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双极MMC-HVDC系统直流电源故障特性研究

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

    东北电力大学电气工程学院的研究人员陈继开、孙川、李国庆、李扬、李江,在2017年第10期《电工技术学报》上撰文指出,直流电源故障是模块化多电平换流器高压直流电源输电(MMC-HVDC)的主要故障类型,目前国内外对于MMC-HVDC直流电源侧故障的研究主要集中于伪直流电源双极系统,而对于真直流电源双极系统直流电源侧故障的研究还处于起步阶段.

双极MMC-HVDC系统直流电源故障特性研究
    首先,介绍真直流电源双极MMC的拓扑结构和工作原理,并根据实际交直流电源系统电气参数、桥臂子模块电容及电抗的放电机制,建立真、伪直流电源双极两种拓扑MMC-HVDC系统直流电源故障状态下的对应等效电路.然后,对比分析两种拓扑不同阶段故障电流在MMC桥臂上的流通路径,重点研究了故障短路电流对换流站桥臂阀组影响程度的差异,并指出三种电气参数与故障短路电流变化之间的内在关系.

    最后,基于RT-LAB仿真平台,搭建51电平直流电源双极MMC- HVDC双端直流电源输电模型,仿真结果证明了直流电源故障特性研究方法的正确性.

    基于模块化多电平换流器的高压直流电源输电技术(Modular MultilevelConverter based HVDC, MMC- HVDC)属于柔性直流电源输电技术,其采用半桥子模块级联的拓扑结构,具有对阀组器件触发动态均压要求低,扩展性好、开关频率低、运行损耗低、高效率、高可靠性、可独立调节无功功率和有功功率等诸多优点.

    随着传统化石能源的日益枯竭和电力产业结构升级与优化的迫切需求,可以预见未来基于MMC-HVDC系统的柔性直流电源输电技术将在新能源发电并网、城市配网增容、远距离负荷供电等领域具有广阔的应用前景[1-11].

    尽管MMC柔性直流电源输电技术具有自身独特的优势,但针对此技术的研究时间并不长.目前,国内外文献主要是围绕伪直流电源双极MMC-HVDC系统的直流电源侧故障特性、恢复策略以及控制保护方法展开研究.文献[12]分析了伪直流电源双极系统直流电源侧故障的特性,并提出改进拓扑,有效抑制了直流电源侧故障电流.

    文献[13]建立了避雷器不动作时伪直流电源双极系统直流电源侧单极接地故障暂态分析模型,分析了接地装置参数对故障特性的影响,同时定性分析了避雷器动作对故障特性的影响.文献[14]根据不同类型直流电源线路故障机制,提出了控制保护设计的基本要求和相应的控制保护策略.

    文献[15]根据直流电源双极短路故障的故障机制,建立了子模块电流回路模型,分析了各回路参数变化时过电流应力的变化情况,为设备的选型提供了依据.文献[16]提出一种基于虚拟电阻的优化控制策略,以减少直流电源侧故障电流对子模块电容电压平衡的影响.

    文献[17]针对变压器绕组不同联结方式,进行了伪直流电源双极MMC-HVDC系统交直流电源故障的仿真分析,研究了不同故障特性及对系统运行的影响,并提出了应对策略.文献[18]针对直流电源断线故障,分析了非故障相直流电源母线电流产生机理和不同运行控制模式下系统电压电流的变化规律.

    文献[19]讨论了MMC换流站交流侧不同接地方式对柔性直流电源系统故障特性的影响,并推荐采用Zig- zag变压器与星形大电抗中性点接地结合的方式,以解决系统直流电源侧电压不平衡的问题.

    虽然上述研究成果推动了柔性直流电源技术的发展,然而,随着我国厦门±320kV柔性直流电源输电示范工程的正式投运,对真直流电源双极MMC-HVDC系统的研究已成为高压直流电源输电领域中新的关注点.

    本文介绍了真直流电源双极MMC的基本运行特性;针对真直流电源双极MMC-HVDC直流电源单极接地故障,建立了换流器在闭锁前后的等效数学模型;通过与伪直流电源双极MMC- HVDC系统直流电源故障机制的对比,分析了二者在故障机理与故障特性上的不同,研究了短路电阻、闭锁时间以及桥臂电抗对真直流电源双极换流器桥臂故障电流变化特性的影响;最后通过RT-LAB建立仿真模型予以证明.

    真直流电源双极MMC-HVDC系统的结构图1  真直流电源双极MMC-HVDC系统的结构结论本文通过对真、伪直流电源双极MMC-HVDC系统直流电源单极接地故障时子模块电容放电机制、短路路径、桥臂电流变化的研究,明确了两种拓扑结构直流电源输电系统的故障机制,结合算例仿真得出如下结论:

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