基于等效序阻抗差异特征的低频输电线路差动保护优化方案

低频输电线路故障时,两侧短路电流均由模块化多电平矩阵变换器提供,两侧短路电流相角均受控且幅值相当,导致差动保护灵敏度严重下降。分析了低频输电系统定电压控制侧和功率控制侧的等效正、负序阻抗特征,指出因控制策略不同,系统故障时两侧等效正、负序阻抗特征存在明显差异。分析了低频输电线路区内和区外故障两侧保护装置测量到的等效序阻抗之间的差异性和相似性,基于此特征构建了两侧等效序阻抗差异指标,提出了基于等效序阻抗差异指标的差动保护制动系数优化方法。仿真结果表明,所提方案能够显著提升低频输电线路区内故障时差动保护的动作速度和动作灵敏性。     

海上风电接入柔直系统交流侧故障特征及对保护的影响分析

柔性直流输电是解决大规模海上风电远距离外送问题的首选方案。然而,柔直送端交流系统发生故障时,线路两侧短路电流均由电力电子换流器提供,系统的故障特征发生了根本性变化,直接导致传统保护性能的下降、甚至不正确动作,影响系统的安全运行。因此,针对永磁风电场经柔直外送的拓扑,分析了柔直送端交流侧故障的特征,并结合交流侧故障穿越控制目标提出了换流器短路电流解析表达方法。理论分析表明,当风电场弱出力时,仅由柔直换流器提供短路电流,且短路电流呈现出幅值受限特性、甚至低于额定电流;当风电场正常出力时,柔直换流器与风电场均提供短路电流,且二者控制目标不同,两侧同相别短路电流必然存在相角差。基于故障特征的研究,对现场常用的保护原理进行了性能分析,获知了线路距离保护、差动保护均会存在性能下降的问题。在PSCAD/EMTDC中建立了风电柔直送出系统的精细化模型,验证了理论分析的正确性,为现场保护配置以及保护新原理的研究提供了理论基础。     

计及风机短路电流偏移特性的配电网阻抗幅值差动保护方

区别于常规电源机组,当输电线路发生短路故障时,风电机组配置的Crowbar保护可能启动,导致风电机组转速下降,从而引起风电侧短路电流频率发生偏移,使得基于基频短路电流计算的测量阻抗出现偏差,传统距离阻抗保护方法可能拒动或误动。针对该问题,提出了计及风机短路电流偏移特性的配电网阻抗幅值差动保护方法,首先探究了风电短路电流偏移特性,建立了线路故障时,风机侧短路电流偏移误差模型,并基于阻抗平面图,研究了其对距离保护的影响机理。然后,基于差动阻抗和制动阻抗在正常运行、外部故障和内部故障之间的显著差异,提取阻抗幅值差动特征,构造了阻抗保护幅值差动判据,其不受短路电流偏移的影响。最后,基于PSCAD/EMTDC进行仿真分析,结果表明：提出的保护方法不受风电接入比例及短路电流偏移的影响,并且过渡电阻电阻可以提高内部故障时保护动作的灵敏性,以及外部故障保护不动作的可靠性。     

基于矩阵突变特征的风电经柔直送出交流线路保护EI北大核心CSCD

新能源经柔直送出系统中,新能源电源到柔直整流侧换流器之间的输电线路较为特殊,故障后两侧短路电流均受电力电子设备的控制策略影响,导致传统的差动保护在双侧电流受控的场景下出现灵敏度降低,甚至存在拒动作的风险。因此,该文提出基于矩阵突变特征的交流线路保护新原理。首先,利用Toeplitz矩阵变换能快速放大突变信号占比的特性,将所测得的电流信号构造成Toeplitz矩阵形式。然后,利用矩阵梯度可以精准表征数据突变程度的优势构建保护判据,以实现故障的高速可靠判别,从而解决传统保护因故障电流幅值、相角受控导致的灵敏性降低以及不正确动作的问题。最后,在PSCAD中搭建风电场经柔直送出系统的电磁暂态模型,验证所提保护方法的动作性能。结果表明,所提保护能够短时间内识别区内外不同种类故障,故障识别时间小于5ms,且有最高耐受100Ω的过渡电阻的动作性能,能较好地满足风电场经柔直送出系统对保护灵敏性与可靠性的需求,具有较好的抗过渡电阻和噪声的能力。     

