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含故障限流装置动作的柔性直流电网故障保护协调配合策略

含故障限流装置动作的柔性直流电网故障保护协调配合策略

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作者：朱思丞华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着世界范围内的风电、光伏新能源不断开发,基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网作为新能源接入电网的有效手段成为了直流输电领域的重要研究热点之一。柔性直流电网在发生严重的直流短路故障后换流器的电容器会迅速放电,导致... 详细信息

随着世界范围内的风电、光伏新能源不断开发,基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网作为新能源接入电网的有效手段成为了直流输电领域的重要研究热点之一。柔性直流电网在发生严重的直流短路故障后换流器的电容器会迅速放电,导致故障电流迅速上升。然而,主要有电力电子器件组成的柔性直流电网耐受直流故障电流能力弱,若没有在故障后几毫秒内限制故障电流到系统耐受程度内,将导致系统故障电流难以开断,致使直流电网停运,严重危害交直流系统的安全稳定运行。直流电网的故障限流可以保证直流故障的可靠开断和器件在故障开断前在安全裕度内,从而避免了换流站的闭锁和电力电子器件的损坏。目前,国内外在直流故障限流方面尚处于起步阶段,但随着直流电网的不断发展,配置的直流故障限流装置动作会影响直流电网的暂态特性。因此,有必要研究含直流故障限流器动作的直流电网故障演变机理,以及不同类型的故障限流装置间的保护协调配合策略。针对上述问题,首先分析了含直流故障限流器动作后的直流电网故障演变机理,提出一种含直流故障限流器投切、直流断路器开断和避雷器耗能过程的分为6个子阶段的直流电网故障电流计算方法,并讨论了相域频变模型和电缆线路模型对该计算方法的适用性。同时,以全网故障电流开断电流之和最小、故障限流器和直流断路器中的避雷器吸收的能量之和最小作为目标函数,对直流电网中直流线路的限流电抗器进行了优化配置。其次,提出了一种具备故障清除能力的直流电网用DC/DC变换器拓扑,该拓扑基于半桥模块化多电平换流器型DC/DC变换器,增加故障转移支路,发生直流故障时更易切断故障电流,所提方案不仅具备经济性,并且减少了故障隔离对于直流断路器的依赖。最后,研究了故障限流器、直流断路器、半桥全桥混合型MMC以及半桥式DC/DC变换器这几类多类型故障限流装置的故障保护协调配合。针对包含环网和辐射状结构的复合型多端直流电网系统中的不同区域,配置不同类型的故障限流装置,根据不同的故障区域,提出了相应的故障限流装置间的保护配合方案,考虑了部分限流装置如直流断路器拒动后其他后备限流装置的动作逻辑。

关键词：模块化多电平换流器(MMC) 柔性直流电网直流故障限流器直流故障演变机理保护协调配合

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直流电网网侧限流设备的协调配合及参数优化

直流电网网侧限流设备的协调配合及参数优化

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作者：孙馨福华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着世界范围内的可再生能源的充分开发利用,基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的直流电网已成为了未来直流输电的重要发展方向。然而作为直流电网中核心设备的换流站存在低阻尼的特性,故障电流在发生直流侧短... 详细信息

随着世界范围内的可再生能源的充分开发利用,基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的直流电网已成为了未来直流输电的重要发展方向。然而作为直流电网中核心设备的换流站存在低阻尼的特性,故障电流在发生直流侧短路故障时快速发展,危及直流电网的安全运行。借鉴交流电网故障清除方法,直流断路器(DC Circuit Breaker,DCCB)可选择性清除故障,是实现故障清除的关键。但是随着直流电网的发展,直流断路器存在无法单独快速切除大故障电流的不足,因此需要额外的故障限流装置配合直流断路器进行故障清除。目前已经有多种故障限流手段被提出,但仍然没有除平波电抗以外的限流设备投入到实际工程中。因此,有必要从理论上对各种限流设备的动作机理进行总结,归纳出限流设备的协调配合限流方法,并对这些限流设备的参数进行优化配置,在经济成本一定的前提下充分发挥各限流设备的限流能力。该文主要的工作如下:首先,针对目前已有的限流设备,根据安装位置将限流设备分为了源侧和网侧两类,根据限流机理分为了降压和增阻两类。基于上述分类方法,对各类设备的限流机理进行了理论分析,指出源侧设备主要通过改变换流器子模块电容的投入占空比进行限流,网侧设备主要通过改善故障回路的欠阻尼放电特性进行限流。通过各种设备在投入时间和极限参数等方面的约束,给出了网侧限流设备协同配合抑制故障电流的原则。其次,基于上述的网侧限流设备的协同配合原则,提出了针对电抗型故障限流器和直流断路器相互配合限流时的故障电流计算方法,方法考虑了实际限流电抗投入过程中的过电压问题以及并联MOA支路的吸收能量问题,将故障电流按照限流器和断路器的投切分解成多阶段,对每阶段的MOA吸收的能量进行了精确计算。在仿真平台上搭建了四端直流电网模型进行了验证,计算结果与仿真结果的最大相对误差仅为0.6%,表明了计算方法的有效性和精确性。最后,研究了多种故障限流器限流元件的性质,通过理论分析指出:受电压应力限制,电抗型故障限流器在满足电压应力要求时,限流效果几乎为零,因此无法单独使用限流电抗限流,这也反证了故障电流计算时考虑限流电抗并联MOA吸能的合理性。基于此计算方法,以断路器开断电流最小和各种能量吸收设备吸能最小作为优化目标,对直流电网中网侧的平波电抗和限流电抗器进行了优化配置。

