模块化多电平换流器型直流输电
基于MMC的柔性直流配电网故障定位及保护配置研究
基于MMC的柔性直流配电网故障定位及保护配置研究一、本文概述随着能源结构的转型和电力电子技术的快速发展，直流配电网，特别是基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流配电网，逐渐成为未来智能电网的重要组成部分。
然而，与传统的交流配电网相比，直流配电网的故障特性和保护策略存在显著差异，这使得故障定位和保护配置面临诸多挑战。
因此，本文旨在深入研究基于MMC的柔性直流配电网的故障定位及保护配置问题，以提高电网的安全性和稳定性。
本文首先对柔性直流配电网的基本结构和工作原理进行介绍，重点阐述MMC的工作原理及其在直流配电网中的应用。
在此基础上，分析柔性直流配电网中可能出现的故障类型及其特性，包括线路故障、换流器故障等。
接着，本文深入探讨现有的故障定位方法，如行波法、阻抗法等，并分析其在柔性直流配电网中的适用性。
同时，针对柔性直流配电网的故障特性，研究适用于该系统的保护配置方案，包括过流保护、欠压保护等。
本文还将通过仿真实验和实际案例分析，对所提出的故障定位方法和保护配置方案进行验证。
通过仿真实验，模拟不同故障场景下电网的动态行为，评估故障定位方法的准确性和保护配置方案的有效性。
结合实际案例，分析故障发生的原因和处理过程，为实际工程应用提供参考。
本文旨在通过理论分析和实验研究，为基于MMC的柔性直流配电网的故障定位及保护配置提供有效的解决方案，为推动直流配电网技术的发展和应用提供理论支持和实践指导。
二、MMC技术及其在柔性直流配电网中的应用模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）是一种新型的高压大功率电力电子变换技术，由德国学者R. Marquardt和A. Lesnicar于2002年首次提出。
MMC由多个结构相同、相互独立的子模块（Sub-Module，SM）级联而成，通过控制子模块的投入与切除，可以灵活地调节输出电压的幅值和极性，从而实现直流电网的灵活、高效、可靠运行。
基于模块化多电平换流器结构的柔性直流控制策略
国 家 电 网公 司重 点 科 技 项 目（ Ｓ Ｇ Ｋ Ｊ Ｊ Ｓ Ｋ Ｆ ［ ２ ０ ０ ９ ］ ６ ３ ３ ） 。
高压 电容器 组 ．可 以在半 导 体器 件 发生 故 障 时避 免 桥 臂直 通故 障 桥臂 电抗 器 ， Ｊ 的使用 有 以下优 点 ：
（ １ ） 限制故 障 时 电流 ， 发 生 短路 故 障 ， 可 以 限制 电
电 压进 行平 衡 控 制 ． ４ ＿ ． 调 制 方式 选 择 的研 究 表 明 ］ ． 采用 合 适 的换 流器 控制 方 式 可 以降 低器 件 开关 频 率 ．
类换 流站 的 基础 两 电平或 者 ｊ 电平 结 构受单 个 开关 器 件 耐 压 限制 ． 需 要 使用 大量 开关 器 件 串联 ． 对 器 件 开通 关 断一 致性 、 串联 器件 均 压 特性 要 求 高 － ２ Ｉ ． 模 块
化 多 电平换 流 器 （ ＭＭＣ） 使 用子 模 块 串联 方 式 其 电容
柔 性 直 流 基 本 的控 制 功 能 方 面 的要 求
关键 词 ： 电压 源 换 流 器 ： 控制 ： 模 块化 多 电 平 ： 动 模
中 图分 类号 ： Ｔ Ｍ７ ２ １ ． １
文 献标 志码 ： Ａ
文章 编 号 ： １ ０ ０ ９ — ０ ６ ６ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ 卜０ ０ ０ ５ — ０ ４
海 南 汇柔 性直 流 输 电示 范工 程 参数 ． 采用 实 际 的上 位
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机 控 制设 备 和 阀控 电子设 备 ， 对 控 制 策 略进行 实时 仿
真 研 究
１ 换 流 器 拓 扑
两 电平 或 者 三 电平 换 流 器 结 构 的共 同特 点 是 在 直 流母 线 上 并 联 电容 器 ．一 旦 出现 半 导 体 器 件 故 障
基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术
第1卷第1期2011年1月电力与能源基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术刘 隽1,贺之渊2,何维国1,包海龙1,季兰兰2(1.上海市电力公司技术与发展中心,上海 200025; 2.中国电力科学研究院,北京 100192)摘 要:介绍了基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术的基本原理,推导了系统主电路的电压电流关系,并给出了仿真验证;介绍了模块化多电平变流器的控制方式,给出了一种M M C的控制结构;介绍了世界范围内柔性直流输电工程的应用情况,以及上海南汇柔性直流输电示范工程的工程概况、系统运行方式及控制策略,并讨论了用于南汇工程的直接电流控制的原理图和控制系统结构。
