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不同故障条件下MMC对系统的影响

时间:2020-05-18 来源:华东交通大学 本文字数: 5201字
作者:唐喆 单位:华东交通大学
  摘要
  
  MMC(Modular  Multilevel  Converters)因为易级联、谐波含量低、低损耗等优点,在高压直流输电中已经得到广泛研究以及应用。另外,随着对智能配电网的发展,采用MMC构建的电力电子变压器也开始受到学术界和工业界的重视并展开了研究。对MMC-HVDC  (Modular  Multilevel  Converters–High  Voltage  DC  transmission)系统的研究主要集中在电压不平衡控制,环流控制,冗余模块投切等领域。对MMC-PET(ModularMultilevel  Converters-Power  Electric  transform)系统的研究则主要集中在能量的双向流动,系统内部短路等领域。作为上述系统中关键环节的MMC,其在各个系统中故障状态下的运行特性及解决方案却研究不多。因此,本文分析MMC-HVDC和MMC-PET在不同故障条件下对系统的影响。


不同故障条件下MMC对系统的影响
 
  
  首先,本文着重介绍了MMC-HVDC阀侧单相接地短路故障,并对其做出了较为详尽的分析。通过建立可靠的数学模型,得出精确的计算公式,进而定量分析出阀侧单相接地短路故障后交直流侧电压电流的变化,且在MATLAB/Simulink平台建立了对应的仿真模型验证其正确性,为后续研究继电保护做铺垫。
  
  然后阐述了MMC内部桥臂电感发生不同程度、不同数量、不同位置的短路,通过对内部相间环流进行分析,得出传输功率、直流侧电压和直流侧电流等变量的解析表达式,从而定量分析出桥臂电感短路后对整个系统的影响,并通过MATLAB/Simulink仿真验证其正确性。
  
  接下来对智能配电网电压跌落下的电力电子变压器变结构运行进行研究,阐述了模块化多电平电力电子变压器在电网电压跌落下的几种工作模式,通过改变其控制方式,且依靠系统中电容储能来延长电网正常输送时间,还保证了系统不发生低频振荡现象,最后通过MATLAB/Simulink来验证其工作模式的可靠性。
  
  关键词:   阀侧单相接地故障;桥臂电感短路故障;电压跌落;运行模式。
  
  ABSTRACT
  
  MMC  (Modular  Multilevel  Converters)  has  been  widely  studied  and  applied  in  HVDC transmission because of its advantages of easy cascading, low harmonic content and low loss. In  addition,  with  the  development  of  smart  distribution  networks,  power  electronic transformers  built  with  MMC  have  begun  to  receive  attention  and  research  from  academia and industry. The  research on MMC-HVDC (Modular Multilevel Converters  – High Voltage DC  transmission)  system  mainly  focuses  on  voltage  imbalance  control,  circulation  control, redundant  module  switching  and  other  fields.  The  research  on  MMC-PET  (Modular Multilevel Converters-Power Electric Transform) system mainly focuses on the two-way flow of  energy,  internal  short  circuit  and  other  fields.  As  the  key  link  in  the  above  system,  the MMC has little research  on the operating characteristics and solutions under fault conditions in  various  systems.  Therefore,  this  dissertation  analyzes  the  impact  of  MMC-HVDC  andMMC-PET on the system under different fault conditions.
  
  First  of  all,  this  paper  focuses  on  the  single-phase  grounding  short-circuit  fault  of  the MMC-HVDC  valve  side,  and  makes  a  detailed  analysis.  By establishing  a  reliable mathematical  model,  the  accurate  calculation  formula  is  obtained,  and  then  the voltage-current  variation  of  the  AC-DC  side  after  the  valve-side  single-phase  grounding short-circuit  fault  is  quantitatively  analyzed,  and  the  corresponding  simulation  model  is established  on  the  MATLAB/Simulink  platform  to  verify  its  correctness.  For  the  follow-up study of relay protection.
  
  Then,  the  short  circuit  of  the  internal  bridge  arm  inductance  of  MMC  is  described  in different  degrees,  different  quantities  and  different  positions.  By  analyzing  the  internal phase-to-phase  current,  the  analytical  expressions  of  variables  such  as  transmission  power, DC side voltage and DC side current are obtained, so as to quantitative analysis. The effect of the  bridge  arm  inductance  on  the  whole  system  after  short  circuit,  and  its  correctness  is verified by MATLAB/Simulink simulation.
  
  Finally, the research on the operation of power electronic transformer under the voltage drop  of  smart  distribution  network  is  carried  out,  and  the  work  of  Modular  Multilevel Converters-Power  Electric  Transform  under  the  voltage  drop  of  the  grid  is  expounded.  By changing  the  way  it  is  controlled  and  relying  on  capacitive  energy  storage  in  the  system  to extend  the  normal  delivery  time  of  the  grid,  and  to  ensure  that  the  system  haven’t  low-frequency  phenomenon,  and  verify  the  reliability  of  its  working  mode  through MATLAB/Simulink.
  
