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。

适用于半桥型MMC附加限流控制的直流线路纵联保护方案

半桥型模块化多电平换流器的附加限流控制能有效降低对线路保护速动性的要求、增强实体限流装置的限流效果,降低了故障暂态电流的上升梯度及其幅值,因此,基于故障暂态电流信息的直流线路保护会受到限流控制器影响。提出了计及附加限流控制器影响的直流线路自适应纵联保护方案:利用极线电压及其零模电压变化率构成或逻辑来启动限流控制器;推导了限流控制器作用下的直流侧故障电流解析关系,并根据限流控制器对故障电流抑制程度和换流阀两侧的故障电流信息,建立了一种基于换流阀两侧差流的纵联保护方案。该方案仅用到各站端的本地量,通过与其对端换流站交换判别结果,其不受线路分布电容影响、无需多端数据同步,具有自适应性。大量仿真实验验证了利用限流控策略的有效性和保护方案的可靠性。

考虑MMC主动限流控制影响的直流断路器参数优化方法

直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)成本是制约高压柔性直流系统发展的重要因素之一。为降低直流系统对断路器的要求,文中首先介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)主动限流控制策略,提出状态空间平均模型下的直流短路电流时域解,分析采用主动控制方案改变电容放电状态占空比优化DCCB参数的可行性。提出考虑MMC主动限流控制的混合式DCCB参数的计算方法,分析占空比对DCCB的最大关断电流、机械开关时间、金属氧化物避雷器(metaloxide surge arrester,MOA)吸收能量的影响,设计DCCB的选型优化流程,降低DCCB的成本。最后,通过仿真和实验验证理论分析的合理性。

地铁乘客限流控制与列车运行图协同优化方法研究

随着客流需求的快速增长,高峰时段客流需求的过度饱和给地铁系统运营安全和乘客高质量服务带来了巨大挑战。为了提高地铁运行效率,减少旅客出行延误,本文为客流过饱和条件下地铁网络运营提出了一种有效方法——客流控制策略与列车运行图协同优化。以乘客平均等待时间最小化为目标,综合考虑行车条件约束、站台容量约束及列车容量约束,建立了一个混合整数非线性规划模型,并设计了一种改进的差分进化算法,来寻找地铁网络限流控制与列车运行图协同优化问题的高质量解。最后,以北京地铁部分线路为例,将无优化、仅限流优化、仅优化运行图和协同优化四种策略的结果进行对比,验证了所提协同优化方法的有效性。结果表明:限流控制与运行图的协同优化策略最能提升运营效率,所提差分进化算法在计算效率和解的质量方面均优于遗传算法。协同优化策略下乘客的平均等待时间为6.02 min,与无优化相比所获得的限流控制与列车运行图协同优化策略可以使乘客平均等待时间减少17.65%,乘客平均出行时间减少4.42%。

基于MMC的光伏直流升压并网系统故障分析及限流控制策略

基于模块化多电平换变流器(modular multilevel converter,MMC)的光伏直流升压并网系统为大容量并网提供了更多的可能。而光伏升压系统直流侧发生故障时暂态过程复杂,故障电流上升迅速且峰值过高。针对此问题,首先对系统直流侧双极短路故障时的直流升压变换器与MMC换流站进行了故障过程分析,并通过故障回路分别计算出了可靠闭锁下流经短路点的故障电流。然后针对MMC换流站的故障电流,依据其控制原理,提出基于电压变化的主动限流控制策略。该控制通过引入电压变化量动态改变桥臂参考电压,从而限制故障电流。最后通过PSCAD仿真模型验证了故障分析结果与限流效果,经检验,该控制策略可以有效减小断路器的开断电流以及桥臂过流峰值。

半桥型MMC直流侧故障的两级主动限流控制

半桥型MMC-HVDC系统直流线路发生短路故障后,故障电流骤升,对直流断路器的开断能力提出严苛要求。针对该问题,该文基于桥臂电流特征,提出一种适用于直流故障的两级主动限流控制,为直流断路器开断故障电流提供了良好条件。基于桥臂电流变化率构造了第一级控制,快速启动限流控制,改善了现有限流方案投入速度慢的问题。随后提出限流抑制曲线,并以此构造了第二级控制,快速自适应动态降低MMC出口电压幅值,增强了抑制直流故障电流增加的效果。在PSCAD对所提主动限流控制性能验证,结果表明,该文所提限流控制启动速度快,在0.1ms内投入限流控制。同时,相比电流变化率和电压整定值改变的限流方案,可进一步将故障电流最大幅值降低超过30%,限流效果更好。

