具有直流故障自清除能力的改进MMC子模块

高压直流输电领域中,典型的半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)无法阻断直流侧故障电流,为此,提出一种具备直流故障自清除能力的改进子模块拓扑。分析其子模块的拓扑结构和运行状态;根据子模块闭锁后的特征,画出其系统故障等效电路图,阐明其故障阻断原理;在此原理基础上,为降低成本和损耗,提出改进子模块与半桥型子模块的混联拓扑。然后从耐压性与经济性两个方面,与其他经典的子模块作比较分析。最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端21电平MMC直流系统,对改进的子模块阻断电流特性进行验证,仿真结果表明,所提改进子模块拓扑能够快速有效阻断直流侧故障电流。

集成直流故障换流电路的改进型混合MMC

基于全桥(FB)与半桥(HB)子模块的传统混合式模块化多电平换流器(MMC)是典型的具有直流故障自清除能力的MMC。然而,常规混合MMC中FB占比通常大于50%,增加了成本与损耗。鉴于此,为了减少混合MMC中FB的数量,提出一种集成晶闸管开关电容直流故障换流电路的改进型混合MMC。所提MMC中HB-MMC与FB-MMC均保留了各自完整的主体,并在交流侧采用三绕组变压器进行连接,在直流侧进行串联连接。同时,由于直流侧集成了一个基于晶闸管的开关电容结构,所提MMC能够实现直流故障的清除。研究表明,所提MMC中FB占比可降低至10%~25%,甚至更低(限制于交流电压的波形),在降低换流器成本的同时降低了通态损耗。仿真结果验证了分析的正确性。

采用直流断路器的对称单极多端柔性直流故障清除策略

针对直流断路器应用中直流线路故障快速选择性隔离问题,研究了对称单极多端柔性直流线路故障清除策略。根据对多端直流系统的单极和双极接地故障特性的分析结果,得到了单极和双极故障初期相同的故障电流上升率余弦特性衰减特性。提出了基于电流变化率的方向纵联选线策略,同时设计了采用直流断路器策略实现故障隔离和重合闸的直流线路故障清除方案。通过搭建的PSCAD/EMTDC模型,对单极接地故障时的电流上升率特性和设计的直流线路故障清除策略进行了验证,仿真结果证明了电流上升率特性的正确性以及所述故障清除策略的有效性。

电力系统稳定计算中500kV线路故障清除时间的研究

通过对继电保护装置和开关动作时间的统计分析,探讨将系统稳定计算中500kV故障清除时间由0.1s减少到0.09s或0.08s的可能性,并通过分析计算和仿真试验,研究减少故障清除时间对提高稳定极限的作用。

具备直流故障清除能力的MMC多电平子模块拓扑

MMC-HVDC的直流故障处理能力直接关系到其在架空线领域和高压大容量场合的应用前景。因此,提出了一种MMC改进拓扑,其利用子模块电容电压形成反电动势来强制关断二极管,快速地清除故障电流。详细分析了该拓扑直流故障清除原理和各功率器件的耐压情况,并与其他拓扑进行了对比分析。最后采用PSCAD/EMTDC仿真验证了所提新型子模块拓扑的正确性和有效性。结果表明,所提出的拓扑的主IGBT和保护IGBT的额定电压都仅为常规设计的1/2,可有效降低换流器成本。

具备直流故障清除能力的电流转移型模块化多电平换流器

针对典型的半桥型模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）无法阻断直流故障电流的问题,提出具备直流故障清除能力的电流转移型MMC（current-transferring MMC,CT-MMC）拓扑。CT-MMC是在半桥型MMC拓扑基础上,增加断流支路、能量吸收支路和桥臂转移支路3部分支路。在系统发生直流短路故障时,通过断流支路迅速断开换流器与故障线路的连接,再通过桥臂转移支路和能量吸收支路吸收故障电流,从而快速清除直流故障。该文建立CT-MMC拓扑,详细分析其故障清除过程,给出主要参数的选取方法,并对该拓扑的经济性进行分析,相对于半桥型MMC,CT-MMC仅增加少量开关器件和电阻及一个超快速机械开关,且通态损耗非常低。基于RT-LAB OP5600仿真平台搭建双端51电平MMC-HVDC系统模型,仿真结果表明,所提拓扑能够在故障发生几百μs内迅速隔离子模块,保护电力电子器件不受损坏,且整个故障清除过程在几十ms内快速完成,具有较好的经济性和实用性。