关键词:模块化多电平变流器;柔性直流输电;控制方式;示范工程中图分类号:T M723 文献标志码:A 文章编号:2095-1256(2011)01-0033-07The Introduction of Technology of HVDC Based on Modular Mu lti level C onverterL I U J un1,H E Zhi y uan2,H E W ei guo1,B AO H ai long1,J I L an lan2(1.T echnolo gy and Development Center,SM EPC,Shang hai200025,China;2.China Electric Po w er Research Institut,Beijing100192,China)Abstract:In the paper,the essential w or king mechanism of mo dular multi lev el co nv erter used in the flexible HV DC techno log y is int roduced fir st ly.In addition,the vo ltag e and cur rent relatio nship of the main cir cuit is der ived,w hich ar e ver ified by a simulat ion.T hen the contro l metho d o f the M M C is intr oduced,and a co ntr ol st ructur e of M M C w as g iv en.T he applicat ion situatio n o f VSC-HV DC pro ject in w o rld is intro duced in de tail.T he general informat ion,sy stem o per atio n mode and the co rr esponding co nt rol str ategy of the Shang ha i Nanhui flex ible H VDC demo nstr ation pr oject are described in detail.Fur ther mor e,t he elementary diag ram and co nt rol system structure of the direct curr ent contr ol are discussed.Key words:M M C;flex ible H V DC;contr ol mo de;demo nstr ation pro ject传统的基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-H V DC)工程采用的低电平电压转换器(VSC)具有开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、需要无源滤波器和变压器等缺点,并存在串联器件的动态均压等难题,多电平变流器通过电压叠加输出高电压,并且输出电压谐波含量少,无需滤波器和变压器,为了克服上述问题,提供了一种新的方案。
MMC-HVDC输电系统直流故障隔离综述
MMC-HVDC输电系统直流故障隔离综述周海鸿;杨明发;阮俊峰【摘要】基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)是一种新型的灵活输电方式.同交流输电技术相比,MMC-HVDC输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点.在当前各类MMC拓扑中,半桥型MMC具有所用器件少、运行效率高、经济性好等特点,但缺乏直流故障清除能力.本文简单介绍了半桥型MMC发生故障的原因,对目前MMC-HVDC输电系统直流故障隔离技术的国内外研究现状进行综述,并结合当前研究现状,展望了MMC-HVDC输电系统直流故障保护的新的研究方向.【期刊名称】《电气技术》【年(卷),期】2019(020)001【总页数】6页(P1-6)【关键词】模块化多电平换流器(MMC);直流故障隔离;柔性直流输电系统【作者】周海鸿;杨明发;阮俊峰【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院,福州 350116;福州大学电气工程与自动化学院,福州 350116;福州大学电气工程与自动化学院,福州 350116【正文语种】中文柔性直流输电可应用于以下领域：远距离大容量输电、海上风电场接入电网、分布式电源接入电网、向海上钻井平台或偏远地区供电[1]。
考虑到中国可再生能源发电资源的整合与并网以及远距离大容量传输的需求，需要开展建设基于电压源换流器的直流电网[2]。
同交流输电技术相比，高压柔性直流输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点[3]。
它可以充分利用各种能源资源的互补特性及现有的交直流输配电设备，实现广域大范围内能源资源的优化配置、大规模新能源电力的可靠接入以及现有电力系统运行稳定性的提升。
1990年，加拿大麦吉尔大学的Boon. Teck Ooi教授等人首先提出了基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术。
模块化多电平换流器（MMC）是一种新型电压源换流器的概念和拓扑结构，由德国慕尼黑联邦国防军大学学者A. Lesnicar和R. Marquardt在2001年首次提出[4]。