柔性限流控制技术研究与现场应用

针对电网短路电流超标的问题,结合天一变220 kV正母分段改造的工程实际提出了一种柔性限流控制技术。该技术主要基于高速开断技术,实现动态调整系统拓扑,达到降低短路电流的目的。阐述了构成柔性限流控制技术的快速保护装置和快速开关的原理,给出了工程现场的应用及组网方式,并通过两次人工短路试验测试快速开关与常规开关动作的时序和对短路电流的抑制效果,论证了柔性限流控制技术在工程上应用的可行性。

高压直流断路器快速限流控制

高压直流断路器能够隔离系统故障,使得直流电网在一条线路发生故障时无需闭锁所有换流站,不影响其他线路的正常运行,是构建直流电网的关键设备。一种具有限流控制功能的混合式高压直流断路器,能够在系统故障时将故障端电流维持在固定值周围,为系统其他控制策略的进行争取时间。该文首先分析了高压直流断路器的无弧分断和限流控制原理,随后提出一种快速限流控制方法,加快了高压直流断路器的分断以及避雷器的投入,降低了故障电流峰值大小,减少了限流过程中避雷器吸收总能量。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真分析,验证了该控制方法的有效性。

检测场效应功率晶体管饱和压降实现限流控制

介绍了一种通过检测场效应功率晶体管饱和压降来检测负载电流，实现限流控制的新方法。给出了实用电路，分析了电路的工作原理。该电路具有既能将负载电流限制在设定值以内，又能控制限流工作时功率管的开关频率等特点。

柔性直流电网直流线路故障主动限流控制

针对架空线柔性直流电网线路故障,提出了基于混合型MMC的主动限流控制方法,从而降低对直流断路器开断速度、开断容量以及吸收能量的要求,减少直流电网建设成本、提高直流电网可利用率。该文首先研究了换流器的交/直流电压解耦可控性,给出了主动限流控制器的控制架构。为了解决直流故障穿越期间,桥臂电容电压可能会短时越限的问题,提出了在内环直流电流控制器附加直流电流指令动态限幅控制器的方案。提出了主动限流控制策略的一种优化手段—电流目标预设控制,分析了不同控制器延时对主动限流控制的影响。计及主动限流控制,研究了单换流器系统和直流电网故障前后直流故障电流演变机理。最后,分别在单换流器系统和直流电网系统中仿真验证了前文理论分析的正确性的有效性。

柔性直流电网紧急限流控制策略研究

柔性直流电网对高速大容量直流断路器的需求限制了其发展和应用。基于混合型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的限流控制方案受限于拓扑结构,不适用于广泛采用的半桥型MMC柔直工程。该文提出了一种具有拓扑结构通用性与故障类型通用性的紧急限流控制策略,能够降低直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)的开断电流和耗散能量。该文首先介绍了紧急限流控制的原理以及其与DCCB的协调策略,分析并推导了限流控制作用下故障电流的计算方程;研究了限流控制不同投入时刻对故障电流发展的影响;最后在基于半桥型MMC的四端直流电网中进行了仿真验证。仿真结果表明:紧急限流控制使得DCCB的开断电流减小了4.29kA(40.74%),耗散能量减小了23.4MJ(60.47%),并且适用于高阻性故障。

半桥MMC型柔性直流电网自适应限流控制研究

柔性直流电网直流故障短路电流具有上升速度快、峰值高等特点。当前,尚不成熟的故障电流抑制技术在一定程度上阻碍了柔性直流电网的大规模建设和发展。已有学者通过在直流电网中增加直流限流器或改进换流器拓扑的方式来抑制直流故障电流。然而上述技术方案会增加直流电网的建设成本。该文通过充分挖掘半桥型模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的控制潜力,提出一种适用于半桥型MMC的自适应限流控制策略。该控制策略通过在直流故障期间快速改变投入的子模块数量,从而快速降低换流器直流电压达到抑制故障电流的目的。首先介绍限流控制的基本原理以及控制器结构,分析并推导半桥型MMC的直流故障电流和桥臂故障电流的计算方程,进一步仿真验证限流控制作用下故障电流的计算方程,最后在基于半桥型MMC的四端柔性直流电网中对限流控制策略的有效性进行仿真验证。仿真结果表明:限流控制使得直流断路器((DC circuit breaker,DCCB)的开断电流减小4.92k A(46.95%),耗散能量减小26.1MJ(67.93%),并且减小故障期间桥臂电流的峰值,降低了换流器过流闭锁的风险。

