摘要
采用模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流电网，具有运行方式灵活、多电源供电和多落点受电等优势，是实现大规模可再生能源发电汇集、输送和并网的有效手段。直流电网换流站间联系紧密，相互作用力强，直流侧发生短路故障，存在多个支路提供短路电流的现象，故障电流具有上升速率大，峰值高，故障传播速度快等特点，易造成耐受能力差的电力电子设备损坏，故障隔离困难等问题。因此，亟需研究针对柔性直流电网的故障穿越协调控制策略，以保证系统的安全稳定运行。本文分别从柔性直流电网故障特性分析、直流故障电流协同抑制策略设计、基于高速机械开关（High Speed Switch, HSS）配合的直流故障电流阻断方案等方面开展研究，主要研究工作如下： 首先，构建了柔性直流电网的总体构架；对混合型MMC的结构及工作原理进行了分析；梳理了HSS的耐受电流、端间电压等关键技术参数对其工作性能的影响。研究了单端MMC 直流侧短路故障电流的演变规律，构建了短路电流计算等效电路，推导了直流故障电流表达式，揭示了影响故障电流峰值及上升速率的关键因素，为直流故障穿越方案设计奠定了基础。 然后，在分析混合型MMC桥臂电压调节裕度的基础上，提出了故障线路MMC（Fault Line MMC, FLMMC）负压控制方法，其在抑制FLMMC电容放电的同时，能够主动吸收相邻线路放电电流，从而迅速清除故障线路电流。为有效抑制非故障线路MMC（Non-fault Line MMC, NFLMMC）向FLMMC的放电，提出了NFLMMC主动限流协同抑制方法，并设计了自适应于直流母线电压变化的参数选取原则，有效减少NFLMMC向FLMMC放电的同时，兼顾直流电压的恢复。设计了基于HSS开断的柔性直流电网直流故障电流阻断方案，并阐释了短路电流的具体阻断流程。仿真结果表明，所提出的直流故障电流阻断控制策略可有效抑制故障电流上升率及幅值，降低桥臂换流阀的过电流、过电压应力，其与HSS的相互配合能够迅速、可靠隔离故障，同时还能有效地降低故障的波及范围，增强系统的安全性和稳定性。 最后，提出了通过检测故障电流作为故障清除判据的故障类型判定原则，设计了基于HSS动作的柔性直流电网系统重启控制策略，瞬时性故障被识别后能够迅速恢复系统功率，提高直流电网运行稳定性。研究一种适用于永久性故障的功率转带控制方法，通过对故障状态下的MMC控制方式进行合理切换，实现了盈余功率的自主消纳。仿真实验证明，本文所提方法能够有效降低系统故障恢复期间的功率波动，提升系统的故障穿越能力。
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