模块化多电平换流器子模块拓扑结构对比分析

模块化多电平换流器型高压直流输电以其独特的技术优势,已成为未来电压源换流器型高压直流输电(Voltage Source Converter based HVDC)领域的发展趋势。MMC是未来高压直流输电传输系统的重要组成部分,半桥型子模块、双箝位型子模块和全桥型子模块是MMC三种主要的可选择的子模块拓扑结构。分析了MMC的通用拓扑结构及三种常见子模块的拓扑结构和工作模式,得出了不同子模块结构的特点,最后通过仿真验证了不同子模块拓扑结构的直流故障穿越能力,并对比分析了采用不同子模块拓扑结构MMC的基本特性。

一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统

现有三极直流输电系统基于晶闸管换流器,存在一些与传统直流输电系统相似的固有缺陷。文中提出了一种改进系统:极3采用基于全桥子模块的模块化多电平换流器,极1和极2采用基于钳位双子模块的模块化多电平换流器。同时,提出了三极直流协调控制策略,并且为了抑制过渡阶段的暂态过电压,减小接地电流和功率波动,还提出了电压反向控制、电流维零控制和功率协调控制。采用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,结果表明利用所提控制策略,三极直流输电系统能够获得较好的响应特性,在维持电容电压平衡的同时,能够抑制交直流间功率扰动和接地极电流波动。

一种新型的混合MMC预充电策略

模块化多电平换流器(MMC)的预充电是保证MMC-HVDC系统正常运行的基础,其中同时包含全桥子模块(FBSM)和半桥子模块(HBSM)的混合型MMC拥有较强的直流故障穿越能力而成为研究的热点。由于全桥子模块和半桥子模块的充电特性不同,子模块(SMs)的电容器电压在不受控制的预充电过程结束时可能会有所不同。通过分析指出了混合型MMC常规不控充电策略的缺陷,然后提出了一种三阶段预充电策略。该策略可以消除不同类型子模块的电容电压不平衡,解决了半桥子模块预充电过程中自取能量不成功的问题。最后,基于所提出的策略对不受控预充电过程进行了仿真和分析。

全桥型MMC-HVDC直流故障自清除控制保护策略研究

当前已投入运行的柔性直流输电工程中换流器不具备直流侧故障自清除能力,制约了架空线应用于柔性直流输电线路发展。研究全桥型模块化多电平换流器拓扑结构,其桥臂是由全桥子模块(FBSM)组成,分析全桥型MMC工作原理,并研究全桥MMC实现直流侧故障自清除的机理。最后,通过PSCAD/EMTDC软件仿真验证该全桥型换流器能够有效阻断直流侧故障电流,进一步对比传统MMC验证了全桥型换流器清除直流侧故障的可行性和有效性,具有较好的应用前景。

混合型MMC启动策略及全桥子模块数目配置研究

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是柔性直流输电的研究热点。由半桥子模块(Half-bridge Sub-module,HBSM)和全桥子模块(Full-bridge Sub-module,FBSM)组成的混合型MMC非常适用于大容量架空线输电系统。考虑到混合型MMC的拓扑结构特点,首先提出了一种分段式启动控制策略;然后分别对两种最常见的直流故障(单极接地短路和双极短路)的故障机理进行分析,并结合故障机理提出两种子模块的数目配比方案;最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立了401电平,±320 k V,1 000 MW的混合型MMC模型,对论文所提出的启动策略和直流故障穿进行仿真分析,结果证明了所提出控制策略的有效性。

混合型MMC全桥子模块的配置比例优化设计

由半桥子模块(half-bridge submodule,HBSM)和全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)组成的混合型模块化多电平换流器因具备无闭锁直流故障穿越能力,成为了柔性直流输电领域的研究热点。首先,对混合型MMC的拓扑结构进行分析,并介绍无闭锁故障穿越的机理。为降低FBSM的配置比例,减少换流站投资成本,在桥臂电压调制波中注入三倍频电压的条件下,对直流侧短路故障工况、降压运行工况进行了FBSM配置比例优化设计。计算表明,桥臂调制波中未注入三倍频电压时,FBSM配置比例需达到50%,注入三倍频电压后,FBSM配置比例达到43.3%即可实现系统的稳定运行。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建401电平双端混合型MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和三倍频电压注入优化策略的有效性。

