Single-ended Fault Detection Scheme Using Support Vector Machine for Multi-terminal Direct Current Systems Based on Modular Multilevel Converter

This paper proposes a single-ended fault detection scheme for long transmission lines using support vector machine(SVM)for multi-terminal direct current systems based on modular multilevel converter(MMC-MTDC).The scheme overcomes existing detection difficulties in the protection of long transmission lines resulting from high grounding resistance and attenuation,and also avoids the sophisticated process of threshold value selection.The high-frequency components in the measured voltage extracted by a wavelet transform and the amplitude of the zero-mode set of the positive-sequence voltage are the inputs to a trained SVM.The output of the SVM determines the fault type.A model of a four-terminal DC power grid with overhead transmission lines is built in PSCAD/EMTDC.Simulation results of EMTDC confirm that the proposed scheme achieves 100%accuracy in detecting short-circuit faults with high resistance on long transmission lines.The proposed scheme eliminates mal-operation of DC circuit breakers when faced with power order changes or AC-side faults.Its robustness and time delay are also assessed and shown to have no perceptible effect on the speed and accuracy of the detection scheme,thus ensuring its reliability and stability.

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。

Modeling,Control,and Protection of Modular Multilevel Converter-based Multi-terminal HVDC Systems:A Review

Multi-terminal direct current(MTDC)grids provide the possibility of meshed interconnections between regional power systems and various renewable energy resources to boost supply reliability and economy.The modular multilevel converter(MMC)has become the basic building block for MTDC and DC grids due to its salient features,i.e.,modularity and scalability.Therefore,the MMC-based MTDC systems should be pervasively embedded into the present power system to improve system performance.However,several technical challenges hamper their practical applications and deployment,including modeling,control,and protection of the MMC-MTDC grids.This paper presents a comprehensive investigation and reference in modeling,control,and protection of the MMC-MTDC grids.A general overview of state-of-the-art modeling techniques of the MMC along with their performance in simulation analysis for MTDC applications is provided.A review of control strategies of the MMC-MTDC grids which provide AC system support is presented.State-of-the art protection techniques of the MMCMTDC systems are also investigated.Finally,the associated research challenges and trends are highlighted.

MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制

介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电容电压平衡的原理以及子模块(sub-module,SM)电容的充放电过程。指出传统的电容电压平衡控制下,子模块投切较频繁,器件开关频率较高,会造成较大的开关损耗。针对传统方法的问题,提出一种适合MMC型直流输电系统的电容电压优化平衡控制策略,将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上。对电容电压未越限的子模块,优化策略通过引入保持因子使具有一定的保持原来投切状态的能力,以降低开关器件的开关频率。使用PSCAD/EMTDC对优化控制策略进行仿真,结果表明优化平衡控制策略与传统方法相比,可以在基本不增加电容电压波动的前提下,显著降低器件的开关频率。

向无源网络供电的MMC型直流输电系统建模与控制

模块化多电平换流器(MMC)是一种适合用于电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)的多电平电压源换流器拓扑。本文分析了向无源网络供电的MMC型VSC-HVDC的系统结构和工作原理,给出了MMC型VSC-HVDC通用的换流系统和受端交流系统的数学模型,据此建立了无源逆变的内环电流和外环电压的双闭环控制系统。通过给定无源逆变的同步相位,保证了供电频率的不变性。在PSCAD/EMTDC中搭建了向无源网络供电的MMC型VSC-HVDC仿真系统,对有功和无功负荷增加以及交流电压抬升等三种工况进行了仿真研究。仿真结果表明所设计的控制器可以实现快速精确的电压电流反馈控制,具有良好的稳态精度和暂态响应特性,能够向无源网络提供高质量的电能供应。

三种MMC-HVDC直流故障处理方法下电力系统暂态稳定性分析

首先介绍在远距离大容量输电场合,3种基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)拓扑及其处理直流故障的方法:基于半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)的HMMC-HVDC跳换流站交流侧断路器,基于箝位双子模块(clamp double sub-module,CDSM)的CMMCHVDC通过换流器控制实现直流侧故障自清除,以及基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和MMC的混合拓扑在MMC直流出口处加装大功率二极管(LCC-D-MMC-HVDC)。然后,在由MMC-HVDC和交流线路构成的交直流并列简化系统中,基于等面积法则,对上述3种直流故障处理方法的暂态过程进行理论分析,并提出评价指标。最后通过仿真验证了分析结果。

