统一潮流控制器串联变压器启动调试方法

由于统一潮流控制器(UPFC)串联变压器特殊的结构及接入系统方式,传统的变压器(并联接入电网)充电启动调试方法不再适用。结合实际的UPFC工程,提出了一种工程现场可行的UPFC串联变压器充电启动试验方法,并设计了试验操作步骤,能够完成UPFC工程系统启动调试时,串联变压器的充电投切、晶闸管旁路开关(TBS)的充电检查,同时完成串变的相序检查及控制保护系统相关电流互感器回路的带负荷校验。针对串联变压器充电试验,给出了临时保护的配置策略。通过对上述试验过程进行电磁暂态仿真,验证该方法不会产生危害设备的暂态过程,具有现场的可实施性。     

统一潮流控制器的平滑启动和停运策略

统一潮流控制器(UPFC)包含串联和并联两个部分,其并联部分与静止同步补偿器(STATCOM)类似,目前已有成熟的策略实现其启动和停运,但对于串联部分,尚缺乏对实现其平稳接入和退出交流系统的有效策略研究。文中对UPFC的结构和运行原理进行分析,通过并联部分对串联侧换流器进行部分充电,再通过串联侧换流器的主动充电策略将其充电至额定状态,以减小其解锁时对换流器的冲击;另一方面,通过串联侧换流器控制线路电流在串联变压器绕组和串联变压器旁路开关之间的平稳转移,使串联变压器旁路开关在零电流断开和闭合,以及使串联侧换流器在零功率闭锁,从而实现UPFC的平滑启动和停运。基于PSCAD的仿真结果表明,该策略可以使UPFC的启动和停运过程对交流系统基本无影响。     

UPFC系统的变压器差动保护分析

并联变压器和串联变压器是统一潮流控制器(UPFC)的核心交流器件,差动保护作为这两类变压器的主保护,受UPFC特殊的运行工况影响,在不同的运行条件和不同类型的故障下会表现出不同的特性。为分析评估UPFC中各类故障对差动保护的影响,文中以实际UPFC工程的控制系统为基础,讨论了各类故障下可能对并联、串联变压器差动保护灵敏性及可靠性产生影响的因素;根据变压器区内外典型故障的仿真结果,分析了差动保护在此类故障下的行为特征,形成差动保护的适应性分析,验证了保护配置的有效性;从保护设备的角度出发,讨论了阀控制保护与交流继电保护的关系,从防误和防拒两方面为UPFC工程的交流继电保护实施提供技术参考。     

基于MMC的统一潮流控制器交流侧故障特性及保护方案

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的统一潮流控制器(unified power flowcontroller,UPFC)是适应高压大容量输电的高度可控型灵活交流输电系统装置,其交流侧结构特点突出,故障影响不容忽视,对保护要求高。为此介绍了基于MMC的UPFC整体结构及工作原理,分析了交流侧几种典型故障的故障特性,考虑阀控制的影响。结合MMC-UPFC示范工程,指出变压器阀侧短引线单相接地故障过流程度低,差动保护可能灵敏度不足,并且,串联侧变压器网侧绕组直接串接在交流系统中,传统差动保护仅利用一端电流无法可靠反应绕组两侧的故障。针对上述问题,提出阀侧短引线差动保护采用两段式比率制动特性,以及利用网侧绕组等效电流并增加绕组差动的辅助判据构成改进的串联变压器差动保护,并且保证交流侧保护配置与阀控制保护协调配合。结合RTDS实时数字仿真结果,验证了保护方案的可行性。     

UPFC暂态过电压研究

在MMC–UPFC整体设计中,过电压是必须研究的关键问题。为研究UPFC暂态过电压,以南京UPFC为例,详细分析了过电压产生的机理,提出了避雷器保护配置方案,搭建了含有详细交流电网、UPFC一次设备以及控制保护策略的过电压研究模型,并分别计算了交流系统和UPFC内部故障下,UPFC关键设备上过电压情况。计算结果表明:串联侧交流系统故障、变压器阀侧交流母线单相接地故障、换流器交流母线单相接地故障,直流单极接地故障下,过电压最严重,这些故障可用于校核UPFC关键设备的过电压水平以及避雷器能量。研究结果可为UPFC工程绝缘配合以及设备选型提供重要依据。     