  Key  words:    valve  side  single  phase  ground  fault;  bridge  arm  inductance  short  circuit  fault; voltage drop; operating mode 。
  
  第一章  绪论
  
  本章针对高压直流输电和电力电子变压器的研究重点进行了介绍,从理论分析和实际工程两个方面进行了分类和讨论,且简要探讨了各个方面的特性和原理,并在章节最后介绍了本文的主要研究内容。
  
  1.1  研究背景。
  
  随着电力系统的不断发展,电网已经覆盖到我国大部分地区,人类活动也愈加依赖更为可靠的电网。由于电网的规模与日俱增,所以发生故障的概率也相应增加,因此保证电力系统的稳定运行至关重要。由于现代大型电力系统故障种类繁多,本文主要针对MMC-HVDC和MMC-PET中一些常见且较为严重的故障进行机理分析,对这些故障的发生、发展过程中系统主要部件的电压和电流应力的规律进行分析,研究故障现象的产生原因及其危害,为寻找出合适的故障判据以及为判据制定合理的故障保护策略做铺垫。近年来国内外学界逐渐展开对MMC系统的研究,但对其的底层机理和特性的认识仍然不够深入,仍有很大研究潜力[1-2]。
  
  为了将西南的水电输往华东、华南和华中用电中心,目前,我国已建成从云南楚雄到广东增城等三条±800k V的超高压直流输电线路,从而达到了“西电东送”的目的,也使我国在直流输电领域成为世界上输送距离最远、输电电压最高、输电容量最大的国家。
  
  但随着输电工程越来越多,发生在换流器上的故障概率和故障种类也相应增多,而换流器又是直流输电线路上最为关键的器件之一,一旦无法正常运行,将有可能导致“电压崩溃”,严重影响用户用电。
  
  1.1.1  高压直流输电。
  
  
  
  MMC-HVDC系统的构成可分为二端系统和多端系统两大类。由于直流断路器至今仍处于应用阶段,从而限制了多端直流输电系统的发展。目前为止,世界各国已建和在建的直流输电工程除个别外,都是二端直流输电系统。它的构成又可分成单极、双极和背靠背换流站三类[1]。
  
  如图1-1所示,一线-地制的线路投资比较少,但大地回流所经之处,会造成埋在地下或放置地面的金属管道及其他设施发生电腐蚀,还可能对邻近的通信系统及交流电力系统产生恶劣影响。
  
  
  
  单极两线制以低绝缘导线代替大地(海水)回路,从而可避免大地(海水)回流方式所带来的腐蚀、干扰等问题,但会增加线路投资,因而大多用于双极系统分期建设过程中,仅作为一种过渡方式。其中单极两线制中的回流中性线的一端需要接地,以固定系统中各种设备的对地电位。
  
  如图1-2所示,双极两线-地制是采用最多的一种构成方式,此方式是通过两个换流器串联,并用直流线路与其他两个换流器并联,其优点是大地回流可省一根导线,本文仿真也采用此类结构。在正常运行时,大地回路只流过远小于额定电流的不平衡电流,大大减轻了一线-地制单极系统大地回路所带来的不利影响;但在一极发生故障时,大地回路仍将流过额定电流。
  
  
  
  双极三线制以低绝缘中性线代替大地回路,其一端接地,以固定各种设备的对地电位。金属回路总是能避免大地回路所带来的不利影响,但会增加线路投资。
  
  如图1-3所示,背靠背换流站的主要优点是直流侧损耗很小,因而直流侧均可选用低电压、大电流设备,从而可以降低直流侧设备的成本;直流侧高次谐波无法干扰通信线路,因此不需要直流滤波器,从而减小平波电抗器的电感值。这些优点使得背靠背换流站的造价明显降低,所以应用场合远多于常规换流站。
  
  我国直流输电技术起步比较晚,从上世纪中期才开始着手从事这方面的研究。到目前为止,我国已投运或规划了20余项高压直流输电工程,而且计划在2020年之前投运应超过30个,并且以后会有更多的工程坐落于神州大地。但是设备的增加也带来了电力系统发生故障概率升高的问题,因此为了保证整个电力系统的正常运行必须深入分析故障机理。
  
  现代大型电力系统有着各种各样的故障,本文着重分析MMC高压直流输电系统中一些常见故障,比如阀侧单相接地短路故障、桥臂电感短路故障以及电网电压跌落等,并对这些故障的发生、发展过程中各个部件的电压、电流、功率等进行分析,研究故障现象并对其进行量化分析,寻找出可靠的故障判据,同时甄选较为合理的保护策略。
  
