Research on overvoltage analysis and insulation coordination for converter station of MMC-MTDC

The new clean energy has the disadvantages of small capacity, unstable transmission power, wide and scattered on distributing. It is difficult to integrate new clean energy into the grid stably by means of AC transmission or traditional DC transmission technology. The half-bridge submodule modular multilevel transmission technology (MMC-HVDC) has a wide application field. It has long-distance and large-capacity transmission capability, which can provide a power transmission platform for a variety of new energy interconnections and transmissions, but lacks the ability to clear DC faults. The multi-terminal DC (MTDC) system with high voltage hybrid DC circuit breaker can quickly cut off the faulty line by selectively breaking the DC circuit breaker to ensure continuous power supply to other parts of the system. At present, there is no practical engineering application in which DC circuit breakers are matched with overhead lines. There are few studies on the influence of DC circuit breaker operation on the overvoltage of MTDC system, and there is a lack of insulation coordination standards for MMC-HVDC system. The ±500kV MMC-MTDC transmission system is taken as the research object in this paper, and the overvoltage characteristics of the converter station and the insulation coordination of the equipment in the station are studied. Firstly, this thesis deduces the mathematical model of the converter station of the MMC-HVDC system, and designs the controller structure of the converter station. In addition, the key equipment model of system for switching and lightning overvoltage simulation is presented. Based on the derived mathematical model, controller structure and equipment model, the electromagnetic transient model of MMC-MTDC grid can be build. After that, the validity of the controller and model is verified by the dynamic response verification of the model. Secondly, this thesis analyzes the transient process and overvoltage level under the typical fault of MMC-MTDC converter station, and studies the influencing factors of switching overvoltage from four aspects: DC circuit breaker action, grid operation mode, grounding mode of the converter station and control protection system. Moreover, the factors affecting lightning overvoltage of the converter station are studied from the aspects of tower parameters, topography and lightning strike position. By analyzing the influencing factors of switching and lightning overvoltage, the simulation conditions of the representative overvoltage of the key equipment of the converter station are obtained. On this basis, the maximum overvoltage level at each key node of the converter station and intrinsic characteristics of the overvoltage of MMC-MTDC converter station are summarized. Finally, based on the engineering experience of MMC-MTDC system, this paper proposes five kinds of arrester configuration schemes of the converter station for different protection modes of converter valve, bridge arm reactor and smoothing reactor. In addition, according to voltage grade and overvoltage level of the system, the appropriate arrester parameters are selected, and the insulation level of each equipment of the converter station is determined by considering the insulation margin. At the same time, using the improved analytic hierarchy process to comprehensively consider the insulation level, insulation margin, engineering cost, installation and maintenance difficulty and other factors, the arrester configuration scheme with the optimal technicality and economy is obtained. The optimal scheme is to reserve the ground arrester and remove the equipment parallel arrester, which provides the theoretical basis for the design and application of subsequent practical projects.

Le nuove risorse rinnovabili hanno gli svantaggi della capacità ridotta, della potenza di trasmissione instabile ed è ampia e dispersa nella distribuzione. È difficile integrare in modo stabile e affidabile le nuove risorse rinnovabili nella rete già esistente mediante la trasmissione in corrente alternata o attraverso il sistema tradizionale in corrente continua. La tecnologia di trasmissione half-bridge submodule modular multilevel (MMC-HVDC) ha un ampio campo di applicazione. Ha la capacità di trasmissione a lunga distanza e a grandi capacità. Quindi, può fornire un sistema di trasmissione di potenza per le nuove energie pulite, ma in questa tecnologia manca la capacità di eliminare i guasti DC. Il sistema multi-terminal DC (MTDC) con interruttore DC ibrido ad alta tensione, può interrompere rapidamente la linea difettosa interrompendo selettivamente l'interruttore nel circuito DC per garantire un'alimentazione continua ad altre parti del sistema. Al momento, non esiste un'applicazione di ingegneria pratica in cui gli interruttori di circuito DC siano usati nelle linee aeree. Esistono pochi studi sull'influenza del funzionamento dell'interruttore del circuito in dc sulla sovratensione del sistema MTDC e mancano gli standard di coordinamento dell'isolamento per il sistema MMC-HVDC. Il sistema di trasmissione MMC-MTDC da ± 500 kV viene preso come oggetto di ricerca in questa tesi e vengono studiate le caratteristiche di sovratensione della stazione di conversione insieme al coordinamento dell'isolamento delle apparecchiature nella stazione elettrica. In primo luogo, questa tesi ricava il modello matematico della stazione di conversione del sistema MMC-HVDC e progetta la struttura del controllore di quest’ultima. Inoltre, viene presentato il modello con i punti chiave del sistema per la simulazione di sovratensione da commutazione degli interruttori e dai fulmini. Sulla base del modello matematico derivato, della struttura del controllore e del modello delle apparecchiature, è possibile costruire il modello transitorio elettromagnetico della rete MMC-MTDC. Successivamente, la validità del controllore e del sistema viene verificata mediante la prova della risposta dinamica del modello. In secondo luogo, questa tesi analizza il processo del transitorio e del livello di sovratensione durante i tipici guasti della stazione di conversione MMC-MTDC e studia i fattori di influenza della sovratensione da commutazione da quattro aspetti: azione dell'interruttore DC, modalità di funzionamento della rete, modalità di messa a terra della stazione di conversione e la logica del sistema di protezione. Inoltre, i fattori che influenzano la sovratensione dai fulmini della stazione di conversione sono studiati attraverso i parametri della torre, dalla topografia e dalla posizione del fulmine. Analizzando i fattori di influenza della sovratensione da commutazione e da fulmine, si ottengono le condizioni di simulazione degli apparecchi chiave della stazione di conversione. Su questa base, vengono riepilogati il livello massimo di sovratensione su ciascun nodo chiave della stazione e le caratteristiche intrinseche della stazione di conversione MMC-MTDC. Infine, sulla base dell'esperienza ingegneristica nei sistemi MMC-MTDC, questo documento propone cinque tipi di schemi di configurazione per il dispersore di terra della stazione di conversione. Inoltre, in base al livello di tensione e al livello di sovratensione del sistema, vengono selezionati i parametri appropriati del dispersore e il livello di isolamento di ciascuna apparecchiatura della stazione di conversione viene determinato considerando il margine di isolamento. Allo stesso tempo, utilizzando il processo di gerarchia analitica migliorato per considerare in modo completo il livello di isolamento, il margine di isolamento, i costi di ingegneria, le difficoltà di installazione e manutenzione e altri fattori, si ottiene lo schema di configurazione del dispersore con economicità e tecnicità ottimali. Lo schema ottimale è quello di usare solo il dispersore di terra e rimuovere invece il dispersore in parallelo alle apparecchiature, che fornisce le basi teoriche per la progettazione e l'applicazione di successivi progetti pratici.