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-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。

MMC-HVDC电网输电线路双极短路故障电流的实用计算

基于模块化多电平换流器的高压直流电网作为支撑高比例可再生能源接纳的有效手段,已经成为电网发展的重要方向。双极短路故障是输电线路发生的最严重故障,目前一般通过在s域内列写直流系统状态方程,然后再基于拉氏反变换求解故障电流,亟待提出短路电流的工程实用计算方法。为此,以张北柔性直流电网为研究对象,首先分析了输电线路双极短路的故障特性及耦合机理。在此基础上,将故障线路靠近阀侧的两端分别看作二端口,分析了故障电流与二端口两侧电压的关系。其次,基于正、负极线路二端口电压变化不大的思想,将环形直流电网简化为两端网络或开式网络,得到故障线路电流的实用计算方法,不再需要求解高阶的拉氏反变换而直接得到故障电流。最后,通过与电磁暂态仿真结果的对比,验证了实用计算方法的可行性与高效性。

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系统结构对多端直流电网故障的影响分析

主要针对基于MMC的多端直流输电网直流故障特性进行研究。首先,对不同系统结构下换流站的稳态运行特性及短路故障电流路径进行研究,提出了不同MMC-HVDC系统结构直流接地故障电流路径的通用分析方法;然后,基于上述方法分析了不同接地方案对故障电流的影响,并提出了一种多端直流系统直流侧接地方案确定分析方法;最后,通过仿真模型对一个5端直流电网在不同系统结构下的接地与非接地直流故障响应进行了比较分析。研究结果说明了伪双极系统具有最好的单极故障电流特性,而直接接地系统受单极故障的影响最大;同时,仿真结果也说明了直流电抗对所有系统结构下的所有直流故障方式均具有良好的改善作用。

基于混合型MMC的柔性直流电网故障电流阻断控制策略

柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、输送和并网的有效手段。针对基于混合型MMC的直流故障电流阻断方案会引起功率传输中断的问题,本文提出了一种混合型MMC负压控制与超高速机械开关协调配合的故障电流阻断方法,该方法能够快速阻断故障电流并维持非故障线路的功率传输。通过分析故障电流组成及关键影响因素,确定了换流站的控制目标,基于全桥子模块的电压调节自由度,提出了利用混合型MMC输出负压主动吸收故障电流的控制策略,并设计了其与超高速机械开关的协调配合方案,实现故障的可靠隔离。最后,基于RTLAB实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,仿真结果表明,本文提出的方法可快速阻断直流故障电流,缩短直流电网功率恢复时间,提高系统安全稳定性。

联接弱交流电网MMC-HVDC系统的直流功率传输能力提升方法

模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)由于具备自换相能力,尤其适用于向弱交流电网供电。交流系统强度降低时,会制约系统的直流功率传输能力,甚至导致系统失稳。针对联接弱交流电网时MMC-HVDC系统功率传输受限的问题,建立了状态空间与直流阻抗模型,从时域、频域两方面研究了交流系统强度对直流功率传输能力的影响,明确了弱交流电网工况下功率传输受限的原因。基于参与因子定位结果,提出了在定直流电压控制环节引入直流电流反馈的功率传输能力提升方法,从时域、频域两方面对控制策略的提升作用进行了机理分析,并定量得出了控制参数的可行域及功率传输能力的最大提升水平。该方法在避免稳态误差的前提下,有效提升了MMC-HVDC系统的直流功率传输能力。

模块化高压大容量DC/DC变换器综述

随着新能源发电占比增加和电网规模的不断扩大,直流输电系统的容量不断提升,含有不同电压等级的直流电网是未来发展的必然趋势。在此背景下,DC/DC变换器作为直流电网关键设备,在多电压等级互联场景中发挥着重要作用。文中首先对已有的模块化高压大容量DC/DC变换器进行归纳、分类和比较,然后阐述了目前模块化高压大容量DC/DC变换器的拓扑结构、工作原理与特点,并针对其特点提出了不同变换器的适用场景,最后对未来的研究方向提出了建议。

