基于改进子模块的MMC-HVDC直流侧故障隔离研究

架空线路场合下的高压直流输电系统(HVDC)故障率较高。当前,混合式直流断路器存在容量小、成本高等问题,使得具备故障自清除能力的子模块成为解决系统直流侧故障的最佳解决方案,但上述方案使用了更多电力电子器件,带来了损耗增大,投资成本增加等问题。为此提出一种新型混合方式的模块化多电平换流器(MMC)子模块拓扑结构,在不影响自清除故障能力的前提下减少了所需电力电子器件,提高其经济性和直流侧故障隔离性能。首先给出了将新型子模块与传统半桥子模块在桥臂中合理搭配的设计方案;其次,探究了改进型拓扑结构极对极短路故障穿越机理及子模块构建的经济性性优化方法。最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建了双端MMC-HVDC模型,对提出的子模块性能及其混合型MMC性能进行仿真验证。结果表明,提出的改进子模块及相应的混合型MMC可快速阻断故障电流,具备良好直流故障隔离能力,且具有更好的经济性,在实际工程中上具有良好的应用前景。

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。

具有直流故障自清除能力的改进电容型子模块

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在柔性直流输电领域应用广泛,但传统的半桥型子模块(half-bridge sub-module,HBSM)不具备直流侧故障自清除的能力。为此,提出一种具备直流侧故障自清除能力的改进电容型子模块拓扑结构,分析了新型子模块的基本结构及工作原理;根据子模块闭锁后的系统等效电路,阐述了新型子模块的故障阻断机理;为兼具故障自清除与低损耗的特点,给出了新型子模块与HBSM混合的MMC桥臂设计方案;并从器件耐压水平及经济性两个方面,与常见的子模块做详细比较分析;最后在PSCAD/EMTDC中搭建了双端MMC系统对提出的子模块特性进行了仿真验证。仿真结果表明,直流侧故障后的故障电流在子模块闭锁后能迅速清零,验证了所提子模块直流侧故障自清除的有效性。

一种适用于架空线柔性直流输电的增强型四电平子模块拓扑

架空线柔性直流输电技术在高压直流断路器尚未达到大规模商业化应用阶段,采用具有直流故障自清除能力的换流器拓扑具有重要的工程意义。基于改进型子模块的模块化多电平直流输电技术,提出了一种具有直流故障自清除能力的增强型四电平子模块(enhanced four level sub-module,EFLSM),可以独立控制每个电容的投切状态,任意输出3电平到0电平之间的4种电平,与现有的全桥子模块以及箝位双子模块相比,子模块在保证直流故障自清除能力的基础上,每个电容所平摊的半导体器件数有所下降,换流器损耗已接近传统的半桥子模块型模块化多电平换流器的水平。最后,应用电力系统计算机辅助设计和电磁暂态模拟程序软件(power system computer aided design and electric magnetic transient in DC system,PSCAD/EMTDC)搭建时域仿真模型进行仿真计算,验证所提拓扑的有效性。