三相四桥臂逆变器不对称故障穿越限流控制及电网电压支撑改进策略

当电网发生不对称故障时,并网逆变器自身限流控制及支撑故障电网的能力决定了系统运行的可靠性。为解决该问题,首先,对三相四线制并网系统中瞬时功率关系进行分析,获得以功率波动抑制为目标的三相四桥臂逆变器进网电流各序分量的参考表达式。然后,通过与不同的电压跌落深度和功率因数进行对比,得出中线电流为最大相电流幅值的重要结论,并给出三相四桥臂逆变器能提供的最大有功和无功功率。在此基础上,提出了基于最大相电流约束和改进无功注入曲线的三相四桥臂逆变器不对称故障穿越策略,在满足并网逆变器自身安全情况下优先注入定量无功功率,从而实现了对故障电网电压的有效支撑。最后对传统方法及文中所提方法进行了对比仿真研究,结果验证了提出方法的可行性和有效性。

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。

一种可降低首次换相失败风险的预测型低压限流控制

随着交直流混联电网的快速发展,直流输电换相失败已成为严重威胁电网安全稳定运行的关键因素之一。低压限流控制(voltage dependent current order limiter,VDCOL)是直流控制系统的重要环节,能有效减少后续换相失败的发生,但其首次换相失败抑制能力弱。为增强VDCOL首次换相失败抑制能力,首先分析了换相失败与低压限流控制机理;结合交流故障时暂态电流特性提出了一种基于直流电流预测与虚拟电阻的预测型低压限流控制策略;最后基于CIGRE直流标准测试模型,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提预测型低压限流控制器可有效降低首次换相失败风险。该方法在一定程度上突破了现有换相失败预防策略的局限性,可改善交直流混联电网受端故障恢复特性。

低压直流配电网主动限流控制及保护方案

低压直流配电网直接面向电力用户,其短路故障对供电可靠性造成严重影响。电力电子变压器具备主动限流能力,能够改善低压直流配电网的故障运行性能。文中针对低压直流配电网短路故障,提出了一种电力电子变压器的主动限流控制方法。结合各类低压直流变换器的接口特点,分析了电流故障分量的方向性特征。基于此,构建了低压直流配电网的保护方案。该方案无须借助通信系统和附加边界元件,能适用于不同的电网结构。仿真试验验证了主动限流控制方法及保护方案的正确性和有效性。

考虑MMC主动限流控制的直流短路电流计算方法

为了保证模块化多电平换流器(MMC)不闭锁退出运行,需要限制直流短路电流的上升速度。MMC的主动限流控制能够通过减少电容放电时间实现短路电流的限制,并且不产生额外成本,是一种新型限流方案。目前的直流短路电流计算方法无法体现MMC主动限流控制带来的故障电路结构和参数变化。文中提出一种考虑MMC主动限流控制的直流短路电流计算方法。通过引入电容放电状态占空比参数来体现主动限流控制对直流短路电流的影响,基于状态空间平均法建立直流短路电流的状态方程,给出直流短路电流的时域解析表达式。基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提计算方法的有效性。

基于限流控制与保护协同的柔性直流配电线路整体保护方案

柔性直流配电线路故障后的过电流极高,需要通过限流的方式降低对高开断电流断路器的需求,而限流后现有的保护原理可能会失效,因此,限流技术与保护原理的结合已成为目前直流配电系统发展的迫切需求。为此,利用控保协同思想,提出了一种全周期限流控制策略与相关性保护原理协同的柔性直流配电线路整体保护方案,能够在限流的同时实现故障识别。所提出的全周期限流控制策略在故障发展的前、中、后期利用不同的限流环节有针对性地抑制故障电流,极大地减轻了直流配电网对于高开断电流断路器的需求;与此同时,利用Pearson相关系数综合描述线路两侧正负极电流极性及波形突变特征,可以同时识别区内外故障并且区分故障类型,减少保护冗余,在限流控制策略作用下仍能够可靠动作。在实时数字仿真器(real time digital simulator,RTDS)中的仿真结果表明:限流控制策略有效降低了故障电流,并且增强了线路两侧电流之间的相关性;保护能够可靠识别故障,不需要严格的通信同步,且不受过渡电阻、数据窗长和噪声的影响,有较好的应用前景。

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。

适用于电网短路故障的新型UPFC及其限流控制

统一潮流控制器(UPFC)对提高电网输送容量、控制线路潮流有着明显的优势,但当电力系统发生短路故障时,UPFC自身安全问题十分关键。此处提出了一种适用于电网短路故障下的新型UPFC拓扑并给出了相应的限流控制策略,所提新型UPFC拓扑具有短路限流功能及在系统故障时具有很强的自我保护能力。正常情况下,所提新型UPFC运行在传统UPFC模式并根据控制指令调节系统潮流;当发生系统短路故障时,可运行在故障限流模式以保障设备安全。最后通过硬件在环实验验证了所提新型UPFC拓扑及其控制策略在系统发生短路故障时,对故障电流控制的有效性和正确性。