MMC—HVDC直流输电线路的保护研究

MMC—HVDC(Modular Multilevel Converter—High Voltage Direct Current)直流输电系统发展的关键技术之一,就是直流侧故障的灵敏与快速识别。文中对MMC—HVDC的拓扑结构和运行原理进行分析,根据叠加原理,通过故障的附加网络对保护区内和区外故障进行分析,并利用三阶微分综合立方法提取电压和电流的故障分量。通过对故障的附加网络分析,可以得到:利用电流故障分量的极性进行区内外故障的识别,当识别为区内故障时,通过故障电压分量极性进行故障选极。经仿真验证,该方法能够快速准确地识别区内外故障,进行故障选极。

直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统稳定性分析及振荡抑制

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电HVDC(high voltage direct current transmission)因具有无源网络支撑等优势而被广泛应用于大容量新能源外送消纳。受电力电子设备交互作用等因素影响,送端系统易发生振荡失稳现象。首先,建立了直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统的小扰动线性化模型,分析了风场有功输出对系统稳定性的影响。然后,建立了MMC及风机并网变流器交流侧dq阻抗模型,从阻抗角度揭示了送端系统振荡失稳机理。进一步,提出了基于MMC交流电压控制外环q轴附加阻尼的振荡抑制策略,可满足系统满功率范围内的运行稳定性要求。最后,基于全比例模型的仿真结果验证了所提振荡抑制策略的有效性。

不同模型对MMC-HVDC系统大信号稳定性分析准确性影响的对比研究

模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统运行中不可避免地遭受大信号扰动,可能导致不稳定现象的发生。基于混合势理论(MPT)对比分析了MMC-HVDC系统3种不同模型下的大信号稳定性。首先,建立了MMC-HVDC系统的全阶模型、降阶模型和等效恒功率负载(CPL)模型,并从理论层面对比分析了三者之间的差异性。利用MPT分别推导了基于3种模型的MMC-HVDC系统大信号稳定性判据,对比研究了3种不同模型对大信号稳定性分析结果的影响,并做出了系统在电网电压暂降大扰动下的稳定运行边界。最后,通过Matlab/Simulink时域仿真验证了理论分析的正确性。

MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流计算方法

为研究基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流侧短路电流的工程实用计算方法,基于金属性短路故障电流通用解析式,分析了MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障时换流站放电电流的相互抑制作用以及放电回路的耦合机理,并基于所推导的解析表达式提出了故障电流的解耦计算方法。基于PSCAD/EMTDC对MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障工况进行仿真分析,将仿真结果与解析计算值进行对比验证。搭建数字-物理混合仿真实验模型,在数字端和物理端分别设置短路故障,对比实验值与解析计算值。验证结果表明,所提故障电流计算方法能准确地表征MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流的演变趋势。

基于源网限流贡献度配合的MMC-HVDC系统自适应故障限流策略

故障限流是保障直流输电系统安全运行的关键技术,现有源侧和网侧限流方法通常独立配置且未与故障严重程度相匹配,难以兼顾限流能力与设备成本。针对上述问题,该文提出一种考虑故障严重程度的源网自适应限流策略,利用源侧模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)与网侧故障限流器(fault current limiter,FCL)的限流贡献度配合,实现主动匹配限流目标和故障条件的自适应限流。能够在保障限流能力的前提下,降低FCL配置成本及MMC降压运行对电网的不利影响。首先,分别定量分析源侧MMC与网侧FCL的限流贡献度,进而推导考虑限流贡献度配合的源网协同限流计算方法;基于此提出限流贡献度匹配故障严重程度的自适应故障限流策略;最后,在电磁暂态仿真中对所提策略的有效性进行验证。

基于附加级联陷波滤波器的MMC-HVDC多频段谐振抑制策略

针对基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统(MMC-HVDC)存在的中高频谐振问题,建立了MMC交流侧阻抗模型,分析了MMC呈现负阻尼特性的关键因素,即延时、电压前馈环节是主导MMC中高频段呈现负阻尼特性的主要原因,功率外环对中频段阻尼特性有较大的影响。对此,提出了附加级联陷波滤波器配置方法以最大限度地衰减电压前馈和功率外环对MMC的阻尼特性影响,在此基础上,针对正负序控制器引发的阻抗波动性问题提出了附加阻尼反馈环节和内环附加级联陷波滤波器2种抑制策略消除特定多频段的谐振风险。最后根据奈奎斯特判据分析了采用抑制策略的MMC与电网交互的谐振稳定性,并在电磁仿真软件中验证了理论分析和抑制方法的正确性与有效性。

