基于电流相关性的直流线路单极故障保护方案

目前,柔性直流配电网得到快速发展,但其直流线路保护方案还不成熟,特别是基于模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的直流配电系统,单极接地故障时故障电流不明显,给故障识别增加了难度。针对这一问题,考虑直流线路的分布电容效应,提出一种采用Pearson相关系数计算正负极电流相关性的单极接地故障识别方法。区内故障时,线路每端的正极电流与负极电流均呈强正相关特性,而区外故障时,靠近故障端的线路正负极电流正线性相关性较差。以直流电压变化率作为故障识别启动判据,给出具体的单极接地故障保护方案。在PSCAD/EMTDC平台中搭建了光伏直流接入系统仿真模型并进行了验证,结果表明：该方案可快速、可靠地识别区内外故障,并具有一定耐受过渡电阻的能力。     

MMC-MTDC系统单极接地故障电流计算方法

直流线路单极接地故障是基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的多端直流(multiterminal high voltage direct current,MTDC)输电系统最常见的故障类型,分析其故障电流暂态特性对于故障类型的判断、保护配置的设计、系统参数的优化具有较大的工程意义。提出了一种适用于MMC-MTDC输电系统处于单极接地故障下,故障电流的计算方法。首先完整分析了多端直流系统单极接地故障演化机理;然后对单个换流站进行简化等效,进而将多端直流系统简化为RLC等效电路;根据基尔霍夫定律推导出故障前系统的状态方程;故障发生后,通过修改故障前状态方程中的状态变量及系数矩阵,用微分方程数值解的方法求解状态方程,进而求得故障电流。最后在PSCAD/EMTDC仿真软件上,搭建了三端MMC直流输电模型,仿真结果验证了故障电流计算方法具有较高的精确度。     

基于短时能量的多端柔性直流单极接地故障线路识别方法

采用小电流接地方式的模块化多电平多端柔性直流输电系统(MMC based multi-terminal HVDC,MMC-MTDC)发生直流线路单极接地后,所有非故障极线路电压升高为额定值的2倍,威胁线路和设备安全,因此,需要快速识别并切除故障线路,以恢复MMC-MTDC系统的正常运行。而小电流接地方式的MMC-MTDC系统单极接地后,无稳态故障电流,且各直流线路稳态电压基本相同,无法依靠稳态电压、电流量来识别故障线路。分析了MMC-MTDC单极接地时线路对地电容电流暂态变化特性,提出采用线路两端的暂态差流作为区分故障线路和非故障线路的依据;进一步通过计算线路两端差流的短时能量来扩大故障线路和非故障线路的差异,减少暂态过程对故障线路识别的影响,达到可靠识别故障线路的目的。在PSCAD中搭建四端MMCMTDC系统进行仿真,结果表明故障线路两端差流短时能量远大于非故障线路两端差流短时能量,并且该故障线路差动电流短时能量波动较小,能可靠识别接地线路。     

基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统故障分析

作为模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)的一种,钳位双子模块(ClampDouble Sub-module,CDSM)型MMC具有直流故障自清除能力。但基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统,在直流故障特性等方面与其他类型MMC构成的直流系统存在较大差异。为此,首先分析了联接变压器不同接地方式下的电容放电回路,阐述了直流故障对交流侧的影响。其次,在CDSM故障闭锁情况下,划分了MMC换流器端单极接地和极间短路时的故障阶段,建立各阶段的等值模型并求解。阐述了DC/DC换流器及光伏电源对极间短路故障回路的影响,并对DC/DC换流器侧的暂态过程进行了分析。最后,在PSCAD/EMTDC中建立基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统模型,验证了分析结果的正确性。     

考虑放电耦合的MMC-HVDC系统直流线路单极接地故障电流的计算方法

直流线路单极接地短路故障是基于模块化多电平换流器的高压直流输电（modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC）系统中最常见的故障类型,分析其故障特性、掌握故障电流水平对于继电保护的设计及相关参数的优化具有重要意义。作为分析基础,首先分析并得出MMC直流侧故障电流表达式,然后重点针对金属回线单侧接地方式的MMC-HVDC系统,分析了直流线路故障后的故障点两侧系统在接地电阻上的耦合作用,根据耦合作用的产生原因及本质提出了等效解耦方法,从而得出一种针对单极接地故障电流的实用计算方法。通过对比所提方法与PSCAD/EMTDC的电磁暂态仿真结果,验证了所提计算方法的正确性。     

光伏电站汇集系统单极接地故障的皮尔逊相关系数识别方法

为避免光伏直流升压汇集系统发生单极接地故障时影响系统的正常运行,提出一种基于皮尔逊相关系数的汇集系统直流侧单极接地故障识别方法.首先阐述汇集系统直流侧经分裂电容接地方式,接着重点分析接地故障时的故障特性,随后阐述皮尔逊相关系数的原理并利用相关系数对单极接地故障进行原理分析,最后提出利用直流电抗器在单极接地故障时故障线路...     

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。     

利用信号距离识别的高压直流输电线路保护方案

为了改进传统高压直流差动保护的动作可靠性,提出了一种基于信号距离识别的高压直流输电线路保护方案.通过对高压直流输电系统在不同故障情况下线路两端电流变化特征进行分析发现,直流线路发生内部接地故障后的暂态过程中,两端电流变化极性相反,电流波形差异度较高,而在线路外部故障时,两端电流变化极性相同,且电流波形相似度较高.在此基...     