模块化多电平(MMC)电压源型换流器工作原理
模块化多电平（MMC）电压源型换流器1柔直输电的基本原理柔性直流输电系统作为直流输电的一种新技术,也同样由换流站和直流输电线路构成。
柔性直流输电功率可双向流动，两个换流站中的任一个既可以作整流站也可以作逆变站运行，其中处在送电端的工作在整流方式，处在受电端的工作在逆变方式。
为简明起见，以典型的三相两电平六脉动型换流器的柔性直流输电换流站为例，介绍柔性直流输电的基本原理。
系统结构如图2-1所示。
由图虚线划分可知，两端柔性直流输电系统可以看作为两个独立的静止无功发生器（STATCOM）通过直流线路联结的合成系统；对于交流系统而言，交流系统向柔性直流换流站提供连接节点，即换流站与交流系统是并联的。
由以上柔性直流输电系统拓扑结构特点分析可知，柔性直流输电系统具有STATCOM进行动态无功功率交换的功能，除此之外，由于两个电压源换流器（VSC）的直流侧互联，它们之间又具备了有功功率交换的能力，可以在互联系统间进行有功潮流的传输。
图2-1两端VSC-HVDC结构示意图（1－两端交流系统；2－联结变；3－交流滤波器；4－相电抗/阀电抗器；5－换流阀；6－直流电容；7－直流电缆/架空线路。
背靠背式两端VSC-HVDC不包含7）柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器/阀电抗器、联结变压器、交流滤波器、控制保护以及辅助系统（水冷系统、站用电系统）等。
电压源型换流器包括换流电路和直流电容器，实现交流电和直流电转换的换流电路由一个或多个换流桥并联（或串联）组成，目前在柔性直流工程中还未出现多个换流桥组成的组合式换流器，但组合式换流器可以达到降低开关频率，减少损耗的目的，在某些情况下也可能被采用。
电压源型换流桥可以采用多种拓扑结构，工程中常用的有三相两电平桥式结构，二极管钳位式三电平桥式结构、模块化多电平结构，还有工程中未曾应用，但研究者比较关注的二极管钳位多电平结构和飞跨电容多电平结构。
换流器中的每个桥有三个相单元，一个相单元有上下两个桥臂，每个桥臂或由一重阀（两电平）构成，或由两重阀（三电平）构成，或由多重阀（多电平）构成。
20171014关于柔性直流输电工程技术的探究
柔性直流输电技术探究柔性直流输电技术（VSC-HVDC）是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制技术为基础的新型输电技术，广泛应用于可再生能源的接入、孤岛供电、城市供电、电网互联等领域。
一、换流技术分类已有的柔性直流输电工程采用的VSC主要有三种：两电平换流器、三电平换流器以及模块化多电平换流器。
1.两电平换流器两电平拓扑结构：有六个桥臂，每个桥臂由IGBT和反向并联的二极管组成，其单个桥臂结构及输出波形如图1所示，波形输出值有正负U/2两种。
图1：两电平SVC单相波形2.钳位型三电平换流器三电平换流器可以输出+U/2、-U/2、0三种，拓扑结构以及单相输出波形如图2、3。
图2：钳位型三电平拓扑结构图3：三电平VSC单相波形前两种都是采用PWM来逼近正弦波形，但存在着谐波含量高，开关损耗大等缺陷。
3.模块化多电平换流器模块化多电平换流器（MMC）桥臂是由子模块（SM）级联的方式组成，每个桥臂由N个子模块和一个串联电抗器组成如图4所示。
图4：MMC结构图其中子模块一般采用半个H桥结构，如图5所示，其有三种工作状态，六种工作模式。
图5：H桥结构其中Uc为子模块的电容电压，usm、ism为子模块输出的电压电流。
模块化多电平换流器采用的是阶梯波的方式来逼近正弦波，当桥臂中的子模块超过一定数量时，换流器输出波形为近似正弦的阶梯波，如图6所示，无需安装过滤装置。
图6：模块化多电平输出单相波形与两电平、三电平换流器相比，模块化多电平换流器有着如下的优点：1.模块化设计，便于电压等级以及容量提升2.器件开关频率显著降低，减少了开关损耗3.输出的电压谐波含量大大减少，交流侧无需安装滤波装置二、柔性直流输电系统的主接线方式典型的直流输电系统有如下三种：对称单极系统、不对称单极系统、对称双极系统，单极对称系统正常运行时不会有工作电流流经接地点，不需要设置专门的接地极，当直流线路发生故障时，整个系统将不能运行；通过大地或者金属线还可以构成不对称结构，其换流阀所受电压为单极对称的两倍；将两个单极对称系统串联构成双极对称系统。
7、模块化多电平HVDC输电系统子模块电容值的选取和计算
第35卷第1期电网技术V ol. 35 No. 1 2011年1月Power System Technology Jan. 2011 文章编号：1000-3673（2011）01-0026-07 中图分类号：TM 72 文献标志码：A 学科代码：470·4054模块化多电平HVDC输电系统子模块电容值的选取和计算王姗姗1，周孝信1，汤广福1，贺之渊1，滕乐天2，刘隽2（1．中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192；2．