MMC-UPFC不同接地设计的故障特性及对本体保护配置影响

根据MMC-UPFC示范工程的实际需要,提出3种可行的交流侧接地方式:仅并联变阀侧中性点经大电阻接地、仅串联变阀侧中性点经大电阻接地及仅并联变阀侧中性点经小电阻接地。结合示范工程系统参数与实时数字仿真(RTDS)实验,详细分析了不同接地方式对故障特性与保护配置的影响,重点讨论接地点位置对串联变网侧单相接地故障及对应保护配置影响,以及接地电阻阻值对阀侧短引线单相接地故障、换流器桥臂单相接地故障及相应保护配置影响。最终得出仅并联变阀侧中性点经大电阻接地为较优的MMC-UPFC接地方案。     

考虑新型拓扑结构的统一潮流控制器五端功率注入模型

南京西环网中统一潮流控制器(UPFC)装置的串联侧变压器接入220kV铁北—晓庄双回线路,并联侧连接在临近的35kV燕子矶母线,这种新型拓扑结构对UPFC的系统级建模提出了更高的要求,既要考虑UPFC控制双回线路的特点,还要体现UPFC对并联侧母线及后续线路的影响。为此,文中提出了一种适用于新型拓扑结构的UPFC五端功率注入模型,在考虑串联侧控制双回线路且并联侧节点可灵活的情况下,基于注入功率法推导了该模型的数学表达式,并给出了PSASP软件下UPFC五端模型的潮流计算原理和实现方法。在该模型的基础上,进一步实现了UPFC串联侧双线控制策略,并基于南京UPFC工程实际数据进行正常运行状态和串联线路N-1故障的仿真计算,结果验证了该模型的准确性、灵活性和全面性。     

交流系统故障时统一潮流控制器处理策略

统一潮流控制器(UPFC)作为功能全面的电力电子设备,需具备较高的故障穿越能力。在交流线路发生故障时,UPFC的串、并联换流器均会承受故障的冲击,且对于线路的瞬时性故障,需要UPFC在线路故障清除后继续运行。从UPFC的结构和故障特性着手进行分析,提出了UPFC在交流系统故障时的处理策略,使其具备系统故障时的故障穿越能力;UPFC并联侧通过控制策略的优化能在故障期间持续运行,串联侧通过控制保护策略与线路保护和重合闸逻辑的配合,能快速退出及重新启动。该策略经过了人工短路试验的验证,并在南京UPFC示范工程运行过程中通过了系统实际故障的考验,该策略的合理性得到了验证。     

限流式UPFC中UPFC模块与限流器模块的交互影响分析

统一潮流控制器（UPFC）在电力系统发生故障时,其串联变换器易承受系统高电压与大电流的冲击而损坏。为了解决该问题,提出了一种采用饱和变压器耦合新型固态限流器的限流式UPFC拓扑。此拓扑由UPFC模块与限流器模块通过串联饱和变压器连接而成,正常运行时,UPFC模块实现常规优化控制功能并可动态补偿固态限流器所引起的压降;故障情况时,SS FCL模块呈现高阻抗状态限制系统及流入UPFC串联侧变换器的短路电流。该拓扑中串联饱和变压器的应用降低了SS- FCL侧整流桥的电压等级与容量,并将系统短路电流限制到设定值范围内,保证继电保护动作后可靠跳开故障回路断路器。最后通过100 V/3 kVA小样机试验证明此新型UPFC拓扑的正确性和可靠性。     

