基于主动限流控制的直流配电网保护及故障隔离方案

柔性直流配电网中直流故障易引起系统过流,严重威胁电网的安全运行。基于全桥子模块的模块化多电平换流器(FBSM-MMC)的柔性直流配电网大多利用MMC闭锁来切断故障电流,但其闭锁会导致整个直流配电网的短时停电,降低供电的可靠性,迄今尚无有效的解决方案。对此,文中提出一种基于FBSM-MMC主动限流控制的柔性直流配电网保护及故障隔离方案,共包含3个阶段:故障发生后首先利用MMC主动限流控制将换流器输出直流电流限制在1.2倍额定电流附近(阶段1),进而根据各条线路两端直流电流是否具有同步性过零特征实现故障线路的识别(阶段2),在此基础上,进一步提出基于直流断路器与快速机械开关协同配合的故障隔离方案(阶段3)。通过断开故障关联的直流断路器,并控制相应换流站的输出直流电流降低为0,使得故障线路上的机械开关亦能快速开断,从而实现故障隔离。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了四端柔性直流配电网模型,通过大量仿真验证了所提保护及故障隔离方案的可行性。     

基于直流断路器动作响应的环状柔性直流配电网后备保护方案EI北大核心CSCD

直流配电网由于供电能力强、线路损耗小、电能质量高等优点,已经成为未来配电网的发展趋势。柔性直流换流器过载能力差,且直流线路故障时,换流器直流侧电容向故障点提供数值很大的放电电流,对环状直流配电网继电保护的快速性和选择性提出了极高的要求。此外,一方面直流故障电流分断困难,技术尚不成熟,直流断路器存在拒动风险;另一方面,即使换流器闭锁后,仍然需要继电保护识别故障位置并采取故障隔离措施,以保障重启动和恢复过程的顺利进行,因此环状直流配电网的后备保护也应得到足够的重视。提出一种基于直流断路器动作响应的环状柔性直流配电网后备保护方案,分析了直流故障线路一侧断路器拒动情况下,相邻非故障线路上限流电抗器的电压变化特性,提出基于直流电流二阶变化率的故障识别判据和故障隔离方案;其次,分别考虑了高阻故障和故障线路两端直流断路器非同期分断等问题,提出基于直流电流一阶变化率的辅助判据和基于电流二阶变化率数值和方向的闭锁判据,以提升后备保护方案的整体性能;最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建电磁暂态仿真模型,验证了所提方案的有效性,结果表明:该方案动作无需通信,耐过渡电阻能力强,不受交流侧故障影响,能够在直流断路器动作后快速启动并为柔性环状直流配电网提供有效的后备保护。     

基于新型柔性限流器的直流配网故障特性分析

为抑制直流配电网短路故障电流,降低其内部断路器开断要求,提出了一种可串联于直流线路的新型柔性限流器.正常运行时,通过桥型电路将该柔性限流器旁路,使其不影响系统的运行.故障时,通过桥型电路的自然切换,将该限流器串入直流配电网系统,为故障回路提供可变箝位电压,实现AC/DC换流站出口放电电容压降的灵活控制,进而有效抑制故障...     

基于耦合电感的直流故障限流器

柔性直流电网存在故障电流上升速度快、幅值高,感性元件储存能量大等问题,这造成故障电流难以分断,并且使得直流断路器的耗能支路承受巨大压力。为了限制故障电流峰值并且降低直流断路器耗能压力,提出一种基于耦合电感的直流故障限流器。当发生短路故障时,该故障限流器利用电感耦合特性等效投入电阻与电容组成的限流支路,以实现无延时的故障限流;当直流断路器分断故障电流时,该故障限流器利用耗能电阻耗散耦合电感储存的能量,从而分担直流断路器耗能压力,以达到降低避雷器容量需求、加快故障电流分断速度的目的。大量电磁暂态仿真结果表明,所提故障限流器具有良好的限流效果,能极大降低直流断路器的耗能压力。且该故障限流器制造成本低,易于实现。     