基于平均值模型的双端MMC-HVDC系统小信号建模

在建立模块化多电平换流器型高压直流输电（modular multilevel converter based high-voltage DC，MMC．HVDC）输电系统的小信号模型时，已有文献大多将MMC模块忽略，但实际上MMC模块的自身损耗会通过影响换流器直流侧有功输出而影响系统的动态特性。为此，将平均值模型变换到两相同步旋转坐标系，并用于换流器MMC模块的小信号建模。该模型计及了模块的自身损耗，能较好地反映换流器外特性对所连交、直流网络的动态响应：同时，考虑到公共点电压相角与所连交流网络等效阻抗的小扰动响应关系，对锁相环的小信号模型进行了改进。最后，建立整个直流输电网络的小信号模型，通过与PSCAD中电磁暂态模型进行仿真对比研究，验证了所构建小信号模型的准确性和模型改进的有效性。

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。

双极MMC-HVDC系统故障限流及换流器快速重启策略研究

随着模块化多电平换流器直流输电(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)的快速发展,远距离大容量架空线直流输电系统随之出现。相比于电缆线路,架空线输电易发生短路、闪络等瞬时故障,必须采取相应措施限制故障电流,避免系统停运。针对架空线真双极MMC-HVDC系统,分别从交流系统和换流阀的角度分析架空线路单极接地故障的等值电路模型和故障特性,推导故障电流的解析表达式。提出了一种新型故障限流模块,可有效抑制闭锁后短路电流幅值。依靠该限流模块的限流能力,设计了换流站快速重启策略。仿真结果证明,该限流方案可有效限制桥臂电流的大小及上升速率,消除系统交流侧及换流器内部续流二极管的过流危害,减小直流断路器的动作难度,加速故障极换流站重启,减少系统停运时间。

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。

基于改进时域法的多端MMC-HVDC故障电流计算

为解决基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电(high voltage direct current,HVDC)故障电流解析计算精度不足的问题,提出一种计及远端站影响的多端MMC-HVDC故障电流改进时域求解法。首先,在分析故障后子模块电容放电路径的基础上,推导换流站等效电容值等系统参数,建立MMC-HVDC系统故障后网络等效模型。其次,将直流电网各换流站解耦,以故障后各支路电流近似解为初值,逐次修正计及远端站影响的多端MMC-HVDC线路等效电阻及等效电感,得到多端MMC-HVDC系统中各支路的故障电流值。最后,基于RT-LAB仿真平台搭建四端柔性直流电网模型,对故障电流计算值与详细电磁暂态仿真结果进行对比。结果表明,所提故障电流求解方法能够准确、有效地计算出多端MMC-HVDC短路故障后各支路电流值,最大误差小于5%。

风电经架空线双极MMC-HVDC并网的直流故障穿越协调控制策略

采用架空线柔性直流输电技术进行远距离输电是大规模风电场友好型并网的有效手段。针对架空线路易发生故障的问题,采用对称双极主接线并配置直流断路器是其主要解决方案之一。该文基于双极接线方案运行方式灵活及直流断路器的故障清除能力,提出风电经架空线基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)并网的直流故障穿越协调控制策略。根据非故障极的功率转带能力,将故障清除后的不平衡功率分配划分为自消纳情景和非自消纳情景。针对自消纳情景,通过合理切换双极MMC的控制模式,可在提高非故障极功率转带能力的同时自主消纳不平衡功率,进而有效降低转移功率的影响范围;针对非自消纳情景,设计考虑风机转速约束的风电场超速减载协调控制策略,优化分配各风电机组承担的减载功率,充分利用其转子动能和捕获风功率的变化实现精确减载;同时通过控制模式切换使非故障极MMC自主运行于满载状态,减小单极退出运行对受端交流系统的影响。最后,基于Matlab/Simulink仿真模型验证所提直流故障穿越协调控制策略的有效性。

直流故障下MMC-HVDC的两段式限流保护策略

如何对直流故障电流进行有效抑制是实现柔性直流电网大规模发展的关键。为此,研究模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的控制方法,提出一种针对半桥型MMC的两段式限流保护策略,通过减少子模块的投入数目来降低换流站直流出口电压,达到限制短路电流的目的。首先,介绍MMC的拓扑结构及基于MMC的高压直流输电(MMC based high voltage direct current,MMC-HVDC)系统控制策略;其次,分析两段式限流保护策略的原理与直流故障电流特性,介绍MMC-HVDC系统的直流故障保护策略;最后,通过双端MMC-HVDC系统仿真实验,对所提限流保护策略的有效性进行验证。仿真结果表明,两段式限流保护策略可以有效降低断路器开断电流和吸收能量,节约成本。