基于故障电流幅值与相位差的电流差动保护判据

提出了一种基于故障分量电流幅值与相位差的电流差动保护判据,其中差动电流为本侧电流故障分量幅值加上对侧电流故障分量幅值与二者相位差余弦值之积,制动电流为本侧电流故障分量幅值减去对侧电流故障分量幅值与二者相位差余弦值之积.分析了不同系统阻抗、过渡电阻、分布电容对该差动保护判据性能的影响,并与目前广泛应用的故障分量电流相量差动保护判据和标积制动原理的差动保护判据进行了性能上的对比分析,同时采用EMTDC软件进行了算例仿真.分析计算结果表明,所提的差动保护判据在区内故障时的灵敏度更高,区外故障时的安全性更好,在不同系统阻抗、过渡电阻、分布电容条件下均具有良好的性能.     

基于相序差动电流特征差异的换流变压器匝间保护优化研究EI北大核心CSCD

针对实际特高压换流变压器匝间短路故障时的二次谐波制动判据持续闭锁导致差动保护动作速度较慢的问题,该文详细分析特高压换流变匝间短路故障时的保护动作行为,通过理论分析换流变压器三相的相序差动电流变化量,发现匝间短路故障时具有故障相的相序差动电流变化量幅值为非故障相的两倍且相位差为180°的特定关系,在此基础上,提出相序差动电流开放判据。此外,为防止特殊涌流工况时开放判据误闭锁,增设基于涌流间断偏移特征的识别开放判据,并进一步构造整套基于相序差动电流特征差异的换流变压器匝间保护优化方案。通过现场录波及实时数字仿真(real time digital simulation system,RTDS)仿真验证,提出的保护方法在匝间短路故障且二次谐波制动判据误闭锁时具有高快速性,对于暴露问题的实际故障,保护动作时间由56ms缩短为20ms。同时,保护在各类涌流工况时可靠不误动。该保护算法具有计算量小,对数据采样率要求不高的特点。     

光伏场站送出线路采样值差动保护的谐波影响分析及改进

光伏场站通过逆变器并网,受逆变器控制策略影响,当送出线路故障时光伏场站提供的短路电流中谐波含量明显高于系统侧,其中又以3次谐波含量最高。通过对场站侧短路电流中含有3次谐波、系统侧短路电流不含3次谐波的模型进行定量分析,发现3次谐波对送出线路的采样值差动保护产生了极为不利的影响,导致采样值差动保护的固有模糊区显著增大,从而引起采样值差动保护应用于光伏场站送出线路时性能下降,甚至会出现区外故障误动、区内故障灵敏度下降的严重问题。针对该问题,提出一种改进保护方案,仍以采样值差动判据为主判据,仅在采样值差动判据的模糊区投入基于斯皮尔曼等级相关系数判据作为辅助判据。通过在PSCAD中搭建典型的光伏场站送出线路模型,验证了所提改进保护方案的有效性。     

含逆变型分布式电源的配电网正序阻抗纵联保护

逆变型分布式电源区别于传统电源的故障特性导致传统电流保护难以快速可靠切除故障,也影响了现有输电网保护原理直接应用于配电网的动作性能。借鉴电流差动保护原理思想,定义了正序差动阻抗,理论分析了其在区内外故障时的幅值差异,提出了一种适用于有源配电网的正序阻抗差动保护原理。为进一步改善保护性能,有效应对分支负荷的影响,构造了带制动特性的动作判据。针对区内三相金属性短路故障时保护存在的死区问题,利用故障时正序阻抗与正序电流幅值特征构造了辅助判据。与传统电流差动保护相比,所述方法无需两端数据同步采样,对通信要求较低。仿真结果验证了保护原理的有效性。     

基于5G信道的含无测量分支线路综合保护方案

现有配电干线常接有若干无法测量的分支,传统三段式过流保护应用于此类线路时灵敏性和快速性均有欠缺,相量差动保护则存在区外故障制动量过大导致区内故障不灵敏的问题。以5G代替光纤通道作为配电网双端量保护的通道,提出面向含无测量分支配电线路的一套综合保护方案。首先分析含无测量分支线路区内外故障时两侧负序电流相位特征,提出负序电流比相式保护判据;再者,为应对5G通信同步性能不能保证甚至失步的工况,引入正序电流幅值差动保护;在通信中断或正序电流幅值差动保护未启动等极端情形,采用三段式过流保护,最终形成一套完整的配电网线路综合快速保护方案。通过在PSCAD/EMTDC中搭建10 kV有源配电网模型,设计多组对比算例进行验证,仿真结果表明了所提保护判据和方案的有效性。     

