张北柔性直流电网换流阀故障穿越策略与保护定值优化

不同于以往端对端柔性直流工程,应用直流断路器的柔性直流电网要求直流线路故障时换流站可实现故障穿越。文中以张北柔性直流电网工程为背景,首先,建立了直流线路故障时换流阀暂态电流的数学模型;然后,基于传统阀控过流保护策略,分别提出了保证换流阀故障穿越能力的定值设计方法和保证换流阀安全性的定值设计方法,解决了传统的阀控过流保护策略无法兼顾直流线路故障下换流阀的故障穿越能力要求和站内故障时换流阀的安全性要求的问题;最后,提出了基于分桥臂闭锁的新型阀控过流保护策略,并设计了详细的动作时序。在PSCAD中搭建张北柔性直流电网仿真模型,验证了所建立数学模型的准确性和所提出策略的有效性。     

±420kV中国渝鄂直流背靠背联网工程系统设计

与前期工程相比,±420 kV中国渝鄂背靠背联网工程系统设计的主要难点在于工程直流电压较高、容量较大,且故障穿越、交直流保护等要求提升,但全控电力电子器件的暂态应力配置水平有限且交流电网极端运行方式恶化。针对器件暂态应力配置水平受限,文中提出了精确的换流器桥臂故障电流上升率计算方法、阀控过流保护的分桥臂闭锁策略、阀本体过压保护的动态过压定值策略,解决了弱器件能力下无法兼顾设备安全性和故障穿越能力的问题。针对极端运行方式下交流电网和柔性直流系统高频失稳和弱系统失稳问题,分别提出了失稳机理及解决失稳的工程实用方法。针对接入500 kV交流电网带来交流断路器失灵保护和直流差动保护的特殊要求,提出了相应的解决对策和建议。     

渝鄂背靠背柔性直流工程交流侧单相重合闸问题分析

当柔性直流输电工程接入弱交流系统时,如何与交流系统保护的重合闸策略配合需要深入研究。以渝鄂背靠背柔性直流输电工程为例,研究了交流线路重合闸期间系统电压和电流的变化规律。并结合柔性直流的故障穿越的控制逻辑,分析了断线故障下原有的控制策略的可行性。分析结果表明,断线故障之后,柔直的正序控制器和负序控制器不能完全解耦,造成控制系统不稳定。并且可能造成故障相过电压,在故障恢复时候可能使桥臂过流。因此,如果单根线路带柔性直流输电系统运行,发生接地故障时,应该在故障时间内尽量减少柔直的功率传输,或者不启用交流进线的重合闸功能。     

基于桥臂阻尼阀组的模块化多电平换流器故障快速清除与系统恢复技术

针对柔性直流故障快速清除与系统快速恢复技术难题,介绍了基于桥臂阻尼阀组的故障快速清除与系统恢复技术方案。在分析柔性直流双极短路和桥臂短路2种故障机理的基础上,提出适用于工程的桥臂阻尼阀组的具体电气拓扑和阻尼阀组的控制保护策略以及桥臂阻尼参数的选取原则和工程参数设计流程。以某多端柔性直流输电工程为例进行了仿真验证,仿真结果表明,在直流双极短路故障条件下,所提方案可加快直流短路电流的衰减,实现故障清除后系统快速重启动;在桥臂短路条件下,所提方案可加速阀侧交流电流中直流分量的衰减,加快交流开关的开断过程,降低了换流阀故障损坏的风险。仿真结果验证了所提方案的有效性和可行性。     

并联型多端直流输电系统保护相关问题探讨

该文介绍了并联型多端直流输电保护系统分区、测点和开关刀闸位置以及系统运行的方式。对于多端直流输电系统,直流线路保护设置保护线路全长时,可能发生区外故障误动;换流站线路保护需根据所连接的直流线路数目分别配置。在变电站,每条直流线路会配备一套保护装置,每套保护装置配置多套定值,其保护范围分别覆盖不同长度的线路;这些定值需根据其他换流站的运行情况进行切换;支线路故障后可采取隔离故障线路的处理策略,同时需闭锁隔离出来的换流站。不能通过检测是否存在流经接地站的接地电流,来判断是否发生金属回线接地故障;建议在并联型多端系统中不采用移相处理策略清除金属回线接地故障。高压T区保护采用差动原理,保护动作后,建议相关站采用极闭锁策略。逆变站故障后延时分断换流变网侧开关有利于阀的关断。逆变站换相失败后,更大的直流电流将流经换流阀,需在工程设计环节加以考虑,防止交流系统故障引起的换相失败导致直流过流保护动作。     

柔性直流交流连接区故障分析

描述常规特高压直流输电工程现状,展望柔性直流输电前景,介绍基于VSC模块化多电平换流器(modular multi-levelconverter)技术直流输电的基本原理。根据渝鄂背靠背直流输电工程柔性直流一次拓扑结构,搭建实时数字仿真器(RTDS)仿真模型。结合仿真验证结果,分析交流连接线区充电软启电阻切除前、解锁软启电阻切除后故障时的故障暂态及稳态特性。通过对柔性直流阀侧故障特性及阀侧故障时阀控本体过压过流现象的研究,设计针对于柔性直流的保护配合策略。     

