【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),沒有無功補償與換相失敗問題,可以為無源系統(tǒng)供電,且能夠獨立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功與無功功率。在新能源并網(wǎng)、異步電網(wǎng)互聯(lián)、孤島和弱電網(wǎng)供電等領域有著廣闊的應用前景。然而,柔性直流輸電系統(tǒng)直流線路保護的問題,卻成為其發(fā)展的一大阻礙。柔直線路的保護問題主要存在于以下兩個方面:一方面柔直線路邊界特性少,對故障識別的快速性要求高,傳統(tǒng)的高壓直流輸電線路保護方案不再適用。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,導致故障電流過大,現(xiàn)有的直流斷路器無法實現(xiàn)故障隔離。針對上述問題,本文從直流線路故障識別與故障隔離兩方面對柔性直流輸電線路的保護問題做了以下研究。首先,為了便于后文對直流線路保護方案的驗證,本文在PSCAD平臺上搭建了一個三端MMC-HVDC模型,并對其拓撲結(jié)構(gòu)與控制方式進行了詳細介紹。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)域能夠正常運行。在此模型的基礎上,以子模塊閉鎖為界限,推導出故障發(fā)生前后直流線路電流的表達式,為后文故障限流策略提供理論支撐。隨后對所搭建的三端模型,進行了穩(wěn)態(tài)運行和直流側(cè)短路兩種運行模式下的仿真驗證。結(jié)果表明,本章所搭建的模型運行穩(wěn)定,故障特性明顯,適宜用作直流線路保護研究。隨后結(jié)合直流線路區(qū)內(nèi)外故障的附加網(wǎng)絡圖對故障線路電壓電流突變量的方向特性做了詳細分析,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方案,該方案利用故障發(fā)生時,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)外故障識別判據(jù),并利用故障發(fā)生時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,所提出的故障識別方案能準確識別區(qū)內(nèi)區(qū)外故障,受分布電容的影響小,在故障暫態(tài)過程即可可靠動作而無需等到暫態(tài)過程結(jié)束,滿足直流線路速動性的要求,且能夠有效判斷出故障類型。針對直流故障線路的隔離問題,本文提出了一種新型的故障限流模塊。該限流模塊拓撲簡單,能夠有效抑制直流側(cè)故障過電流,通過與直流斷路器的配合,能夠?qū)崿F(xiàn)故障線路的快速隔離。從拓撲結(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,對所提出的限流模塊做了詳細的分析,并在此模塊的基礎上設計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)模型對該故障隔離方案進行了仿真驗證,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,實現(xiàn)故障線路的快速隔離,且不影響非故障線路的正常運行。
【圖文】：

華北電力大學碩士學位論文第 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、負荷等組成[37]。為了更好地研究直流側(cè)特性，，本章設計了如示的±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 子模塊拓撲結(jié)構(gòu)的三層控制C-HVDC 的控制系統(tǒng)共分為三個層次：系統(tǒng)級控制(上層控制)、組級控制。MMC 的閥組級控制是其自身特殊的控制級，而系統(tǒng)控制與傳統(tǒng)的 VSC-HVDC 類似[38]。換流站級控制和閥組級控制工作的基本目的是根據(jù)系統(tǒng)級控制所給出指令，協(xié)調(diào)換流器的整有功功率、定無功功率、定交流電壓和定直流電壓的控制目標。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 子模塊的開通與關斷。以換流站 1 為例，換流站 1 采用直流無功功率控制，其控制模塊設計如下圖 2-3 所示。其余三個換流指令值如下表 2-3 所示。
【學位授予單位】：華北電力大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM721.1

【參考文獻】

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本文編號：2702016