MMC-HVDC物理模拟系统的控制器架构设计

相比传统直流输电,模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电的一次系统与二次系统都更为复杂,并且控制系统的特性一定程度上决定了MMC-HVDC系统的性能。为研究物理控制器的设计方法,文中首先设计了MMC-HVDC物理模拟系统的主系统结构与电气参数,然后重点研究了分层的MMC-HVDC控制系统架构,运行人员控制系统(上位机)、极控制和保护系统、阀基控制器、子模块控制保护单元等由高到低构成了完备的控制体系,确立了各控制层之间的通信方式与内容,开发调试了控制系统程序。最后,进行了MMC-HVDC物理模拟系统的系统实验。实验表明控制系统可以有效地实现物理模拟系统的启停、子模块电容电压平衡、基本的故障保护以及直流电压与功率的控制。

基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置及其协调控制策略

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)高压直流输电技术(high voltage direct current,HVDC)受端交流系统故障引起的直流过电压问题,文中提出一种基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置拓扑及协调控制方法。该直流泄能拓扑包括模块化分布式泄能部分、限流电抗器和集中式泄能电阻3部分,对子模块工作模式进行设计,提出可避免直流泄能装置反复投切的弹性调节泄能的协调控制策略,推导直流泄能装置功率控制及其内部电气耦合关系,给出泄能装置元件参数的设计方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建MMC-HVDC及所提出的直流泄能装置模型,研究单相和三相接地故障下直流泄能装置的特性及直流过电压抑制效果。结果表明,所提直流泄能装置在协调控制策略下能够分阶段弹性调节泄能功率,有效抑制直流过电压,并有利于故障后的快速恢复。

柔性直流输电系统高频谐振自适应抑制策略

近些年柔性直流在高频范围引起的振荡稳定问题日益频繁,已经对电力系统的安全稳定运行造成了影响。由于实际系统的网络拓扑与运行方式复杂多变,因此柔性直流高频带宽内的谐振特性复杂,给柔性直流高频谐振的抑制带来了挑战。为提升高频谐振抑制策略在系统多运行方式情况下的适应性,首先对系统的阻抗特性进行了建模研究,然后分析了不同抑制策略的缺陷,基于以上研究提出了基于自适应带阻滤波器的高频谐振抑制策略。该策略通过调节附加带阻滤波器的数量及参数,有效解决了交流系统不同运行方式下高频谐振频率多变问题,具有较强的适应性,最后通过PSCAD电磁暂态仿真验证了所提抑制策略的有效性。

基于自定义差分电流的MMC-HVDC输电线路纵联保护

为可靠检测模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电线路故障并实现故障选极,提出一种纵联保护新原理。基于MMC-HVDC系统自身特点,综合使用两端换流站不同极线路电压量和电流量构造保护特征量——自定义差分电流。分析研究表明,直流侧故障时的自定义差分电流绝对值明显大于系统正常运行和交流侧故障时的自定义差分电流绝对值;直流侧正极接地故障、负极接地故障和双极短路故障时自定义差分电流正负性不同。根据此特征,构造纵联保护判据来识别直流侧故障并完成故障选极。仿真结果表明,该原理在一定故障条件下可快速可靠地识别直流线路故障并实现故障选极。

混合型MMC拓扑及应用于MTDC直流故障穿越能力分析

模块化多电平换流器(MMC)已成为高压直流输电领域最具前景的换流器技术之一。然而,与低电平电压源型换流器(VSC)相同,目前研究较多的半桥型MMC缺乏闭锁直流故障的能力。文中分析了不同结构的MMC在发生直流故障时短路电流的情况,提出了一种改进的MMC拓扑结构,基于错位层叠理论和换流器闭锁直流故障的原理,设计了一种适用于多端柔性直流(VSCMTDC)输电系统的混合型MMC拓扑结构,并结合VSC-MTDC系统直流故障时的"握手原则"详细说明了实现故障线路切除、非故障线路恢复的过程。最后,以典型的四端直流输电系统为例,通过PSCAD/EMTDC建模仿真,对故障后果最为严重的直流侧双极短路故障下的系统特性进行了分析验证。结果表明,基于该拓扑结构的多端直流系统能够在直流侧发生故障时快速闭锁换流器,并在短时间内恢复非故障线路的正常运行。