上海市电力公司，上海市浦东区 200122）Selection and Calculation for Sub-module Capacitance inModular Multi-level Converter HVDC Power Transmission System WANG Shanshan1, ZHOU Xiaoxin1, TANG Guangfu1, HE Zhiyuan1, TENG Letian2, LIU Jun2(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;2. Shanghai Municipal Electric Power Company, Pudong District, Shanghai 200122, China)ABSTRACT: The mathematical relation between the value of sub-module capacitance and operational characteristics of HVDC system is analyzed in four aspects, i.e., the steady-state energy conversion process, dynamic response process of active power control and transient energy conversion process in modular multi-level converter HVDC power transmission system as well as the requirement to bridge arm protection during bipolar short-circuit fault, is researched. Based on the result of theoretical analysis, the principle and calculation method for the selection of modular multi-level sub-module capacitance are given. Usually, the value of the sub-module capacitance is calculated according to the voltage fluctuation and the requirement to dynamic response characteristic of active power control, and the calculation result is verified by transient voltage fluctuation of sub-model and the requirement to the bridge arm protection. Utilizing the model based on electromagnetic transient simulation software PSCAD, a practical design case is simulated, and simulation results show that the proposed selection principle and calculation method are reasonable and feasible.KEY WORDS: voltage source converter; HVDC power transmission; modular multi-level converter (MMC); sub-module capacitance; parameter design摘要：从模块化多电平柔性直流输电系统稳态能量交换过程、有功功率控制动态响应特性、暂态能量交换过程及直流双极短路故障时桥臂保护要求4个方面分析了子模块电容值与直流系统运行特性之间的数学关系。
mmc模块化多电平换流器波形
mmc模块化多电平换流器波形
MMC（Modular Multilevel Converter）模块化多电平换流器是
一种高压直流断路器，主要用于高压直流输电系统中将交流电转换为直流电或者将直流电转换为交流电。
它的主要优点是可以实现较高的电压调节范围、较低的谐波含量以及较好的容错能力。
MMC的波形主要取决于其控制策略和所采用的调制技术。
一
般来说，MMC的输出电压波形是多电平波形，在正常运行状
态下，其形状近似于一个正弦波，但是波形的幅值可以在几个不同的电平之间进行调节，以实现对输电系统的电压控制。
具体来说，MMC的波形通常采用PWM（Pulse Width Modulation）调制技术产生。
PWM调制技术通过调节开关器
件的开关周期和占空比，来控制输出电压的波形。
在MMC中，每个模块都有自己的PWM控制器，通过协调各个模块的开通
和关断动作，可以实现多电平的输出波形。
对于MMC来说，常见的多电平输出波形有三电平和五电平波形。
三电平波形通过控制开关器件的开通和关断，使得输出电压可以在三个电平（正、零、负）之间进行切换。
五电平波形则通过增加两个电平（正中、负中）来进一步提高输出电压的精度。
这些多电平波形可以有效地降低谐波含量，提高功率转换效率。
总之，MMC模块化多电平换流器的波形是通过PWM调制技
术产生的多电平波形，可以根据需要进行电压调节，以满足不同的输电系统要求。
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模块化多电平换流器型直流输电
