基于MMC主动限流的VSC-HVDC双极短路故障控保协同策略

直流故障保护是柔性直流输电系统发展面临的主要挑战之一,利用模块化多电平换流器(MMC)的灵活控制实现限流已成为当前研究的热点。MMC的主动限流降低了故障电流变化率和故障电流幅值,易引起故障判断以及保护选择困难。文中以对称单极接线的柔性直流系统为研究对象,采用控保协同思想,将主动限流控制与故障识别相结合,提出了基于主动限流因子的故障区域识别与区分方法实现双极短路故障的区域识别与切除。首先,通过在MMC电流内环控制器中附加故障电流目标预设控制器,在故障发生后可快速跟踪故障电流的变化,自适应地调整MMC输出的直流电压将故障电流控制在预设目标参考值附近;其次,根据不同故障位置时故障电流目标预设控制器输出的限流因子快速确定故障区域。最后,在PSCAD/EMTDC中对四端柔性直流输电系统的不同故障场景进行了仿真分析,验证了所提控保协同策略的可行性和有效性。

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。

计及零直流电压控制的混合型MMC-HVDC输电系统短路电流计算方法

混合型模块化多电平换流器通过零压控制限制直流侧故障电流,为准确分析计算故障后直流侧电流,考虑不同阶段控制系统作用建立其等值模型,并设计故障电流求解计算方法。在零压控制前,构建混合型MMC的串联RLC等值模型,利用受控电流源表征交流馈入能量对故障电流的影响;在零压控制后,分析上下桥臂电压动态调整对故障电流的影响,构建相应混合型MMC等值模型提高计算精度。采用状态空间方程计算2个阶段的直流短路电流,通过电容电压置零来计及零压控制后子模块投切引起直流侧电压复零的特性。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了双极混合型MMC直流输电系统,在不同工况下通过与详细电磁暂态仿真结果对比,验证了所提短路电流计算方法的准确性。

集成故障阻断能力的DC/DC自耦变换器

高压大容量DC/DC变换器是多电压等级直流互联的关键设备,能够实现电压变换和直流侧故障隔离等功能。使DC/DC变换器具备直流故障阻断能力,减少对直流断路器的依赖,能够在很大程度上降低建设成本。为此,提出一种基于半桥型模块化多电平换流器串联的DC/DC自耦变换器拓扑。在功率正送和功率反送两种工况下,分析DC/DC变换器两侧分别发生直流双极短路故障后的故障响应,并提出对应的故障隔离策略。针对不同工况下的双极短路故障,在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真。仿真结果表明所提出变换器具备双向阻断直流故障的能力,与其他类型的DC/DC自耦变换器的对比分析结果验证了所提出变换器的经济性。

基于555集成电路的DC/DC变换器输出短路保护电路

针对某些DC/DC变换器中脉宽调制电路在输出短路时,输入端电流大不易调试的问题,利用555集成电路的充、放电时自身特性,结合脉宽调制器实现了DC/DC变换器短路时较小的输出短路功耗。介绍了基于555集成电路的DC/DC变换器输出短路保护电路的设计机理,并通过实验验证此短路保护电路的功耗从10 W降低至1 W以下,同时也给出了使用注意事项。

基于MMC闭锁与负直流电压无闭锁的综合直流故障限流策略

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网存在抗直流故障扰动能力弱的问题。为此,在无闭锁和闭锁限流的基础上,提出了一种适用于柔性直流电网的无闭锁与闭锁的综合直流故障限流策略。故障发生后,各换流站首先根据直流侧出口电流进行基于负直流电压控制的无闭锁限流,若某换流站由于无闭锁降压限流失效而发生过流,则主动将该换流站闭锁。故障消失或隔离后,无闭锁换流站第一时间恢复正常工作模式,而无须等待重启过程较长的闭锁换流站,以尽量减小系统功率损失。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提综合直流故障限流策略可快速阻断故障电流,并兼顾限流过程的安全性和快速性,最大限度保证系统功率传输,提高了直流电网的抗故障扰动能力。

