一种适用于智能配电网的DC/DC换流器拓扑及其控制策略

由于智能配电网的高故障率特性以及城市土地资源的限制,DC/DC换流器的体积、成本、效率、控制性能和故障穿越能力逐渐成为其在该领域内的限制因素。为此,提出了一种基于电流源换流器(current source converter,CSC)和电压源换流器(voltage source converter,VSC)的混合DC/DC换流器拓扑,提出的换流器拓扑采用高频交流链路,分析了换流器的数学模型和运行约束条件,给出了换流器的参数设计方法。提出了一种换流器CSC侧采用有功功率和无功功率双闭环控制,VSC侧交流电压幅值单闭环控制的DC/DC换流器闭环控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了1 MW/2000 V/750 V混合DC/DC换流器仿真模型,分别对额定运行工况、功率反转工况和直流短路工况进行了仿真研究。仿真结果验证了提出的混合DC/DC换流器工作性能优越且具备直流短路故障穿越能力。

全桥型MMC-HVDC直流短路故障穿越控制保护策略

直流故障穿越是柔性直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission,VSCHVDC)技术面临的重要问题之一。全桥型模块化多电平换流器(full bridge modular multilevel converter,FBMMC)能够快速清除直流侧故障,是实现直流故障穿越的理想拓扑。该文首先分析现有换流阀闭锁保护策略下电容放电阶段和换流阀闭锁阶段的等效电路,推导电容电压和电流的解析式。针对实际工程中功率模块具有恒功率负载特性,换流站闭锁期间功率模块电容电压逐渐发散并最终导致交流断路器跳闸的问题,提出一种FBMMC-HVDC的故障穿越控制保护策略。在故障穿越期间,换流器处于可控状态,能够避免电容电压发散,无需切断交直流系统连接;在故障清除后能够立即恢复正常运行,具备暂时性和永久性直流故障穿越能力。在PSCAD/EMTDC软件中构建了FBMMC-HVDC仿真模型,对比上述两种保护策略,分析两种策略各自的优缺点。

基于负直流电压控制的MMC快速无闭锁故障穿越策略

传统半桥子模块无法阻断直流短路电流,基于新型子模块的闭锁式故障穿越策略则存在换流器不可控、系统重启过程复杂等缺点,降低了模块化多电平换流器的可靠性。为此提出了一种基于负直流电压控制的无闭锁故障穿越策略,在直流侧短路后通过调制波下移将直流电压控制为负值,从而实现直流故障电流的快速清除。此外,针对无闭锁故障穿越过程中输出正负电平子模块之间电容电压不均衡的问题,提出了双排序控制算法以实现电容电压的快速均衡,同时设计了从故障发生至换流器重启整个过程中系统的无闭锁故障穿越流程。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,基于负直流电压控制的无闭锁穿越策略可快速阻断直流故障电流,在此过程中子模块电容电压保持均衡,可实现换流器的快速重启。

混合型模块化多电平变流器电容优化设计

在基于电压源型换流器的柔性高压直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)场合,由半桥和全桥子模块构成的混合型模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流短路故障自清除能力,引起了广泛的研究。而大容量MMC子模块电容的质量、体积大,成本较高,逐渐成为其取得更广泛应用的限制因素。分析并建立了混合型MMC子模块电容电压基频纹波系数与桥臂负电压以及功率因数之间的函数关系。根据该函数,提出一种混合型MMC的参数设计方法使子模块电容最小,在提高MMC功率密度的同时降低了子模块的成本和体积。同时,对比传统的桥臂参考电压始终为正的混合型MMC,在直流电压和桥臂电流有效值相等的情况下,建立了桥臂参考电压存在负电压的混合型MMC的功率传输特性函数,并求出了函数的最优解。最后,通过±160 kV混合型MMC的对比仿真验证了所提设计方法的正确性和有效性。

基于PWM-CSC的混合直流输电系统功率控制策略研究

为解决传统直流输电系统逆变侧容易出现换相失败的问题,针对目前基于模块化多电平换流器(MMC)的直流输电系统造价较高、半桥结构子模块无法穿越直流故障、损耗大等缺点,本文提出了一种整流侧采用电网换相换流器(LCC)、逆变侧采用脉宽调制型电流源换流器(PWM-CSC)的混合直流输电系统。推导了系统的数学模型并分析了PWM-CSC交流输出侧的谐波特性,提出了一种最大功率因数控制策略。在PSCAD/EMTDC中搭建的基于PWM-CSC的混合直流输电系统的仿真结果表明,本文提出的控制策略能够在正常工况下实现系统逆变侧换流器最大功率因数运行;当交、直流侧发生短路故障时,本文提出的混合型直流输电换流器能够实现平稳穿越。

基于有源换相换流器的交直流智能配电网控制策略

为了实现配电网潮流的优化分配和光伏、电动汽车、储能电池等直流负荷高效可靠接入城市配电网,提出了一种基于有源换相换流器(active commutated converter,ACC)的交直流智能配电网系统。提出的系统采用ACC连接交流配电网实现潮流的优化分配,采用基于有源换相换流器-电压源换流器混合的直流变换器(DC/DC converter)实现分布式直流负荷的有效并网。分析了有源换相换流器和混合直流变换器的数学模型,提出了一种适用于交直流智能配电网系统的综合控制策略,实现了系统内所有换流器的单位功率因数运行,分析了系统直流短路故障特性。在PSCAD/EMTDC和RT-LAB半实物仿真平台中搭建了基于ACC的交直流智能配电网模型。仿真和实验结果表明,在正常工况下提出的控制策略能够实现所有换流器的单位功率因数运行。当直流故障发生时,所提出的控制策略能够实现系统平稳穿越。

