模块化多电平矩阵换流器接入下的工频故障特性分析

何佳伟; 魏杰; 戴魏; 李斌; 周博昊; 吴通华

doi:10.7500/AEPS20240115003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

模块化多电平矩阵换流器接入下的工频故障特性分析

海上风电系统关键技术 | 更新时间：2025-06-16

- 模块化多电平矩阵换流器接入下的工频故障特性分析
- Analysis of Power Frequency Fault Characteristics Under Integration of Modular Multilevel Matrix Converter
- 电力系统自动化 2024年48卷第21期页码：49-60
- 作者机构：
  
  1.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津市 300072
  2.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市 211106
- 作者简介：
  
  何佳伟(1991—)，男，博士，副研究员，硕士生导师，博士副导师，主要研究方向：柔性输电系统（直流/低频）保护控制、新能源接入的电网保护控制。E-mail：hejiawei_tju@126.com
  魏杰(1999—)，男，硕士研究生，主要研究方向：柔性低频输电系统保护控制。E-mail：weijie_tju@163.com
  戴魏(1981—)，男，通信作者，硕士，高级工程师，主要研究方向：交直流电网保护与控制技术。E-mail：daiwei@sgepri.sgcc.com.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金杰出青年科学基金资助项目(52025071);国家自然科学基金资助项目(52207129)
- DOI：10.7500/AEPS20240115003
  中图分类号：
- 收稿：2024-01-15，
  
  修回：2024-05-17，
  
  网络出版：2024-09-13，
  
  纸质出版：2024-11-10
- 稿件说明：
移动端阅览
何佳伟,魏杰,戴魏等.模块化多电平矩阵换流器接入下的工频故障特性分析[J].电力系统自动化,2024,48(21):49-60.

HE Jiawei,WEI Jie,DAI Wei,et al.Analysis of Power Frequency Fault Characteristics Under Integration of Modular Multilevel Matrix Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(21):49-60.
何佳伟,魏杰,戴魏等.模块化多电平矩阵换流器接入下的工频故障特性分析[J].电力系统自动化,2024,48(21):49-60. DOI： 10.7500/AEPS20240115003.

HE Jiawei,WEI Jie,DAI Wei,et al.Analysis of Power Frequency Fault Characteristics Under Integration of Modular Multilevel Matrix Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(21):49-60. DOI： 10.7500/AEPS20240115003.

摘要

基于模块化多电平矩阵换流器（M3C）的柔性低频输电系统在中远海风电外送、异步电网互联等方面优势突出。然而，有别于模块化多电平换流器（MMC）等其他电力电子换流设备，M3C的控制策略将导致系统故障特性发生显著变化。现有将电力电子设备负序部分等效为开路的故障等值与响应特性计算方法无法适用。文中计及M3C正序定电容电压总平均值控制、负序电流注入控制以及环流控制分层构成的桥臂电容电压均衡策略，推导了工频侧线路故障以后，M3C输入输出功率均衡、桥臂功率均衡（电容电压均衡的必要条件）与正负序电压电流间的映射关系，由此构建了工频侧线路故障（不对称、对称）后的M3C输出电压电流响应特性的等效模型。在此基础上，提出了M3C接入下工频侧线路故障后电压电流响应特性的精确计算方法。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平台，搭建了海上风电柔性低频送出系统仿真模型，通过大量仿真算例充分验证了所提故障特性分析方法的正确性和精确性。

Abstract

The flexible low-frequency transmission system based on modular multilevel matrix converter (M3C) has outstanding advantages in medium- and far-offshore wind power transmission

and asynchronous grids interconnection. However

different from such power electronic converters as modular multilevel converter (MMC)

the M3C control strategy may result in significant changes in system fault characteristics. The existing fault equivalence and response characteristic calculation method is not applicable

in which the negative-sequence component of power electronic equipment is equivalent to an open circuit. In this paper

the mapping relationship between the input/output power balance

the bridge-arm power balance (necessary condition for the capacitor voltage balance)

and the positive- and negative-sequence voltage/current of M3C after system-side faults

is deduced considering the bridge-arm capacitor voltage balance strategy hierarchically composed of M3C positive-sequence capacitor voltage total average control

negative-sequence current injection control

and circulating current control. Thus

the equivalent models of M3C output voltage/current response characteristics after system-side faults (asymmetrical/symmetrical) are built. On this basis

the accurate calculation method for the voltage/current response characteristics after the system-side faults under the M3C integration is proposed. Finally

based on the PSCAD/EMTDC simulation platform

a simulation model of the offshore wind power flexible low-frequency transmission system is built

and the correctness and accuracy of the proposed fault characteristic analysis method are fully verified through a large number of simulation examples.

关键词

Keywords

references

迟永宁，梁伟，张占奎，等 . 大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 14 ）： 3758 - 3770 .

CHI Yongning ， LIANG Wei ， ZHANG Zhankui ， et al . An overview on key technologies regarding power transmission and grid integration of large scale offshore wind power ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 14 ）： 3758 - 3770 .

SHERMAN P ， CHEN X Y ， MCELROY M B . Wind-generated electricity in China： decreasing potential， inter-annual variability and association with changing climate ［J］. Scientific Reports ， 2017 ， 7 （ 1 ）： 16294 .