母线差动保护区外转区内故障再动作判据

文中根据故障时母线差动保护制动电流突变大的特点提出了保护启动判别方案,在启动之后保护连续判断3个差流采样点的幅值是否变化的特征,确定故障是区内故障或区外故障。判为区内故障时,开放差动保护,判为区外故障时,闭锁差动保护。考虑到由区外故障转换为区内故障时差动保护能够可靠动作,保护判为区外故障后需要投入差动保护的再动作判别;提出了2种基于差动电流采样值的差动保护区外转区内故障再动作方案。一种是基于差动电流采样值的再动作方案;另一种是将差动电流采样值差分处理后的差分再动作方案。     

MMC换流站阀侧交流接地故障电流解析

对模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)换流站阀侧交流接地故障特性进行研究发现：阀侧交流系统发生金属性接地故障时,故障点入地电流由下桥臂电容放电电流和上桥臂以及对端桥臂电容放电电流构成,网侧交流系统不会馈入入地电流;带过渡电阻接地故障时,网侧交流系统将通过过渡电阻作用于故障点入地电流。详细推导了三相接地故障和单相接地故障下的入地故障电流和桥臂电流的数学解析式。采用RTDS仿真验证了该表达式的正确性。由于阀侧交流出口处电位被钳制为0,因此上桥臂的子模块电容将产生过电压。下桥臂与故障点构成放电电容回路,下桥臂流过的故障电流迅速增大,且无法通过断路器切断故障电流。因此,建议采取可靠的限流措施避免阀侧故障对换流站等一次设备造成严重伤害。     

柔性直流输电系统交流侧线路继电保护适应性研究

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电（MMC-HVDC）系统运行控制特性与常规直流输电（LCC-HVDC）差别较大,其对交流侧继电保护的影响也不同于LCC-HVDC。基于MMC换流站控制器的动态响应特性,推导了交流电网故障下MMC逆变站交流侧短路电流表达式,分析了逆变站输出短路电流幅值、相位特性与MMC控制方式之间的关系;在此基础上,提出了基于MMC控制方式的等效矢量分析方法,直观刻画了保护电气量之间的相位关系。通过推导故障电气量及保护动作方程,分析了逆变站在不同控制方式下纵联电流差动保护、距离保护和零序电流保护的动作特性,明确了MMC对交流侧继电保护的影响范围,所得结论为MMC-HVDC交流侧线路保护的配置及整定提供了参考依据,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了理论分析的有效性。     

基于混合型Chopper电路的MMC-UPFC故障渡越方案

当交流系统发生短路时,基于模块化多电平控制器的统一潮流控制器(MMC-UPFC)串、并联侧MMC均会受到故障冲击,存在两侧换流器过流闭锁,MMC-UPFC完全退出运行的风险.对此,以交流系统发生最严重的三相短路故障为例,分析了MMC-UPFC串、并联侧MMC故障特性;在此基础上,借鉴风电场交流故障渡越的Chopper电路,并结合MMC-UPFC不同运行方式对故障特性的影响,提出了基于混合型Chopper电路的MMC-UPFC故障渡越方案.该方案能够在交流系统发生故障后隔离并联侧MMC与串联侧MMC之间的联系,从而抑制串联侧馈入并联侧MMC的故障电流.仿真结果表明在MMC-UPFC的不同运行方式下,所提方案均能避免故障后并联侧MMC闭锁,MMC-UPFC将切换至静止同步补偿器(STATCOM)工作模式,为交流系统提供无功功率支撑.     