DC Pole-to-Pole Short-Circuit Behavior Analysis of Modular Multilevel Converter

This paper presents the behavior analysis of modular multilevel converter under DC pole-to-pole short-circuit fault,which is an important issue in fault management,electrical system design and MMC based power system protection and control.F irstly,the transient behavior is analyzed and the conduction overlapping angleγis def ined.Secondly,seven possible short-circuit current paths induced by differentγvalues are identif ied,and the corresponding engineering short-circuit current calculation methods for both AC and DC sides are proposed.And then,the inf luences of impedance distribution factor k and equivalent short-circuit resistance RSC on short-circuit currents are elaborated.F inally,case study is used to verify the effectiveness of the proposed analysis methods.

自触型低压混合式直流断路器系统设计与开断特性研究

低压混合式直流断路器具有低功耗、高开断性能、选择性保护等优点,能更好地满足光伏和储能系统以及零碳建筑等应用需求。该文提出一种自触型低压混合式直流开关拓扑,首先通过对混合式断路器工作原理分析,建立基于电弧供能、驱动的机电系统耦合设计方法,该方法利用电弧能量为电子电路供能,并将电弧电压作为换流支路导通的控制信号,从而实现短路故障下系统的自动触发,并提出核心功能模块设计的理论依据。在此基础上,研制低压混合式断路器样机并验证设计方案的有效性,并对比分析不同因素对开断特性的影响规律。试验表明,相较于传统机械开关,小电流开断时间缩短85.4%、电弧能量减少94.1%,提升了断路器电气寿命,同时实现1.1 kA短路电流开断,发现系统总体响应时间与燃弧初期电压上升速率成正相关,电弧电导、支路寄生电感增大均会延长换流时间,电弧重燃概率则主要受外部系统参数影响。结果可为低压直流混合式断路器的优化设计和性能提升提供一定参考。

基于等效电流源的级联混合直流馈入系统强度影响分析

级联型混合直流系统受端的模块化多电平换流器高压直流系统(modular multilevel converter high voltage direct current,MMC-HVDC)和电网换相换流器高压直流系统(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)会因馈入点电气距离较近而存在强相互作用关系。为明确级联型混合直流馈入系统中MMC-HVDC对LCC-HVDC系统强度的影响,提出考虑幅值和相位的MMC等效电流源的简化等效方法,基于所提MMC等效原理将级联型混合直流馈入系统等效成单馈入LCC-HVDC系统,分析等效单馈入系统的参数计算方法,并提出等效单馈入短路比评估指标。最后通过该指标分析归纳了不同控制方式、不同电气距离下等效单馈入系统的系统强度变化情况,即为MMC-HVDC对LCC-HVDC系统强度的影响规律。机理分析和基于PSCDAD/EMTDC、MATLAB的仿真结果表明,所提等效方法具有有效性且所提指标能很好地反应MMC-HVDC对LCC-HVDC系统强度的影响。

PWM型DC/DC变换器过流/短路保护电路的设计

通过分析DC/DC变换器过流和短路两种工作状态的联系和区别,以及对器件自身和所在系统可靠性的影响,明确了在DC/DC变换器设计中,应针对过流和短路分别进行保护设计,才能有效地提高器件的可靠性,并给出了过流保护和短路保护的电路设计实例。

互联电网短路电流在线分析与优化决策方法

在线分析技术是应对交直流电网短路电流超标和随机波动问题的重要手段。结合调度自动化系统的建模范围和实时数据采集情况,提出在线短路电流计算原则和超标判据;通过日前和实时短路电流多目标逐级优化决策,提升短路电流优化策略对电网时变性和复杂性的适应能力;构建在线短路电流分析和优化控制系统功能架构,通过调度端和厂站端功能集成实现短路电流可靠闭环控制。该方法实现了短路电流精细化分析、综合优化决策和精准闭环控制技术在实际电网的应用,通过对实际电网在线短路电流分析与优化控制系统运行结果的分析,验证了所述方法的有效性和实用性.

