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应用于远距离架空线直流输电的混合MMC直流故障清除方式比较分析

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南方电网技术 2022年第2期16卷 3-13页

作者：许树楷周月宾杨柳张楠曹琬钰直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院) 广州510663 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心广州510663

全桥子模块和半桥子模块混合的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)可以采用闭锁清除方式和主动清除方式实现直流线路故障清除,但是对于两种方式的故障清除特性差异、参数设计要求以及适用场合等仍缺乏全面的分析和... 详细信息

全桥子模块和半桥子模块混合的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)可以采用闭锁清除方式和主动清除方式实现直流线路故障清除,但是对于两种方式的故障清除特性差异、参数设计要求以及适用场合等仍缺乏全面的分析和比较。分别针对直流故障的闭锁清除方式和主动清除方式,建立了混合MMC故障清除过程的精确动态模型,比较分析了架空线路长度和桥臂全桥子模块比例对两种清除方式的故障清除时间和子模块电容过电压的影响。针对主动清除方式,还提出了故障清除过程中直流电压和子模块电容电压的控制策略,可以通过直流电压动态变化清除故障电流,并同时实现子模块电容的稳定控制和避免出现过压。基于所建立模型,以一个基于混合MMC的1500 km远距离高压直流输电系统作为研究实例,通过多种工况的理论分析和数字仿真,对两种不同方式的直流故障清除过程和性能进行了比较研究,揭示了两种故障清除方式所受到的主要限制因素,提出了直流故障清除方式选择和混合MMC参数设计的依据。

关键词：直流输电混合模块化多电平换流器直流故障清除

风电经柔直组网系统受端交流故障穿越及直流故障清除技术研究

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风电经柔直组网系统受端交流故障穿越及直流故障清除技术研究

作者：王欣铎东北电力大学

学位级别：硕士

随着我国对风电资源大规模开发和利用,基于架空线输电方式的风电经柔直组网外送方案因其可靠性高、单位输电成本低逐渐成为焦点。架空线故障率较高,且因直流电网惯性小、阻尼低的特性,极易导致“局部故障,全网停运”的现象。为保障系统... 详细信息

随着我国对风电资源大规模开发和利用,基于架空线输电方式的风电经柔直组网外送方案因其可靠性高、单位输电成本低逐渐成为焦点。架空线故障率较高,且因直流电网惯性小、阻尼低的特性,极易导致“局部故障,全网停运”的现象。为保障系统在交直流故障期间不间断运行,本文分别对风电经柔直组网外送系统受端交流故障穿越和直流故障清除两个关键问题展开了研究。为保障风电经柔直组网系统在受端换流站发生近区交流短路故障(简称“受端交流故障”)期间不间断运行,提出一种自适应最近电平逼近策略(adaptive nearest level modulation,ANLM)与风电机组内部斩波电阻协同配合的故障穿越策略。故障发生后,送端换流站配合风电机组内部斩波电阻实现风电场快速降载。在风电场大幅度降载前,ANLM策略通过减少子模块投入数目的方式增大换流站等效电容,吸纳柔直电网累积的不平衡能量,限制直流过电压,为风电场降载争取充裕的时间。风电场降载完成后,换流站存储的不平衡能量逐渐释放。所提策略仅利用系换流站的储能潜力和风电机组的自身响应,不增设额外设备,能够降低受端交流故障穿越所需成本。并基于PSCAD/EMTDC软件搭建的仿真模型,以最严重的受端交流故障情景为例,对所提策略的有效性进行了验证。基于直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)的故障清除技术是保障系统直流故障期间不间断运行的关键技术。现有的两端口DCCB方案需要大量的IGBT器件,造价高昂,且每条线路需要独立配置,随着直流电网的发展,成本将会进一步增加。为了降低其成本,同时为了解决现有DCCB故障电流演变速度快、幅值大以及避雷器耗能多等问题,提出了一种基于多端口限流型断路器(multiport current-limiting DCCB,MP-CLDCCB)的故障清除方案。MP-CLDCCB拓扑结构中的多条稳态低损耗支路共用一条限流支路和隔离支路,具备故障电流抑制和可靠切除故障线路的能力,此外,增加耗能支路使非故障侧具备平波熄能的能力,缓解避雷器耗能压力。并基于PSCAD/EMTDC构建的仿真模型,将MPCLDCCB方案与工程中常采用的ABB型混合式断路器(ABB-DCCB)方案在性能和经济性方面进行了详细对比,证明了基于MP-CLDCCB的故障清除方案在性能和经济性方面的优越性。在性能方面,MP-CLDCCB方案能够显著降低故障电流峰值,缩短故障隔离所需时间。在经济性方面,MP-CLDCCB方案不仅能够大幅度减少电力电子器件数量的使用,而且还能够降低避雷器的耗能需求,延长避雷器使用寿命,降低避雷器投资成本。

