直流电网MMC拓扑及其直流故障电流阻断方法研究

难于阻断直流侧故障电流是典型半桥模块化多电平换流器(half bridge sub module based modular multilevel converter,HBSM-MMC)的固有缺陷,严重影响该类型换流器在直流电网中的应用,因此开展具有直流故障电流阻断能力的MMC拓扑及控制技术研究意义重大。首先介绍典型HBSM-MMC的拓扑结构及工作原理,阐述其直流侧故障特性及影响机理,对比分析现阶段存在的直流侧故障清除方法及优缺点,指出基于换流器拓扑的自清除方法是解决直流侧故障电流阻断问题的最有效方法之一;通过对国内外MMC拓扑的调研,分别详细研究3类MMC优化拓扑结构及其直流故障隔离和电流阻断机理,对比分析3类优化拓扑的各项参数和功能实现的优缺点,为后续MMC技术在多端直流输电系统和多电压等级直流电网中的应用提供技术参考。

具备闭锁和非闭锁模式抑制直流故障电流的新型模块化多电平变换器拓扑

现有直流线路短路故障电流抑制方法存在抑制速率与经济性的矛盾。该文提出了可在闭锁和非闭锁两种模式下低成本实现直流故障电流快速抑制的模块化多电平变换器(MMC)子模块拓扑,即五电平钳位交叉子模块(FLCCSM)结构;分析了闭锁和非闭锁抑制模式下的直流故障穿越过程;解析了在两种抑制模式下满足故障穿越条件的子模块电容投入到故障回路的配置数量;提出了电容成组投切的均衡控制策略以提升其均压效果。Matlab/Simulink仿真结果表明,FLCCSM-MMC在闭锁模式下能将直流故障电流快速抑制到零,主要用于处置直流永久性故障。在非闭锁模式下能将桥臂电流快速抑制到小于2倍桥臂电流额定值,非闭锁模式下MMC仍具有输送一定功率的能力,适用于处置直流瞬时性故障,且故障前后电容电压保持均衡。FLCCSM-MMC具有故障电流抑制速度快、可靠性高、器件成本低、运行损耗小的优势。

基于平均电容的MMC直流故障电流计算方法研究

MMC直流故障电流计算方法是研究柔性直流电网直流故障暂态特性、实现快速故障隔离的核心与关键。首先,针对两种典型MMC故障等效模型,对比分析了二者的拓扑结构和故障时刻等效电容电压变化规律;其次,考虑MMC各桥臂子模块电容电压均衡机制,提出了MMC平均电容的计算方法,在此基础上提出了基于平均电容的MMC直流故障电流计算方法;最后,通过在PSCAD/EMTDC搭建MMC-HVDC模型进行仿真,验证了提出MMC直流故障电流计算方法的准确性和适用性。

高压直流故障电流限制器热接触分析

高压直流故障电流限制器HVDCFCL(High Voltage Direct Current Fault Current Limiter)在环境特殊的先进实验超导托卡马克EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)核聚变实验装置,对电气故障敏感的离子源系统上起到了有力的保护作用。HVDCFCL装置在离子源长脉冲工作状态下的散热性能是系统可靠性的一个重要因素,基于简化装置的铁芯叠片层进行热接触分析,利用ANSYS接触单元模拟接触热阻,提出一种将接触热阻引入散热性能分析过程方法。结果表明离子源长脉冲运行状态下的HVDCFCL装置,在接触热阻的作用下,接触界面的热流通量发生明显变化,而接触热阻的大小则与热流方向、材料的热导率相关,此外,由于受接触热阻的影响,在铁芯叠片的内侧接触面上温度变化明显。

含主动限流控制的MMC-HVDC电网直流短路故障电流解析计算

传统的MMC-HVDC电网直流短路故障电流计算一般采用等效RLC电路方法。但是该方法没有考虑主动限流控制(ACLC)对等效电路RLC参数的影响,因此无法直接用于含ACLC的MMC-HVDC电网的直流短路故障电流的解析计算问题。该文通过将ACLC的控制效果等效为虚拟阻抗产生的压降,建立了体现ACLC的控制影响的等效RLC电路,以包含电流变化率限流环节的典型ACLC算法为例,推导了直流双极短路故障条件下ACLC的控制参数与虚拟阻抗的映射关系以及相应的直流故障电流解析表达式。最后,以基于含ACLC的半桥型四端MMC-HVDC电网为例,建立PSCAD/EMTDC仿真模型,对采用ACLC的直流双极短路故障电流解析计算结果进行了验证。结果表明:故障后10ms内直流短路故障电流的PSCAD仿真结果与所提出的含ACLC的等效RLC电路解析计算结果的平均误差在8.29%以内,最大误差在10.99%。因此,使用所提出的方法具有工程实用性。

剩余电流保护器类型及故障分析

剩余电流保护器(RCD)能够在设备漏电、绝缘破坏或者对人存在危险性时,自动切断设备的电源,防止设备及其线路因漏电而导致人触电,让电器的使用更具安全性,是生产、生活中重要的保护电器。本文搜集并分析了RCD类型的适用场景,同时为改进和提升RCD的保护功能,对生产、安装、测试过程的故障现象进行了分析,以期为剩余电流保护器生产企业与用户提供参考。

