MMC-HVDC直流侧故障电流抑制及自适应重启关键技术研究

作     者：张婧茹 

作者单位：山东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何柏娜

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：柔性直流输电 模块化多电平换流器 故障电流抑制 故障性质判别 自适应重启 

摘      要：基于模块化多电平换流器的高压直流输电（Modular Multilevel Converter Based High Voltage DC,MMC-HVDC）是目前最具代表性的柔性直流输电方式之一,具有输电容量大、可控性强、波形质量高等突出优势,广泛应用于现代绿色智能电网建设。然而,由于响应速度快且阻尼特性弱,MMC-HVDC直流侧输电线路发生短路故障时的故障电流上升速度快、峰值高,严重威胁输电线路及电力系统设备安全稳定运行。此外,若线路发生永久性故障,传统自动重合闸装置在预设动作时间内盲目性重合闸会导致线路再次运行于直流侧短路状态,从而产生对系统冲击更剧烈的二次过电流。因此,针对直流侧短路电流抑制和自适应重启技术展开研究,是提高柔性直流电网抗故障能力与自愈能力的必要手段。本文围绕MMC-HVDC架空输电线路,从直流侧短路故障暂态特性、故障电流抑制方案、故障性质自适应判别等方面展开研究,主要研究工作及所获创新成果如下:（1）以双端MMC-HVDC为研究对象,根据MMC拓扑结构类型及其工作原理,分别分析半桥子模块和全桥子模块运行特点;结合架空输电线路特性参数,建立MMC及输电线路集中参数等效模型;利用频域分析方法,研究直流侧架空输电线路短路故障机理,揭示半桥子模块和全桥子模块对短路后故障电流暂态特性的影响,为后续提出相应的故障电流抑制及自适应重启技术提供理论支撑。（2）针对半桥型MMC和全桥型MMC在故障电流抑制方面存在的弊端,分别提出相应的改进型MMC-HVDC系统结构。以实现半桥型MMC-HVDC故障自清除为技术目标,设计包括主支路、充电支路、放电支路和泄放支路的故障限流模块,分析其在故障闭锁前后的工作原理,使之具备限制故障电流上升速度、快速清除电流、降低电压波动等功能;为解决全桥型MMC-HVDC重启时造成的二次过电流问题,通过合理增设限流电阻以改进传统全桥子模块,利用阻容能量转移支路降低故障电流幅值并加速衰减。（3）基于具备故障电流抑制能力的MMC-HVDC结构,分析换流站重启时架空输电线路电流暂态特性,提出自适应重启方案。针对故障限流模块,通过预充电电容向线路注入电流信号,以故障点两端流入电流的峰值之比为故障性质判据,并引入边界判定条件为判别故障性质提供决策依据,提高输电系统故障重启成功率;针对无二次过电流威胁的改进型全桥MMC-HVDC,结合换流站重启后极短时间内线路电流频域振幅特性,提取特定频率分量下瞬时性与永久性故障的特征分量,从而实现自适应重启并提高故障性质判别速度与准确度。（4）为实现高可控性下故障电流抑制与自适应重启综合应用,结合混合式直流断路器在故障发展和清除阶段的动作特性,运用希尔伯特理论分析故障发生至恢复过程中不同阶段的暂态特性;利用柔性直流电网高可控特性构造包含虚拟电容与虚拟电感的端口网络,设计一种基于虚拟网络端口电压和直流侧故障电流的相位角同步补偿控制环节,通过同步切换端口属性快速抑制故障过电压幅值与振荡;基于相位补偿控制将直流侧恢复电压引入故障性质判别决策,提出安全性较高的“先判别再重启式自适应重启方案。