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。

一种基于反并联晶闸管全桥子模块的新型电容换相换流器

为了改善电容换相换流器(capacitor commutated converter,CCC)的故障特性,提出了一种基于反并联晶闸管全桥子模块的新型电容换相换流器拓扑(enhanced capacitor commutated converter,ECCC)。ECCC从提高电容电压可控性的角度出发,将换流阀和换流变压器之间的固定电容替换为反并联晶闸管全桥子模块。设计了子模块晶闸管与阀臂晶闸管的协调控制策略;分析了子模块晶闸管的电压电流应力。在PSCAD/EMTDC环境中对ECCC的子模块电压电流应力、抵御换相失败的能力和换相失败后恢复能力进行了仿真研究。结果表明:ECCC可以有效降低换相失败发生的概率;同时,由于其对电容电压的灵活控制能力,可以有效避免换相失败发生后类似CCC换流器失去自恢复能力的问题,具备故障快速恢复能力;并且,子模块的电压电流应力均在合理范围内。

具有直流故障阻断能力的MMC不对称型全桥子模块拓扑

对于采用半桥子模块的模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统,直流故障穿越是有待解决的关键问题。为此,提出了一种具有直流故障阻断能力的基于模块化多电平换流器(MMC)的不对称型全桥子模块拓扑(AS-FBSM),该拓扑依靠二极管续流路径使半数子模块电容反向来抑制直流故障电流,同时利用二极管单向导电性防止故障点电弧重燃。分析了直流双极短路故障下,AS-FBSM的直流故障穿越的动态过程。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了直流故障电流公式推导的正确性,而且AS-FBSM能够在毫秒级清除直流故障电流。最后,与其他具有直流故障阻断能力的子模块拓扑相比,AS-FBSM的直流故障阻断能力与混合型子模块(Hybrid SM)、二极管箝位式双子模块(DCDSM)等一样,且相对全桥型子模块(FBSM)和增强自阻型子模块(SBSM)是折半的;除了FBSM与SBSM之外,包括AS-FBSM在内的其余拓扑的器件用量大体相当;正常工作时,从回路中投入的功率器件数量上看,AS-FBSM和增强型混合子模块(EHSM)最接近半桥子模块。

基于改进型单极全桥子模块的新型MMC

提出了一种改进型的单极全桥子模块结构MUFBSM(modified unipolar full bridge sub module),其本质是在单极全桥子模块结构UFBSM(unipolar full bridge sub module)的二极管支路添加一个串联电阻。系统正常工作时,MUFBSM不会增加额外的损耗;当系统检测到直流侧故障并闭锁后,MUFBSM中的串联电阻接入故障电流通路,增强了故障回路的阻尼效果并消耗部分系统储存能量,加快了故障电流清除速度,降低了子模块电容电压上升幅值。然后分析了UFBSM和MUFBSM混合型模块化多电平变换器的故障机理,分析了串联电阻的取值依据。Matlab/Simulink仿真结果验证了MUFBSM的可行性和有效性。

一种能够阻断直流故障电流的新型子模块拓扑及混合型模块化多电平换流器

针对常规半桥型模块化多电平换流器无法隔离直流故障电流的问题,提出一种新型的应用于模块化多电平换流器的自阻型子模块拓扑,并列出自阻型子模块的4种结构。这4种类型的自阻型子模块在隔离直流故障电流时,需要同时闭锁IGBT的触发脉冲。为了降低触发同时性的要求,进一步提出无需同时闭锁IGBT触发脉冲的2种增强自阻型子模块拓扑。模块化多电平换流器技术(modular multilevel converters,MMC)的全部子模块采用增强型子模块时所使用的电力电子器件较多,为了进一步减少MMC中电力电子器件的数量,提出一种由增强型子模块和常规半桥子模块构成的混合型MMC。PSCAD/EMTDC下的仿真研究表明,所提出的自阻型子模块、增强型子模块及混合型换流器能有效隔离直流故障。相比于常规半桥型MMC,该混合型MMC仅需提高25%的IGBT即可具备隔离直流故障电流的功能,因此具有良好的工业应用价值。