电力电缆的自清除瞬时故障测距研究

针对目前电力电缆的自清除瞬时故障很难通过传统的过电流保护继电器进行监测,提出一种基于电缆电流、电压测量的单相接地瞬时故障测距方法。通过建立电缆故障模型,采用非负最小二乘拟合法求解故障期间的微分方程组进行故障测距,计算故障距离和故障电阻;然后使用统计工具分析历史故障记录作出最终的故障处理决策;最后应用ATP/EMTP软件进行仿真校验,并在小配电网中验证故障测距算法的有效性。研究结果表明:该算法具有较高的精度,为电力电缆瞬时性故障测距提供了一种新的思路。

基于源网配合的MMC直流电网自适应故障清除方案

随着模块化多电平换流器(modularmultilevel converters,MMC)在架空线直流输电和柔性直流电网中的广泛应用,直流线路故障清除问题越来越突出,如何实现直流线路故障的快速清除成为制约MMC柔性直流电网发展的关键问题之一。作为直接有效的解决方案,混合高压直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)还不够成熟,高速大开断容量DCCB的研制仍有困难。文中通过挖掘和利用MMC控制的灵活性,提出一种适用于架空线半桥型MMC柔性直流电网的源网配合自适应故障清除方案。在直流故障期间,该方案利用MMC调压控制策略减少源侧子模块投入数量,降低换流器桥臂单元输出电压,并与网侧断路器预充电电容电压自适应配合,使MMC桥臂单元输出电压小于预充电电容电压,利用电压差使故障电流迅速下降至零,达到切断故障电流并清除故障的目的。首先介绍所提故障清除方案中源侧MMC调压控制原理和网侧断路器拓扑结构,然后分析该方案的工作原理,并推导该方案下半桥型MMC的直流故障电流计算方程,给出调压控制器控制系数和网侧断路器元件参数设计方法,最后在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台上搭建基于半桥型MMC的四端柔性直流电网模型,对所提故障清除方案的有效性进行仿真验证。

一种能够清除直流故障的改进MMC子模块及特性研究

模块化多电平换流器(MMC)具有输出波形谐波含量低、高度模块化等优点,在高压直流输电(HVDC)领域得到了广泛的应用,如何处理直流侧故障也成了MMC面临的主要难题。提出一种具备直流故障自清除能力的改进子模块拓扑,分析了其工作原理、运行特性和故障阻断机理并进行了混合拓扑计算;然后对改进子模块的阻断能力、经济性进行了综合对比分析;最后在PSCAD/EMTDC中搭建了单端MMC直流系统对提出的子模块阻断特性进行了仿真验证,仿真结果表明,所提改进子模块的混合拓扑能够快速有效清除直流故障电流。

一种具备直流故障清除能力的新型MMC子模块拓扑

当基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流线路发生短路故障时,传统半桥子模块存在无法通过闭锁阻断直流故障电流的问题。对此,提出一种具备直流故障清除能力的基于半桥的五电平新型子模块(FLHBSM)拓扑。FLHBSM与传统半桥子模块具有相同的控制结构,并具备了直流故障清除能力。相比其他具备直流故障清除能力的子模块拓扑,FLHBSM减少了开关器件的数量以及换流站占地面积,降低了损耗,且其控制灵活度高,在提高了MMC经济性的同时增强了其运行可靠性。同时,FLHBSM可以较好地兼容适用于半桥子模块的电容均压策略,并可根据实际需要在均压方案中择优。在MATLAB/Simulink仿真平台搭建了基于FLHBSM的双端±100 kV 21电平MMC-HVDC系统仿真模型,验证了其利用子模块闭锁模式清除直流故障的有效性。

