MMC-MTDC系统直流单极对地短路故障保护策略

直流侧故障保护是基于模块化多电平换流器(MMC)的多端柔性直流输电(MTDC)系统的关键问题。现有文献主要对直流双极短路故障展开研究,而直流单极接地故障同样可能对系统安全运行产生严重影响。首先针对不同的换流器接地方式,分析半桥型MMC-MTDC单极对地短路故障特性,指出交流侧低阻抗接地方式下存在的问题,为实际工程接地阻抗选择提供一定参考。利用全桥型MMC的短路电流清除能力,提出一种单极对地短路故障快速恢复保护策略,能够在交流侧低阻抗接地方式下避免交流断路器跳闸。PSCAD/EMTDC仿真结果证明了故障特性分析的正确性和所提出的故障保护策略的有效性。     

并联型多端直流输电系统的控制策略与故障特征

为适应并联型多端直流输电系统更灵活、更精准的电压、电流控制要求,对其控制保护策略进行了研究,提出了一种适用于并联型多端直流输电系统的控制策略和一种直流线路短路故障下不依赖直流断路器的故障清除策略,并研究了交流系统短路故障时多端直流系统与2端直流输电系统的不同特征。对一个并联型4端双极直流输电系统进行仿真分析,结果显示所提出的控制策略可行、有效,控制模式切换不会引起系统明显扰动,且在直流线路短路故障时可摆脱对直流断路器的依赖。相比2端系统,多端系统逆变站交流侧短路故障对系统的冲击更严重。     

多端柔性直流故障快速恢复系统控制策略

介绍了多端柔性直流输电工程技术改造的配置方案,该方案采用直流断路器、桥臂阻尼的混合配置,实现多端柔直的直流故障快速恢复。基于直流断路器的分断原理、桥臂阻尼衰减电流的原理,设计了故障选线策略,适用于双极短路故障和单极接地故障。基于配置方案中的各个设备及故障选线策略,设计了直流故障时快速恢复的时序,并结合舟山五端柔直的实际拓扑,对舟山五端柔直区域进行划分,合理实现健全站的快速恢复。利用舟山柔直实际控保装置和RTDS设备组建仿真系统,验证故障选线及快速恢复功能,最后在舟山五端柔直工程现场模拟线路故障,验证了故障快速恢复策略的正确性。     

考虑线路电容的MMC-HVDC系统 直流接地故障电流计算方法

研究模块化多电平换流站直流侧故障的暂态特性,对直流系统保护配置的设计、系统参数的优化等有重要的工程意义。考虑直流线路对地电容的影响,提出了一种直流侧单极接地故障电流计算方法。首先对直流线路进行π型等效处理,分析了MMC-HVDC系统在三种不同接地方式下的直流侧单极接地故障电流的产生机理。对不同接地方式下的换流站进行数学建模,基于基尔霍夫定律建立系统的微分方程,通过Matlab求解系统的故障电流。基于PSCAD/EMTDC仿真平台,建立MMC-HVDC直流系统模型。仿真结果验证了故障电流算法的精确性。     

一种基于电流微分初始值的直流配电网故障定位方法

直流配电网故障定位是排查故障、确保线路安全的关键手段。基于此提出了一种基于电流微分初始值的直流配电网故障定位方法。首先推导了基于电压源型变换器的直流配电网线路发生双极短路故障和单极接地故障时故障电流的微分方程,并利用双极短路故障和单极接地故障中正负极线路的电压和电流突变量差异来判定故障的类型。其次通过电压源型变换器直流侧电容的放电过程提取故障电流信息,且根据限流电抗器上的电压降得到故障电流的微分等量表达式,并联立所推导的故障电流微分初始值方程获得故障定位的数学模型,从而实现故障距离的准确定位。最后利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建仿真模型,验证了所提故障定位方法的有效性。     

基于暂态功率方向的柔性直流配电网线路单极接地保护方法

单极接地故障是柔性直流配电网最为常见的故障。采用小电流接地方式的MMC型柔性直流配电网发生单极接地故障时,短路电流小(主要是分布电容电流),故障识别困难,柔性直流配电网接地故障检测亟待解决。利用相模变换建立了基于MMC的多端环状柔性直流配电网单极接地故障的零模网络电路,分析了零模网络换流器和直流线路的阻抗特性。在所关注的特征频段内将零模网络简化等效,分析得到故障线路两端的零模电压导数与零模电流的极性均相反,非故障线路两端至少有一端的零模电压导数与零模电流极性相同。利用该故障线路与非故障线路差异特征,设计了一种利用暂态功率的方向纵联保护方法。其中故障线路两端暂态功率方向均为负,非故障线路两端功率方向至少有一端为正。最后在PSCAD/EMTDC平台搭建仿真验证。结果表明,所提保护方法能可靠识别区内区外故障,不依赖线路边界元件,无需数据同步,具有较好的耐受过渡电阻能力。     

柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案

基于柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决中国新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一,而高压直流断路器是构建直流电网的核心设备之一。从多端直流系统发生直流侧短路故障的机理及故障电流的发展趋势入手,以舟山5端柔性直流输电工程为例,分析了发生最严酷短路故障时,直流母线上故障电流的特性,基于分析结果提出了直流电网对直流断路器的需求;结合对现有直流断路器技术路线的对比分析,提出了一种适用于柔性直流输电网的新型快速直流断路器技术方案,并通过仿真分析验证了所提出的新型直流断路器能够满足柔性直流输电网快速切除故障电流的需求。     

柔性直流电网直流线路故障的过电压机理分析

针对对称单极结构的MMC型柔性直流输电系统,首先深入分析了直流侧单、双极短路的故障电流演变规律,进而揭示了非故障极充电和波过程分别是导致单极接地故障和双极短路故障过电压的主要原因。然后,以一个三端柔性直流电网为例进行仿真验证,并重点分析了不同因素对过电压的影响。研究结果表明,故障电阻对过电压峰值影响较大,而换流站闭锁、接地方式、线路保护等因素的影响较小。最后,对单极、双极故障过电压进行了总结和对比分析。     

模块化多电平换流器型高压直流变压器的直流故障特性研究

下一代高压直流电网技术成为未来电网发展的重要方向,高压直流变压器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备,也是制约直流电网推广的技术瓶颈之一。然而有关模块化多电平换流器型高压直流变压器(modular multilevel converter based HVDC transformer,M-HVDCT)拓扑的故障响应特性和故障穿越能力的研究尚未见诸报道。在搭建PSCAD/EMTDC仿真模型的基础上,首先分析了M-HVDCT的直流侧线路双极短路、单极接地短路故障机理,分析了系统的故障输出特性。结果表明,双极短路时的子模块电容放电是造成瞬态电流冲击的主因,而变压器耦合的阀侧馈能则是稳态故障电流的原因;M-HVDCT对双极短路故障具有故障隔离能力,而单极接地短路故障则会因为变压器的耦合作用而传到非故障侧,从而给系统带来负面影响。仿真实验结果验证了理论分析的正确性,研究结果将为直流电网技术的工程化研究提供重要的理论和工程应用基础。     

基于MMC的柔性直流配电网故障定位及保护配置研究

结合深圳多端柔性直流配电示范工程,研究了柔性直流配电网的保护配置和直流线路故障定位方法。首先根据实际工程的电路拓扑结构,明确了柔性直流配电网保护区域的划分方法。其次结合MMC换流器及直流配电网的故障特性,提出了各保护区域的保护配置方案。最后针对直流线路"T"接负荷与微电网的特点,重点介绍了直流线路单极故障、双极故障及断线故障的保护配置和故障定位方法。在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC下搭建了基于MMC的直流配电网仿真模型,通过仿真验证了保护配置策略的正确性和直流线路故障定位的可行性。     

环形直流微网短路故障分析及保护方法

以环形风电直流微网为研究对象,深入分析直流母线发生双极短路故障时电压源变流器(VSC)的故障特性,并据此提出以电流差动保护为主保护、欠电压保护为后备保护的环形直流微网故障定位与保护方案。该方案通过检测直流线路的输入、输出电流及其差动电流来定位和隔离故障线路,并配备欠电压后备保护以确保故障下直流微网系统的安全运行。基于MATLAB/Simulink对环形直流微网进行仿真研究以验证所提保护策略的可行性。仿真结果表明,在线路发生双极短路故障时,保护系统能够根据线路差动电流值做出快速响应,从而实现了直流微网系统短路故障的定位和隔离。     

考虑故障限流器动作的直流电网限流电抗器优化配置

模块化多电平换流器(MMC)型柔性直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的有效手段,其直流故障限流是线路保护所面临的重要技术挑战之一。根据直流电网双极短路故障后电容放电机理,考虑故障限流器投入过程与直流断路器的切断过程,并兼顾了金属氧化物避雷器(MOA)的能量耗散特性,在PSCAD/EMTDC电磁仿真平台下,基于相域频变架空线模型,研究了投入故障限流器后的直流故障电流特性。在对称双极四端直流电网拓扑中,以各个直流出口故障点的直流断路器切断电流之和最小、故障限流器和直流断路器中的MOA吸收的能量之和最小作为两个目标函数,采用simplex算法对直流电网中各条直流线路的限流电抗器进行了多目标优化配置,并给出不同权重下的各条直流线路的限流电抗优化配置方案。     

基于MMC的直流电网故障分析和保护方案研究

对MMC型直流输电系统直流侧故障检测方法及保护方案进行了研究。分析直流侧故障特性,提出了一种R-L并联限流结合电流变化率的故障检测方法,提高了故障检测速度。对采用直流断路器的故障处理方式,提出一种可有效解决出口断路器不正确动作时故障隔离问题的后备保护方案。运用PSCAD/EMTDC构建四端直流电网仿真模型,验证了故障检测方法和保护方案的有效性。     

