Fast Protection Scheme for Bipolar Face-to-face Modular Multilevel Converter Based DC Transformer

LIAO Jianquan; HU Chengbin; GAO Shilin; TAN Zipeng; WANG Yuhong

doi:10.7500/AEPS20240610001

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Fast Protection Scheme for Bipolar Face-to-face Modular Multilevel Converter Based DC Transformer

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Fast Protection Scheme for Bipolar Face-to-face Modular Multilevel Converter Based DC Transformer
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 9, Pages: 187-198(2025)
- 作者机构：
  
  四川大学电气工程学院，四川省成都市 610065
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Youth Program of National Natural Science Foundation of China(52207126);Natural Science Foundation of Sichuan Province(2024NSFSC0869)
- DOI：10.7500/AEPS20240610001
  CLC：
- Received：10 June 2024，
  
  Revised：2024-11-15，
  
  Published Online：21 March 2025，
  
  Published：10 May 2025
- 稿件说明：
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廖建权,胡成彬,高仕林等.双极面对面模块化多电平换流器型直流变压器快速保护方案[J].电力系统自动化,2025,49(9):187-198.

LIAO Jianquan,HU Chengbin,GAO Shilin,et al.Fast Protection Scheme for Bipolar Face-to-face Modular Multilevel Converter Based DC Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(9):187-198.
廖建权,胡成彬,高仕林等.双极面对面模块化多电平换流器型直流变压器快速保护方案[J].电力系统自动化,2025,49(9):187-198. DOI： 10.7500/AEPS20240610001.

LIAO Jianquan,HU Chengbin,GAO Shilin,et al.Fast Protection Scheme for Bipolar Face-to-face Modular Multilevel Converter Based DC Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(9):187-198. DOI： 10.7500/AEPS20240610001.

摘要

隔离型直流变压器(DCT)是多电压等级直流系统的关键设备，具有多功率变换级和多模块化的拓扑结构。然而，DCT发生内、外部故障时，其端口故障特性受DCT非线性控制和拓扑的双重约束，传统差动保护方法难以适用。文中针对面对面模块化多电平换流器型DCT(FTF-MMC-DCT)进行研究，提出两种分别基于端口直流量微分和漏电流的双极FTF-MMC-DCT保护策略。首先，根据不同故障类型下的电流流通路径，结合模块化多电平换流器等效电路，建立了含DCT的多级直流电网故障分析模型。在此基础上，归纳DCT内外部故障特性差异，提取了DCT直流电压电流微分、端口漏电流两种典型故障特征量。然后，设计了分别基于直流电压电流微分和漏电流的两种DCT保护方案，并从保护快速性、灵敏性、可靠性等方面对两种方法进行对比。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了含双极FTF-MMC-DCT的多级直流电网仿真模型。仿真结果表明，所设计的保护方案均能在2 ms内快速识别故障，并具有较强的耐受过渡电阻能力。

Abstract

Isolated DC transformer (DCT) is the key equipment of multi-voltage-level DC system

which has multiple power conversion levels and multi-modular topology. However

when internal and external faults occur in DCT

the port fault characteristics are subject to the dual constraints of DCT nonlinear control and topology

and the traditional differential protection method is difficult to apply. In this paper

the bipolar face-to-face modular multilevel converter based DCT (FTF-MMC-DCT) is studied

and two bipolar FTF-MMC-DCT protection strategies based on port DC differential and leakage current are proposed. First

according to the current flow path under different fault types

combined with the MMC equivalent circuit

a fault analysis model of multi-level DC grid with DCT is established. On this basis

the differences in internal and external fault characteristics of DCT are summarized

and two typical fault characteristic quantities of DCT DC voltage and current differential and port leakage current are extracted. Then

two DCT protection schemes based on DC voltage and current differential and leakage current are designed

and the two methods are compared from the aspects of protection rapidity

sensitivity and reliability. Finally

a multi-level DC grid simulation model with bipolar FTF-MMC-DCT is built in PSCAD/EMTDC. The simulation results show that the designed protection scheme can quickly identify the fault within 2 ms

and has strong ability to withstand transition resistance

关键词

Keywords

references

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