期间设备利用率低和经济性能差的问题,固定式直流融冰装置通常通过主接线重构用于静止无功补偿装置运行。根据晶闸管阀组的拓扑形式重构方案可分为两种基本类型,即可控整流型和可控电抗器型。为提高重构方案的运行效益,注重缩合成本和运行安全,通过理论分析和仿真验证,从阀的电压应力、阀损耗和谐波等对设备选型和运行安全有重要影响的若干方面,来详细探讨了两种方案的优缺点。结果表明尽管前者在模式切换具有简单易行等优点,但运行时电压应力、阀损耗和谐波均大于后者可能导致其综合运行效益降低。

高压直流输电双调谐滤波器阻尼电阻的选取原则

阻尼式双调谐滤波器广泛应用在高压直流工程中,其阻尼电阻的选择关系到滤波器的滤波效果和直流系统的运行性能。首先通过比较不同阻尼电阻下的滤波器阻抗频率特性,分析了阻尼电阻对滤波效果的影响;然后以某±800 kV特高压直流输电工程交流滤波器设计为例,考核不同阻尼电阻下滤波器的性能和稳态定值;最后基于性能指标和稳态定值要求的考虑,总结了电阻优化选择的基本原则和规律,对提高滤波器设计的效率、减少盲目性具有一定的工程指导意义。

直流输电系统交流侧谐波电流计算的改进时域分段法

谐波电流计算是直流输电系统滤波器设计的首要环节。提出一种基于时域分段法的改进快速算法,可以统一求解交流侧特征和非特征谐波电流。根据直流输电系统的特点假设直流输电线路入口处的谐波电压为零,使整流侧和逆变侧的谐波电流计算相互解耦,避免计算过程中对直流线路的建模。精确计算对非特征谐波有重要影响的换相角,保证换相区间和非换相区间的精确划分。计算过程中充分考虑了交流侧负序基波电压、背景谐波电压、触发角不对称、换流变压器三相参数不对称等各种非理想因素的影响,同时计及了直流侧纹波对交流侧谐波电流的影响。通过与PSCAD/EMTDC时域仿真结果对比,证明所提算法速度快、精度高,满足直流工程滤波器设计对谐波电流计算的要求。

基于投旁通对策略的组合式C-MMC单元投退控制

采用换流单元串并联的组合式基于箝位双子模块的模块化多电平换流器(C-MMC)是柔性直流系统实现高压大容量输电的有效途径。针对工程实际中如何完成换流单元在线投退的问题,首先将换流单元的投退过程分为并联类和串联类2种基本模式,讨论了投退过程存在的技术难点。其次,设计了旁路开关和隔离开关的配置方案以及箝位双子模块串接电阻的限流方案。然后,重点针对串联类单元投退,提出了一种基于投旁通对的控制策略。其核心思想是单元投退过程中以某一相桥臂为旁通对同时闭锁剩余两相桥臂,使得直流电流在换流单元和旁路开关间平稳转移;桥臂闭锁期间箝位二极管所串联的电阻有效抑制充电电流,减少模块电容电压的上升幅值。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所提方案的有效性。

基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电控制系统设计

为了设计并搭建基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电(MMC-MTDC)控制系统。首先分析了模块化多电平换流器的基本原理,并基于此基本原理设计了阀组级控制器以及采用矢量控制的换流站级控制器。接着,设计了适用于MMC-MTDC的直流偏差控制器;最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中对所设计的控制系统进行仿真分析。仿真结果表明:控制系统实现了换流站的功率控制与交流电压控制,并且使得换流站具备了孤岛供电能力;在定直流电压换流站故障退出运行后,后备定直流电压换流站能够自动实现直流电压的偏差控制;各级控制器间的相互配合使得所构建的MMC-MTDC系统稳定、可靠地运行。

大容量架空线柔性直流输电关键技术及前景展望

柔性直流输电技术(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)应用于远距离大容量架空线输电是实现我国能源资源优化配置的客观要求,也是电网技术发展的未来趋势。目前柔性直流输电技术扩展到架空线输电场合所面临的关键问题有:直流线路故障难以快速清除、输送容量难以与传统直流输电相媲拟、主接线方式和接地方式选择原则还没有定论等。针对问题1,分析现有工程所采用的拓扑结构在直流故障下的脆弱性,重点综述具有直流故障穿越能力的拓扑结构。根据其处理直流故障的特点将其划分为3种基本类型。对比分析几种典型拓扑的优缺点。针对问题2和3,为实现高电压大容量输电任务,提出基于组合式换流器的双极结构拓扑。该结构内每极由若干基本换流单元(basic converter units,BCU)串并联构成,接地极线从上下正负极结构中间引出。分析4种单元扩展的方式。综述可行的接地方式及其优缺点。最后,结合我国电网结构特点和能量流动特点,分析两种基本的柔性直流系统结构,指出其所面临的挑战和机遇。