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IP屬地：廣東 上傳時(shí)間：2023-09-21 格式：DOCX 頁數(shù)：5 大?。?2.10KB 積分：12 舉報(bào) 版權(quán)申訴

適用于架空線路的mmc-hvdc系統(tǒng)拓?fù)?/p>

0種雙極mmc-hvdc系統(tǒng)模塊多永平換流器（mmc）采用半橋子模塊級(jí)聯(lián)形式。具有低設(shè)備接觸面積、高頻率、輸出電壓波形質(zhì)量高、開關(guān)頻率低、運(yùn)營損失少等優(yōu)點(diǎn)。它是新一代電壓源交換裝置的最佳結(jié)構(gòu)。它適用于直流輸電站。美國舊金山Transbay工程和中國上海南匯風(fēng)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)示范工程的投運(yùn)驗(yàn)證了模塊化多電平換流器型高壓直流輸電(MMC-HVDC)的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。目前,國內(nèi)包括遼寧大連、浙江舟山和廣東南澳在內(nèi)等多個(gè)MMC-HVDC示范工程正在規(guī)劃和籌建中?，F(xiàn)有階段的MMC-HVDC工程具有單換流器構(gòu)成自然雙極結(jié)構(gòu)的特性,存在2方面的不足。第一,無法有效處理直流側(cè)故障。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí),全控型開關(guān)器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管易構(gòu)成故障點(diǎn)交流系統(tǒng)直接連通的能量饋送回路,必須通過跳開交流斷路器來將其切斷,其缺點(diǎn)在于機(jī)械響應(yīng)較慢(最快也需2~3個(gè)周波),往往需要采用增大設(shè)備額定參數(shù)、配置高速旁路開關(guān)等輔助性措施,因此該拓?fù)洳⒉贿m用于易發(fā)生閃絡(luò)等暫時(shí)性故障的架空線路輸電,而需要鋪設(shè)造價(jià)昂貴、故障率低的電纜線路。第二,接地支路設(shè)計(jì)、安裝困難。傳統(tǒng)的兩電平換流器一般從直流側(cè)分裂電容中點(diǎn)引出接地支路,但MMC的橋臂采用分散電容布置而省略了直流側(cè)的電容器組,接地支路的設(shè)計(jì)安裝難以參照前者的做法。文獻(xiàn)指出可以在MMC閥側(cè)安裝三相星形連接的電抗支路來為換流站提供參考電位,但并未提供設(shè)計(jì)細(xì)節(jié);文獻(xiàn)采用了直流側(cè)通過大電阻箝位的方式,但此方式與電阻參數(shù)的選取密切相關(guān),若電阻取值過小則穩(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗較大,若電阻取值過大則整個(gè)系統(tǒng)近似不接地,對(duì)系統(tǒng)絕緣的配合要求較高。為解決目前MMC-HVDC所存在的問題,本文在充分借鑒傳統(tǒng)直流系統(tǒng)結(jié)線方式和已有研究成果的基礎(chǔ)上,提出了一種適用于架空線輸電的新型雙極MMC-HVDC系統(tǒng)。一方面,該系統(tǒng)采用的換流器是一種基于箝位雙子模塊(clampdoublesubmodule,CDSM)的改進(jìn)型MMC(本文稱之為CDSM-MMC),能夠利用換流器快速控制實(shí)現(xiàn)直流故障的自清除;另一方面,該系統(tǒng)采用上下2個(gè)換流器串聯(lián)構(gòu)成正負(fù)極的雙極結(jié)線的方式,從兩極中間引出接地支路,這種拓?fù)涫诸愃朴趥鹘y(tǒng)直流系統(tǒng)的構(gòu)成方式,因此充分地借鑒和應(yīng)用傳統(tǒng)直流系統(tǒng)成熟的設(shè)計(jì)流程和制造工藝。1cdsm-mmc的工作原理現(xiàn)有的輕型高壓直流輸電(VSC-HVDC)的結(jié)線方式是換流器通過直流分裂電容或箝位電阻構(gòu)成正負(fù)極,具有單換流器自然雙極結(jié)構(gòu)特性,極與換流器并未嚴(yán)格劃分,所以某極線故障或換流器故障容易導(dǎo)致雙極同時(shí)退運(yùn),系統(tǒng)可靠性低,雙極平衡運(yùn)行幾乎是其唯一的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。