一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器

针对构建未来多电压等级多端直流电网的技术需求,提出一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器,并建立了相应数学模型。该拓扑主要由半桥子模块和一种新型的、具有故障电流阻断能力的T型全桥子模块构成,进一步提高了经济性。在此基础上,设计了高压大功率DC/DC变换器的调制策略和电容电压平衡策略,利用T型全桥子模块负电平输出实现直流电压下降时变换器的正常工作,保证多电压等级互联直流系统的降压稳定运行。然后分析了高压大功率DC/DC变换器的直流故障隔离原理。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了含高压大功率DC/DC变换器的直流试验系统仿真模型,通过稳态和暂态仿真分析,结果表明该变换器能够实现降压运行并具有直流故障隔离能力,在未来多电压等级多端直流电网中具有良好的应用前景。

新型的模块化多电平换流器子模块保护策略

分析了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块在3种工作方式下的故障机制与保护方法,提出了一种在原有子模块拓扑上增加一个保护用晶闸管的新型保护策略,以快速切除故障子模块。仿真结果表明,子模块拓扑改进后,可大大提高保护效率,提升了子模块故障保护能力,可为MMC设计提供参考。

半/全桥混合型DC Chopper拓扑及其控制策略

DC Chopper能在海上风电柔性直流输电系统主网侧发生短路故障时耗散系统的盈余功率,并实现故障穿越。针对全桥型集中式模块化DC Chopper使用IGBT和二极管数目多的问题,提出了一种半桥/全桥混合型集中式模块化DC Chopper拓扑。该拓扑采用半桥子模块替换桥臂中一部分仅起到电压支撑作用的全桥子模块,并根据桥臂电流单向性的特点,省略掉子模块中部分IGBT,仅保留其反并联二极管,大幅降低了设备的成本。在此基础上,针对现有的集中式模块化拓扑控制策略精确度低的问题,进而提出了一种利用方波正半波幅值调节耗散功率、利用占空比平衡桥臂能量的控制策略,实现了对耗散功率和桥臂能量的精确控制。在Matlab/Simulink中开展了海上风电柔性直流输电系统故障穿越的仿真研究,验证了所提出的DC Chopper拓扑及控制方案具有良好的故障穿越效果。

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。

直流斩波器对抑制换相失败引发的弱送端电网暂态过电压的研究

当逆变侧交流系统发生故障引发换相失败时会导致送端母线出现过电压,特别是针对于弱送端交流电网,其过电压情形更加严重。提出了一种基于晶闸管全桥耗能子模块(thyristor full bridge power-consumption sub module,PCT-FBSM)的直流斩波器(DC Chopper)拓扑结构,可以有效地抑制由换相失败引发的送端暂态过电压。文中首先分析了DC Chopper抑制过电压的机理,介绍了DC Chopper子模块的6种工作模式,然后设计了子模块在不同工况下的控制策略,并提出了子模块参数的设计方法,最后在PSCAD/EMTDC环境中搭建了相应的仿真模型,对所提拓扑结构对暂态过电压的抑制效果以及系统的运行特性进行了仿真分析,仿真结果表明所提DC Chopper可以有效抑制弱送端电网的暂态过电压。

基于MMC的柔性直流输电直流侧故障自清除方法的分析及应用

柔性直流输电系统中,采用模块化多电平换流器(MMC),与传统直流输电技术相比较优势在于:无需无功补偿、没有换相失败、谐波水平低,能同时独立调节有功功率和无功功率。但是在直流侧发生故障时,由于目前还没有大容量高电压高速直流断路器,清除故障的手段是跳开换流站交流侧开关,使故障清除和直流系统再恢复的时间比较长,影响柔性直流输电的可用率。针对上述问题,通过全桥子模块、钳位双子模块、交叉型子模块的MMC故障自清除技术,缩短直流输电再恢复的时间,尽可能保证直流电网的稳定运行。

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。