三端口混合式直流断路器的工程应用

唐家湾三端柔性直流配电网工程成功应用了世界首套±10 kV三端口混合式直流断路器,可实现多端换流站的联络及故障快速隔离,从而保障系统安全可靠运行。文中针对唐家湾三端柔性直流配电网故障隔离需求,提出三端口混合式直流断路器的拓扑结构、工作原理和技术参数。进而进行三端口直流断路器工程样机研制,开展电流开断试验,试验结果表明,三端口混合式直流断路器工程样机可在2.7 ms内开断10 kA故障电流。最后,将三端口直流断路器工程样机安装在唐家湾三端柔性直流配电网工程,并进行三端系统在线投入、三端系统在线退出和三端系统电流开断试验共3个关键试验,试验结果表明,三端口直流断路器运行状况良好,功能和性能满足工程设计和运行要求。     

基于限流器与断路器协调的混合直流输电系统故障隔离方法

为妥善处理混合直流输电系统的故障隔离问题,提出了一种基于限流器和直流断路器协调的故障隔离方法。阐述了限流器和直流断路器的结构与建模思路,设计了两者的时序协调方案。考虑限流器动作和断路器分断各暂态阶段,建立了混合直流输电系统的故障等效电路,理论推导了系统峰值电流、耗散能量和故障清除时间的数学关系。利用PSCAD/EMTDC平台,搭建了320 kV混合直流输电仿真测试系统。仿真比较了不同限流电阻、主断路器延时及故障深度下系统的暂态性能。仿真结果验证了所提方法在抑制短路电流、加速故障隔离与降低断路器耗散能量等方面的积极效应,肯定了其应用于混合直流输电系统的有效性和适应性。     

基于MMC主动限流的柔性直流配电网优化配合保护策略

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流配电网发生直流短路故障后,激增的故障电流将严重威胁电网安全稳定运行。为抑制故障电流,针对半桥MMC型直流配电网提出一种基于主动限流控制的优化配合保护策略,通过减小直流故障电流上升率与故障隔离时间来抑制故障电流。首先根据故障电流特性提出了基于虚拟电抗的主动限流方式来限制故障电流上升率;进而根据单端量电流变化率特性设计了快速故障区域识别方法;并综合上述内容形成了快速故障区域识别与直流断路器动作的优化配合保护方案,通过优化断路器时序配合来加快故障隔离速度,进一步抑制了故障电流。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了柔性直流配电网仿真模型,通过多个算例验证了所提方案的有效性。     

基于智能电流控制设备的直流配电网故障穿越方法

低压直流配电网常规低压配网开关的开断速度难以保障系统双极短路故障的快速隔离.在配电网中引入了智能电流控制设备,直流变压器低压侧配置改进直流阻断模块,在故障时阻断电源对故障点的短路放电,实现故障电流的快速抑制;馈线开关柜配置阻尼断路器,故障时高速开关快速分断投入阻尼电阻,增大短路回路的阻抗.该方法在馈线出现短路时,可快速隔离故障,故障隔离后通过改进直流阻断模块将电源重新投入系统供电,实现了系统的故障穿越.通过RTDS仿真验证了所述故障穿越控制策略的有效性.     

基于电阻型超导限流器的直流线路纵联保护方法

柔性直流系统中双极短路故障电流的限流和对故障线路快速可靠的开断是实现柔性直流系统安全运行的重要保证。以南澳多端柔性直流示范工程为例,提出一种基于电阻型超导限流器的直流线路纵联保护方法。该方法结合超导材料特性,克服传统电流差动保护依赖额外电流测量设备的缺点,利用电阻型超导直流限流器失超时两端电压的正负,配合混合式直流断路器,实现有选择性的故障隔离。分析电阻型超导限流器在南澳多端柔性直流示范工程中的应用场景,在此基础上提出直流线路纵联保护流程和逻辑时序,最后在某四端柔性直流系统中进行仿真。仿真结果验证了该保护方法的可行性,可实现对直流线路双极短路故障的快速隔离。     

