Analysis and Control of Modular Multi-terminal DC Power Flow Controller with Fault Current Limiting Function

In order to overcome the problems of power flow control and fault current limiting in multi-terminal high voltage direct current(MTDC)grids,this paper proposes a modular multi-terminal DC power flow controller(MM-DCPFC)with fault current limiting function.The topology structure,operation principle,and equivalent circuit of MM-DCPFC are introduced,and such a structure has the advantages of modularity and scalability.The power balance mechanism is studied and a hierarchical power balance control strategy is proposed.The results show that MM-DCPFC can achieve internal power exchange,which avoids the use of external power supply.The fault characteristics of MM-DCPFC are analyzed,fault current limiting and self-protection methods are proposed,and the factors affecting the current limiting capability are studied.The simulation models are established in PLECS,and the simulation results verify the effectiveness of MM-DCPFC in power flow control,fault current limiting,and scalability.In addition,a prototype is developed to validate the function and control method of MM-DCPFC.

Hybrid Operation of Fault Current Limiter and Thyristor Controlled Braking Resistor

The effectiveness of a combination of fault current limiter and thyristor controlled braking resistor on power system stability enhancement and damping turbine shaft torsional oscillations has been studied. If both devices operate at the same bus, the stabilization control scheme can be carried out continuously and with flexibility. As a result, the fault currents are limited, and the generator disturbances and the turbine shaft torsional oscillations are converged quickly. In this paper, the effectiveness of the combination of both devices has been demonstrated by considering 3LG （three-lines-to-ground） fault in a two-machine infinite bus system. Also, temperature rise effect of both devices with various resistance values and weights has been demonstrated. Simulation results indicate a significant power system stability enhancement and damping turbine shaft torsional oscillations as well as with allowable temperature rise.

基于动态虚拟电抗的虚拟同步机系统有功环电压动态补偿策略

为解决新型电力系统中的虚拟同步机(Virtual synchronous generator,VSG)在电网电压跌落时出现的功角暂态失稳和过电流问题,对采用VSG控制的并网换流器暂态控制策略进行了改进。为降低故障期间有功功率的参考值进而实现VSG的功角暂态稳定控制,根据VSG的功角特性、有功功率参考值与功角稳定性之间的关系,引入电压动态补偿,并利用相图曲线理论分析了控制策略参数选取对暂态稳定的影响。为限制故障发生瞬间和故障切除瞬间的冲击电流、保证故障期间VSG系统的暂态功角稳定、实现故障限流,提出了一种以指数形式变化的虚拟电抗模型,确定了虚拟电抗的投切参数。仿真实验结果验证了改进策略的有效性。

双电源接入的配电网重构与优化技术研究

双电源配电环网是提高电力供应可靠性的一种常用方式。但是其潮流控制困难,电网损耗较高,因此优化潮流分布并减小配电网损耗是电力行业研究者关注的重点。柔性交流输电技术和统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller,UPFC)的应用可以解决双电源配电环网中的潮流分布问题。将UPFC技术应用于双电源配电环网的潮流优化控制,并通过仿真试验验证方法的有效性,建立以最小化配电网有功损耗为目标的数学模型,优化在双电源配电环网中UPFC的串联补偿电压。实验结果表明,UPFC在双电源配电环网中的优化控制效果较好。

含电流型潮流控制器的柔性直流电网故障电流抑制特性分析

为有效抑制多端柔性直流电网的短路电流,提出基于限流贡献度的电流型潮流控制器(CFC)故障抑制特性量化方法,以分析CFC参数对故障电流的影响。首先,分析了由全桥开关与电容器并联组成的桥式拓扑结构CFC的工作特性,提出了在故障发生时故障限流控制模式下的控制策略,以及与直流断路器协调配合的动作时序。然后,构建含CFC限流的直流电网等效电路,推导了故障发生各阶段电流的解析表达式。在此基础上,提出CFC限流贡献度的分析方法,研究CFC不同参数和动作时序下对柔性直流故障电流的抑制特性。

