直流断路器的研发现状及展望

可靠有效的电力供应以及开发利用可再生资源对于改进电力传输模式提出了巨大的挑战。基于低损耗、远距离、大功率输电以及更有效地连接可再生能源入网和便于灵活操作的优点,高压直流输电(HVDC) 得到了新的重视。特别是电压源换流器(VSC)技术的出现使得多端高压直流(MTHVDC)电网的筹建发展成为可能并越来越具吸引力。目前,多端高压直流电网技术上的主要挑战,如网络结构的拓扑设计、大容量电缆、保护和开断短路电流的直流断路器等成为热门话题。对于多端高压直流电网,具有快速开断直流故障电流和隔离故障功能的直流断路器是必不可少和至关重要的。只有应用高压直流断路器,才有可能采用多端高压直流实现多个节点连接的可再生能源入网或退网、及时快速分离故障并可保证系统的安全可靠运行。 虽然目前市场已有高压直流断路器,且有一些已在超高电压系统运行,但它们直接开断短路故障电流的开断能力较低,且都是作为转换开关将故障电流从一个电路转换到另一电路,最后由交流断路器完成开断,其开断时间较长,系统欠稳定。故具有高开断能力的高压直流断路器仍然是MTHVDC的发展的一个瓶颈,限制着MTHVDC的发展。因此,一场研发高压直流断路器的激烈竞争在ABB、西门子和阿尔斯通等国际电力设备制造商之间正在悄然进行。本文着重介绍了高压直流断路器的发展及其研发的必要性和迫切性,介绍了目前高压直流断路器的最新发展状况、现存的挑战和未来展望。     

柔性直流电网架空线路快速保护方案

基于柔性直流输电的直流电网技术,是大规模清洁能源接入电网的有效手段,直流电网快速线路保护是其面临的重要技术挑战之一。以国内计划建设的张北直流电网工程为背景,提出了一套适用于全网配置直流断路器、采用架空线输电的对称双极直流电网线路快速保护方案。保护仅利用单端信息进行故障判别,且保护数据窗短,满足速动性的要求;保护采用电压梯度快速检测故障,利用限流电抗器对故障电压信号的平滑作用实现故障区间的判别,并根据零模与一模电压传播特性的差异判定故障极,实现保护的选择性与高可靠性。结合直流电网的PSCAD模型,验证了所提出方案在不同故障情况下的保护性能,并分析了保护对运行方式改变的适应性。     

适用于架空线路的双极混合MMC-HVDC拓扑

为应对柔性直流输电在远距离大容量架空线输电领域应用问题,基于钳位双子模块和双晶闸管子模块拓扑构成的两种模块化多电平换流器,设计了串联双极混合直流输电系统,既提高了输电容量,又能缓解单种拓扑能耗较大或直流故障抑制时间较长问题。重点分析了双极混合拓扑在不同直流故障下等值电路和直流故障穿越机理及其抑制特性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建双极混合直流输电模型,对系统稳态运行工况和直流故障穿越特性进行了对比研究。仿真结果表明,双极混合系统既体现出灵活多样的稳态运行特性,又具有直流故障穿越与快速恢复能力,较好地适用于远距离大容量架空线路输电应用领域。     

MMC-HVDC孤岛供电系统直流故障穿越协调控制策略

针对基于架空线输电的MMC-HVDC孤岛供电系统直流线路故障率较高的问题,配置直流断路器隔离故障是有效的解决方案之一。综合考虑了双极换流站灵活的运行方式、直流断路器的故障清除能力和双馈风机的快速响应能力,提出一种适用于MMC-HVDC孤岛供电系统的直流故障穿越协调控制策略,实现了自平衡和非自平衡工况下的功率协调。自平衡工况下,通过合理切换双极MMC的控制方式,可在维持交流电压稳定的同时提高非故障极MMC输出功率,使其自主平衡孤岛系统功率缺额;非自平衡工况下,设计了风电场精确提升其输出功率的控制策略,通过换流站与风电场间的协调配合维持孤岛系统的功率平衡。最后,基于Matlab/Simulink仿真模型验证了所提策略的有效性。     

柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述

由于柔性直流输电系统调节方式和自身结构的特殊性,直流线路的故障电流具有上升速度快、峰值大的特点,极易损坏换流器件和设备绝缘,且柔性直流系统无法通过调节触发角实现故障自清除。因此,对直流线路故障处理和保护提出了更高要求。对于柔性直流线路故障,不仅需要快速且可靠的线路保护对故障进行识别,也需要相应的处理措施和手段对故障后的电流进行有效限制,以减少故障冲击电流对换流器件、直流线路自身以及系统的损害。基于柔性直流输电线路的故障特征,从直流线路故障电流抑制、减少故障影响、线路保护原理等方面,系统地介绍了国内、国外柔性直流输电线路故障处理与保护技术的现状和发展。重点分析了几种辅助电路、新型换流器拓扑和直流输电结构,以及直流断路器在处理直流线路故障方面的性能。探讨了目前柔性直流输电线路故障处理和保护亟须解决的关键问题以及未来进一步的研究方向。     