與之相比,本文所提出的新型系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,運(yùn)行方式靈活多樣,主要包括:(1)單極大地回線方式;(2)單極金屬回線方式;(3)雙極平衡運(yùn)行方式;(4)雙極不平衡運(yùn)行方式等。當(dāng)某一極換流器因故障、檢修或保護(hù)等原因退出運(yùn)行時(shí),不會(huì)影響剩余健全極的正常運(yùn)行,從而提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。當(dāng)然也可參照±800kV傳統(tǒng)直流工程采用多個(gè)12脈動(dòng)閥組串聯(lián)的做法,將若干電壓源換流器串聯(lián)以構(gòu)成本拓?fù)涞囊粋€(gè)完整極以提高輸送容量。為有效應(yīng)對(duì)架空線路接地故障,本系統(tǒng)采用了具有直流閉鎖能力的CDSM-MMC,如圖2所示,Udc為直流側(cè)電壓。該結(jié)構(gòu)保留了如引言所述采用半橋子模塊的傳統(tǒng)MMC的基本拓?fù)湫问胶鸵话阈詢?yōu)點(diǎn),2者的關(guān)鍵性區(qū)別在于子模塊內(nèi)部構(gòu)造不同。傳統(tǒng)MMC的基本換流單元采用由2個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)、2個(gè)反并聯(lián)二極管和1個(gè)儲(chǔ)能電容構(gòu)成的半橋子模塊;而CDSM-MMC則采用由等效半橋單元sub1同等效半橋單元sub2經(jīng)2個(gè)箝位二極管(D6,D7)和帶反并聯(lián)二極管(D5)的引導(dǎo)IGBT(T5)串并聯(lián)構(gòu)成的箝位雙子模塊,如圖3所示。圖3中,T1~T5為IGBT;D1~D7為二極管;iSM為流入子模塊的電流;C為模塊電容值;Uc為每個(gè)儲(chǔ)能電容的額定電壓。CDSM-MMC所需的箝位雙子模塊數(shù)目n由下式確定不考慮器件冗余,相同容量下傳統(tǒng)MMC、CDSM-MMC和基于全橋子模塊的MMC(簡(jiǎn)稱全橋MMC)之間的對(duì)比關(guān)系如表1所示。器件數(shù)量是評(píng)估換流器造價(jià)的重要指標(biāo)之一,從表1中可以看出,CDSM-MMC所需器件數(shù)量要遠(yuǎn)小于全橋MMC,因此CDSM-MMC更適用于架空線輸電。2直接故障控制策略2.1cdsm-mmc的工作原理表2給出了正常模式和閉鎖模式下箝位雙子模塊內(nèi)各IGBT的觸發(fā)狀態(tài)同輸出電平之間的關(guān)系,其中Usub1和Usub2分別為圖3所示的2個(gè)等效半橋單元的輸出電壓;USM為整個(gè)箝位雙子模塊輸出電壓。正常運(yùn)行時(shí),T5一直處于導(dǎo)通狀態(tài),箝位雙子模塊等效為2個(gè)級(jí)聯(lián)的半橋子模塊,輸出電平有3種狀態(tài):0、Uc和2Uc。因此CDSM-MMC可完全移植傳統(tǒng)MMC的控制策略和調(diào)制方法,只需在器件觸發(fā)層面對(duì)脈沖進(jìn)行再分配即可。當(dāng)發(fā)生直流故障或其他特殊情況需要子模塊運(yùn)行在閉鎖模式時(shí),可通過控制系統(tǒng)關(guān)閉所有IGBT的觸發(fā)信號(hào),利用反并聯(lián)二極管和箝位二極管的反向阻斷能力快速完成閉鎖過程。圖4(a)、(b)分別給出了故障電流為正、負(fù)時(shí)、閉鎖模式下箝位雙子模塊的等值電路。從圖4中可以看出,無論故障電流初始方向如何,對(duì)于閉鎖后的模塊電容而言都是充電。正極線路發(fā)生短路故障時(shí),整個(gè)換流器的等效電路如圖4(c)所示。以A、C相為例,假設(shè)閉鎖瞬間故障電流流動(dòng)方向如圖4(c)所示,則Uap、Ucn分別為A相上橋臂和C相下橋臂級(jí)聯(lián)子模塊電容電壓的總和,Uln為故障期間換流器出口正負(fù)極之間電壓差。故A、C相實(shí)現(xiàn)閉鎖的必要條件是電流iap和icn降到0的瞬間且滿足式(2),其中L為橋臂電感。類似地,其他相與相之間不同組合均滿足如A、C相的條件時(shí),整個(gè)系統(tǒng)就最終完成閉鎖(Uac為A、C相之間的電壓)。2.2cdsm-mmc在換流器故障極工作原理單極接地短路故障是架空線路輸電中最容易發(fā)生的故障類型,傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)通過強(qiáng)迫移相使整流器進(jìn)入逆變方式,令弧道電流和弧道電壓迅速降低到0從而實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障的快速消除。