基于MMC的柔性直流输电系统直流侧保护研究

发布时间：2020-06-07 21:18

【摘要】：与传统晶闸管的常规直流输电技术相比,基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性直流输电系统,没有无功补偿与换相失败问题,可以为无源系统供电,且能够独立调节系统的有功与无功功率。在新能源并网、异步电网互联、孤岛和弱电网供电等领域有着广阔的应用前景。然而,柔性直流输电系统直流线路保护的问题,却成为其发展的一大阻碍。柔直线路的保护问题主要存在于以下两个方面:一方面柔直线路边界特性少,对故障识别的快速性要求高,传统的高压直流输电线路保护方案不再适用。另一方面,柔直系统常用的半桥型MMC子模块在直流故障发生后全部闭锁,形成不控整流桥,导致故障电流过大,现有的直流断路器无法实现故障隔离。针对上述问题,本文从直流线路故障识别与故障隔离两方面对柔性直流输电线路的保护问题做了以下研究。首先,为了便于后文对直流线路保护方案的验证,本文在PSCAD平台上搭建了一个三端MMC-HVDC模型,并对其拓扑结构与控制方式进行了详细介绍。该模型采用的控制策略,能够确保在故障隔离后,非故障区域能够正常运行。在此模型的基础上,以子模块闭锁为界限,推导出故障发生前后直流线路电流的表达式,为后文故障限流策略提供理论支撑。随后对所搭建的三端模型,进行了稳态运行和直流侧短路两种运行模式下的仿真验证。结果表明,本章所搭建的模型运行稳定,故障特性明显,适宜用作直流线路保护研究。随后结合直流线路区内外故障的附加网络图对故障线路电压电流突变量的方向特性做了详细分析,并介绍了夹角余弦的概念,提出了一种基于电压电流突变量方向夹角余弦值的直流线路故障后备保护方案,该方案利用故障发生时,故障与非故障状态下直流线路两端的电压、电流突变量夹角余弦值的不同作为区内外故障识别判据,并利用故障发生时直流线路两极电压的数值差异构造故障极判据。在所搭建的三端模型验证了该方案在不同故障类型下的可行性。结果表明,所提出的故障识别方案能准确识别区内区外故障,受分布电容的影响小,在故障暂态过程即可可靠动作而无需等到暂态过程结束,满足直流线路速动性的要求,且能够有效判断出故障类型。针对直流故障线路的隔离问题,本文提出了一种新型的故障限流模块。该限流模块拓扑简单,能够有效抑制直流侧故障过电流,通过与直流断路器的配合,能够实现故障线路的快速隔离。从拓扑结构、限流原理、各元件参数的整定以及线路损耗等方面,对所提出的限流模块做了详细的分析,并在此模块的基础上设计了完整的故障清除策略。利用所搭建的三端柔性直流系统模型对该故障隔离方案进行了仿真验证,结果表明所提出的故障清除策略能够有效地限制故障电流,实现故障线路的快速隔离,且不影响非故障线路的正常运行。
【图文】：

柔性,直流系统,直流输电系统,故障特性

华北电力大学硕士学位论文第 2 章多端柔性直流电网的建模与故障特性分析.1 多端柔性直流输电系统构成1.1 系统结构多端柔性直流输电系统，主要由交流电源、联结变压器、MMC 变换器、直路、直流断路器、负荷等组成[37]。为了更好地研究直流侧特性，，本章设计了如示的±400kV 三端柔性直流输电系统。这种手拉手的结构形式，能够保证在其个换流站发生直流侧故障后，非故障区域的换流站仍然能够正常运行，有利于直流侧的故障特性。

拓扑结构图,子模块,半桥,拓扑结构

（a）子模块正常工作（b）子模块故障闭锁图 2-2 半桥型 MMC 子模块拓扑结构的三层控制C-HVDC 的控制系统共分为三个层次：系统级控制(上层控制)、组级控制。MMC 的阀组级控制是其自身特殊的控制级，而系统控制与传统的 VSC-HVDC 类似[38]。换流站级控制和阀组级控制工作的基本目的是根据系统级控制所给出指令，协调换流器的整有功功率、定无功功率、定交流电压和定直流电压的控制目标。搭建的模型，阀控制使用的是电容电压均衡控制算法和 NLM 调MC 子模块的开通与关断。以换流站 1 为例，换流站 1 采用直流无功功率控制，其控制模块设计如下图 2-3 所示。其余三个换流指令值如下表 2-3 所示。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM721.1

【参考文献】