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含桥臂阻尼的直流电源双极短路故障机理分析

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-09-12 09:47    点击量:

    直流电源双极短路故障是柔性直流电源输电系统最严重的故障类型之一[11-12].对柔性直流电源输电系统直流电源短路故障机理的分析,有助于深入理解故障发展过程,明确直流电源短路故障对系统的影响,同时也是故障期间控制保护策略研究的基础[13-21].针对传统HBMMC(half bridge sub-module MMC)、全桥型(full bridge MMC,FBMMC)、双嵌位子直流电源模块型(clamping double MMC,CDMMC)等拓扑的直流电源短路故障机理已有相关文献进行研究.

含桥臂阻尼的直流电源双极短路故障机理分析
    文献[19]对传统HBMMC各类直流电源侧的故障机制进行了分析,总结了不同类型的直流电源线路故障特点;文献[20]建立了HBMMC在双极短路故障下过直流电源电流分析的直流电源电路模型,对系统故障期间的过直流电源电流应力进行分析,对设备的选型具有工程指导意义.

    文献[21]分析了FBMMC系统的运行机理和数学模型,推导了在直流电源双极短路情况下,放电阶段和闭锁阶段的电容直流电源电压和直流电源电流解析式.文献[15]分析了CDMMC 系统的直流电源短路故障穿越机理,且文中采用了在子直流电源模块箝位二极管回路串联阻尼电阻的改进方法,以减少电容直流电源电压上升幅值,缩短故障电弧熄灭时间.

    具有桥臂阻尼的HBMMC拓扑在传统HBMMC的各桥臂中增加了桥臂阻尼器,相当于故障期间将阻尼电阻串联在各桥臂中[22].该方法可实现故障直流电源电流的有效抑制,加快故障直流电源电流的衰减,有利于直流电源故障的快速隔离以及实现系统故障消除后的快速重启动.但目前未有针对该拓扑的详细直流电源短路故障机理分析.

    本文对含桥臂阻尼的HBMMC-HVDC的直流电源短路故障机理进行了详细分析,并建立了一套完整准确的解析模型.通过该模型,可以深入地理解直流电源短路故障过程,并快速计算出故障直流电源电流和故障衰减时间.最后基于Matlab/Simulink软件搭建了含桥臂阻尼的HBMMC-HVDC系统仿真模型,通过对计算与仿真结果进行对比,验证了本文建立的解析模型的可行性与准确性.

    1 含桥臂阻尼的MMC-HVDC的工作原理含桥臂阻尼的MMC-HVDC的主直流电源电路拓扑结构如图1所示,该拓扑由三相6个桥臂构成,每个桥臂由半桥子直流电源模块(half bridge sub-module,HBSM)、阻尼直流电源模块(damping arm sub-module,DASM)和一个桥臂电抗器串联而成,上、下两个桥臂构成一个相单元,uaua、ubub、ucuc分别为交流输出相直流电源电压.

    其中,HBSM由上管IGBT及其反并联二极管、下管IGBT及其反并联二极管和子直流电源模块电容器组成.DASM主要由IGBT、阻尼电阻和吸收电容构成,阻尼直流电源模块的主直流电源电路是由带反并联二极管的IGBT与阻尼电阻构成的并联结构;吸收电容用以吸收IGBT关断过程中的直流电源电压尖峰,保护阻尼直流电源模块免受过直流电源电压损坏.

    当系统正常运行时,通过控制HBSM中IGBT的导通与关断可灵活实现HBSM的投入和切除,从具有桥臂阻尼的直流电源模块化多电平换流器的拓扑结构图1 具有桥臂阻尼的直流电源模块化多电平换流器的拓扑结构Fig. 1 The topology of MMC-HVDC with arm damper而通过对每相上、下桥臂中处于投入状态的子直流电源模块数进行分配来控制换流器交流侧输出直流电源电压的波形.而DASM中的IGBT一直处于导通状态,阻尼电阻被旁路.因此其稳态时的工作原理与传统HBMMC相同.

    当系统发生直流电源双极短路故障时,由于半桥子直流电源模块电容放电,回路中存在较大的故障直流电源电流,一旦检测到故障发生,将立即闭锁HBSM与DASM中的所有 IGBT,此时DASM中的阻尼电阻相当于被串联在各桥臂中,可加快故障直流电源电流的衰减速度,从而实现系统的快速重启动.

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