双馈直驱风机混合接入MMC-HVDC送端系统的次同步振荡特性分析与抑制

双馈/直驱风机混合接入模块化多电平高压直流输电(modular multi-level converter based HVDC,MMC-HVDC)的次同步振荡事件频繁发生,已有双馈或直驱某一种风机与MMC-HVDC交互产生振荡的研究,但鲜有针对双馈/直驱风机混合接入MMC-HVDC的次同步振荡分析与抑制措施研究。该文首先阐述并分析了某双馈/直驱风机混合接入MMC-HVDC后发生次同步振荡实际事件的特征与原因,通过阻抗相量方法研究了双馈/直驱风机频域阻抗的交互影响方式。研究表明,在双馈或直驱风机单独接入MMC-HVDC不存在振荡风险的条件下,双馈和直驱风机并联接入后依然可能存在振荡风险。最后,根据电网调度运行的实际要求,提出了考虑机组启停数量调配的临时抑制振荡策略。

PLL-GFC型MMC-HVDC暂态同步稳定性研究

PLL-GFC(基于锁相环的构网型换流器)具备频率与电压调节能力,然而目前对其接入高压交流电网后的暂态同步稳定性缺乏深入了解。为此,对PLL-GFC型MMC-HVDC(模块化多电平换流器型高压直流输电)暂态同步稳定机理展开研究。首先,介绍PLL-GFC型MMC-HVDC控制策略并分析其功率响应特性。然后,建立MMC-HVDC并网系统暂态同步稳定模型,采用相图曲线方法分析电网故障后换流器失稳机理以及电网电流动态变化对其暂态同步稳定性的影响。研究发现稳定平衡点的存在是换流器并网系统故障后暂态稳定的关键因素,由此提出通过动态调节有功电流指令值来提升暂态同步稳定性的增强措施。最后,通过PSCAD/EMTDC搭建电磁暂态仿真模型,验证了失稳机理分析的正确性与增强措施的有效性。

大容量光伏电站经MMC-HVDC并网的谐振分析与抑制

大容量光伏电站经MMC-HVDC送出可解决新能源消纳问题,但大容量光伏电站经MMC-HVDC并网的谐振问题仍待解决。考虑到大容量逆变器具有低开关频率的特点,故进行LCL滤波器设计,建立光伏电站和换流站的频域小信号阻抗模型;再基于阻抗分析法,分析大容量光伏电站经MMC-HVDC并网的谐振机理及潜在的谐振点,发现大容量光伏电站经MMC-HVDC并网时存在谐振风险。针对互联系统谐振问题,采用无源阻尼重塑互联系统阻抗的方案,并明确无源阻尼、相位裕度和系统损耗的对应关系。所提方案能够显著抑制互联系统的谐振现象,为大容量光伏电站经MMC-HVDC并网的稳定性问题提供一种符合实际工程的解决方法。最后基于Matlab/Simulink建立仿真模型,仿真结果验证了文中理论分析的正确性和所提措施的有效性。

考虑放电耦合的MMC-HVDC系统直流线路单极接地故障电流的计算方法

直流线路单极接地短路故障是基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)系统中最常见的故障类型,分析其故障特性、掌握故障电流水平对于继电保护的设计及相关参数的优化具有重要意义。作为分析基础,首先分析并得出MMC直流侧故障电流表达式,然后重点针对金属回线单侧接地方式的MMC-HVDC系统,分析了直流线路故障后的故障点两侧系统在接地电阻上的耦合作用,根据耦合作用的产生原因及本质提出了等效解耦方法,从而得出一种针对单极接地故障电流的实用计算方法。通过对比所提方法与PSCAD/EMTDC的电磁暂态仿真结果,验证了所提计算方法的正确性。