基于限流电抗器的统一潮流控制器故障渡越策略及其与保护的配合

详细分析了基于模块化多电平换流器(MMC)的统一潮流控制器(UPFC)接入线路发生故障时的UPFC本体响应特性,提出一种基于限流电抗器的UPFC故障渡越策略。通过限制经过直流母线的故障电流,可使得UPFC外部故障期间并联侧MMC不闭锁,从而实现故障渡越。在此基础上,研究并提出了UPFC故障渡越策略与线路距离保护的协调配合方案,可有效解决UPFC接入后对线路距离保护的不利影响。通过PSCAD/EMTDC进行了大量仿真试验,验证了所提策略和方案的有效性。     

UPFC串联变压器匝间故障特性分析

串联变压器是统一潮流控制器(UPFC)的核心器件之一,其工作电压通常小于其额定电压。由于串联变压器特殊的运行特性,串联变压器的匝间故障纵差保护灵敏度大为降低。文中分析了UPFC串联型变压器匝间短路时影响差流的相关因素,找到了造成差动保护灵敏度降低的原因。并由此引入电压调整系数,调整差动计算中的变压器二次额定电流计算值。分析了引入电压调整系数后对差动保护的影响;给出了电压调整系数取值时需要注意的问题。最后以实际工程为例建立仿真模型,从保护灵敏度和防误动特性两方面,对所提方法进行了验证。     

换流变套管末屏电压采集器铁磁谐振机理分析及抑制

特高压换流变压器的阀侧套管安装有电容型末屏分压装置,用于传变阀侧交流电压。实际运行过程中发现,在线投入阀组时,由于在运直流系统的激励,投入阀组换流变阀侧套管末屏电压采集器会发生铁磁谐振现象,可能引发充电状态下的换流变压器保护误动作。文中基于实际运行故障录波进行了谐波分析,得出谐振发生的特征频率;通过分析末屏分压器及电压变送器电气原理搭建了暂态仿真模型,利用PSCAD/EMTDC建模重现了铁磁谐振发生的工况;在理论分析的基础上提出了改进分压器避免谐振发生的具体措施。     

整流变压器纵差保护二次侧电流最佳补偿方程及整定特征

为弥补当前国内外大容量整流变压器只有过流保护而无纵差保护的缺失,论述了建立整流变压器纵差保护的关键内容。首先,提出并论证了整流变压器纵差保护阀侧电流互感器二次侧电流采样值的特殊处理方法,以及网阀两侧进入纵差保护CPU参与差动电流、制动电流计算的三相电流有效值应当采用何值,即论证其最佳补偿(或称转角)方程,它与常规电力变压器、换流变压器、电炉变压器等的补偿方程都不相同。然后,提出并论证了整流变压器阀侧两相短路时网侧电流相位及模值的独特计算方法。分析了两相短路及单相接地短路时整流变压器纵差保护的动作特性。整流变压器纵差保护整定计算特征能使整流变压器区内短路时动作灵敏度显著提高,并且使纵差保护的动作范围显著扩大,能保护整流桥的阀短路及直流输出端的短路故障。     

基于选相投旁通对的LCC-HVDC系统逆变侧换流变故障性涌流主动抑制策略

当高压直流输电系统换流变阀侧发生单相接地故障,由于换流阀的单向导通性,阀侧故障电流中含有较大的直流分量,流入换流变可能导致换流变饱和并产生“故障性涌流”。与传统三大涌流不同,故障性涌流由阀侧单相接地故障诱发并受直流控制与保护系统的影响。计及直流控保系统的影响,分析了逆变侧换流变发生阀侧单相接地故障时,换流变故障性涌流的产生机理及其对换流变差动保护的影响。针对换流变保护区内阀侧单相接地故障场景下,故障性涌流可能导致差动保护误闭锁的问题,提出了一种基于选相投旁通对的故障性涌流主动抑制策略,可以从根本上避免差动保护误闭锁问题。基于PSCAD/EMTDC的仿真实验验证了所提方案的有效性。     