鑒于直流斷路器研制困難和自身拓?fù)涮攸c(diǎn)等原因,因此,故障后直接跳開交流斷路器并停運(yùn)換流器幾乎是傳統(tǒng)柔性直流輸電工程中的唯一可行手段。而本文所述的新型雙極拓?fù)淠軌虺浞掷肅DSM-MMC的直流閉鎖能力,無需交流斷路器就可以有效處理直流側(cè)故障,并可以快速實(shí)現(xiàn)故障極的重啟動(dòng)。所設(shè)計(jì)的故障后換流器控制時(shí)序如圖5所示。CDSM-MMC所具備的直流閉鎖功能一般在以下2種情況下被激活:(1)當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí),需要換流器立即閉鎖切斷交流系統(tǒng)與直流側(cè)之間的饋能通路,以防止故障的進(jìn)一步發(fā)展和浪涌電流損壞器件;(2)雖未發(fā)生直流故障,但由于調(diào)度運(yùn)行、檢修計(jì)劃或其他原因,因此需要某極退出運(yùn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)入單極運(yùn)行模式。當(dāng)滿足上述2項(xiàng)邏輯中的1項(xiàng)時(shí),控制系統(tǒng)會(huì)向相應(yīng)極換流器發(fā)出閉鎖指令。由于采用本文所提出的雙極輸電方式,因此一般故障極的退出與否對(duì)健全極的影響很小。直流故障下系統(tǒng)的動(dòng)作響應(yīng)特性可以分為以下4個(gè)階段:(1)錯(cuò)誤發(fā)生初t1t2(2)關(guān)閉過程t3(3)去遵義t3t4(4)過負(fù)荷模式以彌補(bǔ)設(shè)備缺失顯著性變以上所分析的4個(gè)階段就是直流故障下相應(yīng)故障極換流器的基本控制策略和動(dòng)作時(shí)序,而故障期間健全極一般不受影響仍可輸送功率,根據(jù)需要可實(shí)現(xiàn)過負(fù)荷模式以彌補(bǔ)功率缺失。類似地可以寫出某極正常退出的控制時(shí)序,即換流站向待退出極發(fā)出閉鎖指令,同時(shí)將功率控制器參考值降至0,此處不再贅述。3c-hvdc仿真平臺(tái)在電磁暫態(tài)軟件PSCAD/EMTDC中搭建如圖1所示的新型雙極MMC-HVDC仿真平臺(tái),主要的仿真參數(shù)如表3所示。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)換流站1采用定有功功率和定無功功率控制,換流站2采用定電壓控制和定無功功率控制,系統(tǒng)額定運(yùn)行點(diǎn)如表3所示。級(jí)聯(lián)子模塊調(diào)制策略采用載波移相調(diào)制方法。模擬場(chǎng)景1模擬場(chǎng)景2模擬場(chǎng)景34直流線路故障表現(xiàn)1)采用電纜線路大大提高了MMC-HVDC的工程造價(jià),同時(shí)限制了其應(yīng)用場(chǎng)合,如何將其進(jìn)一步應(yīng)用到架空線路輸電工程中是目前值得考慮和研究的方向。然而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要先解決2方面的問題:直流側(cè)故障的自動(dòng)清除和接地支路的選取。2)本文所提出的新型雙極MMC-HVDC系統(tǒng),類似于傳統(tǒng)直流結(jié)線方式,采用箝位雙子模塊作為換流子模塊,具有直流閉鎖能力且可參照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)接地極,運(yùn)行方式多樣靈活、系統(tǒng)可靠性高。3)設(shè)計(jì)了直流故障控制和系統(tǒng)重啟動(dòng)策略,仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)在直流側(cè)暫時(shí)性故障和永久性故障下均具有良好的系統(tǒng)特性,是MMC-HVDC應(yīng)用于架空線路輸電工程中的一個(gè)可行方案,具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。故障電流通過橋臂饋入到交流系統(tǒng),但由于故障檢測(cè)的電氣量尚未達(dá)到設(shè)定限值,保護(hù)邏輯單元不動(dòng)作,換流器仍按照原有狀態(tài)運(yùn)行。在t2時(shí)刻故障檢測(cè)與保護(hù)邏輯單元?jiǎng)幼?向故障極換流器發(fā)出閉鎖指令,控制器迅速關(guān)閉所有IGBT的觸發(fā)脈沖,故障電流將通過二極管向儲(chǔ)能電容充電并迅速降低,加快直流網(wǎng)絡(luò)能量的釋放;當(dāng)故障電流降低到0時(shí),由于電容電壓和二極管反向阻斷能力使得換流器進(jìn)入完全閉鎖狀態(tài)。