关键词：柔性直流输电交流故障穿越 ANLM策略直流故障清除直流断路器

基于改进型模块化嵌入式多电平换流器拓扑的HVDC直流故障清除策略

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电气技术 2020年第12期21卷 17-22,35页

作者：王婷杨明发福州大学电气工程与自动化学院福州350116

目前,已有的高压柔性直流输电工程大多都采用包含半桥子模块的模块化多电平换流器(MMC),但是半桥型MMC缺乏直流故障清除能力。为解决这一问题本文在原来模块化嵌入式多电平换流器(MEMC)拓扑的基础上提出了改进型MEMC拓扑,该拓扑具有更... 详细信息

目前,已有的高压柔性直流输电工程大多都采用包含半桥子模块的模块化多电平换流器(MMC),但是半桥型MMC缺乏直流故障清除能力。为解决这一问题本文在原来模块化嵌入式多电平换流器(MEMC)拓扑的基础上提出了改进型MEMC拓扑,该拓扑具有更高的可靠性和功率处理能力,并提出了一种控制技术,用全桥子模块产生的负电压对功率因数滞后的负载进行晶闸管的强制换相。改进型MEMC除具有直流故障清除能力外,还提供了更宽的工作范围和更小的子模块电容器尺寸。最后在PSCAD/EMTDC中搭建改进型MEMC-HVDC模型,并进行直流故障仿真,仿真结果验证了该拓扑的适用性和直流故障清除能力。

关键词：模块化多电平换流器改进型模块化嵌入式多电平换流器晶闸管换相直流故障清除

基于RDB-MMC的HVDC直流侧故障清除方案研究

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基于RDB-MMC的HVDC直流侧故障清除方案研究

作者：张烜一福州大学

学位级别：硕士

随着电力电子等关键技术的持续突破,使得近年来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)技术得以高速发展。通过架空线路进行电力传输将更有利于提高直流输电能力... 详细信息

随着电力电子等关键技术的持续突破,使得近年来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)技术得以高速发展。通过架空线路进行电力传输将更有利于提高直流输电能力和降低工程造价,然而架空线路在实际工程应用中更容易发生短路故障。当前MMC-HVDC工程多采用半桥型子模块结构,无法通过自身的控制实现故障自清除,尽管现有的一些直流断路器方案已具备应用的条件,但还处于试验阶段,仍存在体积大、成本高昂等缺陷,如何经济、可靠地实现直流故障清除还需进行进一步研究。因此,本文在相关研究基础上提出了一种经济可行的直流故障清除方案,并对其应用展开深入研究。首先,从MMC-HVDC系统的基本结构及控制出发,简要介绍了三相半桥MMC的子模块单元及工作原理,并分析了其稳定运行时的数学模型。再从系统换流站级控制和阀级控制两个角度对MMC-HVDC系统的基本控制策略展开了详细分析。其次,在PSCAD软件上搭建了真双极MMC-HVDC仿真模型,并设计了无过流过压危害的自励启动控制策略。针对MMC子模块的仿真效率问题,在MMC戴维南等效模型的基础上,通过简化开关管特性和降低等效模型程序计算量的方式,对其等效模型进行改进简化。同时建立了可仿真非正常运行状态下的MMC等效电路,对两种模型在不同工况下的仿真结果进行对比和效率分析,结果表明了所建系统的控制参数设计合理,改进简化等效模型相比于戴维南等效模型在精度相当的情况下有一定的效率优势,为后续直流故障清除研究提供基础。接着,在结合直流断路器特性的MMC改造思想上,提出了一种基于电阻耗能支路的MMC(Resistance Dissipation Branches based MMC,RDB＿MMC)直流故障清除方案,阐述了方案直流故障清除的原理及所附加装置的相关参数设计方法。通过相关仿真验证了所提RDB＿MMC直流故障清除方案的有效性和可行性,并与几种同类型方案进行经济性对比,说明了所提方案的经济性优势。最后,在所提方案的基础上分析提出了简单可靠的故障清除判定方法,使架空线路下的MMC-HVDC系统能有效区分瞬时性故障和永久性故障,继而提出了相应的故障线路重启控制策略,能够在无严重危害的情况下恢复故障极运行,进一步提高所提方案处理直流瞬时性故障的可靠性,并展开仿真验证了其有效性。

