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MMC-HVDC系统换流器等效建模及换流站接地保护方案探讨

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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 作者:上海论文网
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  • 日期:2022-11-15
  • 来源:上海论文网

电力论文哪里有?本文通过对传统戴维南等效模型的分析可知,传统戴维南等效模型具有在预充电工况和直流故障工况下精度较差的问题,针对这一问题,通过对预充电工况和直流故障工况的桥臂电流特性分析,分别建立两种工况下的戴维南等效模型,并将其与传统戴维南等效模型相结合,提出了一种考虑预充电和直流故障工况的改进戴维南等效模型,并给出了相应的参数赋值方法。

第1章 绪论

1.2 课题研究现状

1.2.1 MMC研究现状

随着现代电力系统对新能源并网、各子系统互联的要求越来越高,交流输电与LCC-HVDC逐渐无法满足工程需要。而两电平或三电平VSC在损耗、波形质量等方面逊色于模块化多电平换流器,所以MMC-HVDC在电力系统中所占比重逐年升高,现已成为学者们研究的热点领域。

现有模块化多电平换流器按照子模块拓扑型式的不同可划分为半桥子模块型、全桥子模块型以及钳位双子模块型[9,10]三种类型。其中全桥子模块型和钳位双子模块型可以利用其自身的结构完成换流器直流侧故障的自清除,将换流器从系统中屏蔽,从而实现换流器的故障穿越,并且可以使用半桥型子模块的控制方法,但是这两种子模块拓扑结构较为复杂,造价昂贵,而且现如今直流断路器的研究工作取得了很大的进展,直流断路器可以切断的最大电流不断刷新,所以目前工程上应用的绝大多数MMC-HVDC系统的换流器均采用半桥型子模块级联组成,本文后续的建模与保护的配置均针对半桥型子模块。

最早采用基于模块化多电平换流器的直流输电工程为美国的湾区跨海工程[11]。我国最早采用这一技术的是上海的南汇示范工程,虽然这一工程规模较小,但是为我国后续的MMC-HVDC工程积累了宝贵的经验。在我国现有直流输电工程中,双端伪双极拓扑的MMC-HVDC系统被广泛使用,故本文的研究对象为双端伪双极MMC-HVDC系统。

第3章    MMC-HVDC系统换流器接地保护方案

3.1 MMC传统直流差动保护

3.1.1 直流差动保护的基本原理

MMC-HVDC系统换流器的接地主保护为直流差动保护,但直流差动保护在换流变压器阀侧发生接地故障时有可能会出现误动的情况,选择性较差。针对这一问题,首先通过分析在换流变压器阀侧发生接地短路时接地点的短路电流情况找到直流差动保护发生误动的原因,其次分析换流器正常工况和内部接地故障时的电流特性,最后综合以上分析提出一种柔性直流输电系统换流器接地保护新方法,该方法可以替代直流差动保护作为MMC接地故障主保护。

伪双极接线柔性直流输电系统换流器结构如图3-1所示,直流差动保护为柔性直流输电换流器的接地故障主保护,该保护通过检测直流侧双极线路出口的电流差值来实现对换流器内接地故障的保护.

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直流差动保护的范围为如图3-1所示的A1区域,该区域为换流器直流出口侧的正极和负极电流互感器与变压器阀侧之间的电气连接部分,所保护的故障类型为该区域内的接地故障。但是换流器接地主保护的理想保护区域应为图1中的A2区域,也就是说,K1属于换流器的区外接地故障,该故障发生时直流差动保护不应该动作,但是实际动作情况恰恰相反,换言之,在换流变阀侧发生接地故障时,MMC直流差动保护存在误动的风险,为了解决这个问题,下面对换流变压器阀侧接地故障进行电流分析。

第4章    MMC-HVDC系统换流站站域接地保护方案

4.1 MMC-HVDC智能换流站

MMC-HVDC智能换流站运用先进的智能设备,依托通讯技术实现全站的数字化以及数据共享标准化,进而实现数据采集,状态监控,保护控制,智能调节等功能,并可以根据实际需要完成站间的信息交换、区域内部的协同互动,为交直流混联电网的站域保护提供有力的支撑。智能换流站的具体结构如图4-1所示,其包含站控层、间隔层、过程层,下面对这三层结构进行简单介绍。

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4.2 站域保护的基本框架及差动环路的定义

站域保护依托智能换流站以及广域保护思想而建立,常见的站域保护主要有两种框架,分别为部分集中型站域保护和全部集中型站域保护,下面对这两种框架分别进行介绍,并定义差动环路。

4.2.1 全部集中型站域保护

全部集中型站域保护的原理如图4-2所示,这种站域保护取消了所有的就地保护层,拥有信息共享且不受干扰的优势,由所有互感器的信息被合并单元所采集并上传至SV网络,智能终端的开关量被上传至GOOSE网络中,站域保护1-N按需取得信息并进行处理分析,最后将跳闸、闭锁等处理结果通过GOOSE网下达至各智能终端或者通过广域网络与其他换流站进行共享,在集中决策后实现全站的控制与保护。

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结论

针对MMC的电磁暂态仿真模型和换流站接地保护方面存在的不足,本文在对MMC-HVDC拓扑结构、控制方式以及数学模型的研究基础上,提出了一种考虑预充电和直流故障工况的改进戴维南等效建模方法,并在基于此模型搭建的双端伪双极MMC-HVDC系统的基础上,提出了MMC换流站的接地保护方案,最后得出以下结论:

(1) 通过对传统戴维南等效模型的分析可知,传统戴维南等效模型具有在预充电工况和直流故障工况下精度较差的问题,针对这一问题,通过对预充电工况和直流故障工况的桥臂电流特性分析,分别建立两种工况下的戴维南等效模型,并将其与传统戴维南等效模型相结合,提出了一种考虑预充电和直流故障工况的改进戴维南等效模型,并给出了相应的参数赋值方法,该等效模型修正了预充电工况与直流故障工况下换流器由于闭锁原因产生的电流通路变化导致的参数误差,并且考虑了IGBT通态电阻与VD通态电阻的不同,对戴维南桥臂参数赋值进一步细化,精度相较于传统戴维南等效模型有所提升。而后针对改进后的戴维南等效模型无法仿真桥臂内部故障的问题,通过增设一故障节点并分别建立故障节点两侧的戴维南等效模型来实现对桥臂内部故障的仿真。通过以上方法的改进,戴维南等效模型可更加准确有效的对MMC桥臂内部故障进行仿真。

(2) 针对模块化多电平换流器直流差动保护在换流变压器阀侧发生接地故障时可能存在的误动问题,计算了在换流变压器阀侧发生接地短路时接地电流并详细分析了接地电流的成分,得出了直流差动保护在换流变压器阀侧故障时发生误动的原因。通过对换流器内部正常工况和发生接地故障时换流器内部电流的分析并结合直流差动保护误动的原因提出了一种柔性直流输电换流器接地保护新方法,该方法可替代直流差动保护作为换流器接地保护的主保护,增强了MMC主保护的选择性。

参考文献(略)

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