基于MMC的柔性直流输电系统直流侧短路故障穿越控制方法研究

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随着化石能源日益紧缺和对环境产生的严重污染,新能源发展成为大趋势。而中国新能源资源在地理位置上分布不均,导致能源中心远离负荷中心。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)因其开关频率小、运行损耗低、模块化构造和便于多端互联运行等显著优势成为新能源输送的优选技术,其在中国发展的特点是高电压、远距离、大容量以及架空线。随着越来越多MMC-HVDC工程的投运,直流侧短路故障包括直流侧极对极故障和极对地故障,成为阻碍MMC-HVDC发展的重要因素。因而提高MMC-HVDC对直流侧短路故障的适应性及主动防御能力成为中国发展柔性直流技术的关键挑战。  本文针对MMC-HVDC直流侧极对极短路故障,分析了其故障电路特征,在此基础上解释了不同类型MMC的闭锁原理,并针对目前换流器故障闭锁方案的不足,提出了MMC在零直流电压故障下穿越方案的基本原理及对子模块特性的需求。得出要使MMC具备故障穿越能力,必须使用具备负电平输出能力的子模块。同时,实现零直流电压故障穿越的关键是控制换流器桥臂输出电压的共模分量与差模分量分别与直流侧电压和交流侧电压相匹配,最终达到主动熄灭故障电流并使换流器为系统提供无功支撑的目的。最后提出了利用全桥-半桥混合型MMC的直流侧极对极短路故障穿越与恢复方案,得到了在故障期间半桥子模块和全桥子模块的多种协调配合工作方式。  本文针对MMC-HVDC直流侧极对地短路故障,分析了不同接地方式下的故障电路特征,得到了故障极桥臂直流电压分量是造成故障过电压和故障电流的主要因素,基于以上分析提出通过控制故障极桥臂直流电压分量为零,非故障极不变,达到消除故障过电压和故障电流的目的。而后从桥臂能量平衡的角度,分析了MMC在极对地故障期间无法直接传输有功功率的原因,并据此改进控制,通过新增桥臂相角控制变量,非对称地控制上下桥臂的输出电压,调节故障期间上下桥臂传输的有功功率,使非故障极桥臂承担所有的有功传输,而故障极桥臂只传输无功,实现系统的最大有功功率传输。  本文在PSCAD中搭建了20MW/±10kV的MMC-HVDC的仿真模型,对以上所提方案进行了验证。
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