基于HB-MMC的直流电网直流线路保护技术研究综述

由于基于半桥模块化多电平换流器（half bridge modular multilevel converter,HB-MMC）的柔性直流电网系统控制方式和自身拓扑结构的特殊性,直流侧发生短路故障时,其故障电流具有上升速度快、峰值高的特点,极易损坏换流站中的半导体器件。又由于直流故障电流没有自然过零点,直流断路器难以将故障切除,因此,直流输电线路的短路故障对保护系统提出了更高的要求。基于柔性直流电网的拓扑结构、直流侧故障特征,从直流故障电流的限制、直流输电线路保护原理等方面,系统地介绍了国内外基于HB-MMC直流电网的直流输电线路故障处理与保护技术的研究现状,重点分析了柔性直流电网直流线路的保护原理,探讨了目前柔性直流电网故障处理和保护技术面临的关键问题及未来进一步的研究方向。

Inter-cluster Voltage Balancing Control of Modular Multilevel Cascaded Converter Under Unbalanced Grid Voltage

This paper presents a novel inter-cluster direct current(DC)capacitor voltage balancing control scheme for the single-star configured modular multilevel cascaded converter(MMCC)-based static synchronous compensator(STATCOM)under unbalanced grid voltage.The negative-sequence component of grid voltage at the point of common connection(PCC)causes unbalanced active power flow in the phase limbs of converter.This leads to the imbalance of DC voltages of the sub-module capacitors across the MMCC phases,and consequently,the malfunction of converter.The proposed solution is to inject both negative-sequence current(NSC)and zero-sequence voltage(ZSV)into the phase limbs of MMCC.A quantification factor Qf is used to achieve the sharing of inter-cluster active pow-er between the NSC and ZSV injection methods.Accurate determination of the quantification factor has been presented.In addition to maintaining the DC voltages of sub-module capacitor across the MMCC phases balanced,it also prevents the overcurrent and overvoltage of converter by injecting NSC and ZSV with the right proportion.The control scheme is validated on a 3.54 kV 1.2 MVA power system using MMCC-based STATCOM with 3-level bridge cells as sub-modules.The results show that the proposed scheme provides superior effectiveness in eliminating the voltage imbalance of DC capacitor in the phase limb while maintaining low voltage and current ratings.

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器控制方法

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器(MMC with partly integrated BESS,MMCPBESS)可以在接入储能的同时节约建造成本,但其控制更加复杂。针对下桥臂接入储能电池的MMC-PBESS拓扑,建立数学模型及等效电路。在此基础上给出电容电压均衡策略,提出了上/下桥臂分控的控制策略,并分析了其运行边界。在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,仿真了不同交直流功率比例的运行工况,所提控制策略可以在维持电容电压平衡的同时实现对电池充电的功能。该策略无需额外的环流计算,上下桥臂控制解耦,简单灵活。

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modularmultilevelDC/DCconverter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。

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。

基于全桥型MMC的开关序列切换方法及IGBT开路故障诊断策略

全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流故障穿越能力受到广泛关注,但全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)中更多的开关器件数量对MMC的运行可靠性带来了巨大挑战。针对于此,首先提出了基于全桥型MMC的开关序列(switching sequence,SS)切换方法,通过增加一种子模块(submodule,SM)切除状态,能在不额外增加开关损耗的基础上,使所有类型IGBT开路故障均能够体现故障特性。进一步,分析了所提SS切换方法下的故障特点,并提出了IGBT开路故障诊断策略。所提策略通过判断SS计数是否超出阈值对故障进行检测,并定位故障SM,之后基于SS计数的正负或电容电压变化值进一步辨别故障类型。所提故障诊断策略能够准确检测出IGBT故障,定位出发生IGBT开路故障的SM,并辨别其故障类型,有利于主动运维。此外,所提策略无需额外硬件,并可在一个工频周期(20 ms)内完成对所有故障的准确诊断。最后通过硬件在环平台验证了所提SS切换方法及IGBT开路故障诊断策略的有效性。

低直流电压下混合型MMC器件损耗分布优化控制

低直流电压运行工况下,混合型模块化多电平变换器(MMC)器件损耗分布不均匀,逆变工况下,半桥子模块(HBSM)下部绝缘栅双极型晶体管(IGBT)损耗尤为突出,降低了换流器运行可靠性。为此,提出一种全、半桥模组输出电压差异化控制与HBSM降压相结合的损耗分布优化方法。首先计算低直流电压下混合型MMC的器件损耗。然后利用全、半桥模组输出电压差异化控制降低目标器件的通态损耗。分析发现,差异化控制降低通态损耗的同时会增加器件开关损耗,因此结合HBSM电容降压减小其开关损耗,使器件损耗优化效果达到最佳。最后,通过小功率实验平台验证所提方法的有效性。