Grid Integration of Large DFIG-Based Wind Farms Using VSC Transmission

This paper describes the use of voltage source converter (VSC)-based HVDC transmission system (VSC transmission) technology for connecting large doubly fed induction generator (DFIG)-based wind farms over long distance. The operation principles of the proposed system are described, and new control strategies for normal and grid fault conditions are proposed. To obtain smooth operation, the wind farm side VSC (WFVSC) is controlled as an infinite voltage source that automatically absorbs power generated by the wind farm and maintains a stable local ac network. Fault ride through of the system during grid ac faults is achieved by ensuring automatic power balancing through frequency modulation using WFVSC and frequency control using DFIG. PSCAD/EMTDC simulations are presented to demonstrate robust performance during wind speed and power variations and to validate the fault ride through capability of the proposed system.     

Suppression of DC line current oscillation of HVDC transmission system using voltage source forced commutation converter

The conventional converter used in an HVDC system requires line voltage to turn off the current flowing through a thyristor or a mercury-arc valve. Hence, the HVDC system cannot supply electric power to the system which has no ac source, such as a generator or a synchronous condenser. Thus, the HVDC system has some difficulties in operating with the weak system. The conventional solution to avoid these problems is to install large-capacity synchronous condensers which require considerable construction costs and maintenance. Another solution is the application of a forced commutation converter. The recent development of high-power and high-frequency semiconductor devices with fast gate turn-off ability (e.g., GTOs and SI thyristors) suggests the application of a voltage-source-type forced commutation converter (VSFC) to an HVDC system. To ensure the promising characteristics of the overall system, further investigation is of course necessary. The performance of dc transmission into a remote load-only system without ac source has been investigated by means of computer simulation. In many runs of a simulation program of the HVDC system using VSFC, we noticed that long sustaining oscillation of dc line current and dc voltage occurs when a large disturbance is applied. The performance is worse when series dc reactance (DCL) is installed to suppress higher harmonics of dc line current. To improve the performance of the HVDC system using VSFC, an attempt was made to install the L-R parallel damper circuit in series of dc transmission line. Simulation results when DCL and L-R damper are installed in series show that suppression of higher harmonics is as effective as the installation of DCL only, and the damping of oscillation also is substantial to improve the dynamic performance of the whole system.     

多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略

在多端直流输电系统中使用直流断路器有利于故障的快速切除,但目前直流断路器的制造工艺尚不成熟,难以在工程中推广应用。文中在直流输电系统直流侧采用常规交流断路器作为直流断路器的替代方案,提出了一种针对多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略。利用PSCAD/EMTDC软件建立了±800kV双极四端直流输电系统仿真模型,并进行了仿真。仿真结果表明,基于常规交流断路器的多端直流输电系统控制保护策略能够实现系统故障后的快速恢复,较好地满足功率输送要求,有效提高所连交流系统的稳定性。     

A feasible coordination protection strategy for MMC-MTDC systems under DC faults

Modular multilevel converter based multi-terminal HVDC (MMC-MTDC) technology is increasingly adopted as a promising option in the power transmission and distribution fields. However, how to isolate dc fault currents and ensure the continuous operation of the healthy parts of the MMC-MTDC system under dc faults presents a huge challenge. Based on a comprehensive analysis on the dynamic behavior of the dc fault current of a MMC, along with the operation characteristics of hybrid dc circuit breakers (CBs), a protection strategy will be developed. It coordinates the system parameters to ensure the hybrid dc CBs cut off the dc fault current before triggering MMC blocking in bipolar dc faults. The mathematical approximation of the dc fault current without converter blocking is achieved through theoretical analysis and numerical calculation, and the smoothing inductance at the dc side of MMC station has shown a major influence on the dynamic behavior of the dc fault currents. The smoothing inductance can be determined based on the mathematical expression of the dc fault current, as well as the breaking capacity of hybrid dc CBs. Data analysis and simulation are performed based on a three-terminal dc test system to validate the effectiveness of the coordination protection strategy.     