基于新型柔性故障限流器的多端直流配电网故障隔离策略

针对多端直流系统故障电流峰值高、上升速度快以及无法保证非故障区域供电可靠性的问题,提出一种适用于中高压配电网的级联式新型柔性故障限流器与机械式直流断路器协同作用的故障隔离策略。首先通过微分欠压保护触发柔性故障限流器,实现极间电压箝位效果,抑制故障电流,提高直流系统故障隔离后的动态恢复特性。其次依据直流断路器的分断速度,实现故障限流器动作时间的灵活设置。利用断路器方向纵联保护信号保证故障区域换流站侧故障限流器的持续作用,直至直流断路器动作隔离故障。该策略还可避免换流站闭锁,降低断路器分断速度与开断容量要求,延长断路器使用寿命,提高系统供电可靠性。最后,在MATLAB/Simulink中搭建四端中压配电网模型,并通过仿真验证故障限流器的效果以及所提策略的可行性。     

适用于直流电网故障清除的增强型MMC

随着直流输电系统电压和容量的提高,对直流故障快速清除隔离的要求越来越高。作为清除直流故障的有效方案之一,直流断路器(DCCB)技术还不够成熟,限制了其在工程上的应用。文中提出了适用于直流电网故障清除的低成本直流故障清除方案,对半桥型模块化多电平换流器(MMC)进行了局部的改造,以使其具备故障清除操作的能力,使得线路上的故障电流能够被低成本故障隔离单元迅速隔离,随后建立和分析了故障隔离过程中的等效电路,设计了故障隔离动作时序,并对比分析了典型方案的器件使用量,最后建立了仿真和实验模型。仿真和实验结果证明了该方案的有效性。     

一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路的研究

基于电压源型换流器的高压直流输电系统的故障电流幅值大、上升速度快,现有直流断路器的故障电流开断容量和开断速度受到很大挑战.提出一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路,利用饱和铁心型超导限流器及限流电阻共同作用实现阻感复合限流,并借助吸能电阻达到加速故障电流清除、缓解直流断路器开断压力的目的.根据直流故障暂态特性...     

采用架空线的MMC-HVDC单极接地过电压分析

采用架空线传输方式的远距离柔性直流输电线路,极易发生输电线路单极接地故障,必须采用多种方式保护设备应对暂态过电压。文中研究了采用半桥子模块的柔性直流输电系统在直流侧接地故障下的暂态过电压特性,并分析了系统结构、设备参数和故障特征等对过电压的影响,同时分析了换流器闭锁、避雷器和直流断路器对抑制直流侧故障过电压的效果。研究表明系统设备参数对过电压峰值影响最大,当保护措施启动时,系统保护装置会成为主要的过电压影响因素。最后,提出了应对直流侧故障过电压的避雷器优化配置方案。     

基于电压钳位原理的多端口限流式直流断路器

随着直流电网技术的广泛运用,直流断路器作为关键保护设备已成为相关领域研究重点.提出一种基于电压钳位原理的多端口限流式直流断路器,具有通态损耗低、经济性良好、重合闸速度快等优点.首先,提出新型断路器的拓扑结构及动作策略,通过电压钳位原理切除故障,而后利用LC振荡关断支路晶闸管;其次,分别对母线和线路故障进行解析推导,进而针对其关断过程设计参数;最后,利用PSCAD/EMTDC中的三端直流电网模型验证其有效性与适用性,并分别对两种故障仿真加以分析,通过故障电流、系统电压及支路电压对比分析等验证该断路器可代替多个常规断路器,减少了主断路器需求.     

基于LCC-MMC的三端混合直流输电系统故障特性与控制保护策略

研究了送端为相控型换流器(line commutated converter,LCC)、受端为2个并联的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)组成的三端混合直流输电系统的交直流故障特性及其控制保护策略。在分析现有故障穿越控制策略的基础上,针对交流侧故障提出整流站LCC最小触发角控制、逆变站MMC最大调制比控制与直流电压偏差控制的协调策略;针对直流线路故障,通过在直流线路两端配置限流电抗器构造边界条件,提取直流线路故障电流暂态突变量以识别故障位置,并采用直流断路器开断故障的方法,可以快速隔离直流线路故障并缩小故障影响范围。最后,在PSCAD/EMTDC中建立混合直流输电系统模型,仿真验证了所提策略的可行性。结果表明,所提控制策略在所联接电网交流故障情况下可相应提高直流系统的输送功率,降低功率输送中断发生的概率;直流线路故障时基于直流断路器的直流电流突变率保护策略能够快速隔离故障,提高供电可靠性。     

城市轨道交通1 800 V高速混合式直流断路器研制

为解决城市轨道交通直流牵引系统短路故障电流上升率高、短路峰值大、难以快速开断的问题,设计了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,并提出了其高速开断策略。高速混合式直流断路器整体方案选用零电压型混合式直流断路器拓扑结构,采用快速斥力机构提升断路器响应速度,重点对真空电弧电流转移特性、真空短间隙介质恢复特性与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)短脉冲开断裕量等关键基础特性进行研究,得到上述关键特点的影响规律,基于此提出了混合式直流断路器高速开断策略和算法。研制了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,进行了初步实验验证,研究结果表明,高速开断策略可实现全分断时间小于2 ms,并通过理论推导得到IGBT短脉冲开断裕量可以达到5倍以上。