模块化多电平换流器多维度建模方法研究

目前可用于对模块化多电平换流器系统进行分析的仿真模型包括详细模型、高速等效模型和宽频模型,三种仿真模型各有优劣,应用范围有限。结合详细模型、高速等效模型以及宽频模型的优点,采用每个桥臂每种子模块单个详细模型、剩余子模块高速等效模型的方法,并考虑实际系统杂散元件的影响,在桥臂对应位置接入杂散元件,建立了模块化多电平换流器多维度模型。该模型兼具器件级电磁暂态特性仿真能力、高效性以及高准确度的特点,能够满足对模块化多电平换流器系统仿真的所有需求。基于PSCAD/EMTDC搭建了双端系统进行仿真,验证了所建立模块化多电平换流器多维度模型的正确性和有效性。

基于级联全桥型混合直流断路器的直流电网故障恢复策略研究

直流电网技术是解决可再生能源并网消纳的有效手段,而直流电网的故障恢复是目前亟待解决的关键问题。文中基于对级联全桥型混合直流断路器的可控重合闸策略分析,提出了直流线路短路故障永久性或瞬时性故障特性判别方法;基于对直流电网故障恢复的需求分析,提出了基于级联全桥型混合直流断路器的直流电网故障恢复策略,在满足直流电网故障恢复的快速性及设备安全性的同时,有效避免了在永久性故障下重合闸引起的二次故障。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了文中所提直流故障特性判别方法有效可靠,所提故障恢复策略能够满足直流电网故障恢复需求。

MMC-HVDC系统直流断线故障特性分析

在柔性直流输电系统故障特性的研究中,对直流断线故障特别是模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)-HVDC系统的直流断线故障研究很少。基于对称单极主接线形式和模块化多电平拓扑结构,提出了系统直流断线故障发展过程中非故障直流母线上存在故障电流的新特性。首先,分析了非故障直流母线上故障电流产生的机理;其次,按照换流站运行及控制模式的不同,从直流场、交流场和换流阀3个方面对故障电流引起的系统电压电流变化特性进行了分析,并推导了故障电流的计算表达式;再次,从继电保护的角度分析了故障电流对整个柔性直流输电系统的影响;最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了双端系统进行仿真,验证了故障特性分析的正确性。

±10kV光伏直流接入线路极间短路故障协调控制策略

为实现±10kV光伏直流接入线路极间短路故障发生后系统的快速稳定控制,避免不必要的停机操作,提出了基于故障过渡电阻判断的故障协调控制策略。首先,分析了故障过渡电阻对极间短路故障特性的影响,提取了故障电气量的变化特性;其次,利用故障清除前后电气量的变化特性,设计了故障时间分析方法,实现了故障暂时性和永久性的判断,并产生故障清除信号;接着,以不触发其他保护动作为原则,提出了暂时性故障的恢复方案,实现了系统恢复正常运行;最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了±10kV光伏直流接入系统仿真模型,对故障协调控制策略进行了仿真验证。结果表明:提出的故障协调控制策略能够辨识暂时性故障,并在故障清除后实现系统的快速恢复,提升系统的可靠性。研究结果验证了所提故障协调控制策略的正确性。

子模块混联MMC-HVDC系统直流侧短路故障电流抑制方法

考虑到目前直流输电系统故障难以快速清除且故障后系统重启的复杂度较高,基于全桥及半桥混联的模块化多电平换流器系统,提出一种直流双极短路故障电流抑制方法。首先根据系统调制度裕量计算得到用于抑制故障电流的抑制电压。然后进行判断,当故障电流大于电流上限值时,控制每相级联电压为负的抑制电压;当故障电流小于电流下限值时,控制每相级联电压为正的抑制电压;当故障电流位于电流上、下限值之间时,控制每相级联电压为零,此时系统等效为两个并联的无功补偿器,可以为电网持续提供无功支撑。该方法能够在系统不闭锁的情况下快速将故障电流抑制在给定的范围内,算法简单、容易实现。最后基于PSCAD/EMTDC搭建了MMC-HVDC双端系统仿真模型,验证了所提出的故障电流抑制方法的正确性和有效性。

含桥臂阻尼的MMC-HVDC直流双极短路故障机理分析

直流双极短路故障是柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统最严重的故障之一。具有桥臂阻尼的半桥型模块化多电平换流器在故障后能加快故障电流的衰减速度,实现系统快速重启动。基于含桥臂阻尼的HBMMC(half bridge sub-module modular multilevel converter)-HVDC系统建立了一套完整的直流双极短路故障机理分析的解析模型,分别对换流器闭锁前,换流器闭锁后和交流断路器断开后3个阶段的故障机理进行了详细分析,并给出了每个阶段对应的桥臂电流解析表达式。通过此解析模型,可快速准确地计算直流双极短路故障发生后的故障电流及故障衰减时间,为其工程应用提供理论依据。最后,基于Matlab/Simulink仿真软件搭建了含桥臂阻尼的HBMMC-HVDC系统仿真模型,通过仿真验证了该解析模型的可行性与准确性。