换流站阀侧交流接地故障电流快速抑制方案

换流站阀侧交流接地故障下,故障点通过接地极与下桥臂组成故障回路,其故障冲击电流大,不能通过断路器切除。分析表明,接地极在对称运行时基本没有电流流过,并在单极架空线路故障和换流站阀侧交流接地故障中提供了故障回路。因此,接地极引入故障限流装置不仅对系统的正常运行没有影响,且能有效抑制单极故障电流和阀侧交流接地故障电流,降低对直流线路保护及换流站保护的要求。分析了阀侧交流接地故障下的故障电流组成,从供电可靠性、故障限流效果等方面分析了故障限流器引入接地极所具有的优势,提出了故障限流器分散组合式安装方法,利用电容器组与故障限流电感的组合投入,实现对回路中能量的吸收和故障电流上升率及峰值抑制的新型故障限流器拓扑结构。利用PSCAD/EMTDC平台搭建了双端柔性直流输电系统,仿真结果验证了接地极安装位置的优越性,并证明了新型故障限流器的有效性。     

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。     

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。     

基于自定义差分电流的MMC-HVDC输电线路纵联保护

为可靠检测模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电线路故障并实现故障选极,提出一种纵联保护新原理。基于MMC-HVDC系统自身特点,综合使用两端换流站不同极线路电压量和电流量构造保护特征量——自定义差分电流。分析研究表明,直流侧故障时的自定义差分电流绝对值明显大于系统正常运行和交流侧故障时的自定义差分电流绝对值;直流侧正极接地故障、负极接地故障和双极短路故障时自定义差分电流正负性不同。根据此特征,构造纵联保护判据来识别直流侧故障并完成故障选极。仿真结果表明,该原理在一定故障条件下可快速可靠地识别直流线路故障并实现故障选极。     

基于单端高频电流量的MMC-MTDC输电线路保护方案

为克服传统高压直流输电线路保护利用单端电气量无法可靠区分区内、外故障的缺陷,提出一种通过广义S变换提取直流线路故障电流高频频带幅值特征的单端量保护新方法。该方法在配备有混合直流断路器的直流线路发生故障时,利用1000~2500 Hz各采样频率电流横差值在区外明显小于区内的特征,构造了区内、外故障判据。利用300~1000 Hz的特征频率在单极接地故障时故障极特征频率电流幅值比非故障极大,以及两极短路故障时两极的特征频率电流幅值近似相等的特征,构造了故障启动判据和选极判据。在RTDS仿真平台搭建了风光储联合发电站经高压直流外送的三端柔性直流输电系统模型。仿真结果表明,所提方法能快速、可靠地识别故障类型和故障范围。同时,仿真验证了基于混合直流断路器的直流故障穿越方案的有效性。     

基于波形相关性的直流配电网主动式接地故障选线

采用小电流接地方式的直流配电网发生单极接地故障时故障特征较弱,为准确可靠选出故障线路,文中提出基于注入信号波形相关性的接地故障选线方法。所提方法首先将预先设计的附加控制策略施加于直流配电网的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)上,实现探测信号注入。然后结合零模网络,得出故障特征为：各条健全馈线首端计算的特定频率零模电流流向相同、而其与故障馈线首端计算的零模电流流向相反。最后,基于该故障特征设计选线判据,引入皮尔森相关性系数比较各条馈线的归一化零模电流和总归一化零模电流的相关性,根据健全馈线相关性系数接近于1、故障馈线相关性系数接近于-1的特征完成故障选线。仿真结果表明,所提方法在高阻接地故障下能可靠识别发生在母线或各条馈线任意位置的单极接地故障。     

基于MMC的多端直流电网通用计算方法及拓扑优化研究

针对现有直流电网直流侧短路简化计算方法普遍不适用于对称单极接线系统及短路故障后故障电流急剧上升导致换流站闭锁的问题,提出了适用于对称单、双极接线方式直流电网的通用计算方法和直流电网拓扑优化方法。首先,分析了不同接线方式下的直流电网直流侧单、双极短路故障特性。其次,基于阻抗频率特性提出了适用于不同接线方式直流电网的故障电流计算方法,并得到了评价故障电流水平的简化指标,有效地评估直流电网拓扑变化时的故障电流水平,实现多端系统的拓扑优化,降低单极接地故障电流水平。最后,通过电磁暂态仿真案例验证了所提计算方法和简化指标的准确性和有效性。     

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。     

一种具有故障阻断能力的改进混合型半桥MMC

为克服半桥模块化多电平换流器(MMC)直流侧短路后无法阻断故障电流这一缺点,提出一种具有故障阻断能力的改进混合型半桥MMC,依靠改进半桥子模块的故障阻断能力配合相应辅助电路实现故障电流转移与阻断。分析了直流双极短路故障下改进混合型半桥MMC故障阻断的动态过程,设计了关键器件的参数选择方法,并对比了该拓扑的经济性,与传统半桥MMC相比,改进混合型半桥MMC无需增加开关器件使用,仅增加晶闸管、二极管和1个机械开关,且通态损耗很低。最后,搭建双端51电平改进混合型半桥MMC直流输电模型对所提拓扑的故障阻断能力进行验证,仿真结果表明,所提改进混合型半桥MMC拓扑能够在几十ms内清除直流故障,具有良好的实用性和经济性。     

基于暂态电流波形斜率的中压柔性直流配电线路故障定位方法

为了提高中压柔性直流配电网的安全稳定运行能力,提出了一种基于暂态电流波形斜率的中压柔性直流配电线路故障定位新方法。通过分析时域内的单极接地短路故障、双极短路故障暂态特性,发现不同故障类型下暂态电流突变点的波形切线斜率不受电容放电形式的影响,暂态电流波形切线斜率与故障点位置构呈反比例型函数关系。利用正、负极电压梯度判别故障类型与故障极,针对不同故障类型,利用线路两端故障暂态电流波形的切线斜率求解故障距离。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所提方法的有效性与准确性,其能够在不同故障类型、不同故障距离、不同过渡电阻的情况下精确定位故障点位置。