中高压直流开断技术

直流电网在高压柔性输电、新能源接入、轨道牵引以及未来城市配网方面有着广泛的应用前景。直流断路器作为重要的控制和保护设备,是直流电网供电安全的重要保证。与交流相比,直流开断的要求更高、其实现也更加困难。根据开断原理的区别,目前的直流断路器主要分为空气断路器、电流注入式断路器和混合式断路器三类。分别对三类直流断路器进行了综述,介绍了相应的开断原理与开断方法,着重分析了中高压直流分断方面的最新技术。空气式直流断路器通过建立足够高的电弧电压实现分断,结构简单、可靠性高,在低电压等级系统中已经得到了广泛的应用。电流注入式直流断路器利用储能元件产生的反向电流注入来实现直流分断,短路分断速度较快,可用于中高压直流系统。混合式直流断路器主要利用全控型电力电子器件来实现电流分断,开断速度极快,对于不同电压等级适用性较强,然而较高的成本限制了其广泛应用。     

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。     

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。     

含高比例分布式电源的直流配电系统故障恢复过电压机理及其抑制

针对直流配电系统故障恢复过程中出现的过电压问题,本文研究了该过电压的产生机理及其抑制方法。首先介绍了典型直流配电系统的拓扑结构,给出两种核心换流装备(两电平VSC和DC/DC换流器)在双极短接故障下的电流及电压故障特征。基于故障点隔离后的健全区系统等效电路,研究了故障恢复过电压机理及影响因素,揭示了故障存续期间各换流器电压跌落速度不一致是导致故障恢复过电压的根本原因。在此基础上,以保障换流器电压跌落速度相同和直流断路器开断容量为约束,提出各换流器出口限流参数匹配设计原则,同时兼顾限制故障电流和抑制故障恢复过电压效果。最后在PSCAD/EMTDC进行了仿真验证。     

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...     

混合式高压直流断路器控制保护系统

直流断路器作为柔性直流电网的关键设备,用于故障快速隔离和恢复,大大提高了直流电网的安全性和可靠性。文中基于混合式高压直流断路器,详细研究了其控制保护架构和控制保护策略。首先设计了"冗余双重化"控制系统架构和"三取二"保护系统架构,具有架构层级清晰和功能分配明确等特点;然后给出了混合式直流断路器的分闸和合闸控制策略,并详细设计了本体过流保护策略、本体设备保护策略和辅助设备保护策略;最后研制了一套500 kV/25 kA混合式高压直流断路器的控制保护系统,并通过实时数字仿真系统(RTDS)进行仿真研究,结果验证了控制保护系统及其策略的正确性和有效性。     

自适应限流型固态断路器的直流电源设计

为消除常规限流电抗对直流系统运行稳定性和直流断路器断流速度的不利影响,桥式限流型固态断路器实现了兼具自适应故障限流与断流的优异性能,但其桥电路中的直流偏置电源存在无过流保护和电源容量与投资成本相对较高的缺陷。针对桥式限流型固态断路器,文中设计了一种基于三相半波整流电路的直流偏置电源,提出了偏置电源参数选取和电压整定方法,有效减少了电力电子器件数量,实现了偏置电源过流保护电路,降低了偏置电源设计容量和制造成本。样机实验和仿真算例证明了所提出的自适应限流型固态断路器的偏置电源的优势。     

多端口电感耦合型直流限流断路器快速重合闸策略

高压直流（high voltage DC,HVDC）电网是连接可再生能源与交流主网的主要载体,直流故障后的恢复速度对整个交直流电网的稳定性有重要影响。基于多端口电感耦合型高压直流限流断路器,提出一种与直流电网换流器控制策略相配合的快速重合闸策略。介绍了多端口限流断路器的拓扑结构,分析了换流器控制策略对故障隔离后直流电压的影响,并对限流断路器的重合闸时序进行了选择,形成了与风电场等弱交流系统连接的换流器-断路器协调配合重合闸的控制策略及逻辑流程。在4端双极直流电网仿真模型中,验证了所提重合闸策略具有冲击电流较低,故障恢复时间较短的优势。     

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。