【摘要】：與傳統(tǒng)晶閘管的常規(guī)直流輸電技術(shù)相比,基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性直流輸電系統(tǒng),沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償與換相失敗問(wèn)題,可以為無(wú)源系統(tǒng)供電,且能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功與無(wú)功功率。在新能源并網(wǎng)、異步電網(wǎng)互聯(lián)、孤島和弱電網(wǎng)供電等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而,柔性直流輸電系統(tǒng)直流線路保護(hù)的問(wèn)題,卻成為其發(fā)展的一大阻礙。柔直線路的保護(hù)問(wèn)題主要存在于以下兩個(gè)方面:一方面柔直線路邊界特性少,對(duì)故障識(shí)別的快速性要求高,傳統(tǒng)的高壓直流輸電線路保護(hù)方案不再適用。另一方面,柔直系統(tǒng)常用的半橋型MMC子模塊在直流故障發(fā)生后全部閉鎖,形成不控整流橋,導(dǎo)致故障電流過(guò)大,現(xiàn)有的直流斷路器無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障隔離。針對(duì)上述問(wèn)題,本文從直流線路故障識(shí)別與故障隔離兩方面對(duì)柔性直流輸電線路的保護(hù)問(wèn)題做了以下研究。首先,為了便于后文對(duì)直流線路保護(hù)方案的驗(yàn)證,本文在PSCAD平臺(tái)上搭建了一個(gè)三端MMC-HVDC模型,并對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方式進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該模型采用的控制策略,能夠確保在故障隔離后,非故障區(qū)域能夠正常運(yùn)行。在此模型的基礎(chǔ)上,以子模塊閉鎖為界限,推導(dǎo)出故障發(fā)生前后直流線路電流的表達(dá)式,為后文故障限流策略提供理論支撐。隨后對(duì)所搭建的三端模型,進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和直流側(cè)短路兩種運(yùn)行模式下的仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,本章所搭建的模型運(yùn)行穩(wěn)定,故障特性明顯,適宜用作直流線路保護(hù)研究。隨后結(jié)合直流線路區(qū)內(nèi)外故障的附加網(wǎng)絡(luò)圖對(duì)故障線路電壓電流突變量的方向特性做了詳細(xì)分析,并介紹了夾角余弦的概念,提出了一種基于電壓電流突變量方向夾角余弦值的直流線路故障后備保護(hù)方案,該方案利用故障發(fā)生時(shí),故障與非故障狀態(tài)下直流線路兩端的電壓、電流突變量夾角余弦值的不同作為區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù),并利用故障發(fā)生時(shí)直流線路兩極電壓的數(shù)值差異構(gòu)造故障極判據(jù)。在所搭建的三端模型驗(yàn)證了該方案在不同故障類型下的可行性。結(jié)果表明,所提出的故障識(shí)別方案能準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)內(nèi)區(qū)外故障,受分布電容的影響小,在故障暫態(tài)過(guò)程即可可靠動(dòng)作而無(wú)需等到暫態(tài)過(guò)程結(jié)束,滿足直流線路速動(dòng)性的要求,且能夠有效判斷出故障類型。針對(duì)直流故障線路的隔離問(wèn)題,本文提出了一種新型的故障限流模塊。該限流模塊拓?fù)浜?jiǎn)單,能夠有效抑制直流側(cè)故障過(guò)電流,通過(guò)與直流斷路器的配合,能夠?qū)崿F(xiàn)故障線路的快速隔離。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、限流原理、各元件參數(shù)的整定以及線路損耗等方面,對(duì)所提出的限流模塊做了詳細(xì)的分析,并在此模塊的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了完整的故障清除策略。利用所搭建的三端柔性直流系統(tǒng)模型對(duì)該故障隔離方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明所提出的故障清除策略能夠有效地限制故障電流,實(shí)現(xiàn)故障線路的快速隔離,且不影響非故障線路的正常運(yùn)行。
【圖文】：

華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 多端柔性直流電網(wǎng)的建模與故障特性分析.1 多端柔性直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多端柔性直流輸電系統(tǒng)，主要由交流電源、聯(lián)結(jié)變壓器、MMC 變換器、直路、直流斷路器、負(fù)荷等組成[37]。為了更好地研究直流側(cè)特性，，本章設(shè)計(jì)了如示的±400kV 三端柔性直流輸電系統(tǒng)。這種手拉手的結(jié)構(gòu)形式，能夠保證在其個(gè)換流站發(fā)生直流側(cè)故障后，非故障區(qū)域的換流站仍然能夠正常運(yùn)行，有利于直流側(cè)的故障特性。

（a）子模塊正常工作 （b）子模塊故障閉鎖圖 2-2 半橋型 MMC 子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三層控制C-HVDC 的控制系統(tǒng)共分為三個(gè)層次：系統(tǒng)級(jí)控制(上層控制)、組級(jí)控制。MMC 的閥組級(jí)控制是其自身特殊的控制級(jí)，而系統(tǒng)控制與傳統(tǒng)的 VSC-HVDC 類似[38]。換流站級(jí)控制和閥組級(jí)控制工作的基本目的是根據(jù)系統(tǒng)級(jí)控制所給出指令，協(xié)調(diào)換流器的整有功功率、定無(wú)功功率、定交流電壓和定直流電壓的控制目標(biāo)。搭建的模型，閥控制使用的是電容電壓均衡控制算法和 NLM 調(diào)MC 子模塊的開(kāi)通與關(guān)斷。以換流站 1 為例，換流站 1 采用直流無(wú)功功率控制，其控制模塊設(shè)計(jì)如下圖 2-3 所示。其余三個(gè)換流指令值如下表 2-3 所示。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM721.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2702016