基于定向电流指令的构网变流器故障限流策略

构网控制技术可使变流器实现类似同步发电机的频率和电压支撑响应,有助于提高新型电力系统稳定性,其难点之一是在故障限流的同时提供支撑。为此,提出一种基于端口电压和内电势的压差进行电流指令定向的构网变流器故障限流策略。在该方法中,正、负序电流指令的角度分别滞后于正、负序压差90°,电流指令合成向量的最大幅值为变流器的过流能力,相当于通过控制分别产生正、负序自适应虚拟电感。该方法不需要直接计算虚拟电感值,且能够发挥变流器的最大支撑能力,实现类似同步发电机的故障电流特性。通过PSCAD/EMTDC搭建仿真系统,对所提出的故障限流策略进行验证,结果表明该策略能够在限制故障电流的同时对交流系统提供有效支撑。

一种新型限流型高压直流断路器拓扑

随着柔性直流输电技术的不断成熟,直流输电变得越发普及,而高压直流断路器作为直流输电系统的关键部分,其重要性不言而喻。针对现有高压直流断路器存在故障时短路电流大、分断速度慢、避雷器吸收能量过高等问题,提出了一种具有限流能力的新型高压直流断路器拓扑,该拓扑在传统直流断路器换流支路基础上增加了H型桥限流部分,利用平波电抗器与限流部分共同限流,可以显著降低故障时电流的上升速率与峰值。文中详细说明了新型拓扑的基本工作原理,对故障分断过程进行理论分析并给出相关参数的影响关系及选取依据,通过搭建基于Pscad/Emtdc仿真软件的新型限流型断路器模型,与已有限流型断路器方案相比,避雷器能量吸收降低了62.8%,故障分断时间减少了0.8 ms,并具有良好的可靠性与经济性,仿真结果验证了所提新型限流型直流断路器拓扑可适用于当前柔性直流电网。

考虑暂态功角稳定和故障限流的并网逆变器下垂暂态控制策略

为解决下垂控制型逆变器在故障工况时发生暂态功角失稳和故障过电流问题,提出了一种兼顾暂态功角稳定和故障限流的暂态控制策略。首先分析了下垂控制型逆变器的暂态功角失稳机理和故障电流暂态特性,定量分析了无功控制回路对暂态稳定性的影响以及暂态功角、短路电流与逆变器输出电压三者之间的关系。其次,以暂态功角稳定和故障限流为控制目标,通过在有功控制回路中引入暂态功角动态补偿项、在无功控制回路自适应调整电压参考指令值进行综合控制。最后,通过仿真实验验证了所提出控制策略不仅可以抑制故障过程中不平衡功率造成的功角持续增大和故障过电流,并一定程度上增加了故障期间无功功率,有利于故障电压恢复,从而实现下垂控制型逆变器在电网故障时的安全稳定运行。

Control-based Fault Current Limiter for Minimizing Impact of Distributed Generation Units on Protection Systems

Distributed generation units(DGUs)bring some problems to the existing protection system,such as those associated with protection blinding and sympathetic tripping.It is known that fault current limiters(FCLs)help minimize the negative impact of DGUs on the protection system.In this paper,a control-based FCL is proposed,i.e.,the FCL is integrated into the DGU control law.To this end,a predictive control strategy with fault current limitation is suggested.In this way,a DGU is controlled,not only for power exchange with the power grid but also to limit its fault current contribution.The proposal is posed as a constrained optimization problem allowing taking into account the current limit explicitly in the design process as a closed-loop solution.A linear approximation is proposed to cope with the inherent nonlinear constraints.The proposal does not require incorporating extra equipment or mechanisms in the control loop,making the design process simple.To evaluate the proposed control-based FCL,both protection blinding and sympathetic tripping scenarios are considered.The control confines the DGU currents within the constraints quickly,avoiding large transient peaks.Therefore,the impact on the protection system is reduced without the necessity that the DGU goes out of service.

