串联接入电网的电压源型变流器暂态特性与故障穿越研究

Currently, the voltage source converter (VSC) is widely used in the power electric devices, such as grid-connected inverter, active power filter, dynamic voltage recover, unified power flow controller and power electrical transformer. The topology and control strategy of VSC are the two research hotspot at present. There are study efforts for the transient characteristic of paralleled connected VSC, however, the series connected VSC is rarely studied. The series connected VSC is more vulnerable to the impact of fault current and its applications are increasing, all of which bring huge challenges to the grid safety operation. This project firstly sets up critical performance index of the series connected VSC, and extracts the transient characteristic of the series connected VSC under multi-factor influences; then it establishes the dynamic mathematic model of the series connected VSC considering the whole fault process; at last, a protective approach and optimal fault ride-through strategy of multi-time scale series connected VSC is presented and the stability control span of the series connected VSC which is capable of fault ride though under poor power quality is also explored. The findings of this project may be helpful for solving the general issues of transient characteristic and fault ride-through of the power electronics devices containing series connected VSC, and promoting the development of the power electronics dominated power systems.

目前，电压源型变流器已广泛应用于并网逆变器、有源电力滤波器、动态电压恢复器、统一潮流控制器、电力电子变压器等电力电子装置中，其拓扑与控制策略是当前研究的热点。其中，并联接入电网的电压源型变流器暂态特性已有研究，但串联接入电网的电压源型变流器（简称：串联型VSC）在这方面的研究非常少。串联型VSC比并联型VSC更容易受到电网故障电流冲击，且串联型VSC在电网中应用越来越多，这些均给新形势下电网安全运行带来了巨大挑战。项目首先建立串联型VSC可靠运行的关键性能指标，提取多因素影响下串联型VSC的暂态特征；其次，建立考虑故障全过程的串联型VSC动态数学模型；最后，提出多时间尺度下串联型VSC的保护方法及故障穿越优化控制策略，探索具有故障穿越能力的串联型VSC稳定控制范围。项目的研究成果将有利于解决含串联型VSC的电力电子设备暂态特性及故障穿越的共性问题，促进电力电子化趋势下电网的健康稳定发展。

串联接入电网的电压源型变流器（简称：串联型VSC）在电压质量控制、电网潮流控制等方面优势显著，在呈现高度电力电子化趋势的电网中占据重要位置。为推动含串联型VSC的相关电力电子设备工程化应用，提升含串联型VSC电网的供电可靠性等难点问题，本项目开展了串联接入电网的电压源型变流器暂态特性与故障穿越研究，揭示了串联型VSC在不同电网故障类型下的暂态特性，解决了串联型VSC的全过程动态建模问题；研究了串联型VSC的故障穿越方法，解决了串联型VSC与电网的协调保护配合难题；设计和搭建了相关软件仿真平台及半实物实验平台。本项目研究主要成果包括：.（1）分析了含串联型VSC的多种拓扑结构及不同控制策略差异，并以含串联型VSC结构的背靠背型动态电压恢复器为例，深入分析了其并联侧的最大带载能力，串联侧的最大输出能力，以及故障下其最小能量柔性切换的暂态过程。.（2）设计了适用于串联型VSC故障穿越的两种拓扑，通过限制故障期间的过电流幅值，实现其安全可靠运行。一是在串联型VSC交流侧增设反并联晶闸管支路，通过滤波电感和串联变压器的复用形成一个较大的等效阻抗；二是将双向晶闸管支路移至串联型VSC的直流侧，故障期间封锁双向晶闸管与变流器模块，导通晶闸管支路的可控管以形成桥式限流结构。.（3）构建了配电网故障下不同故障穿越方法的全过程暂态模型，刻画了故障下串联型VSC的安全运行区间；提出了一种控制反并联晶闸管触发角的故障电流主动调控方法，满足了配电网保护整定值的设置要求。.（4）搭建了数字仿真平台、半实物模拟实验平台，在此基础上验证了所提拓扑与控制策略的正确性和有效性。.在该研究项目支持下，本项目组成员按研究计划完成了全部研究内容，较好实现了项目的既定研究目标。共资助发表学术论文21篇（其中SCI检索8篇、EI检索7篇）；申请发明专利6（已授权3项）、授权实用新型专利3项；登记软件著作权3项；相关成果获江西省人民政府科技进步一等奖1项。