主动限制直流短路电流的MMC方案研究

High voltage dc circuit breaker has high expenditure and great difficulty in device development mainly because of the dc fault current in dc grid that rises very fast to high peak with huge fault energy. Modular multilevel converter (MMC) is the dominate converter topology of dc grid and maintaining MMC continuous operation during dc fault is required in dc grid protection. This research project takes advantages of the continuous operation of MMC, and proposes respectively from the improved control and improved topology perspectives, two MMC schemes with active dc fault current limiting capability. The first scheme is the improved MMC control method based on reversed common-mode voltage injection. By reducing the discharging time of MMC capacitors, this scheme can limit the rising rate and the peak of dc fault current and substantially reduce the fault energy generated. The second scheme is the improved MMC topology based on controllable inductors. By dynamically control the inductors conducted in the MMC arms, this scheme can limit dc fault current as well as avoid the undesired issues caused by line inductors such as the interruption on system dynamic performance, and also significantly accelerate the fault energy dissipation. The two schemes in this proposal can substantially reduce the strict requirement of current breaking stress and fault energy dissipation of high voltage dc breaker and result in significant reduction in expenditure and device development, which provides new ideas for the design of the dc grid protection.

直流电网短路电流上升速度快、峰值高、短路能量大是高压直流断路器研制难度大、成本高的重要原因。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)是直流电网的主流换流器拓扑方案，直流故障不间断运行能力是直流电网对MMC提出的新要求。本项目拟利用MMC不间断运行能力，从控制和拓扑两个角度提出能够主动限制短路电流方案。一种方案是基于反向共模电压注入的MMC控制方法。通过减小MMC电容放电时长，限制短路电流的上升速度和峰值，从而降低系统产生的短路能量。另一种方案是基于可控电抗的MMC改进拓扑。通过动态控制投入桥臂的限流电抗值，在限制短路电流的同时，降低线路电抗带来的系统暂态性能下降问题，并明显提升短路能量的耗散速度。本项目提出的主动限流MMC方案，能够降低对高压直流断路器开断能力和能量消耗的要求，降低直流断路器研发难度和系统成本，为直流电网技术发展提供新思路。

本项目完成了主动限制直流短路电流MMC方案的理论和技术研究，为高压柔性直流电网的直流故障处理困难、固定限流电抗过大带来动态性能和稳定性下降、直流断路器研制困难等瓶颈问题提供了新的解决思路。主要研究成果如下：.（1）提出了一种考虑MMC主动限流控制的直流短路电流计算方法。通过引入电容放电状态占空比D来体现MMC主动限流控制对直流短路电流的影响，基于状态空间平均理论，建立了直流短路暂态状态方程，给出了直流短路电流与占空比D相关的时域解析表达式，为MMC主动限流控制策略设计提供了理论依据。.（2）提出了基于虚拟电抗特性的MMC主动限流控制策略。从理论上揭示了MMC的虚拟电抗特性及其与占空比D的数学关系，提出了基于虚拟电抗特性的MMC限流控制策略，能够直接控制直流短路电流上升速度，可以避免闭锁控制带来的桥臂电抗和功率器件过压，以及旁路控制带来的交流过流严重和直流线路电压过低等问题，为固定限流电抗器和直流断路器优化提供了有效的控制手段。.（3）研究了考虑MMC主动限流控制的固定限流电抗优化方案。分析了MMC虚拟电抗特性与固定限流电抗器的替代关系，研究了MMC虚拟电抗控制的边界，给出了固定限流电抗参数优化方法。对于同样的故障清除条件（相同故障清除时刻、相同故障电流），能够在不改变系统安全运行范围（不增加交流电流和桥臂电流）前提下，令固定限流电抗下降约33%，故障清除时间缩短约40%，需要耗散的故障能量下降约40%。.（4）研究了考虑MMC主动限流控制的直流断路器优化方案。给出了MMC电容放电状态占空比与直流断路器关键参数（最大关断电流、机械开关时间、MOA吸收能量）的定量关系，给出了直流断路器参数优化方法。对于同等最大关断电流条件，能够在不改变系统安全运行范围前提下，令直流断路器允许关断时间从3ms延长至4.3ms，需要耗散的故障能量下降约40%。.在国内外高水平学术刊物上发表论文8篇，其中SCI收录3篇、EI收录4篇。授权国家发明专利3项。入选2019年中国科协青年人才托举工程，获2019年中国电力企业联合会电力科技创新二等奖。获得国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目资助。