FHMMC-HVDC系统直流故障电流计算方法及抑制策略研究

作     者：刘熠 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：辛业春

授予年度：2023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：混合型MMC 直流故障 零直流电压控制 故障电流计算 电流抑制策略 

摘      要：由混合型模块化多电平换流器(Half and full bridge Hybrid Modular Multilevel Converter,FHMMC)构成的柔性直流系统如何合理地设计故障穿越策略,实现主动向交流电网提供无功支撑的同时,尽可能快速地清除直流故障电流,是亟需解决的重要问题。目前工程上FHMMC为常采用零直流电压控制(即零压控制)来清除故障电流,但零压控制清除故障电流速度不足,将使设备承受一定时间过电流。因此,为保证直流故障下设备安全和运行稳定,就需要准确地计算出故障电气分量,为设计更可靠的故障穿越策略奠定基础,但是目前故障电流获取方法难以对零压控制清除故障电流速度的影响因素进行分析。为此,本文对FHMMC零直流电压控制全过程的故障电流计算方法展开研究,分析了故障传播机理和零直流电压控制后的故障电流特征,设计了基于零直流电压控制的自适应电流抑制策略,具体研究内容包括:首先,研究了FHMMC控制策略对直流电流的影响,构建了FHMMC等值模型以分析影响故障电流的主要因素。剖析了FHMMC正常工作时的传统双环控制和故障下的零直流电压控制对直流电流的影响;构建了FHMMC的RLC等值模型,对双极短路、单极接地故障特性进行了分析,研究了SM电容、桥臂电感对故障电流的影响。其次,提出了一种计及零直流电压控制的FHMMC输电系统故障电流计算方法。将零压控制过程分两个阶段进行了准确分析,分别构建计及各阶段控制的等值模型和计算方法。故障电流发展阶段,在RLC等值模型基础上,引入了受控电流源表征交流馈入能量对故障电流的影响以提升模型精度;零压控制阶段,分析了桥臂电压动态调整的影响,构建了相应的FHMMC等值模型来提升计算精度。构建了状态空间方程来计算2个阶段的直流故障电流,通过电容电压置零操作计及子模块投切引起电压复零的特性。在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建了真双极FHMMC直流输电系统,验证了所提计算方法在不同故障位置、过渡电阻下均具有较高的计算精度。最后,设计了一种协同零直流电压控制的自适应电流抑制策略。利用所提出的计算方法分析了影响故障电流清除速度的关键因素是回路中电阻R和电感L,基于减小等值电感和增大等值电阻的思想,提出了一种自适应电阻器R与平波电抗器并联的策略,并设计了R的硬件架构、内部参数以及控制逻辑,以保证L在欠阻尼和过阻尼状态下都能被近似短路,从而提高故障电流衰减速度。在MATLAB/Simulink平台搭建的原系统上增加自适应抑制策略,验证了所提抑制策略的有效性:抑制策略能根据R情况准确自适应地投入R阻值,欠阻尼状态下清除速度提升了50%左右,过阻尼状态下提升了25%左右。