柔性直流输电故障快速清除系统及其用直流断路器

目前的柔性直流输电系统无法实现直流侧短路故障的清除,导致故障时所有换流站长时间停运。为解决该问题,提高系统可靠性,通过对系统故障电流的产生机理及直流开断原理的研究,以及直流断路器转移回路参数对开断性能影响的仿真分析;提出了一种开断电流500 A的机械式直流断路器及使用该断路器快速清除故障的方法;并搭建低频振荡试验回路验证直流断路器的开断性能。试验结果显示:文中提出的直流断路器稳定开断500 A直流电流,并使用该断路器的故障清除方法能够有效地缩短系统恢复时间,提高了系统稳定性,保证了电能质量。

具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑

模块化多电平换流器(MMC)可通过改进子模块拓扑实现对直流故障电流的清除,但大多数子模块不具备电容电压自均衡能力。在全桥子模块的基础上,推导了一种兼具故障电流自清除能力和模块电容电压自均衡能力的新型子模块:移位全桥子模块(OCFBSM)。该子模块由2个全桥子模块通过移位组合构成,正常工作时根据2个电容的连接关系运行在旁路、串联和并联3种状态,可不依赖于外加均压控制自动实现模块内电容电压均衡。发生直流短路故障时,OCFBSM通过将2个电容反向接入故障回路可自动清除直流故障电流。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了OCFBSM在直流故障电流清除和自均压方面的有效性,且故障闭锁后各子模块电容电压均衡,有利于MMC重启。

具备直流故障自清除能力的新型子模块拓扑

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电系统发展前景广阔,而传统的半桥结构MMC 子模块故障穿越能力较低。为此,首先提出一种具有直流故障自清除能力的子模块拓扑,该拓扑在直流侧故障时可利用反向接入子模块的电容电压来阻断二极管的导通,切断故障电流通路;其次分析比较了几种常见的具有自清除能力的拓扑在建造投资和运行损耗方面的成本;最后,为便于对已建成工程进行改造,提出了新型子模块拓扑的控制调制策略。基于PSCAD 电磁暂态仿真软件验证了所提结构的正确性和有效性。

基于多端口混合直流断路器的LCC-VSC混合多端直流输电系统故障清除方案

混合多端直流输电系统是解决大规模新能源送出和消纳的有效手段之一,快速有效的故障清除方案是保证其安全稳定运行的关键。然而,已有的基于换流器自清除的故障清除方案会导致健康换流站短时停电,而借助直流断路器的故障清除方案存在实施成本过高的问题。为此,提出一种二极管桥式多端口混合直流断路器拓扑,以一个三端混合直流系统为例设计了基于该多端口混合直流断路器的故障清除方案。所提出的故障清除方案在送端采用LCC移相控制实现故障的清除和换流器重启,在受端汇流母线处采用二极管桥式多端口混合直流断路器实现直流故障快速清除和重合闸。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了该方案的有效性,并与已有的技术方案进行了对比。结果显示,所提方案在保证故障快速有效清除的同时,能够减少在混合多端直流系统中使用断路器的经济成本。

基于改进型模块化嵌入式多电平换流器拓扑的HVDC直流故障清除策略

目前,已有的高压柔性直流输电工程大多都采用包含半桥子模块的模块化多电平换流器(MMC),但是半桥型MMC缺乏直流故障清除能力。为解决这一问题本文在原来模块化嵌入式多电平换流器(MEMC)拓扑的基础上提出了改进型MEMC拓扑,该拓扑具有更高的可靠性和功率处理能力,并提出了一种控制技术,用全桥子模块产生的负电压对功率因数滞后的负载进行晶闸管的强制换相。改进型MEMC除具有直流故障清除能力外,还提供了更宽的工作范围和更小的子模块电容器尺寸。最后在PSCAD/EMTDC中搭建改进型MEMC-HVDC模型,并进行直流故障仿真,仿真结果验证了该拓扑的适用性和直流故障清除能力。