混合型MMC非闭锁型直流短路故障穿越策略分析和比较

针对半桥/全桥子模块和半桥/单极性全桥子模块这2类混合型模块化多电平换流器(MMC)的非闭锁型直流短路故障穿越问题,首先提出了满足故障穿越要求的2类混合型MMC的最优子模块配比方案。其次基于恒定可控MMC总能量控制,提出了混合型MMC非闭锁型直流短路故障穿越控制策略,使混合型MMC在故障穿越期间具备无功补偿及子模块电容电压均衡的能力。最后从故障穿越效果及代价等方面,对这2类混合型MMC非闭锁型直流短路故障穿越策略开展了对比分析,为混合型MMC及非闭锁型直流短路故障穿越策略在柔性直流输电工程中的应用提供借鉴与参考。

含DAB型直流变换器的中低压直流配电系统极间短路故障穿越方法

极间短路故障是直流配电系统中最为严重的故障类型,当含双有源桥(DAB)型直流变换器的直流配电系统中压侧发生极间短路故障时,DAB闭锁,低压侧电压大幅下跌,故障清除后恢复速度较慢。为解决上述问题,提出了一种新型故障穿越方法。通过对传统DAB结构进行改进,增设故障电流阻断模块和补偿电容支路,能在故障发生后迅速识别、切断故障并投入补偿电容。故障持续期间,DAB无需闭锁,依靠模块电容以及补偿电容向低压侧负荷进行供电,有效改善了低压侧电压跌落。故障清除后电容能够快速充电至正常运行状态。PSCAD/EMTDC平台中的仿真结果验证了所提方法能够有效减小中压侧极间短路故障对于负荷的影响,并且具有良好的故障恢复特性。

配网直流变压器双极短路故障穿越方法

采用传统输入串联输出并联(ISOP)拓扑的配网直流变压器在系统发生双极短路故障时,如果不采取故障限流措施,模块电容会快速放电,故障清除后必须经过缓启充电等复杂时序完成恢复重启,无法实现故障穿越。文中提出一种基于改进型ISOP拓扑,利用故障电流阻断及限流控制实现系统故障穿越的方法。首先,理论分析了基于改进型ISOP拓扑结构的配网直流变压器系统中压侧故障穿越过程的3个阶段及其数学模型。然后,分析了基于故障限流原理的低压侧故障穿越方法及故障穿越时间的设计原则。最后,通过搭建实时数字仿真(RTDS)硬件在环半实物仿真平台进行了验证,仿真结果证明了该双极短路故障穿越方法的可行性和有效性。

基于模块化多电平换流器的直流系统故障电流分析及故障穿越测试

半桥型模块化多电平转换器(half-bridge modular multilevel converter,HBMMC)具有阻止直流链路中的短路的能力,而全桥型模块化多电平转换器(full-bridge modular multilevel converter,FBMMC)可以产生双极性电压从而阻止直流链路中的短路电流快速清除直流侧故障,是实现直流故障穿越的理想拓扑。研究极间短路故障的特征及其数学模型,提出计算故障电流的改进分析法。基于临界故障电阻分析,研究模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的传输系统的直流短路穿越的能力。分别模拟两种运行模式:第一种运行模式中MMC可以用无功功率支持交流电网,但不会传输有功功率;第二种运行模式中MMC可以在故障期间传输有功功率。在PSCAD/EMTDC软件中构建FBMMC-HVDC仿真模型,验证所提概念的可行性。

中压侧双极短路故障下改进型ISOP直流变压器的参数关系和直流电抗器电感计算

讨论了改进型输入串联输出并联(ISOP)直流变压器发生双极短路故障时的电气特性和各个参数之间的关系。根据直流故障穿越的特性,在小时间尺度内,将中压侧直流电抗器电感作为因变量,推导了其与其他参数变量的显式方程,并提出了一定约束条件下的简化计算方法,更加有利于工程应用。工程应用结果验证了所提计算方法的准确性。

一种具备故障自清除能力的MMC新型双子模块拓扑研究

在多端柔性直流电网中,直流故障快速隔离和清除能力是系统可靠安全运行的保障。直流故障清除能力是制约基于半桥模块MMC发展的关键问题。文中提出了一种新型二极管箝位双子模块拓扑结构,在两个单子模块串联的基础上,增加了一个IGBT和一个二极管,利用子模块电容电压迫使导通的二极管反向截止,从而有效抑制MMC的不控整流效应,快速切断故障电流通路,具备直流故障自消除能力,具有很好的经济性和应用价值。

柔性直流供电网络的电流保护适用性分析

在模块化多电平换流器(MMC)逆变站交流线路发生故障时,MMC短路电流幅值受到控制策略的影响大,进而可能影响三段式电流保护的动作性能。鉴于此在RTDS平台上搭建了向无源网络供电的柔性交直流配电网系统,然后在MMC控制器内设计了交流故障穿越策略。基于控制与保护协同的思路对故障穿越策略投入与不投入两种情况下三段式电流保护动作性能做了仿真对比,仿真结果表明,当MMC逆变站交流线路发生不对称故障时,在交流故障穿越策略作用下,电流主保护Ⅰ段、Ⅱ段均拒动,只能由本线路的近后备保护电流Ⅲ段延时切除故障。基于纯交流系统故障电流特性进行整定的三段式电流保护动作性能较差,已经不再适用于MMC逆变站交流线路。