基于桥臂等效电容的全桥子模块型MMC快速仿真方法

MMC(模块化多电平换流器)包含了大量的开关元件,给电磁暂态仿真带来了很大的计算负担。针对该问题,提出了一种基于桥臂等效电容的全桥子模块型MMC快速仿真方法。提出了正常工作、闭锁和全状态的桥臂等效电路建模方法,开发了一种精确仿真全桥MMC电磁暂态响应的仿真模型。在PSCAD/EMTDC平台搭建了两端MMC直流电网测试系统验证其可行性,同时将模型和戴维南等效模型进行对比,结果验证了所提全桥子模块型MMC快速仿真方法的精确性和快速性。

一种关于MMC谐波抑制的新型无源控制方法

针对模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)中由于桥臂共模电压的波动分量而产生的桥臂环流谐波抑制问题,在无源控制的基础上,提出一种结合改进重复控制的无源比例积分重复控制(passivity-based control-proportional integral-repeat control,PPRC)方法。首先,对MMC主电路内部电流和桥臂环流进行数学建模;其次,理论分析基于欧拉拉格朗日的无源控制和改进的重复控制,设计总体控制框图;最后,在动态条件下将所提PPRC方法与无源控制方法、无源比例积分控制方法进行仿真实验对比。3种控制方法的环流、桥臂电流和输出电流的对比分析结果表明,所提PPRC方法对桥臂环流中的谐波成分有着更好的控制性能。

基于桥臂能量平衡的MMC故障容错控制策略

模块化多电平换流器(MMC)子模块(SM)带故障运行时,保证MMC电容电压平衡及减少电容电压纹波是提高换流器运行可靠性的关键。为解决上述问题,此处提出了一种基于桥臂能量平衡、降低开关频率(RSF)算法的MMC容错控制策略。首先,基于上下桥臂的输入功率积分,得到其公共分量与微分分量,通过环流注入的方式实现能量平衡与电容器电压稳定。其次,建立故障后改进的电容电压成本函数,设定故障标志,绕过故障SM。最后,基于硬件在环(HIL)实验平台进行实验研究,结果表明,所提方法可在MMC发生故障后保证在桥臂不对称运行时输出电压和电流波形质量不受影响,且不会增加成本或复杂性。

基于半桥子模块构成的模块化多电平变换器研究

模块化多电平变换器(Modular multilevel converter,MMC)适用于中高压应用场合,具备损耗小、传输效率高、开关频率低、开关损耗低、输出谐波少等优点。研究以半桥子模块构成的MMC的工作原理以及其调制策略,并以MATLAB/simlink仿真软件为平台搭建仿真模型,仿真结果表明,最近电平逼近调制策略能够实现MMC输出谐波含量低的电压。

一种具备直流故障阻断能力的混合型桥臂拓扑

为使模块化多电平换流器具有直接阻断故障电流的能力,提出一种由钳位双电容子模块与半桥子模块混合的模块化多电平换流器桥臂拓扑设计方案。首先,介绍了钳位双电容子模块的结构和运行特性,进一步提出混合型桥臂拓扑的桥臂设计方案;其次,考虑成本及损耗,对钳位双电容子模块与混合型桥臂设计方案的经济性进行了对比分析;最后,在MATLAB仿真平台上构建柔性直流输电模型,验证了所提混合型桥臂设计方案的可行性。

张北柔性直流电网故障电流特性及抑制方法研究

张北柔性直流电网示范工程为确保换流阀在直流故障情况下可靠穿越,在直流线路配置150m H电抗器、中性线配置300m H电抗器,电抗器限制故障电流发展速度的同时也降低了故障电流衰减速度,导致极端故障情况下换流阀保护晶闸管的结温超出设备耐受水平。该文研究张北工程故障电流衰减机理,针对设备耐受能力和故障耐受要求不匹配问题,提出3种解决方案,并通过PSCAD/EMTDC仿真对3种方案的技术性能进行分析验证,通过ANYSYS仿真软件对不同技术方案换流阀晶闸管结温进行校核,验证技术方案的可行性。最后综合对比不同技术方案的优缺点,为张北工程建设提供技术支撑。

采用不同子模块的MMC-HVDC阀损耗通用计算方法

针对模块化多电平换流器型高压直流输电系统(MMC-HVDC)提出了一种阀损耗通用计算方法,可统一分析现有子模块结构:半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块。首先基于系统运行参数和调制控制策略解析出各子模块元件的电流、电压时域变化波形,然后利用厂商提供的特性曲线对半导体器件特性参数进行拟合,最后结合器件电流、电压波形和开断次数计算其损耗和结温。所提方法能够计及优化电容电压附加控制,且便于编程实现。基于所提方法开发了MMC-HVDC阀损耗通用分析程序,可快速计算各种工况下的换流器功率损耗分布和器件结温。通过算例计算验证了所提方法的有效性。算例结果表明:3种典型MMC拓扑中H-MMC损耗最少,C-MMC次之,F-MMC最差;环流抑制后个别运行工况下换流器损耗特性可能恶化;降低器件开关频率和提高电压调制比均可降低损耗;当器件开关频率低于某特定值(本算例为500 Hz)后,器件的通态损耗成为主导分量。