具备直流潮流控制与故障限流功能的电感耦合型复合装置

高压柔性直流电网作为解决可再生能源大规模接入和消纳问题的有效手段,已成为未来电力系统的重要发展方向之一,但也使其潮流控制和故障保护的问题更加突出。为了克服以上问题、提高系统稳定性,提出了一种具备直流潮流控制与故障限流双重功能的电感耦合型复合装置。首先,提出了该复合装置的拓扑结构,该拓扑在传统直流潮流控制器基础上增加了可共用耦合电感的限流支路;其次,详细分析了直流潮流功能的工作原理、理论推导及其控制策略;然后,基于故障条件下提出的限流动作时序,进一步解析了稳态、限流、故障切除和泄能4个不同时段下耦合电感的作用效果,并研究了各时段直流故障电流的计算;最后,在MATLAB/SIMULINK仿真软件上搭建四端直流电网模型,仿真结果表明所提拓扑通过共用耦合电感实现了良好的潮流控制和抑制短路电流的功能,在短路故障状态下缩短故障电流的切除时间,在保证经济性的同时提高了系统的稳定性。

Coordination Control of Power Flow Controller and Hybrid DC Circuit Breaker in MVDC Distribution Networks

The two main challenges of medium voltage direct current(MVDC)distribution network are the flexible control of power flow(PF)and fault protection.In this paper,the power flow controller(PFC)is introduced to regulate the PF and inhibit the fault current during the DC fault.The coordination strategy of series-parallel PFC(SP-PFC)and hybrid DC circuit breaker(DCCB)is proposed.By regulating the polarity and magnitude of SP-PFC output voltage during the fault,the rising speed of fault current can be suppressed so as to reduce the breaking current of hybrid DCCB.The access mode of SP-PFC to the MVDC distribution network and its topology are analyzed,and the coordination strategy between SP-PFC and hybrid DCCB is investigated.Moreover,the emergency control and bypass control strategies of SP-PFC are developed.On this basis,the mathematical model of SP-PFC in different fault stages is derived.With the equivalent model of SP-PFC,the fault current of the MVDC distribution network can be calculated accurately.A simulation model of the MVDC distribution network containing SP-PFC is established in MATLAB/Simulink.The fault current calculation result is compared with the simulation result,and the effectiveness of the proposed coordination strategy is verified.

基于故障电流控制的新型UPFC-FCL设计

针对统一潮流控制器(UPFC)的系统短路保护问题,提出了一种基于故障电流控制的新型限流式统一潮流控制器(UPFC-FCL)拓扑结构。通过在限流电抗支路上投切耗能电阻,配合UPFC并联侧控制,限制线路故障电流的上升速率和幅值并保护设备安全。详细阐述了拓扑结构与工作原理,并进行了数学建模和关键参数设计。仿真结果表明,该新型UPFC-FCL能较精确地控制故障电流并可灵活调整限流值以配合继电保护电流整定值和断路器遮断电流,故障消除后恢复迅速且适用于多次故障和自动重合闸等情况,同时降低了装置成本以及UPFC的损坏风险。

具有短路限流功能的统一潮流控制器设计

统一潮流控制器(UPFC)在电力系统发生短路故障时,其串联变换器极有可能因承受系统高电压和大电流的冲击而损毁。针对该问题,提出了一种新型柔性交流输电系统装置——具有短路限流功能的统一潮流控制器(简称限流式UPFC),给出了其主电路拓扑结构、工作原理和控制策略。PSCAD/EMTDC软件的建模和仿真结果表明,在电网正常运行状态下,该装置特性等效为常规UPFC;当电网在装置安装点附近发生短路故障时,装置中的限流器模块能立即自动从零阻抗转变为高阻抗,将系统及流经UPFC的短路电流限制到较低数值,保护了UPFC免受系统高电压和大短路电流的冲击,同时也降低了系统的短路电流水平,增加了系统的可靠性和经济性。

故障限流器在电力系统中应用研究现状

故障限流器可以快速地限制短路电流,保证系统安全稳定运行,是一种具有发展潜力的限制短路电流技术。在综合大量文献的基础上综述了国内外故障限流器的应用研究现状、发展应用;详细介绍了故障限流器的分类、基本原理和应用要求,归纳了它们在电力系统中的安装地点,提出了在实用化过程中故障限流器研究亟待解决的问题,包括:FCL与电力系统整体性能的交互影响;FCL与电网关键设备的交互影响;FCL的经济性评价;FCL与其他现有FACTS装置控制系统、电网调度控制系统的协调配合问题;FCL的最优化配置问题等。