特高压远距离高补偿度串补线路故障清除操作过电压特性及对策

在远距离特高压线路上加装高补偿度串补是实现更远距离、更大容量输电的合理选择,在我国特高压电网发展及全球能源互联网战略中具有广阔的应用前景。特高压高补偿度串补线路发生故障清除过程中,在健全相和相邻线路上产生的操作过电压与无串补或常规串补线路相比有升高趋势,且在现有避雷器及线路保护联动旁路串补措施条件下可能超过现有标准限值,有必要开展过电压特性及抑制措施研究。文章采取理论分析和数字仿真手段,研究了高补偿度串补对特高压线路故障清除操作过电压的影响特性,并基于闪络率评估,分析了快速联动旁路串补、加装低残压避雷器及"联动+低残压避雷器"组合等多种措施对故障清除过电压的抑制效果,并提出了综合对策。研究成果可为特高压远距离高补偿度串补线路的工程设计、设备选型提供技术依据,为实现跨区或跨国输电提供技术支撑。

适用于直流故障清除的直流电压钳位器原理

柔性直流工程建设正在向直流电网和多端直流纵深发展,而故障清除措施一直是制约工程建设的难点,也是研究的热点。该文对现有故障清除方案进行分类,将其按照物理作用原理分为"降压/增阻"类方案,同时按照故障清除措施作用空间分为"源侧"和"网侧"方案。对于现有方案在分类学上的空缺,提出一种网侧降压的直流钳压器概念,通过直流侧电压钳位的方式将故障线路电压降为零,实现故障电流的柔性清除。在直流电网中仿真验证相关概念的可行性,并通过等效电路实验进行验证。

基于桥臂阻尼阀组的模块化多电平换流器故障快速清除与系统恢复技术

针对柔性直流故障快速清除与系统快速恢复技术难题,介绍了基于桥臂阻尼阀组的故障快速清除与系统恢复技术方案。在分析柔性直流双极短路和桥臂短路2种故障机理的基础上,提出适用于工程的桥臂阻尼阀组的具体电气拓扑和阻尼阀组的控制保护策略以及桥臂阻尼参数的选取原则和工程参数设计流程。以某多端柔性直流输电工程为例进行了仿真验证,仿真结果表明,在直流双极短路故障条件下,所提方案可加快直流短路电流的衰减,实现故障清除后系统快速重启动;在桥臂短路条件下,所提方案可加速阀侧交流电流中直流分量的衰减,加快交流开关的开断过程,降低了换流阀故障损坏的风险。仿真结果验证了所提方案的有效性和可行性。

适用于两电平电压源型换流器的直流故障清除辅助拓扑

两电平电压源型换流器在35kV及以下电压等级输电场合具有较高的成本效率比,因此被广泛应用于风电并网等低压领域。但是,其不具备直流故障清除能力的特点,给电网设备安全造成了较大的影响。基于以上背景,文中提出了适用于两电平电压源型换流器的直流故障清除辅助拓扑。该辅助拓扑使用超导故障电流限制器,大幅降低了故障电流;基于电流谐振的思路,可实现在电流过零时将故障清除。采用该辅助拓扑的直流故障清除方案,相比于采用交流断路器的方案,具有清除时间短、故障电流小的优点;相比于采用直流断路器的方案,具有电压变化率小、成本低的优点。最后,在PSCAD/EMTDC中验证了所提辅助拓扑的正确性与有效性。

基于并联LCC分流及反压抑制的柔性直流输电故障清除策略

为加快双极型模块化多电平换流器直流输电技术(MMC-HVDC)直流侧故障清除速度、抑制短路电流峰值,提出一种单端单极MMC并联电网换相换流器(LCC)的拓扑结构。首先根据故障电流曲线解释了不同时刻混合开关动作意义,然后对LCC分流、LCC输出反压阶段的相关参数进行分析;针对所提拓扑的换流器、低压换相开关(LVCS)的附加成本和损耗进行分析,并与常见的可清除直流侧故障的换流器拓扑进行对比,以分析其工程可行性。最后通过PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了所提方案的有效性,并在故障清除速度、故障电流峰值等方面与不同故障清除策略进行比较。结果表明,所提故障清除策略可在15 ms内清除直流故障,故障电流峰值为额定值的4～5倍,相比于无故障自清除能力的换流器拓扑而言有一定改进。