用于MMC-HVDC直流故障保护的新型拓扑及重合闸控制策略

针对柔性直流架空输电线路频发的瞬时性直流故障,提出了模块化多电平改进子模块结构和混合级联拓扑以及MMC系统重合闸控制策略。新型子模块及混合级联结构具有直流故障自动闭锁和迅速恢复的能力,能进一步降低造价及损耗,并能继承已有成熟的控制方法。系统重合闸控制可以使柔性直流系统在小电流情况下判断直流故障是否消除并恢复系统运行,能有效应对永久性、瞬时性直流双极短路故障。文章构建了等效电路来分析直流双极短路故障及重合闸过程,并通过PSCAD/EMTDC仿真对所提方案进行了有效性验证。

低压直流固态断路器分断特性优化方法研究

为提高在直流系统发生短路故障时固态断路器(SSCB)的分断能力,提出一种考虑分断特性的低压直流固态断路器参数多目标优化方法。首先对短路故障时SSCB的分断流程进行详细分析,通过理论与仿真确定了限流电感LB和金属氧化物压敏电阻的限电压能力系数γ对分断特性的影响。以分断特性为基础,建立了SSCB的分断冲击性能指标、分断时间指标、能量吸收指标三个优化目标函数,通过多目标粒子群算法对目标函数进行优化,采用结合决策者偏好的逼近于理想解的排序方法对优化方案进行决策。优化结果表明,在各种决策者偏好下的优化方案,其优化设计后的元件参数LB和γ均能显著提高SSCB的分断性能。

基于级联常通型SiC JFET的快速中压直流固态断路器设计及实验验证

固态断路器(solid state circuit breaker, SSCB)是直流配电网中实现快速、无弧隔离直流故障的关键保护装置。首先提出了一种基于级联常通型碳化硅(silicon carbide, SiC)结型场效应晶体管(junction field effect transistor, JFET)的新型中压直流SSCB拓扑,直流故障发生时利用金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistor, MOV)向SSCB主开关级联常通型SiC JFET器件的栅源极提供驱动电压,可快速实现直流故障保护。其次详细分析了SSCB关断和开通过程的运行特性,并提出了SSCB驱动电路关键参数设计方法。最后研制了基于3个级联常通型Si C JFET器件的1.5 kV/63 A中压SSCB样机,通过短路故障、故障恢复实验验证了设计方法的有效性。结果表明该SSCB关断250 A短路电流的响应时间约为20μs,故障恢复导通响应时间约为12μs,为中压直流SSCB的拓扑优化设计和级联常通型Si C JFET器件的动静态电压均衡性能提升提供了支撑。

BLDCM两相短路的四步换相容错运行方法

无刷直流电机运行过程中发生相短路,易引起二次故障,造成电机控制系统的功能丧失。针对无刷直流电机绕组两相短路故障情况,提出一种四步换相容错控制策略,确保电机故障后系统继续运行。通过在电机绕组设置电流检测元件,对三相电流进行检测,将连续两次检测值的差值作为特征量进行故障定位;根据定位结果,改变逆变桥功率管导通次序、导通时间,实现对电机两相短路情况下的容错控制,同时实现故障隔离。针对电机容错运行时转矩脉动较大的问题,采用H_PWM-L_ON调制方式并在换相时刻优化占空比,进行转矩脉动抑制。详细阐述电机两相短路容错控制策略的工作机理与换相过程,并对提出的四步换相容错控制策略进行仿真和实验,结果表明,电机容错运行时非故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.5倍,故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.25倍,转矩脉动增加20%,转速波动在5%以内。