MMC-HVDC系统故障性涌流的产生机理及影响

针对模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter high-voltage direct-current,MMC-HVDC)阀侧单相接地故障可能引发的换流变故障性涌流问题,该文研究了MMC闭锁前后不同阶段的换流变阀侧接地故障特征,并在此基础上分析了故障性涌流的产生机理及特征,及其对网侧交流断路器开断时间与换流变差动保护的影响。研究结果表明:故障发生后,上桥臂子模块电容持续充电并引发严重过电压,而下桥臂故障回路中幅值较大且衰减缓慢的直流分量持续流向换流变,导致换流变铁心发生饱和并产生故障性涌流。故障性涌流的产生加快了网侧电流过零点的出现,可改善阀侧单相接地故障引起的网侧交流断路器延时断开的问题。同时大量直流分量的侵入将引发换流变铁心深度饱和,可能导致换流变阀侧区外接地故障时差动保护误动。最后,以±320kV厦门柔直工程为背景,利用PSCAD/EMTDC仿真验证了理论分析的准确性。     

LCC-FHMMC换流阀出口交流单相接地故障特性分析及保护方案设计北大核心CSCD

文中针对混合直流输电系统受端柔性直流换流阀交流出口处发生单相接地故障导致子模块电容过电压的问题展开研究。首先,详细剖析了故障后换流阀动态过程,并设计了提高换流阀故障穿越能力的保护方案及控制策略,建立了故障后换流阀等效电路,进而根据交直流电气量变化特性分析了子模块过电压机理。其次,为有效抑制子模块电容过电压,设计了一种分相导通晶闸管的旁路装置,故障时触发该支路将桥臂进行隔离,同时受端故障识别方案与送端换流站快速移相措施配合,可以有效抑制子模块电容过电压。最后在MATLAB/Simulink电磁暂态仿真软件中搭建了混合直流输电系统模型,通过仿真验证故障期间受端换流阀保护的两种方案,结果表明所提策略在发生瞬时性和永久性故障下对过电流和过电压均具有良好的抑制效果。     

考虑故障阀臂封锁条件下的VSC-HVDC换流器故障诊断算法

针对两电平柔性直流输电(VSC-HVDC)系统换流器内部常见的IGBT阀器件短路失效、桥臂直通、交流侧单相接地、交流侧两相短路、直流单极接地这5类贯穿故障,研究了换流器故障保护与诊断的协调配合方案,分析了保护闭锁条件下系统直流电压及交流电流的变化规律,据此提出了利用闭锁时刻的直流电压及闭锁后2个周期的三相交流电流作为特征信号进行换流器故障分类与定位的诊断方法,并确定了用于区分故障类型的电压、电流诊断阈值。对换流器严重贯穿故障进行仿真,利用PSCAD/EMTDC模型对所提出的诊断方法进行了验证,结果表明该方法不仅能可靠识别故障类型,还能准确定位故障位置,可用于故障阀臂闭锁条件下VSC-HVDC换流器的故障诊断。     

适用于柔直动模平台的子模块故障模拟方法

与常规直流输电不同,柔性直流输电换流阀子模块具备更为复杂的本体控制保护功能。以往的柔性直流输电控制保护设备联调中,重心往往集中在极控、阀控等上层控制保护设备,对子模块本体控制保护功能以及阀控相关的配合控制保护功能验证较少,特别是对实际运行中的子模块的保护功能很难加以验证,给工程运行带来故障隐患。设计了一种柔性直流输电换流阀子模块故障模拟系统,可实现对子模块故障的在线模拟,以验证子模块中控板和阀控相关的控制保护功能正确性。     

双极MMC-HVDC系统站内接地故障特性及保护策略

针对双极柔性直流输电系统模块化多电平换流器(MMC)交直流出口接地故障,研究了换流器闭锁后的电压电流暂态特性,并推导了故障分量的数学解析式。研究结果表明,交流出口发生单相接地故障时,换流器闭锁后非故障相上、下桥臂分别出现了过电压和过电流现象,并且交流侧电流出现直流偏置导致故障相短路电流不存在过零点。直流出口发生单极接地故障,换流器闭锁后桥臂短路电流主要由交流系统注入的稳态电流和上下桥臂电抗间衰减的环流构成。针对交流出口发生单相接地故障这一特殊的故障特性,提出了一种选相跳闸保护策略,解决了故障电流不存在过零点时交流断路器无法正常断开的难题。最后搭建了张北四端环网结构柔性直流电网仿真模型,仿真结果验证了换流器出口故障特性分析的准确性以及所提选相跳闸保护策略的有效性和可行性。     

具有故障穿越能力的T型桥臂交替多电平换流器及其调制策略

针对常规模块化多电平换流器(MMC)难以兼顾直流故障穿越能力与系统经济性的问题,提出一种T型桥臂交替多电平换流器(T-AAMC)及其调制策略,其直流桥臂采用半桥子模块并配合桥臂移相的新型调制策略,有效降低换流器建造成本与运行损耗,同时由全桥子模块串联组成的交流桥臂实现了直流故障穿越.首先,介绍了T-AAMC的拓扑结构,再基于各桥臂能量平衡条件,明确T-AAMC的桥臂移相调制策略,进而分析了T-AAMC的运行参数与硬件配置;同时,设计闭环控制系统,实现交直流桥臂能量的动态平衡;然后,将T-AAMC与现有的MMC进行了对比,相比于混合型MMC,T-AAMC在子模块数量、功率器件数量、电容取值上均实现了削减;最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真平台,验证了拓扑、调制与控制设计的有效性.所提T-AAMC在正常工况下能够实现宽范围、高效率的能量转换,同时具有直流故障穿越能力,可保障系统持续可靠运行.     