关键词：柔性直流输电电阻耗能支路直流故障清除故障线路恢复

一种单钳位模块型往复限流式高压直流断路器拓扑

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中国电机工程学报 2019年第18期39卷 5565-5574,5605页

作者：许建中冯谟可赵西贝姜崇学赵成勇邱树明新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 南京南瑞继保电气有限公司江苏省南京市211100

高压直流断路器是直流电网中最可靠的故障隔离方式之一,提出一种单钳位模块型往复限流式高压直流断路器拓扑,其同时具有故障限流和断路功能。该拓扑采用单钳位子模块作为主要的限流和故障清除装置,相比电感限流器具有更强的限流能力,相... 详细信息

高压直流断路器是直流电网中最可靠的故障隔离方式之一,提出一种单钳位模块型往复限流式高压直流断路器拓扑,其同时具有故障限流和断路功能。该拓扑采用单钳位子模块作为主要的限流和故障清除装置,相比电感限流器具有更强的限流能力,相比IGBT具有双向通流能力。该拓扑可通过转换IGBT组在串、并联结构中切换,具有稳态低损耗、暂态高阻抗的特性。同时,采用模块化设计,能够自由增减支路数、单钳位子模块数量,改变子模块类型,可以适用于不同的应用场景。最后,在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台中搭建6端直流电网模型,验证所提直流断路器拓扑的可行性。

关键词：往复式限流直流断路器单钳位子模块器件串并联直流故障清除

大规模光伏集群经柔性直流构网送出的运行控制技术研究

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中国电机工程学报 2023年第22期43卷 8734-8744页

作者：蔡希鹏黄伟煌李桂源郭铸曹润彬袁智勇南方电网科学研究院有限责任公司广东省广州市510663

在沙漠、戈壁与荒漠地区开发新能源是国家战略。此类地区的新能源覆盖面积广、场站电气距离远,且电网结构薄弱、缺乏常规支撑性电源,采用具有电网构造能力的柔性直流实现新能源稳定高效送出是一种较好的技术方案。针对沙漠、戈壁、荒漠... 详细信息

在沙漠、戈壁与荒漠地区开发新能源是国家战略。此类地区的新能源覆盖面积广、场站电气距离远,且电网结构薄弱、缺乏常规支撑性电源,采用具有电网构造能力的柔性直流实现新能源稳定高效送出是一种较好的技术方案。针对沙漠、戈壁、荒漠地区大规模100%光伏发电基地经柔性直流送出的场景,分析系统的典型特征和关键问题,从稳态运行、交流故障穿越、直流故障清除、多站协同等方面,系统性地阐述柔性直流与大规模光伏场站构网送出的运行控制技术,为我国沙戈荒地区的大规模光伏开发和电力外送提供实现路径参考。

关键词：大规模光伏集群柔性直流输电构网运行交流故障穿越直流故障清除协同控制

基于LCC和FHMMC的混合型直流输电系统

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高电压技术 2014年第8期40卷 2520-2530页

作者：许烽徐政浙江大学电气工程学院杭州310027

现有混合直流系统中,存在送端交流系统故障时电压严重跌落导致直流系统功率中断的情况。为解决这一问题,提出了一种新型的混合直流输电系统,其整流站采用电网换相换流器(LCC),逆变站采用半桥和全桥子模块混合的混杂式模块化多电平换流器... 详细信息