【摘要】电网规模不断扩大，清洁能源的开发利用越来越受到关注，智能电网让太阳能、风能等新能源并入电网并能对其介入过程自行控制，对清洁能源的投入并网和补偿机制的研究势在必行。
本文结合南汇风电场柔性直流输电工程，简单分析柔性直流输电的控制原理及基础理论。
【关键词】柔性直流控制方式换流阀
1引言
上海南汇柔性直流输电技术示范工程是国内首例柔性直流输电工程，将上海南汇风电场发出的风电能源并入上海电网之内。
柔性直流输电技术通过对两端电压源换流器的有效控制可以实现两个交流有源网络之间有功的相互传送，在有功传送的同时，各端电压源换流器还可以调节各自所吸收或发出的无功，对所联两端交流系统予以无功支持，是一种具有快速调节能力、多控制变量的新型直流输电系统。
2一次系统结构
柔性直流换流站的一次系统结构为35KV交流系统通过开关连接至换流变，将交流侧的电压变换为换流阀输入所需要的电压（31KV）然后进行交/直流变换（直流电压为±30KV），通过直流线路输送至对侧换流站再进行直/交流变换。
每个桥臂每相分别安装一个阀电抗器。
阀电抗器是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，它决定换流阀的功率输送能力、有功功率与无功功率的控制；同时阀电抗器能抑制换流阀输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。
另外，换流电抗器还能抑制短路电流。
3柔性直流运行模式和控制方式
MMC可以通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，独立地控制输出的有功功率和无功功率。
有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于Uc。
因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制Uc就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。
从系统角度来看，VSC可视为一无转动惯量的电动机或发电机，可以实现有功和无功功率的瞬时独立调节，进行四象限运行。
4柔性直流换流阀原理
模块化多电平换流器阀是由多个IGBT子模块进行级联而成的，单个子模块
中由两个IGBT串联组成一个半桥换流器，同时并联一个直流支撑电容，辅助元件包括快速旁路开关（真空断路器）、短路保护晶闸管（压接式晶闸管）、均压电阻、还有子模块控制器（SMC，Sub-Module Controllers）。
旁路开关的作用：用于切除故障模块的快速切除和冗余模块的快速投入。
当旁路开关合位时，此子模块处于“冷备用”。
当旁路开关分闸时，将子模块投入，当旁路开关合闸时，将故障模块切除，一旦子模块发生故障旁路开关合闸后，必须等到换流阀改为检修状态时方可打开。
短路保护晶闸管的作用：在直流侧短路故障发生后，断路器断开前这段时间内进行处触发导通，以承担本应该流过续流二极管的过电流，起到保护续流二极管的作用。
均压电阻的作用：起到为电容器电压提供一个静态均压的作用，另外还为均压控制中的电容电压反馈提供一个电阻分压后的检测通道。
子模块控制器的作用：接受VBC的信号，导通和关断IGBT，触发短路保护晶闸管，控制旁路断路器，测量电容电压，并将子模块相关状态信息量上传VBC。
两个IGBT将对应四种开关状态，但是由于子模块自身的特点，两个IGBT 同时开通时将造成电容器的短路放电，产生非常大的短路电流，并且如果保护不当将造成器件损坏，因此这种状态是不允许出现的。
具体的状态分析如下：
4.1状态1：两个IGBT都处于关断
此状态可以看做两电平换流器的一相桥臂两个开关器件关断。
当电流从直流正极向交流端流动时（定义为正向），电流流过子模块的续流二极管D1向电容充电；当电流反向流动，则将直接通过续流二极管D2将子模块旁路。
在正常运行时，此状态不应该出现。
只有当系统处于启动充电过程中，将所有的调制子模块（SM）置成此状态，通过续流二极管D1为电容充电。
此外，当出现严重故障情况下，所有的子模块也将控制成此种状态。
4.2状态2：IGBT1开通，IGBT2关断
此状态下，当电流正向流动时，电流将通过续流二极管D1流入电容，对电容充电；当电流反向流动时，电流将通过IGBT1为电容放电。
此工作状态有如下特点：电流可以双向流动；不管电流从何种方向流动，子模块输出端总会引出子模块电容电压；子模块电容可以充、放电，取决于电流的方向，这一特点可帮助各子模块电容电压均衡、将其维持在同一水平值。
4.3状态3：IGBT1关断，IGBT2开通
此状态下，当电流正向流通时，电流将通过IGBT2将子模块（SM）的电容电压旁路；当电路方向流通时将通过续流二极管D2将电容旁路。
此时的工作状态具有如下特点：电流可以双向流动；不管电流从何种方向流动，子模块电容电压不会受到影响；子模块输出端引出的仅是开关器件的通态压降，约为零电压，这一特点使子模块能够冗余。
5结语
柔性直流技术作为新技术发展很快，实际运用也将越来越广泛，为验证新技术的稳定性和可靠性，需要技术人员通过结合实际反复改进试验方法，让可再生能源得到更多利用。
参考文献：
[1]管敏渊，徐政，屠卿瑞，潘伟勇.模块化多电平换流器型直流输电的调制策略[J].电力系统自动化，2010.1.
[2]李庚银，吕鹏飞，李广凯，等.轻型高压直流输电技术的发展与展望[J].电力系统自动化，27（4），2003：77-80．。