多路输出DC稳压电源的设计研究

当前实验教学与科研所用的直流电源不能满足综合电路的应用,为了解决这个问题,本文提出了设计一个同时输出±5V、±12V固定电压和-5V～+5V连续可调电压的电源方案。本设计采用模块化的系统结构;基于线性串联式稳压的原理,以集成稳压器78**、79**系列芯片为核心,设计输出固定电压的基础模块;基于跟踪式稳压的设计思路,设计输出-5V～+5V连续可调的电压模块;使用专用芯片ICL7107设计LED显示电路,显示连续可调电压值;用I-V转换、电压比较电路进行输出短路保护。通过样品实验测试,得出了各种输出电压的负载效应参数,均符合要求。结果表明,本设计研究的产品性能可靠,稳定性高,适应性强。

基于EMTDC的高压直流输电控制系统的仿真

介绍了基于直流系统电磁暂态(electro-magnetic transient in DCsystem,EMTDC)建立的直流输电控制系统,该控制系统两侧均有定电压控制器,可通过调整直流电压参考值实现直流系统的降压运行。仿真实验结果表明:该控制系统电流指令追随性好,在直流电流下降后的恢复过程中,能有效抑制直流电压和电流的波动;在逆变侧发生单相接地故障时,由于整流侧有最小触发角限制作用,在逆变侧有故障恢复启动功能,因此在故障时能保持较大的熄弧角,在故障恢复过程中有很强的协调能力和控制能力。

MMC-HVDC混合旁路直流故障保护及重合闸控制策略

直流线路故障保护是基于模块化多电平的柔性直流输电(MMC-HVDC)系统必须解决的关键问题。首先分析了基于混合旁路直流故障隔离的原理与隔离步骤,通过旁路桥臂转移故障电流,在零电流下断开快速机械开关,实现换流器与直流线路的物理隔离并清除直流故障电流。系统重合闸无需解锁子模块,通过旁路桥臂判断故障是否消除,并在零电压下闭合快速机械开关恢复系统运行。当判断直流故障为永久性故障时,换流器能够重启作为STATCOM运行。混合旁路直流故障保护方案能有效应对永久性、瞬时性直流双极短路故障。最后通过在PSCAD/EMTDC建立双端柔性直流输电仿真模型验证该方案的可行性。

CCC-HVDC系统的故障恢复特性

随着大容量、远距离输电的应用日益广泛,应用传统换流器的直流输电系统有明显的缺陷,而电容换相换流器(CCC)由于其特有的换相特性,成为研究的热点。如果要应用于实际工程,必须首先对它的暂态特性有详细的了解。为了研究CCC-HVDC系统的故障恢复特性,首先利用PSCAD/EMTDC对CCC-HVDC系统和普通换流器系统分别建模,研究二者在各种暂态故障下的动态特性,记录了两个系统在各种故障下,整流侧和逆变侧的电压和电流。仿真结果表明CCC-HVDC系统和普通换流器系统在不同的故障情况下,表现出的暂态特性有明显差异。通过比较发现,在三相交流故障,直流线路故障和阀短路故障中,CCC的故障恢复特性都比普通换流器好,CCC提高了抵抗换相失败的能力,降低了甩负荷过电压,CCC在整流装置中的阀短路过电流比普通换流器的小。在CCC中通过使用可控串联电容可减小铁磁谐振。但在不对称故障中,CCC系统的恢复特性没有传统换流器系统好。

SFCL对HVDC系统中换相失败的影响

针对逆变侧换流母线逆变侧发生短路使得交流电压下降和直流电流上升而引起的换相失败问题,分析了换相失败影响因素及桥式超导故障限流器(SFCL)限流原理。在PSCAD/EMPDC仿真环境下,以CIGRE HVDC基准模型为研究对象,将SFCL应用于直流输电系统中,研究SFCL对HVDC系统稳定运行及换相失败的影响。研究表明,SFCL能够限制交流系统的故障电流继而使直流输电系统能快速恢复正常运行状态。