基于虚拟阻抗的多落点混合级联直流系统故障电流抑制方法

多落点混合级联直流系统存在特有的模块化多电平换流器(MMC)功率盈余问题。当受端交流系统发生短路故障时,MMC过流、过压将引起MMC阀组闭锁,进一步可能导致系统功率中断。多落点混合级联直流系统整流侧采用电网换相型换流器(LCC)、逆变侧采用LCC与多台MMC级联。针对该系统提出一种适用于受端交流系统故障的故障电流限制方法,在逆变侧MMC控制中引入虚拟阻抗降低故障电流,无需额外添加设备。对虚拟阻抗的控制引入、计算以及投入实现过程进行了详细阐述,并在PSCAD/EMTDC中搭建模型进行仿真分析。结果表明,所设计的虚拟阻抗控制器可以实现故障电流的有效抑制,并防止功率倒送,从而实现混合级联直流系统的交流故障成功穿越和功率可靠传输。     

换流变压器阀侧接地故障分析及保护优化

换流变是高压直流输电系统的重要组成部分。换流变阀侧自身无接地点,但直流侧有接地点,当换流变阀侧区内发生单点接地故障时,随着换流阀的导通和关断,故障电流呈现不规则的变化,换流变自身现有保护可能灵敏度偏低。极端情况下,当Y/Y接线变压器阀侧中性点发生接地故障时,换流变自身主保护无法快速动作。文中从换流变的结构及运行工况出发,定性概括了阀侧接地故障后的电流特征;分析了现有保护系统的特性;提出了基于零序差动和快速零序过流原理的换流变阀侧保护优化方案;并结合现场故障录波及实时数字仿真系统仿真波形对其进行了验证。验证结果表明,优化后判据可以有效提高换流变保护在阀侧区内单点接地故障下的灵敏度、动作速度及故障定位准确度。     

MMC桥臂电抗器穿墙套管故障特性及保护策略

针对双极柔性直流输电系统模块化多电平换流器,分析了桥臂电抗器目前布置方案所存在的故障电流大问题,提出了将桥臂电抗器布置在靠近直流连接点的方案。分析了桥臂电抗器布置在不同位置时对换流器故障电流的影响,并推导了故障电流分量的数学表达式,研究表明桥臂电抗器布置在靠近直流连接点时能够有效限制阀侧接地故障时故障电流上升率,有效降低故障电流水平,同时不会带来较大成本增加。然而桥臂电抗器布置在靠近直流连接点后,其穿墙套管发生相间短路故障时现有保护策略并不能及时发现,给换流器的安全运行带来隐患,提出了一种桥臂电抗器穿墙套管短路保护策略,能够有效识别桥臂电抗器穿墙套管短路故障。最后通过PSCAD/EMTDC对相关分析进行了仿真验证。     

海上风电直流耗能装置和保护配合策略研究

首先对基于直流耗能装置的交流故障穿越方案进行了理论分析。根据适合海上风电工程的直流耗能装置的拓扑结构,对该直流耗能装置的工作模式、投退策略进行了分析研究。其次研究了带直流耗能装置的大型海上风电直流保护的范围和分区。确定了直流保护动作策略,重点研究了各个直流保护区的保护配置策略。然后研究了直流耗能装置的投退对直流保护功能的影响。重点研究了直流过电压保护与直流耗能投入电压值的配合策略,直流耗能装置的保护功能设计。最后对上述策略进行了仿真试验验证。     

光伏直流升压场站并网整体协同低电压穿越控制策略

光伏直流升压汇集场站中,光伏列阵经DC/DC升压后汇集,再由DC/AC换流站逆变后接入交流电网。对于多个光伏直流升压场站并网系统,并网DC/AC换流站输出无功电流大小受自身容量与端口电压跌落程度影响,在协调机制不明确情况下,无功整定困难,靠近故障的场站存在脱网风险。为此,在分析各DC/AC换流站无功出力对端口电压影响的基础上,提出了光伏直流升压场站并网系统整体协同低电压穿越控制策略。进入低穿后,DC/AC换流站检测本地端口电压,立即向电网注入无功进行支撑;总控站利用通信获知各换流站的端口电压,进而协调各换流站的无功电流输出额度。同时,在分工况细化协调机制的基础上,对DC/AC换流站无功电流输出进行通用化整定。仿真结果表明,所提控制策略在交流电网发生故障时,能有效协调各DC/AC换流站进行无功补偿,提高系统整体低电压穿越能力。