现有混合直流系统中,存在送端交流系统故障时电压严重跌落导致直流系统功率中断的情况。为解决这一问题,提出了一种新型的混合直流输电系统,其整流站采用电网换相换流器(LCC),逆变站采用半桥和全桥子模块混合的混杂式模块化多电平换流器(FHMMC)。重点推导了FHMMC在满足直流故障清除、功率续传要求下其子模块个数的配置要求,给出了混合直流系统的控制特性。并从换流站级和阀级两个层次上,对FHMMC的控制策略进行了研究设计。采用PSCAD/EMTDC,从起动、送端交流故障和直流故障3方面对相应模型进行了仿真研究。结果表明,与现有混合直流系统相比,所提出的系统能够更好地维持交流故障下的功率续传,并具有直流故障自清除能力。

关键词：混合直流电网换相换流器混杂式模块化多电平换流器子模块数配置功率续传直流故障清除

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新型四电容组合的半桥MMC子模块拓扑

高电压技术 2022年第9期48卷 3744-3754页

作者：江仁斌王琛王毅张振魏子文华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室保定071003 华北电力大学河北省分布式储能与微网重点实验室保定071003

随着模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在柔性直流输电工程的广泛应用,架空线路的直流侧短路故障频发,如何快速清除故障电流成为柔直工程中亟待解决的关键问题之一。传统的半桥子模块拓扑缺乏对直流侧故障清除的能... 详细信息

随着模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在柔性直流输电工程的广泛应用,架空线路的直流侧短路故障频发,如何快速清除故障电流成为柔直工程中亟待解决的关键问题之一。传统的半桥子模块拓扑缺乏对直流侧故障清除的能力,而全桥子模块拓扑可以通过输出负电平来清除故障电流,但是其投资成本较高。基于此,在半桥子模块的基础上,提出了一种四电容组合的半桥子模块(four capacitor combined half bridge sub-module,FCC-HBSM)拓扑。FCC-HBSM通过4个半桥级联组成一个四电容的子模块,不仅可以快速有效地清除直流故障电流,还能够自均衡故障前后的电容电压。并且,相较于一些其他改进型子模块拓扑,所提子模块拓扑具有更简单的控制方式,同时减少了功率器件的数量,能够进一步降低换流站的建设成本。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,FCC-HBSM具有良好的直流故障清除和保持故障前后电容电压均衡的能力。

关键词：模块化多电平换流器柔性直流输电子模块拓扑直流故障清除电容电压均衡控制策略

LCC型双端直流中引出并联FB-MMC功率分支站的混合型多端直流输电系统

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电网技术 2016年第9期40卷 2795-2802页

作者：李少华王秀丽彭忠李泰王建华西安交通大学电气工程学院陕西省西安市710049 许继电气股份有限公司河南省许昌市461000 厦门大学嘉庚学院福建省漳州市363105

电网换相型高压直流输电系统(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)型直流输电系统难以引出功率分支,且多端系统间的电流协调困难。为解决这一问题,方便线路走廊附近的区域供电和可再生能源的接入,... 详细信息

电网换相型高压直流输电系统(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)型直流输电系统难以引出功率分支,且多端系统间的电流协调困难。为解决这一问题,方便线路走廊附近的区域供电和可再生能源的接入,提出从LCC型双端直流输电系统中导出一个全桥子模块模块化多电平换流器(full bridge based modular multilevel converter,FB-MMC)功率分支站的混合型多端直流输电系统方案。重点研究了含FB-MMC功率分支站的多端直流系统控制及协调策略,在直流低电压和过调制运行工况下,研究设计了FB-MMC功率分支站的控制策略,并对直流故障穿越策略进行了优化,同时设计了混合直流系统的功率反转策略。最后采用PSCAD/EMTDC对直流故障穿越、功率反转和功率分支站的交流系统故障进行了仿真研究。结果表明,与LCC分支方案相比,FB-MMC方案能够简化多端系统间的协调控制,优化系统整体性能,并能更好地抵抗交流系统故障。

关键词：混合直流输电系统并联支路站全桥模块化多电平换流器直流故障清除协调控制