关键词：柔性直流电网保护协调配合直流故障限流器(FCL) 避雷器(MOA) 直流故障演变机理

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含多端口限流式断路器的直流电网故障电流协同抑制方法

含多端口限流式断路器的直流电网故障电流协同抑制方法

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作者：宋冰倩华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着传统能源的日益枯竭,中国乃至世界面临能源结构转型的挑战,柔性直流电网采用模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）,具有高度的灵活性和可靠性,能够促进可再生能源高比例接纳。柔性直流电网工程中采用架空线进行... 详细信息

随着传统能源的日益枯竭,中国乃至世界面临能源结构转型的挑战,柔性直流电网采用模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）,具有高度的灵活性和可靠性,能够促进可再生能源高比例接纳。柔性直流电网工程中采用架空线进行电能传输,远距离架空线更易受到雷击或挂线等干扰,线路故障率较高;多电压等级的柔性直流电网网架结构复杂,电力电子设备之间互相耦合,其故障发展迅速,故障电流没有过零点,需要进一步研究柔性直流电网故障电流的协同抑制方法。首先,针对柔性直流电网故障电流协调抑制困难的问题,论文分析了柔性直流电网故障电流的发展机理,对比了交直流电网的故障特性,说明了协同抑制柔性直流电网故障电流的必要性;提出了柔性直流电网故障电流抑制方案的基本原则和分类依据,总结了国内外关于直流限流设备的研究成果,将现有的抑制方案分为源侧调压、源侧增阻、网侧调压、网侧增阻和源网配合协调五大类;基于当前的工程现状,针对典型的网侧限流设备特性进行了分析,并在PSCAD中仿真,网侧方案具备选择性,并且不需要改造现有换流站,因此更加具有工程应用前景。其次,针对直流断路器投资成本高以及能量耗散速度慢的问题,论文提出了一种多端口直流断路器（multi-port DC circuit breaker,MP-DCCB）的新拓扑,多条直流线路共用一条主断路支路,各直流线路和主断路支路间的控制单元采用晶闸管,从而有选择性地切断线路;设计了能够吸收限流电感能量的转移支路,将能量耗散和断路过程解耦,降低避雷器需吸收的能量。对MP-DCCB断路、耗能以及重合闸阶段控制方式及电气过程进行了理论解析,并建立了等效数学模型,研究MP-DCCB关键参数。在PSCAD中搭建四端双极直流电网进行仿真,证明了该MP-DCCB可代替多个常规断路器,并降低了避雷器的耗能需求。最后,针对故障电流上升速度快和断路器切断容量大的问题,论文提出了一种限流器与断路器协调配合的多端口限流式（multi-port current-limiting,MPCL）协同抑制方案。设计了限流器与断路器协调配合的时序,按阶段对MPCL方案的预充电、限流、断路及耗能过程做了理论分析,研究了 MPCL方案关键参数对避雷器耗能、电压电流应力的影响,给出了 IGBT及能量转移支路参数的设计方法。在PSCAD中仿真验证,该方案大大降低对避雷器容量的要求,提升故障电流分断速度,从投资成本和故障清除速度方面具有优势,具备工程应用价值。

关键词：柔性直流电网直流断路器直流限流器直流故障演变机理协同抑制

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