MMC-MTDC直流电网多重主站直流电压协调控制策略研究(英文)

研究目前多端直流电网(multi-terminal DC,MTDC)的控制策略,提出一种新的基于下垂控制(droop control)的多端直流电压控制策略,可保证在一个控制直流电压的主站停运下直流电网的可靠性及电压稳定性。为验证所提出的控制策略的正确性和有效性,在RT-lab实时仿真器中建立一个五端(站)直流电网模型,远距离海岸风场通过直流电网与陆上交流系统连接起来。每一个站都由模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)组成,其中:两个换流器的控制方式是定直流电压和定无功功率控制(主站),两个换流站是定有功功率和无功功率控制(有差调节)、一个换流站是定交流电压和频率控制(风电场站)。当一个主站换流器停运时,仿真结果证实了所提出的新型直流电压控制策略的正确性和有效性。

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。

电网故障时基于MMC-PET接口风力发电系统的建模与控制

近年来,电力电子变压器(power electronic transformer,PET)作为电网接口的风能转换系统,无需额外的无功补偿器便可有效地抑制由风能暂态特性引起的电压波动,引起了广泛关注。但采用传统的PET结构在电网发生故障时难以控制,当电网处于不平衡时会使得控制难度进一步增加,且难以保证系统的动态性能。因此,为提升系统动态性能,增强系统的故障穿越能力,文中提出一种基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型PET的新型风能转换系统的结构与控制策略。首先,文中根据系统故障时的工作状态设计基于无源滑模控制的故障切换控制策略,采用具有斩波保护功能的子模块以及时疏解故障功率;其次,利用软件仿真和半实物仿真实验平台选取典型工况对系统进行详细的模拟研究;最后,将应用文中控制策略的新型风力发电系统与传统的风力发电系统进行对比实验,实验验证了采用文中控制策略的新型系统结构具有无功功率补偿、有效限制故障时子模块电压升高和改善电能质量等优点,且满足故障条件下电网运行的最新要求,具有优秀的故障穿越能力。

Fault Current and Voltage Estimation Method in Symmetrical Monopolar MMC-based DC Grids

Symmetrical monopolar configuration is the prevailing scheme configuration for modular multilevel converter based high-voltage direct current(MMC-HVDC) links, in which severe DC overvoltage or overcurrent can be caused by the DC faults. To deal with the possible asymmetry in the DC faults and the coupling effects of the DC lines, this paper analyzes the DC fault characteristics based on the phase-mode transformation. First, the DC grid is decomposed into the common-mode and the differential-mode networks. The equivalent models of the MMCs and DC lines in the two networks are derived, respectively. Then, based on the state matrices, a unified numerical calculation method for the fault voltages and currents at the DC side is proposed. Compared with the time-domain simulations performed on PSCAD/EMTDC, the accuracy of the proposed method is validated. Last, the system parameter analysis shows that the grounding parameters play an important role in reducing the severity of the pole-to-ground faults, whereas the coupling effects of the DC lines should be considered when calculating the DC fault currents associated with the pole-to-pole faults.

Fast Protection Strategy for DC Transmission Lines of MMC-based MT-HVDC Grid

Multi-terminal high voltage DC(MT-HVDC)grid has broad application prospects in connecting different energy sources,asynchronous interconnection of power grids,remote load power supply,and other fields.At present,the key technologies that affect the development of MT-HVDC transmission system include swift fault identification and location in the DC line and its rapid isolation.Traditional fault monitoring relies on line communication,which cannot guarantee the rapidity and reliability of protection;moreover,it may even cause device damage.A fault identification scheme based on a single-terminal transient is presented in this paper.This scheme calculates the line inductance by using the rise rate of fault current at the initial stage of the fault,and determines the occurrence of the fault by comparing the observed line inductance with the set value,which lays a foundation for calculating the location of the fault point using distance protection.A simulation model on the PSCAD/EMTDC platform is built;the simulation example verifies that the proposed scheme can identify faults under dissimilar conditions while maintaining a low error level on the premise of no communication lines so as to meet the protection requirements of the MT-HVDC grid.