MMC-HVDC子模块高频脉冲产生机理分析及保护策略研究

MMC-HVDC工程中子模块数众多,工程中普遍采用最近电平逼近(nearest level modulation,NLM)调制算法,结合桥臂电流方向和子模块电压的大小进行均压排序。基于现有调制均压策略在工程实施过程中不可避免的会产生子模块高开关频率甚至超高开关频率现象。首先分析了工程中高频现象及产生机理,以及高频对换流阀子模块驱动器、功率器件损耗、结温和二极管反向恢复特性影响;然后结合功率器件高频耐受能力及保护的可靠性提出两段式反时限子模块高频保护策略;建立了保护定值整定方法及依据。仿真验证了策略的有效性并开展了保护策略功能测试。该策略具有良好的实时性与可靠性,对系统正常运行无影响,可应用于在运MMC-HVDC工程可靠性提升。

MMC-HVDC孤岛供电系统协调调频控制策略

柔性直流电网(MMC-HVDC)孤岛供电系统呈现低惯性、弱阻尼特性,易受到扰动影响,频率和电压稳定问题突出。为了提高MMC-HVDC向孤岛供电的能力,改善系统安全稳定性,进一步提升孤岛供电系统的频率稳定性,充分挖掘孤岛内双馈风电机组的频率调节能力,采用风电机组超速减载实现其功率备用,提出了风电机组与MMC协调调频控制策略,综合考虑风电机组弃风量与频率调控需求,在充分利用风电机组备用功率的同时减轻MMC调频压力,通过仿真验证了所提协调调频策略的有效性。

基于MMC-HVDC的井下直流输电换流站设计

为解决煤炭井下设备电压等级偏低和闪变两大故障,考虑将具有模块化多电平换流站的柔性直流输电(MMC-HVDC)系统直接应用于煤矿井下设备输电。介绍了换流站的基本物理构成,引入了PWM调制和均压方式的控制器,控制部分分为内环控制和外环控制,内环采用电流控制,外环采用电压控制,对控制参数进行了整定。通过Simulink开展稳态试验,证明该系统在井下运行时有良好的稳定性,可实现井下用电设备有功功率和无功功率的单独调节;若系统受到外部扰动时,可快速稳定直流电压;可将逆变站输出的电压幅值和相位保持在额定值。试验结果验证了井下柔性直流输电系统的实用性。

含混合型MMC的多端柔性直流输电系统短路电流计算方法

多端柔性直流输电系统中存在多个换流站,换流站之间复杂的耦合关系使得直流短路电流的计算成为一个难题。针对含混合型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的多端柔性直流系统应用场景,首先搭建了故障穿越前后混合型MMC的故障等效模型,并从混合型MMC直流故障穿越期间电路结构变化的角度出发,分析了直流故障穿越对多端柔性直流系统各支路短路电流的影响,在此基础上基于叠加定理提出直流故障穿越附加网络的概念。然后结合多端系统的近似解耦解析计算方法和直流故障穿越附加网络的概念,提出含混合型MMC的多端系统直流故障穿越期间的短路电流计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC平台的电磁暂态仿真结果表明,所提出的计算方法在故障发生6 ms内计算的短路电流值最大误差均在±6%以内,且具有良好的适用性,为含有混合型MMC的多端柔直系统的规划设计与保护整定提供了参考。

基于阻抗法的MMC-HVDC并网系统高频振荡分析及抑制研究

针对某海上风电经多模块多电平换流器(MMC)接入电网系统,陆上换流站与电网发生宽频振荡的问题,基于阻抗分析的思想和MMC控制系统结构建立dq坐标下MMC控制系统频域模型。将MMC控制系统模型的d、q耦合部分转换至时域、abc坐标系下进行化简,实现了系统解耦,然后建立MMC控制系统abc坐标下的频域模型,进而结合MMC等效电路的分析建立其等效阻抗模型。通过阻抗分析法对换流器阻抗模型和电网阻抗模型的特性进行分析,验证了振荡发生的机理。最后对抑制宽频振荡的措施进行分析,给出附加带阻滤波器的解决方案,并通过现场案例的振荡现象进行验证。