MMC-HVDC三相解耦二次谐波环流抑制算法

随着模块化多电平换流器(MMC)高压直流输电工程电压等级和输送容量的大幅提升,其拓扑结构中的桥臂串联子模块数急剧增加,使得整个换流阀的控制系统更加复杂,子模块电容电压均衡及二次谐波环流抑制等技术问题将更加突出。如果采用传统的最近电平逼近调制(NLC)策略对换流器进行控制,MMC内部存在明显的二次谐波环流。为了抑制二次谐波环流,假设环流中只含有直流分量,根据换流器交、直流侧瞬时功率平衡,推导出直流环流电流的计算公式,进而分别求得上、下桥臂子模块电容电压的参考值,该参考值在一个工频周期内围绕某一恒定值呈周期性变化,可使得各子模块电容电压的不均衡程度明显降低,二次谐波环流得到有效抑制。与传统的NLC策略相比,文中算法可以降低子模块电容电压的波动幅度,改善交流侧输出电压、电流的波形。当电容器容值存在差异时,文中算法还可以减小容值较小的电容器投入运行的时间,延长其寿命。最后,仿真结果验证了文中算法的有效性。

MMC-HVDC孤岛供电系统直流故障穿越协调控制策略

针对基于架空线输电的MMC-HVDC孤岛供电系统直流线路故障率较高的问题,配置直流断路器隔离故障是有效的解决方案之一。综合考虑了双极换流站灵活的运行方式、直流断路器的故障清除能力和双馈风机的快速响应能力,提出一种适用于MMC-HVDC孤岛供电系统的直流故障穿越协调控制策略,实现了自平衡和非自平衡工况下的功率协调。自平衡工况下,通过合理切换双极MMC的控制方式,可在维持交流电压稳定的同时提高非故障极MMC输出功率,使其自主平衡孤岛系统功率缺额;非自平衡工况下,设计了风电场精确提升其输出功率的控制策略,通过换流站与风电场间的协调配合维持孤岛系统的功率平衡。最后,基于Matlab/Simulink仿真模型验证了所提策略的有效性。

考虑频率耦合效应的柔性直流输电高频谐振抑制措施

模块化多电平换流器的频率耦合效应会影响换流器的阻抗特性,进而影响高频谐振抑制措施的有效性。文中首先考虑频率耦合效应建立模块化多电平换流器交流侧导纳矩阵模型;接着,定量地分析常见高频谐振抑制措施对系统频率耦合效应的影响,结果表明在常见高频谐振抑制措施下系统频率耦合效应有加剧趋势;随后,提出一种同时抑制频率耦合效应和高频谐振的措施;最后,以鲁西背靠背异步联网工程广西侧模型为例,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了模型的正确性及所提措施的有效性。

孤岛新能源场站接入柔性直流高频振荡机理及抑制策略

大规模新能源孤岛经柔性直流送出系统的高频振荡问题在近期工程中日渐突出。文中建立了考虑一次主电路设备内部动态过程、控制链路延时、序分量分离环节、内外环控制环节的不同频率耦合特性的柔性直流换流器阻抗数学模型,并对数学模型进行简化,确定孤岛新能源场站接入柔性直流换流器的高频振荡机理为控制链路延时与内环电流反馈、电压前馈环节共同形成了柔性直流系统高频负阻尼,进一步得到了影响柔性直流换流器高频阻抗特性的关键因素。针对关键影响因素设计了孤岛新能源场站接入柔性直流系统的高频振荡抑制方案。相应解决方案在PSCAD模型中得到验证,同时解决了中国张北、如东新能源经柔性直流送出工程现场的高频振荡问题。

Control and protection strategy for MMC MTDC system under converter-side AC fault during converter blocking failure

This paper investigates a control and protection strategy for a four-terminal modular multilevel converter(MMC)based high-voltage direct current(HVDC)system under a converter-side AC fault.Based on the system operating condition,a control and protection strategy against the fault with normal blocking of the converter is proposed.In practical,applications encountering such a fault,the MMC at the fault side may experience different conditions of blocking failure.The blocking failures may occur on:①the whole converter;②one converter arm;③one sub-module(SM)/several SMs of one converter arm;④other conditions.The phenomenon of the multi-terminal HVDC(MTDC)system following the fault is analyzed under the first three conditions with real-time simulations using the real-time digital simulator(RTDS).Based on the impact of different conditions on the MTDC system,the necessity of utilizing special control and protection is discussed.A special control and protection strategy is proposed for emergency conditions,and its effectiveness is verified by real-time simulation results.