高压直流故障电流限制器的研制

高压直流故障电流限制器HVDCFCL(High Voltage Direct Current Fault Current Limiter)在环境特殊的先进实验超导托卡马克EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)核聚变实验装置,尤其是一些对电气故障敏感的关键设备上起到了有力的保护作用。为设计高可靠性的HVDCFCL装置,在Fink、Baker和Owren(F-B-O)原设计模型等效时变电阻忽略并联电感模型基础上,给出了限制器铁芯叠片内层部分完全饱和的分析方法。建立了考虑等效并联电阻与电感的仿真模型。利用其结构约束条件,设计完成的新模型测试结果表明,当最内层铁芯叠片未完全饱和时,实测测试结果与理论分析结果基本吻合;在电压等级较高时,随着铁芯叠片饱和度逐渐升高,吻合度随之降低,此时考虑并联电感效应的仿真波形与实测波形有较好的吻合。改进了F-B-O高压直流故障电流限制器设计方法,并给出了相关仿真方案,仿真结果验证其能将故障电流限制在400A以内。

考虑交流馈入和稳态运行条件的柔性直流电网故障电流分析方法

柔性直流电网可以实现大规模可再生能源的广域协调互补和可靠输电,是未来高压大容量柔性直流输电的一个重要发展方向。直流线路短路电流是柔性直流电网中换流器、直流断路器及直流母线平波电抗器等关键设备参数选择的重要依据之一。本文建立了考虑交流馈入的直流放电等效电路数学模型,提出了一种分析换流站注入功率对直流故障电流影响的解析方法,并得到了稳态运行条件下故障初始阶段的故障电流;在此基础上,以实际工程为背景,建立了四端双极柔性直流电网的等效电路模型,采用灵敏度分析法评估了直流故障前稳态潮流波动对直流线路故障电流的影响。最后,通过PSCAD仿真验证了所提方法的有效性和准确性。本文所提方法可为柔性直流电网设备选型提供必要的依据和参考。

适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC

柔性直流电网对价格高昂的高压大容量直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)的需求限制了其发展与应用。论文提出了适用于直流电网的故障电流主动转移型低成本直流故障隔离方案,对半桥型模块化多电平换流器进行局部改造,使其在具备主动转移故障电流辅助分断故障线路的同时,降低了换流器桥臂子模块内器件的过流程度与过流时间,提高子模块内器件的可靠性。随后阐述了故障电流主动转移方案的工作原理,并对各阶段的故障电流与新增模块内IGBT的电压应力进行理论分析。最后,利用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,并将论文方案与混合式DCCB方案的器件使用量进行对比,可知论文方案在换流器出线数目较多的场合具备一定的经济优势。

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。

新型限流式混合高压直流断路器参数设计方法研究

固态高压直流断路器是基于电力电子器件构成,如IGBT与晶闸管,具有动作快速、成本低等优点。机械式固态断路器则具有寿命长、通态电阻小、通态损耗低、可靠性高、安全性好等优点。故障电流限制电路则可以限制直流短路故障电流的上升率,因而降低了对高压直流断路器对故障响应的灵敏度。提出的新型限流式混合高压直流断路器集成了固态高压直流断路器、机械式固态断路器以及故障电流限制电路的优点。介绍了该断路器的拓扑与参数设计方法。为验证该拓扑与参数设计方法的有效性,利用仿真软件PSCAD搭建了仿真模型。仿真结果表明:该新型断路器拓扑与参数设计方法可有效阻断直流短路故障电流。

适用于MMC型直流变压器的直流故障主动限流控制方法

为满足模块化多电平换流器(MMC)型直流变压器对直流故障电流快速限制的要求,有必要对其主动限流控制方法进行研究。文中通过对双极短路故障机理的详细分析和故障电流的建模,得到了考虑上升阶段交流馈入量后的桥臂电流,以及短路电流峰值和峰值时间的表达式,然后给出了可以通过降低在故障发生后每相子模块投入数量来限制故障电流的结论。基于此结论,设计了一种新型主动限流控制方法。该方法通过产生附加直流偏置和交流增益,进而调整桥臂电压的直流分量和交流分量,再经调制环节达到限流目的。最后通过仿真验证了所提出方法的有效性和优越性。

适用于直流电网故障清除的增强型MMC

随着直流输电系统电压和容量的提高,对直流故障快速清除隔离的要求越来越高。作为清除直流故障的有效方案之一,直流断路器(DCCB)技术还不够成熟,限制了其在工程上的应用。文中提出了适用于直流电网故障清除的低成本直流故障清除方案,对半桥型模块化多电平换流器(MMC)进行了局部的改造,以使其具备故障清除操作的能力,使得线路上的故障电流能够被低成本故障隔离单元迅速隔离,随后建立和分析了故障隔离过程中的等效电路,设计了故障隔离动作时序,并对比分析了典型方案的器件使用量,最后建立了仿真和实验模型。仿真和实验结果证明了该方案的有效性。

一种具有限流能力的新型混合式高压直流断路器拓扑

受到高压直流断路器开断容量以及关断时间的限制,直流电网面临故障抑制与清除的难题。提出了一种具有限流能力的混合式高压直流断路器拓扑,通过在电流转移回路中引入限流装置,达到有效抑制故障电流目的。分析了该断路器的拓扑结构、工作原理,并给出了断路器关键参数的计算方法,最后,针对三端柔性直流输电系统应用,在PSCAD/EMTDC平台进行仿真验证。仿真结果表明相较于其他方案,该断路器在系统正常运行情况下的通态损耗小、动态特性好,出现故障时能够快速切除故障电流,满足多端柔性直流输电系统对故障电流的抑制要求。

真空断路器灭弧能力现场检测技术

真空断路器由于真空泄漏难以发现且不会改变机械特性,因此现有方案对于真空断路器的检测存在极大的盲区。提出了利用直流电流注入电气量的变化,直接反映断路器灭弧能力的检测技术方案。该技术可以实现用较小的试验电流直接验证真空断路器的短路电流分断能力,具有较好的实用性。