一种新型四象限混合型模块组合多电平变换器

传统级联型多电平变换器用于高压大容量电机变频调速系统的最大问题在于,需要采用体积庞大的多绕组工频变压器为各功率单元提供独立的直流供电电源。为解决这一不足,提出一种无需工频变压器耦合的新型四象限混合型模块组合多电平变换器(hybrid modular multilevel converter,HMMC)。HMMC由三桥臂功率单元(three-leg power unit,TPU)、半桥功率单元(half-bridge power unit,HPU)和桥臂电感级联而成,具有高度模块化、易于扩展、输出电压波形好等特点。深入分析HMMC的拓扑结构、工作原理及相应的控制策略,并设计一台三电平HMMC试验样机,实验结果验证了提出的理论分析和控制策略的有效性和正确性。

基于混合式MMC的混合高压直流输电系统启动策略

针对与有源系统相联的混合直流输电系统,以全桥子模块和半桥子模块混合的模块化多电平换流器(MMC)为例,详细分析了其预充电启动过程,给出了每个阶段直流电压的一般数学表达式,从数学上证明了其与半桥子模块或全桥子模块构成的MMC的内在联系。分析了基于全桥子模块和半桥子模块混合的MMC在不同混合比例下其预充电过程中可能存在的过压或欠压问题,提出了5种解决措施。同时就混合直流输电系统运用于向无源系统供电和作为"黑启动"电源的应用场合,分析了其预充电启动过程,并提出了具体实现方法。最后通过PSCAD/EMTDC对相关分析进行了仿真验证。

一种能够阻断直流故障电流的新型子模块拓扑及混合型模块化多电平换流器

针对常规半桥型模块化多电平换流器无法隔离直流故障电流的问题,提出一种新型的应用于模块化多电平换流器的自阻型子模块拓扑,并列出自阻型子模块的4种结构。这4种类型的自阻型子模块在隔离直流故障电流时,需要同时闭锁IGBT的触发脉冲。为了降低触发同时性的要求,进一步提出无需同时闭锁IGBT触发脉冲的2种增强自阻型子模块拓扑。模块化多电平换流器技术(modular multilevel converters,MMC)的全部子模块采用增强型子模块时所使用的电力电子器件较多,为了进一步减少MMC中电力电子器件的数量,提出一种由增强型子模块和常规半桥子模块构成的混合型MMC。PSCAD/EMTDC下的仿真研究表明,所提出的自阻型子模块、增强型子模块及混合型换流器能有效隔离直流故障。相比于常规半桥型MMC,该混合型MMC仅需提高25%的IGBT即可具备隔离直流故障电流的功能,因此具有良好的工业应用价值。

基于中压直流配电网的MMC调制策略研究

模块化多电平换流器已在直流输电场合得到广泛研究,现今为止已取得不少工程应用。文中介绍了模块化多电平换流器及其子模块的拓扑结构和工作原理。搭建了基于PSCAD/EMTDC的两端模块化多电平换流器仿真系统,实现了两种最常用的调制策略的比较。比较了不同调制方式下两端系统逆变侧输出电压、输出电流、A相桥臂电流及各桥臂子模块的电容电压波动情况。对模块化多电平换流器在中压直流配电网中的工程应用有一定参考价值。

模块化多电平换流器子模块拓扑结构对比分析

模块化多电平换流器型高压直流输电以其独特的技术优势,已成为未来电压源换流器型高压直流输电(Voltage Source Converter based HVDC)领域的发展趋势。MMC是未来高压直流输电传输系统的重要组成部分,半桥型子模块、双箝位型子模块和全桥型子模块是MMC三种主要的可选择的子模块拓扑结构。分析了MMC的通用拓扑结构及三种常见子模块的拓扑结构和工作模式,得出了不同子模块结构的特点,最后通过仿真验证了不同子模块拓扑结构的直流故障穿越能力,并对比分析了采用不同子模块拓扑结构MMC的基本特性。

MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略

模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)是电压源换流器型直流输电领域的一种新型拓扑,与传统的两电平存在一定的不同,因而对其建模及控制策略进行研究,有重要的意义。论文介绍了MMC的拓扑结构及工作原理。在考虑桥臂电抗的基础上,推导出模块化多电平换流器型直流输电MMC-HVDC(modular multilevel converter-high voltage direct current)的数学模型,进一步得到MMC-HVDC的简化电路图。在PSCAD/EMTDC下搭建了21电平MMC-HVDC系统,在dq同步旋转坐标系下,采用前馈解耦控制策略进行仿真研究,仿真结果验证了该数学模型的正确性和控制策略的有效性。