柔性直流输电系统MMC换流阀闭环充电策略

随着柔性直流输电系统的快速发展与广泛应用,其启动工况愈发具有多样性,MMC换流阀传统开环充电策略需要综合考虑系统状态变量进行参数配置,且配置难度大。由此提出了通用性的换流阀闭环充电控制策略,无需检测系统状态即能将子模块稳态电压控制在额定值,具有较好的适应性。首先,分析了柔性直流输电系统的三类充电回路及主动均压充电策略。其次,基于子模块特性不一致的均压需求分析,提出了完整的通用性闭环充电策略及对应的柔性直流输电系统的协调启动策略。最后通过PSCAD/EMTDC搭建了三端直流电网模型,仿真验证了闭环充电策略。结果表明闭合充电策略通用于各类换流站的启动充电过程,且可将子模块电压平稳充电至额定值,同时不存在桥臂过流及子模块过压等现象。

应用于海上风电场柔性直流接入系统的直流故障穿越协同控制策略

近年来越来越多的海上风电场采用柔性直流输电的方式接入大电网。然而,传统半桥式子模块模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的拓扑特点决定了直流系统在发生直流双极短路故障时,不能有效抑制故障电流,而闭锁和交流断路器跳闸会导致海上风电场脱网。为解决这一问题,提出了一种基于半桥加全桥子模块混合式MMC拓扑的协同控制策略。通过换流器的直流电压控制,在直流双极短路故障发生后,故障电流能够得到迅速抑制。为保证系统中有功功率平衡,海上风电场将根据直流电压调整输出功率限幅。该控制策略能够在不闭锁换流器的情况下进行直流故障穿越,并维持换流阀内子模块电压稳定。最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,验证该策略的可行性和有效性。

含闭锁功能的链式STATCOM快速仿真模型

针对链式静止同步补偿器在电磁暂态仿真环境中仿真速度缓慢、级数扩展性差的问题,提出一种包含闭锁功能的快速仿真模型。首先对STATCCM在解锁和闭锁状态下的电气特性进行分析,并建立数学模型;然后依据所建立数学模型,考虑解闭锁状态下的差异性,建立包含闭锁功能的快速仿真模型;最后在PSCAD厄MTDC环境下搭建仿真模型,对快速仿真模型进行了仿真验证。仿真结果表明,快速仿真模型不仅能够大幅度地提高仿真效率,且其电气特性与详细模型基本一致,准确度高,同时建模过程简单,便于对级数进行扩展。

柔性直流电网超高速保护方案研究

柔性直流电网发生直流短路故障时,为保障非故障线路持续正常运行,需要快速隔离故障线路。传统柔性直流输电线路保护动作时间过长,无法满足速动性要求。为此首先对柔性直流电网直流短路故障特性进行分析,得到超高速保护动作时间指标;然后借鉴常规直流超高速保护策略,考虑直流线路故障与直流母线故障的甄别方法,提出一种适用于柔直电网的超高速保护方案,采用行波保护、电压突变量保护与电流突变量保护相结合的方式实现直流短路故障的快速检测和定位,利用双端线路故障检测结果实现保护动作快速出口,能够满足直流短路故障保护的快速性要求。最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型对超高速保护方案进行了仿真验证。

风电场经柔性直流孤岛送出的交流故障联合穿越策略

风电场经柔性直流孤岛送出时,其交流故障特性与采用交流电网送出时不同,传统的低电压穿越策略不适用于孤岛接入柔性直流的场景。因此,需结合风电场和柔性直流系统的控制目标、运行约束和故障特性,研究提出新的故障穿越策略。首先,将风电场交流对称接地故障分为4个发展阶段,分析故障时风电场和换流站对交流电压的耦合影响;随后,分析风电场不同电流输出策略对交流故障穿越特性的影响;提出了在故障稳态阶段送端换流站采用定电流控制、风电机组采用有功电流注入,以及在故障恢复阶段交流电压斜坡建立的故障联合穿越策略。通过PSCAD搭建了双馈风电场和双端柔性直流系统模型进行仿真,结果表明,上述策略可充分利用风电场和柔性直流的功率输出能力,实现交流故障的联合穿越,验证了所提策略的有效性。

光伏直流升压汇集系统断线故障特性分析

光伏电站采用直流汇集方式能够解决采用交流汇集方式时的宽频域振荡问题和线路损耗大的问题,但是现有文献对直流升压汇集系统的故障特性特别是断线故障特性研究很少。针对基于IPOS结构的直流升压变换器单元的光伏直流升压汇集系统,提出了系统断线故障发展过程中,非故障线路上存在故障电流的特性。首先,分析了非故障线路上故障电流产生的机理;其次,按照故障点位置的不同,对故障电流引起的系统电压电流变化特性进行了分析,并推导了故障电流的计算表达式;再次,从继电保护的角度分析了故障电流对直流升压汇集系统的影响;最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了直流升压汇集系统进行了仿真,验证故障特性分析的正确性。