电网故障时模块化多电平换流器型高压直流输电系统的分析与控制

电网故障条件下模块化多电平换流器型高压直流输电系统的控制策略是目前亟需进行的一个研究课题。为此,基于Kirchhoff定律,给出了描述模块化多电平换流器(MMC)交流侧和直流侧动态特性的通用动态数学模型。该模型不仅适用于交流电网对称状态,而且适用于交流电网不对称故障状态,并考虑了换流变压器漏感的影响。根据对称分量法将换流器的通用动态数学模型分解为包含正序和负序分量的2个子系统,引入了换流器的正序和负序电流矢量解耦控制器以及外环功率控制器,可以实现在交流电网正常以及故障状态下对模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统的有效控制。设计了电网故障期间MMC输送功率的动态限幅控制,可以根据故障的种类和程度调节输送功率的限幅值,防止开关器件过载。指出了总直流电流在3个相单元之间的分配在交流系统对称状态下是基本均匀的,而在交流系统不对称故障状态下是不均匀的。仿真结果验证了所设计的电网故障时MMC-HVDC控制器的有效性和正确性。

大容量架空线柔性直流输电关键技术及前景展望

柔性直流输电技术(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)应用于远距离大容量架空线输电是实现我国能源资源优化配置的客观要求,也是电网技术发展的未来趋势。目前柔性直流输电技术扩展到架空线输电场合所面临的关键问题有:直流线路故障难以快速清除、输送容量难以与传统直流输电相媲拟、主接线方式和接地方式选择原则还没有定论等。针对问题1,分析现有工程所采用的拓扑结构在直流故障下的脆弱性,重点综述具有直流故障穿越能力的拓扑结构。根据其处理直流故障的特点将其划分为3种基本类型。对比分析几种典型拓扑的优缺点。针对问题2和3,为实现高电压大容量输电任务,提出基于组合式换流器的双极结构拓扑。该结构内每极由若干基本换流单元(basic converter units,BCU)串并联构成,接地极线从上下正负极结构中间引出。分析4种单元扩展的方式。综述可行的接地方式及其优缺点。最后,结合我国电网结构特点和能量流动特点,分析两种基本的柔性直流系统结构,指出其所面临的挑战和机遇。

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电动态模拟系统

介绍了基于模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电动态模拟系统,该模拟系统为背靠背的试验系统。以实际工程为原型,对交流系统、换流阀、换流变压器及直流电缆进行了等效模拟。并给出了交流系统、直流系统、换流阀、换流变压器的参数设计及模拟比设计。模拟系统采用了和实际工程现场一致的测量系统。介绍了故障模拟以及故障点设置。最后,介绍了动态模拟系统的稳态及故障穿越试验,并与实际工程现场的试验波形进行了对比,表明其能够准确模拟实际工程中的稳态及暂态特性,可以为柔性直流控制保护系统的设计提供试验验证。

模块化多电平换流器的直流侧主动充电策略

柔性直流输电工程中,无源端的换流阀通过有源端进行预充电,子模块电压最多只能充到额定电压的一半。如果按照正常解锁逻辑,会产生非常大的直流过电流,因此必须通过主动充电策略将子模块的电压充到额定值。文中结合模块化多电平换流器直流侧不控充电及正常运行的特点,设计了通过逐步递减投入子模块个数的直流侧主动充电策略,可以实现无源端换流阀从直流侧不控充电状态至正常解锁运行状态的平滑过渡。同时,分析了直流侧主动充电过程的桥臂电流特性。最后,通过仿真和实际工程应用验证了设计的直流侧主动充电策略的可行性。