MMC-HVDC直流侧故障分析及过电流抑制方法研究

摘要

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的高压直流输电(high-voltage direct current，HVDC)作为一种新型输电技术，具有模块化程度高、谐波畸变小、开关损耗低等诸多优点，在柔性直流输电领域得到迅速发展。对于典型的半桥型MMC，它不具备阻断直流故障电流的能力，这严重威胁系统的安全运行。MMC-HVDC直流故障处理是直流电网工程应用中必须面对且亟待解决的关键性问题之一。 本文首先介绍了MMC拓扑结构和工作原理，对MMC直流侧双极短路、单极接地和断线故障的故障特性进行分析，详细推导了双极短路故障过程中换流器闭锁前、换流器闭锁后及交流断路器动作后故障电流的表达式，并在仿真平台中搭建双端有源系统，对三种故障类型分析结果进行仿真验证，为合理设计直流故障过电流的抑制方法提供了理论依据。然后针对MMC直流侧发生双极短路故障时，换流站闭锁前桥臂过电流的抑制问题，提出了一种采用桥臂电抗器耦合的过电流抑制新方法，该方法不仅有效抑制故障电流，还能够改善系统的稳态运行。建立了采用桥臂电抗器耦合的MMC拓扑，阐明桥臂电抗器耦合原理，对该系统直流侧故障过电流进行分析，在仿真平台中搭建系统模型，分别在正常运行和故障两个阶段，将采用普通电抗器与采用耦合电抗器的系统各参数进行对比，仿真结果验证了所提方法的有效性。最后，针对典型的半桥型MMC存在无法阻断双极短路故障电流的固有缺陷，提出一种基于电流转移清除直流故障的MMC(MMC based on current transfer，CT-MMC)拓扑。CT-MMC是在半桥型MMC拓扑基础上，增加断流支路、能量吸收支路和桥臂转移支路3部分支路，通过各支路的配合，转移并清除故障电流。建立CT-MMC拓扑，详细分析其故障清除过程，参照相同电压等级的半桥型MMC，CT-MMC附加器件成本较低且附加通态损耗非常小，具有较好的经济性，并通过仿真验证了所提拓扑清除故障的有效性。 本文的研究实现了对MMC-HVDC直流侧故障过电流的抑制及清除，减少故障对系统的损害，对于提高系统的安全运行具有重要意义。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 MMC-HVDC直流侧故障的研究现状

1.2.2 MMC-HVDC直流侧故障抑制方法研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 MMC-HVDC直流侧故障分析

2.1 MMC拓扑及工作原理

2.1.1 MMC拓扑结构

2.1.2 MMC工作原理

2.2 MMC-HVDC直流侧双极短路故障分析

2.2.1 数学模型

2.2.2 仿真验证

2.3 MMC-HVDC直流侧单极接地故障分析

2.3.1 数学模型

2.3.2 仿真验证

2.4 MMC-HVDC直流侧断线故障分析

2.4.1 数学模型

2.4.2 仿真验证

2.5 本章小结

第3章 采用桥臂电抗器耦合的故障限流方法

3.1 采用桥臂电抗器耦合的MMC拓扑结构

3.2 上、下桥臂耦合电抗的原理

3.3 系统直流侧故障过电流分析

3.4 耦合系数的选取

3.5 仿真分析

3.5.1 正常运行时的仿真分析

3.5.2 故障时的仿真分析

3.6 本章小结

第4章 MMC直流侧短路故障清除方法研究

4.1.1 CT-MMC拓扑结构

4.1.2 CT-MMC工作方式

4.2.1 旁路电阻

4.2.2 吸收电阻

4.2.3 断流开关额定电压

4.2.4 放电时间

4.3 CT-MMC经济性分析

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