李磊，李彬彬，刘建莹，等 . 全直流海上风电场高压直流变压器及其换流失败故障穿越策略［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 4 ）： 1391 - 1400 .

LI Lei ， LI Binbin ， LIU Jianying ， et al . Ride-through strategy under commutation failure of high-voltage DC/DC transformer for all DC offshore wind farms ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 4 ）： 1391 - 1400 .

王锡凡，卫晓辉，宁联辉，等 . 海上风电并网与输送方案比较［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 31 ）： 5459 - 5466 .

WANG Xifan ， WEI Xiaohui ， NING Lianhui ， et al . Integration techniques and transmission schemes for off-shore wind farms ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 31 ）： 5459 - 5466 .

RUDDY J ， MEERE R ， O’LOUGHLIN C ， et al . Design of VSC connected low frequency AC offshore transmission with long HVAC cables ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2018 ， 33 （ 2 ）： 960 - 970 .

刘卫东，李奇南，王轩，等 . 大规模海上风电柔性直流输电技术应用现状和展望［J］. 中国电力， 2020 ， 53 （ 7 ）： 55 - 71 .

LIU Weidong ， LI Qinan ， WANG Xuan ， et al . Application status and prospect of VSC-HVDC technology for large-scale offshore wind farms ［J］. Electric Power ， 2020 ， 53 （ 7 ）： 55 - 71 .

KAWAMURA W ， HAGIWARA M ， AKAGI H . Control and experiment of a modular multilevel cascade converter based on triple-star bridge cells ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2014 ， 50 （ 5 ）： 3536 - 3548 .

王文杰，杨益平，杭丽君，等 . 应用于交-交变换的M3C矩阵变换器系统控制策略 [J ] . 电力系统自动化， 2020 ， 44 ( 12 )： 186 - 192 .

WANG Wenjie ， YANG Yiping ， HANG Lijun ， et al . Control strategy of M3C matrix converter system applied to AC-AC transformation [J ] . Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 ( 12 )： 186 - 192 .

孟永庆，王健，李磊，等 . 基于双 dq 坐标变换的M3C变换器的数学模型及控制策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 17 ）： 4702 - 4711 .

MENG Yongqing ， WANG Jian ， LI Lei ， et al . Research on modeling and control strategy of modular multilevel matrix converter based on double dq coordinate transformation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 17 ）： 4702 - 4711 .

国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . 光伏发电站接入电力系统技术规定： GB/T 19964—2012 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2013 .

General Administration of Quality Supervision ， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China ， Standardization Administration of the People’s Republic of China . Technical requirements for connecting photovoltaic power station to power system ： GB/T 19964—2012 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2013 .

孔祥平，张哲，尹项根，等 . 含逆变型分布式电源的电网故障电流特性与故障分析方法研究［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 34 ）： 57 - 66 .

KONG Xiangping ， ZHANG Zhe ， YIN Xianggen ， et al . Study on fault current characteristics and fault analysis method of power grid with inverter interfaced distributed generation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 34 ）： 57 - 66 .

李晔 . 柔性直流系统直流故障处理与交互影响研究［D］. 天津：天津大学， 2017 .

LI Ye . Research on DC fault treatment and interaction of flexible DC system ［D］. Tianjin ： Tianjin University ， 2017 .

王文博，李斌，何佳伟，等 . MMC接入的交流侧线路故障特征及故障分量方向元件的动作特性［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 10 ）： 103 - 111 .

WANG Wenbo ， LI Bin ， HE Jiawei ， et al . Fault characteristics of AC line connected to MMC and operating characteristics of fault component based directional relayings ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 10 ）： 103 - 111 .

ZHAO H Y ， ZHOU H Y ， YAO W ， et al . Multi-stage sequential network energy control for offshore AC asymmetric fault ride-through of MMC-HVDC system integrated offshore wind farms ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2023 ， 151 ： 109180 .

LIU S Q ， SAEEDIFARD M ， WANG X F . Analysis and control of the modular multilevel matrix converter under unbalanced grid conditions ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2018 ， 6 （ 4 ）： 1979 - 1989 .

赵勃扬，王锡凡，宁联辉，等 . 分频海上风电系统的不对称故障穿越控制［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 12 ）： 4589 - 4600 .

ZHAO Boyang ， WANG Xifan ， NING Lianhui ， et al . Ride-through control of fractional frequency offshore wind power system during unsymmetrical grid faults ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 12 ）： 4589 - 4600 .

郑涛，康恒，宋伟男 . 可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 23 ）： 130 - 140 .

ZHENG Tao ， KANG Heng ， SONG Weinan . Asymmetric fault ride-through control strategy for low-frequency transmission systems realizing the capacitor voltage balance of modular multilevel matrix converters ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 23 ）： 130 - 140 .

吴小丹，朱海勇，董云龙，等 . 面向柔性低频输电的模块化多电平矩阵变换器分频分层控制［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 18 ）： 131 - 140 .

WU Xiaodan ， ZHU Haiyong ， DONG Yunlong ， et al . Frequency-division and hierarchical control of modular multilevel matrix converter for flexible low-frequency transmission ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 18 ）： 131 - 140 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

海上风电低频输电系统快速母线保护

海上风电DRU-HVDC送出系统构网-跟网型风机容量配置

海上风电-柔直与常规直流混合馈入系统谐振稳定性分析及优化