基于MMC主动控制的换流变磁通退饱和方法研究

针对真双极柔性直流输电系统中换流变和应涌流衰减缓慢、易持续对模块化多电平换流器造成暂态冲击甚至引发保护误动作的问题,提出一种基于模块化多电平换流器主动控制的换流变磁通退饱和方法。首先,在不增添辅助设备的情况下通过模块化多电平换流器为换流变提供修正电流实现磁通退饱和;然后,分析传统控制器的适应性和所提方法对模块化多电平换流器运行特性的影响,并提出应对措施;最后,基于MATLAB/Simulink进行仿真验证。仿真结果表明,所提方法可以在保证模块化多电平换流器平稳运行的基础上加快和应涌流衰减速度,有效缓解和应涌流对模块化多电平换流器的暂态冲击。

基于复矢量及HSS的MMC交直流侧阻抗建模

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具有运行稳定、控制多样化等优点,对其精确建模成为当前研究热点。提出了一种基于复矢量的MMC交直流侧阻抗建模方法。该方法根据复矢量建模的基本原理分析了换流器的正负序转换关系,并在考虑三相耦合的前提下,从差共模角度简述了三相MMC的建模要点,建立了三相系统的完整时域模型。引入谐波状态空间理论(harmonic state space,HSS)对所建模型进行处理来提高建模精度,并利用接口矩阵及阻抗求解的基本原理建立了MMC的交直流侧阻抗模型。最后在仿真平台进行了对比实验,证实了建模方法的可行性。

MMC-HVDC联网及孤岛运行状态转换策略

模块化多电平换流器型直流输电系统(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMCHVDC)和交流线路可为重要负荷双路供电,因此MMCHVDC需具备在联网运行状态和孤岛运行状态间稳定转换的能力。该文分析了MMC在联网状态和孤岛状态间相互转换的过程,并设计了一种基于本地电气量的MMC控制模式切换策略。之后,对MMC无源供电控制器进行改进,设计了一种无需切换控制模式的MMC下垂控制策略。最后,通过PSCAD仿真对上述2种转换策略进行验证和比较,结果表明2种策略均能使MMC在联网状态和孤岛状态间稳定转换。2种策略各有优缺点,实际应用中MMC需依据具体的控制目标选取合适的策略。

一种适用于MMC-HVDC直流输电线路的保护新原理

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为一种新型多电平拓扑结构的电压源换流器,具有扩展性强、输出电压质量高、谐波含量少等优点,已经展现出极其重要的工程应用前景。首先介绍了模块化多电平高压直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current,MMC-HVDC)的拓扑结构及运行原理,然后通过故障附加状态网络分别对区内和区外故障进行了分析,并利用二阶微分法提取了故障时电压、电流的故障分量,得出了保护策略。根据故障网络分析可知,当直流线路发生区内故障时,电流故障分量极性相同;当直流线路发生区外故障时,电流故障分量极性相反。因此,可以根据电流故障分量的极性是否相同来识别区内、外故障,利用二阶微分法来提取故障时电流的故障分量,用以识别区内、外故障。另外,根据故障网络分析还发现,当直流线路发生区内故障时,单极故障时电压故障分量极性相同,双极故障时电压故障分量极性相反。因此,可以根据电压故障分量的极性是否相同来识别故障极。利用二阶微分法来提取故障时电压的故障分量,根据电压故障分量的极性,识别故障所在的极。最后利用PSCAD电磁暂态仿真软件建立了MMC-HVDC的仿真模型。仿真结果验证了故障分析以及保护方法的正确性。

基于RT-LAB的MMC换流器HVDC输电系统实时仿真

基于RT-LAB实时仿真平台,研究了实时仿真技术在基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统(HVDC)中的应用。建立了基于MMC的柔性直流输电系统的实时仿真模型,并将RT-LAB的实时仿真结果与PSCAD/EMTDC的离线仿真结果进行了对比验证。两种仿真结果在暂态和稳态下都比较一致,这说明通过RT-LAB可以得到MMC高压直流输电系统的正确仿真结果。还对两种仿真方法的仿真时间进行了对比,说明通过RT-LAB的实时仿真可以大幅度提高对MMC换流器的仿真效率。研究结果为采用RT-LAB平台对柔性直流输电系统等大规模电力电子装置实时仿真研究应用提供了参考。