全桥晶闸管耗能子模块型LCC换流器及其协调控制

为了有效减小电网换相高压直流输电(line-commutatedconverter based high voltage direct current,LCC-HVDC)的换相失败概率,文中提出一种基于全桥晶闸管型耗能子模块的新型LCC换流器拓扑,可有效抑制暂态直流电流的增长,降低换相失败概率。文中给出子模块的不同工作模式,提出子模块与阀臂之间的协调控制策略及子模块参数的设计方法,分析耗能电阻的能耗及散热问题。最后在PSCAD中进行仿真分析,结果表明,所设计的控制参数是合理的,子模块电压电流应力均在合理范围内,电阻的能耗也可以满足要求;而且,所提新型LCC换流器拓扑可以有效抑制换相失败,并改善系统的暂态特性。

基于主动限流控制的直流配电网保护及故障隔离方案

柔性直流配电网中直流故障易引起系统过流,严重威胁电网的安全运行。基于全桥子模块的模块化多电平换流器(FBSM-MMC)的柔性直流配电网大多利用MMC闭锁来切断故障电流,但其闭锁会导致整个直流配电网的短时停电,降低供电的可靠性,迄今尚无有效的解决方案。对此,文中提出一种基于FBSM-MMC主动限流控制的柔性直流配电网保护及故障隔离方案,共包含3个阶段:故障发生后首先利用MMC主动限流控制将换流器输出直流电流限制在1.2倍额定电流附近(阶段1),进而根据各条线路两端直流电流是否具有同步性过零特征实现故障线路的识别(阶段2),在此基础上,进一步提出基于直流断路器与快速机械开关协同配合的故障隔离方案(阶段3)。通过断开故障关联的直流断路器,并控制相应换流站的输出直流电流降低为0,使得故障线路上的机械开关亦能快速开断,从而实现故障隔离。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了四端柔性直流配电网模型,通过大量仿真验证了所提保护及故障隔离方案的可行性。

增强型电容换相换流器直流输电系统的新型换相失败抑制协调控制方法

为了进一步提高增强型电容换相换流器(enhanced capacitorcommutatedconverter,ECCC)抵御换相失败的能力,该文在基于反并联晶闸管全桥子模块的ECCC的基础之上,提出一种新型协调控制策略,可实现如下3个优势:1)系统抵御换相失败的能力不受故障检测延时的影响,发生故障后电容直接参与换相过程,进一步降低换相失败的概率;2)正常运行时,串联电容可以加速换相过程,从而增大了直流系统成功换相的裕度;3)串联电容可以发出无功功率,提高系统的功率因数,减少换流器的无功消耗。研究新型协调控制策略对加速换相过程和改善功率因数的机理,对比分析新型协调控制策略与原控制策略下换相失败的抑制效果,最后,在PSCAD/EMTDC环境中搭建仿真模型进行验证。仿真结果表明,新型协调控制策略不仅可以提高系统的功率因数,而且可以进一步降低换相失败发生的概率。

直流故障下全桥型多电平换流器模块电压分析

基于全桥子模块的模块化多电平换流器(FBMMC)在闭锁后可以提供与电流方向相反的反电动势,是保持交流断路器不跳开的情况下实现柔性直流输电系统直流侧故障穿越的理想拓扑。通过对全桥拓扑子模块(FBSM)的工作模式和FBMMC控制方法进行研究,分析了直流故障发生后FBMMC中子模块电容电压的发展情况,分析结果表明,故障后模块电压会先后经历跌落和抬升两个过程,该发展过程对于直流故障检测方法、子模块电容耐受电压、模块过欠电压保护值等的工程设计具有重要意义,也是能否成功实现直流故障穿越的重要因素。最后的计算和仿真结果表明,文中的分析结果是正确的并且具有较高的精度。

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。

一种适用于LCC-LCC+FBMMC串联混合型直流输电系统的启动策略

文章中的串联混合型直流输电系统的整流侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC),逆变侧采用LCC与全桥型模块化多电平换流器(full bridge submodule based modular multilevel converter,FBMMC)。首先,建立了该混合型直流输电系统的数学模型,为了保证系统的安全稳定启动,设计了相应的协同控制策略,并提出了一种适用于整流侧采用LCC与逆变侧采用LCC与FBMMC(line commutated converter-full bridge submodule based modular multilevel converter,LCC-LCC+FBM M C)的串联混合型直流输电系统的3阶段启动策略:第1阶段,先将整流和逆变侧的LCC闭锁,逆变侧的FBMMC带限流电阻进行不控充电以建立部分直流电压;第2阶段,将限流电阻旁路,并解锁逆变侧FBMMC,在定直流电压控制器作用下使FBMMC直流电压充电至额定值;第3阶段,解锁两侧的LCC,在整流侧定直流电流和逆变侧定直流电压控制器作用下,系统直流电流和直流电压逐渐上升至额定值,至此启动过程完成。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下建立LCC-LCC+FBMMC串联型混合直流输电系统的仿真模型,验证了所设计的混合直流输电系统启动策略的有效性。