限流式统一潮流控制器的动态分析与实验

限流式统一潮流控制器(UPFC)是一种可以有效应对系统短路电流冲击的新型柔性交流输电系统(FACTS)装置。文中分析了系统短路时限流式UPFC的详细动态过程和限流工作原理,建立了故障下的数学模型。以系统限流指标、直流电容电压限值和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)电流限值3个条件为依据,给出了直流限流电感的计算方法和选取原则。100V/3kVA限流式UPFC实验装置平台的实验结果证实了限流动态过程分析的合理性和限流式UPFC的有效性。

新型固态限流器三相主电路拓扑及控制策略研究

基于多项实用专利,提出适合限制三相电网短路故障电流的耦合法固态限流器电路拓扑结构及其工作原理,并得到该固态三相限流器的特点;通过建立其数学模型,并以逆变控制模式为例,分析了其限流机理。结合使用并联旁路电感的方法,可以使此三相拓扑电路具有基本不产生谐波、运行控制灵活且简单可靠等优点。通过样机试验,验证了该三相电路拓扑和控制策略的有效性,并具有工业应用化前景。

具有电容限压功能的限流式统一潮流控制器

针对统一潮流控制器(UPFC)的串联变换器极易因系统发生短路故障而损毁的问题,提出一种具有短路限流功能的UPFC(限流式UPFC)拓扑,可以有效避免串联变换器因系统短路电流冲击而损毁.但当桥式固态限流器晶闸管完全关断之前,短路电流会经过串联变换器IGBT的续流二极管给直流电容充电,电容电压瞬间上升,极有可能超过IGBT的耐压水平而导致串联变换器损毁.分析短路时短路电流的流通路径,建立限流式UPFC的短路数学模型,通过分析短路时电容电压上升的机理,给出一种限流式UPFC的改进方案.PSCAD/EMTDC软件的建模与仿真结果表明,该改进方案在短路限流的同时能够减小甚至避免电容电压上升,进而保护UPFC的串联变换器.

限流式统一潮流控制器参数设计及优化

以系统限流指标、统一潮流控制器最大补偿度、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)电压电流限值和直流电压限值为依据,改进了限流式统一潮流控制器(UPFC-FCL)的短路数学模型。为保证短路过程中直流电容电压不超过限值,提出了一种新的直流电容计算方法。将直流电容纳入短路限流回路,对直流限流电感的选择进行了优化,提高了装置的可靠性和经济性。建立了100 V/3 kV·A小样机实验模型,验证了限流式统一潮流控制器设计参数的合理性和有效性。

统一潮流控制器的平滑启动和停运策略

统一潮流控制器(UPFC)包含串联和并联两个部分,其并联部分与静止同步补偿器(STATCOM)类似,目前已有成熟的策略实现其启动和停运,但对于串联部分,尚缺乏对实现其平稳接入和退出交流系统的有效策略研究。文中对UPFC的结构和运行原理进行分析,通过并联部分对串联侧换流器进行部分充电,再通过串联侧换流器的主动充电策略将其充电至额定状态,以减小其解锁时对换流器的冲击;另一方面,通过串联侧换流器控制线路电流在串联变压器绕组和串联变压器旁路开关之间的平稳转移,使串联变压器旁路开关在零电流断开和闭合,以及使串联侧换流器在零功率闭锁,从而实现UPFC的平滑启动和停运。基于PSCAD的仿真结果表明,该策略可以使UPFC的启动和停运过程对交流系统基本无影响。

三相不接地系统短路故障限流器的研究

介绍了一种适用于三相不接地系统的短路故障限流器。给出了其主电路拓扑结构 ,针对不接地系统可能出现的两相短路和三相短路故障 ,分析了限流电路的工作机理和控制策略 ,并用电力电子专用仿真软件 PSIM对其进行了仿真验证。理论分析和仿真结果证明 ,这种限流器具有对电力系统的正常运行无明显影响 ,在短路故障发生时无延时自动插入限流 ,断开故障电流时不会引起附加振荡和过电压 ,控制方法灵活 ,可实现无电流冲击的软自动重合闸等显著优点。