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  1.1.1  高压直流输电
  1.1.2  电力电子变压器
  1.2  研究现状.
  1.2.1  HVDC研究现状.
  1.2.2  PET研究现状.
  1.2.3  MMC低频振荡研究现状
  1.3  主要研究内容.
  l 3.1  本文的选题意义
  1.3.2  本文的研究内容
  
  第二章  MMC-HVDC 系统阀侧故障特性分析
  
  2.1  引 言.
  2.2  MMC基本原理和结构
  2.3  阀 侧单相接地故障分析.
  2.4  MMC-HVDC交流侧等效数学模型
  2.4.1  交流 侧电路模型的建立.
  2.4.2  阀侧交流 母线电流的计算
  2.4.3  直流侧电压 与电流的计算.
  2.5  MMC-HVDC系统阀侧故障波形图
  2.5.1  仿真模型参数 .
  2.5.2  单 相接地故障仿真计算过程.
  2.5.3  单相接地故障仿真过程.
  2.5.4  仿真值与理论值的对比.
  2.6  本章小结
  
  第三章  MMC换流器桥臂电感短路故障特性分析
  
  3.1  引言.
  3.2  叠 加逼近调制方案.
  3.3  各种桥臂电感短路故障.
  3.3.1  单相. 上桥臂电感短路故
  3.3.2  单相上下桥臂 电感短路故障
  3.3.3  两相桥臂电感短路故障
  3.4  MMC换流器桥臂电感短路故障特性研究.
  3.4.1  单相. 上桥臂电感短路故障.
  3.4.2  单相上下桥臂电感短路故障.
  3.4.3  两相桥臂电感短路故障.
  3.5  三种桥臂电感短路故障比较.
  3.6  本章小结.
  
  第四章 智能配电网电压跌落下的电力电子变压器运行研究
  
  4.1  引言.
  4.2  MMC-PET 基本原理,
  4.2.1  MMC- PET拓扑结构.
  4.2.2  MMC-PET 控制方法.
  4.3  配电网 电压跌落时MMC -PET工作模式 .
  4.3.1  三种工作模式 .
  4.3.2  含储能环节的MMC-PET故障工作模式.
  4.4  配电网 电压跌落时MMC -PET的变结构运行
  4.4.1  变结构 工作模式,
  4.4.2  设计与仿真.
  4.5  改进的 MMC PET结构与实验分析.
  4.6  智能配电网电压跌落下的电力电子变压器运行研究波形图
  4.6.1  系统改进 前波形,
  4.6.2  系统改进 后波形图
  4.7  本章小结.

  第五章  总结

  本文的研究工作初步探讨了MMC-HVDC和MMC-PET在故障下运行的问题,并在MATLAB/Simulink搭建了MMC-HVDC和MMC-PET的仿真模型,同时分析了两个系统发生故障时的运行状态,并通过仿真验证。本文的主要研究内容及成果如下:

  1) MMC-HVDC阀侧交流母线单相接地故障发生后,由于系统的对地参考点发生了变化,使得阀侧交流母线非故障相电压上升为1.732倍;引起直流正负极母线电压出现正弦波动,但直流极间电压保持不变。整流侧的直流功率在故障前后维持在18MW左右,波动幅度不到自身的1%,无功功率也维持在0MVar左右。由于中性点偏移,直流电流也出现了以基频的形式的正弦波动,但波动有限。阀侧交流母线电流基本保持稳定,且直流极间电流保持不变,所以交直流线路不承受任何过电流的影响。同样,由于中性点偏移,从而造成中性点电流产生波动,所以对对地绝缘有一定影响,但过流程度低,不影响系统的正常工作。

  2)桥臂电感短路故障对阀侧母线电压电流影响不大,但对环流影响较大,进而影响直流侧电压与电流,导致系统功率不能正常传输。叠加逼近调制方案在故障前后都具有抑制环流中的二倍频分量的效果。单相上下桥臂电感短路故障对系统的影响最小,故障后系统在一定情况下可以短时间运行,但必须及时检修。而单相桥臂电感短路故障和两相桥臂电感短路故障对系统的影响较大,功率不能正常输送,尤以两相桥臂电感短路故障最为严重,结果可能导致电压崩溃,严重损害变电设备,所以在故障发生后必须要对系统及时检修。

  3)在配电网电压跌落至0期间,MMC-PET相比于传统变压器可以在短时间内维持逆变输出电压稳定;采用变MMC结构运行模式可以将子模块电容上的储存能量用于维持逆变输出电压稳定,延长维持时间;在配电网侧加入合适的接地电感和接地电阻,可以抑制变MMC结构模式运行时配电网母线出现的电流低频振荡现象。这样就能在电压跌落的情况下,不仅保证向用户端持续输送电能,又能很好地解决电网侧电流的低频振荡问题。

  参考文献

  原文出处:唐喆. MMC运行故障特性分析及控制[D]. 华东交通大学 2019
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