一种换流变压器零序过流保护改进方案

针对某换流站换流变压器空充时零序过流保护误动这一事故,根据故障录波器波形证实了此次保护为正确动作。通过对比发现:国家电力调度继电保护处和南方电网电力调度继电保护处,在整定换流变零序过流保护时基于的整定原则不一致。经优化零序过流保护逻辑,将空充标志状态引入零序过流保护,使得保护装置能够在判别出换流变处于空充时自动投入零序过流保护的二次谐波闭锁功能,正常运行时退出保护的二次谐波闭锁功能。既能确保空充时零序过流保护不误动,又能保证正常情况下发生接地故障时零序过流保护的可靠性。最后通过将故障录波器波形进行故障回放验证了方案的正确性。     

Unified power flow controller based on two shunt converters and a series capacitor

In this paper a novel configuration of unified power flow controller (UPFC) which consists of two shunt converters and a series capacitor is proposed. In this configuration, a series capacitor is used between two shunt converters to inject desired series voltage. As a result, it is possible to control the active and reactive power flow as same as the conventional configuration of UPFC. The main advantage of the proposed UPFC in comparison with the conventional configuration is injection of a series voltage waveform with a very low total harmonic distortion (THD). Also, using two shunt converters instead of a series and a shunt converters, results in reduction of design efforts and simplification of control, measuring and protection strategies. An optimal control strategy based on the discrete model of converters is applied to shunt converters. The proposed UPFC is simulated using PSCAD/EMTDC and MATLAB software and simulation results are presented to validate the effectiveness of the novel configuration of UPFC. Also, the experimental results which are obtained from an experimental set-up are presented.     

基于模糊逻辑的UPFC线路新型正序故障分量方向元件

统一潮流控制器(UPFC)可以灵活控制线路潮流,提高电力系统运行稳定性,但其接入会对线路保护的动作性能产生影响。针对UPFC线路正序故障分量方向元件在反方向故障时易发生误动的问题,提出了基于模糊逻辑的适用于UPFC线路的新型正序故障分量方向元件。首先,通过增加UPFC线路侧电压互感器,与原有的母线电压和线路电流测点组成新型保护单元。在此基础上,对传统方向元件的动作区域进行划分,进而应用模糊逻辑,通过设置合理的隶属度函数、权重和故障方向判据,利用综合隶属度函数实现故障方向的判别。最后,基于PSCAD/EMTDC的大量仿真结果表明,新型方向元件在UPFC不同运行方式、不同故障类型和过渡电阻等条件下,均可正确判别故障方向,保障了UPFC接入后电网的安全可靠运行。     

基于SPWM控制的UPFC开关函数数学模型

针对目前统一潮流控制器(UPFC)输出建模方法和拓扑建模方法的不足，通过引入正弦脉宽调制(SPWM)控制下的开关函数概念，建立可反映UPFC装置内部开关特性和运行机理的基于SPWM控制的UPFC开关函数数学模型。该模型清晰地指出了UPFC最终的输入控制量和输出量，并考虑了串、并联变压器的不同变比及三相电网电压的不平衡，较原有输出模型更具一般性。     

伪双极MMC-HVDC系统联接变阀侧中性点电阻参数设计

针对模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter based HVDC)直流单极接地故障暂态特性研究,提出了联接变阀侧中性点经电阻接地的伪双极MMC-HVDC系统发生直流单极接地故障时换流器电容放电的简化模型。将与故障极相连的三相桥臂电容放电回路等效为3个独立的RLC二阶零输入放电回路,从而简化了换流器电容放电与中性点故障电流的分析过程。基于简化模型分析得到的桥臂故障时刻导通子模块电容电压与中性点故障电流计算公式,研究了联接变阀侧中性点电阻参数设计与电容电压放电水平及控制保护系统闭锁换流器延时时间的配合关系,提出了中性点电阻的参数设计原则。最后,针对鲁西背靠背异步联网工程,在搭建的控制保护系统与RT-Lab形成的硬件闭环系统功能性试验平台上,验证了所提联接变阀侧中性点电阻参数设计原则的有效性。