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。     

适用于交流保护整定的MMC-HVDC接入母线故障等效模型

模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统接入电网后将对交流系统短路电流产生影响,但目前交流保护整定计算通常忽略MMC-HVDC接入母线故障时模块化多电平换流器对短路电流的贡献。文中以交流保护整定计算为出发点,提出了MMC-HVDC系统简化分析原则。在分析MMC-HVDC系统控制特性的基础上,建立了适用于交流保护整定计算的MMC-HVDC等效模型,提出MMC-HVDC接入母线故障时可以将直流侧等效为一个正序电流源。研究了MMC-HVDC接入母线故障时不同故障点残压下MMC-HVDC直流侧响应特性,确定了等效电流源的幅值和相位,并进行了仿真验证。最后,提出了MMC-HVDC对交流保护整定计算影响的定量评估指标及其计算方法。     

基于混合型MMC和直流开关的柔性直流电网直流故障保护研究

提出了采用混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multilevel converter,hybrid MMC)和直流开关构建柔性直流电网进行架空线远距离电能传输的方案。针对由全桥型子模块和半桥型子模块组成的混合型MMC,分析了其拓扑结构、基本运行原理和直流电压运行区间,提出了混合型MMC的三自由度控制架构,并详细分析了直流故障穿越控制策略,进而设计了混合型MMC构成的柔性直流电网的故障清除策略和多次重启动时序。故障期间,混合型MMC无须闭锁IGBT,可控制故障电流至0,从而保持不间断运行、持续向交流系统提供无功支撑。3次重启动失败后,架空柔性直流电网配置的直流开关在零故障电流下开断以隔离故障电流通道,直流电网重启,线路潮流发生转移。最后在PSCAD/EM TDC仿真平台验证了所提出的故障清除策略及重启动时序的可行性。     

故障电流转移型MMC的通用故障电流计算方法

直流电网作为风电和光伏等新能源汇集的有效手段,其故障电流的计算对设备选型、保护设计、参数优化等工作具有重要意义.首先对需要源侧和网侧配合的故障清除方案进行特性分析,介绍了故障电流转移型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的基本原理.然后结合其故障穿越的具体过程,提出了一...     

一种抑制多馈入特高压直流换相失败的投旁通控制策略

换相失败是特高压直流输电系统的常见故障之一,常在送、受端交流电网引起剧烈的无功波动。投入旁通对是对直流系统进行保护的重要控制措施之一。当直流输电系统发生故障时,逆变侧保护装置动作后投入旁通对有助于达到快速停运直流输电系统,隔离故障的目的。而现在有关旁通对的研究多集中于其在直流故障中的应用,关于其在换相失败问题中的应用研究较少。通过分析旁通对控制对特高压直流输电系统送、受端电压特性的影响,论证了旁通对控制策略对换相失败后整流侧过电压、逆变侧低电压的改善作用。进而提出了一种换相失败后投旁通对的控制方法,以逆变阀组换相失败及交流电压跌落程度为旁通对控制的启动判据,根据直流运行状态对直流电流进行动态调节,然后根据受端交流系统恢复程度退出旁通对。PSCAD/EMTDC仿真表明,所提旁通对控制器在交流故障导致特高压直流换相失败后,能够起到快速隔离交直流系统、减轻无功电压波动的控制效果。     

考虑交直流侧协调的模块化多电平换流站直流线路保护方案

在换流站保护中,交直流保护之间往往缺乏配合,且存在直流保护的速动性难以满足要求、故障区域难以确定等难点。为此,根据模块化多电平换流器(MMC)闭锁前后直流二次谐波电流与交流负序电流特征,提出了换流站交直流故障辨识方法,可有效区分交、直流故障,确定故障区域。在此基础上,提出了交、直流侧协调配合的换流站直流保护方案。最后,结合光伏直流汇集接入系统的PSCAD/EMTDC模型,验证了交直流故障辨识方法的可行性以及交、直流侧协调配合的直流保护方案的可靠性。结果表明,所提方法能有效识别交、直流故障,且受过渡电阻的影响较小。     

多端柔性直流输电系统交流故障穿越仿真研究

针对多端柔性直流输电系统交流侧发生故障,直流系统与电网公共连接点电压也随之跌落的问题,文中提出了一种交流故障穿越技术来维持公共连接点电压稳定。根据公共连接点电压跌落程度增发相应的无功功率从而维持公共连接点的电压稳定,保证系统的有功功率传输。当公共连接点电压跌落程度较大时,增发的无功功率导致交流系统过电流,提出通过降低故障端的有功功率参考值,从而减小交流侧电流幅值,避免过电流的产生。同时,针对有功功率的减小将使系统的不平衡功率进一步增大导致直流电压发生较大波动的现象,通过定直流电压换流站根据直流电压的变化来消纳系统的不平衡功率,从而达到维持多端柔性直流输电系统直流电压稳定的目的。