換流器完全進(jìn)入閉鎖狀態(tài)后,將保持此狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間(通常為200~500ms),使得故障線路完全去能和充分去游離,確保閃絡(luò)弧道消失,使絕緣性能恢復(fù)到原有水平。經(jīng)過充分去游離過程后,故障極在零功率模式下開始解鎖并試圖建立系統(tǒng)直流電壓,若直流電壓能夠建立則意味著故障為暫時(shí)性故障且已經(jīng)被清除,線路恢復(fù)正常輸電。系統(tǒng)重啟動(dòng)成功后,在功率控制器預(yù)設(shè)的功率上升曲線下進(jìn)行緩慢的爬坡,最終在兩端控制器的作用下到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。若故障極無法正常建立直流電壓,則意味著故障弧道可能仍然存在,系統(tǒng)重啟動(dòng)失敗,重復(fù)過程(3)~(4)。若系統(tǒng)重啟動(dòng)失敗次數(shù)超過某個(gè)設(shè)定值(比如1次),則控制系統(tǒng)判定故障為永久性故障,需要停運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行沿線排查和檢修。運(yùn)行工況切換和極退出運(yùn)行。系統(tǒng)初始狀態(tài)為:換流站1的正極、負(fù)極有功功率的標(biāo)幺值均為0.8(基準(zhǔn)值為300MW);無功功率的標(biāo)幺值均為0.3(基準(zhǔn)值為300Mvar);換流站2的正極和負(fù)極無功功率的標(biāo)幺值為0.3。以換流站1為研究對(duì)象,正極換流器的有功參考指令Pref的標(biāo)幺值按0.6、0.4、0.2、0的順序發(fā)生一系列躍變;負(fù)極換流器有功參考指令Pref的標(biāo)幺值按6、0.8、1.0、1.2的順序發(fā)生一系列躍變。依次模擬其雙極平衡運(yùn)行—雙極不平衡運(yùn)行—單極運(yùn)行(正極換流器正常退出運(yùn)行)的工況,響應(yīng)曲線如圖6所示。從圖6中可看出,正、負(fù)極換流器之間的功率變化相互影響很小,負(fù)極直流電壓的標(biāo)幺值在其電壓控制器的作用下始終保持在-1.0(基準(zhǔn)值為300kV)附近,雖有略微波動(dòng)但范圍不超過±0.02,這是由于控制器的響應(yīng)延時(shí)和系統(tǒng)的非線性等原因引起的。當(dāng)t=1.4s時(shí)正極接到閉鎖指令,換流器的有功、無功功率迅速下降到0,無需交流斷路器動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)極正常退出,在負(fù)極過負(fù)荷運(yùn)行的情況下盡量彌補(bǔ)功率缺失。仿真波形驗(yàn)證了本系統(tǒng)在各種運(yùn)行工況下均具有良好的運(yùn)行特性。直流線路正極接地故障及重啟動(dòng)成功。初始階段,系統(tǒng)兩極的有功無功參考指令分別為1.0和0.2,假設(shè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行1.2s時(shí)系統(tǒng)的正極線路在150km處發(fā)生暫時(shí)金屬性接地短路故障,持續(xù)時(shí)間為0.05s,則各極換流器功率、電壓響應(yīng)特性如圖7所示,其中ia,ib,ic為三相交流電流。故障發(fā)生后,橋臂電流迅速增加,假設(shè)在2ms后橋臂過流保護(hù)邏輯激活并發(fā)出閉鎖指令,而后直流網(wǎng)絡(luò)能量將通過橋臂迅速回饋到交流電網(wǎng)或貯存在橋臂模塊電容內(nèi),則直流電壓會(huì)存在小幅振蕩直到線路能量釋放完畢,之后換流器進(jìn)入閉鎖狀態(tài),整個(gè)閉鎖過程時(shí)間約為1/4個(gè)周波。閉鎖時(shí)各極功率輸送和直流電壓很快降至0,保持故障極換流器閉鎖狀態(tài)持續(xù)0.3s,從而使線路充分去游離。故障期間為盡量彌補(bǔ)功率缺失,健全極過負(fù)荷運(yùn)行。線路故障清除后,向故障極換流器發(fā)出解鎖指令,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重啟動(dòng),同時(shí)使健全極恢復(fù)到原有穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水平。整個(gè)過程無需交流斷路器發(fā)生動(dòng)作。直流線路正極接地故障及重啟動(dòng)失敗,其故障響應(yīng)特性如圖8所示,初始系統(tǒng)