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。

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。

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。

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。

分布式调相机对大规模新能源直流送端系统的稳定特性影响

针对大规模新能源接入直流送端系统,典型直流故障引起的系统暂态过电压和频率稳定问题,分析分布式调相机接入直流送端新能源场站对系统的稳定特性影响。首先,介绍分布式调相机无功调压和转动惯量作用原理;其次,介绍新能源机组过电压保护原理及直流送端系统典型故障引发暂态过电压的原因,并分析分布式调相机对系统强度即直流短路比、新能源直流外送系统暂态过电压及动态频率稳定水平的影响。最后,通过时域仿真验证分布式调相机在提升送端直流输电系统强度、暂态电压水平和频率稳定性中的作用。

基于MOPSO算法的超导限流器结构参数优化

电阻型超导限流器能够快速限制短路电流,因此常与直流断路器结合使用开断直流故障。超导限流器的性能与直流断路器元件参数之间存在复杂耦合关系,在一定直流断路器元件参数下的超导限流器的选型亟需研究。文中首先分析了现有超导限流器电阻的模型,然后仿真了超导限流器与直流断路器结合使用时的短路故障,分析了超导限流器电阻和回路电流的变化规律。仿真结果表明:超导限流器可成功限制故障电流的上升,帮助直流断路器开断故障电流;超导限流器的电阻、温度和电流波形之间存在复杂耦合关系。最后,固定超导带材的截面,通过多目标粒子群算法对超导限流器的长度进行了优化,优化前后的结果表明:当超导带材长度为47 m时,短路电流峰值为1.24 kA,在5.90 ms时产生电流过零点,比优化前超导带材减少了7 m,但短路电流峰值和过零点时间几乎没有变化。

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。

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。

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。

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。

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。

适用于中压柔直配电网的电容辅助型断路器

针对柔直配电网短路故障电流大且无电流自然过零点导致故障隔离困难的问题,提出一种基于电容辅助关断的混合式断路器。该断路器设置了两级限流结构,低阻限流模块用以故障初期快速限流、实现故障电流转移,高阻限流模块用以保证断路器的可靠关断,在保护启动过程及保护识别过程中均能起到限流作用。相比传统方法,电容辅助关断模块可以限制故障初期电流的发展,大大降低故障电流峰值与主断开关的关断电流,且其在正常工作时对主电路影响较小。最后,通过PSCAD/EMTDC建立六端直流配电网进行仿真分析,结果表明,所提断路器能够较大幅度限制故障电流,且同时满足经济性和实用性。

柔性直流电网直流侧极间短路电流初始阶段的量化评估指标

随着高压领域模块化多电平换流器(MMC)型的柔性直流电网大规模建设应用,若直流侧出现短路故障,短路电流在故障初期呈现上升速率快、峰值大等特点,限制了柔性直流电网的进一步发展。为了对短路故障情况下的直流侧电流值进行定量评估,本文从MMC型柔性直流电网固有特性的角度,建立了故障节点处产生的电流响应初始阶段量化评价指标,指导柔性直流电网的规划与运行。首先,提出了一种以MMC输入输出特性为基础的故障电流求解方法,为后续的短路电流量化评价奠定基础。其次,解耦分析柔性直流电网间的短路电流,并从系统固有特性的角度建立了短路电流初始阶段的量化评价指标。最后,在配置特征和架构组成存在差异的各类柔性直流电网上,对所提出的解耦短路电流求解方法和定量指标进行验证。结果表明,所提出的指标能够在不计算短路电流的情况下量化评价柔性直流电网的短路电流,并为柔性直流电网的网络结构设计、运行模式以及参数选择提供技术支持。

具备短路电流限制能力的新能源直流汇集双极直流变换器

直流汇集和外送为未来沙漠戈壁荒漠大规模新能源消纳提供了一种可行解决方案,直流变换器是新能源直流汇集系统的关键设备。谐振直流变换器具有在全负载范围内损耗较小,波形质量好等优点,在新能源纯直流汇集场景具有应用前景,然而因其呈现低阻抗、短路故障电流上升速度快的特征,必须对短路电流进行限制。该文提出了一种具备短路限流能力的双极直流变换器,首先分析了拓扑运行原理及其参数设计方法,然后分析了所提直流变换器的故障限流机理,设计了其短路电流控制方法,最后通过Matlab/Simulink仿真和实验样机验证了所提电路和故障限流方法的可行性。结果表明,所提直流变换器能够实现直流短路电流限制,能够在一极故障时维持另一极正常运行,提高了供电可靠性。相关研究成果将为新能源直流汇集系统的构建和工程实施提供技术参考。

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。

MMC-HVDC直流双极短路故障电流分析

直流母线上双极短路故障是柔性直流输电系统最为严重的故障。目前针对模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC,modular multilevel converter based HVDC)系统故障的研究大多数侧重于故障的保护,而对于故障电流特性的研究只是简单的仿真分析。因此为了能够准确分析系统直流侧暂态故障电流的特性,通过对短路故障的暂态特性建立数学模型,进而分析MMC-HVDC系统直流母线上双极短路故障的暂态特性,推导出故障电流的数学表达式,并提出利用比例因子的方法来改进等效电容值,从而使故障电流计算值更精确。在PSCAD/EMTDC中搭建双端MMC-HVDC系统,对实验仿真波形与计算波形进行比较和分析,验证了所提方法的可行性与精确性。