柔性直流输电——适用于风电场的电力传输新技术

阐述了柔性直流输电基本原理和特点,以及在风电场并网运行中的应用。分析了柔性直流输电的拓扑结构,在此基础上建立了柔性直流输电系统的暂态数学模型,推导了电压源换流器控制量与被控量之间的对应关系,并据此设计了非线性解耦控制器,实现输送有功、无功功率的解耦控制。最后通过Simulink仿真模型的建立和对直流短路故障的分析,验证了所建立的仿真模型以及控制方式的正确性和合理性,为进一步研究柔性直流输电在风电场电力传输中的应用奠定了基础。     

适用于两电平电压源型换流器的直流故障清除辅助拓扑

两电平电压源型换流器在35kV及以下电压等级输电场合具有较高的成本效率比,因此被广泛应用于风电并网等低压领域。但是,其不具备直流故障清除能力的特点,给电网设备安全造成了较大的影响。基于以上背景,文中提出了适用于两电平电压源型换流器的直流故障清除辅助拓扑。该辅助拓扑使用超导故障电流限制器,大幅降低了故障电流;基于电流谐振的思路,可实现在电流过零时将故障清除。采用该辅助拓扑的直流故障清除方案,相比于采用交流断路器的方案,具有清除时间短、故障电流小的优点;相比于采用直流断路器的方案,具有电压变化率小、成本低的优点。最后,在PSCAD/EMTDC中验证了所提辅助拓扑的正确性与有效性。     

基于断路器重合闸的柔性直流输电线路单端故障测距方法

高压柔性直流输电采用架空线路,运行环境复杂,难以避免故障。快速准确的故障定位可以缩短故障清除时间,对于快速恢复供电十分重要。现有测距算法依赖暂态波头辨识,受到干扰后测距精度会下降。针对上述问题,在线路分布参数模型基础上,在时域中通过电报方程计算线路沿线分布的电压和电流,进而根据故障点处电阻值相对稳定这一特性构成测距判据。由于输电线路两侧的直流断路器重合时间并不一致,此时先重合一侧的系统才会继续向故障点馈入短路电流,因此通过单端量便可实现测距。所提测距方法无需通信,适用于各种故障类型并且所需窗长较短,具有耐受过渡电阻和噪声的能力。最后利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建±500 kV多端柔性直流输电系统模型,仿真结果验证了所提测距算法的准确性和适用性。     

政平换流站的无功功率控制

龙泉-政平±500kV直流输电系统自2003年6月正式投运,起着联系华中和华东两大区域电网的重要作用,研究其无功功率控制软件RPC的功能、结构和控制方法对其安全可靠运行和其他直流输电工程建设有着重要意义。为此介绍了政平换流站绝对最少滤波器等控制功能的控制模式。并简要说明了该站无功功率控制系统运行情况,指出需注意的问题以供同行业参考。     

风电经混合型MMC-HVDC并网的交直流故障穿越策略

为实现内陆大规模风电的可靠并网,采用高压直流输电技术和架空线路进行远距离电能传输是有效的解决方案。由于架空线易发生线路故障,采用具有故障自清除能力的换流器拓扑是主要解决途径之一。采用混合型模块化多电平换流器来进行风电并网,设计了不依赖于换流站间通信的并网系统交直流故障无闭锁穿越策略。系统无闭锁故障穿越期间并网点交流电压可控,风机可维持正常运行。考虑到故障期间风机持续并网输出功率,设计了耗散电阻和与风机内部斩波电阻相配合的策略,以耗散多余的能量。最后,通过PSCAD/EMTDC的多组仿真,验证了并网系统无闭锁穿越交直流故障及快速恢复的有效性。     

直流断线故障下海上风电经柔性直流送出系统的暂态特性

断线故障为常见的直流故障类型之一,研究该场景下海上风电经柔性直流送出系统的暂态响应特性对于系统的保护方案设计有着重要参考价值。首先,分析了直流母线正极断线故障下短路电流产生机理,推导了非故障极短路电流表达式,并分析了接地阻抗参数对该短路电流特性的影响。其次,研究了故障期间风电场侧与电网侧换流站交直流侧暂态电压演变特性。研究表明:故障期间风电场侧直流电压与其有功输出正相关,且两端换流站交流阀侧电压产生了一对大小相等、方向相反的直流偏置分量;此外,采用较大的接地阻抗参数可有效降低短路电流对系统运行性能的影响。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了全系统的电磁暂态仿真模型,通过仿真验证了暂态特性分析的正确性与参数选择的合理性,对于大规模海上风电经柔性直流系统并网的规划设计具有一定的指导意义。     

适用于大规模风电并网的多端柔性直流输电系统控制策略

提出了一种适用于区域大规模风电并网的六端柔性直流输电系统,设计了该系统的协调控制策略,即送端电压源型换流器(VSC)采用交流电压控制、受端VSC采用直流电压下垂控制。以直流网络损耗最小作为优化目标,计算了系统稳态运行点。通过在PSCAD/EMTDC平台上搭建仿真算例,验证了所提出的系统控制策略可以自动跟踪风电功率波动并协调受端功率分配。通过设计系统启动和风功率波动及交流侧故障和换流器停运的仿真算例,验证了该六端柔性直流输电系统具有良好的功率调控能力和运行灵活性。     

高压直流输电线路故障清除及恢复策略研究综述

高压直流输电线路故障后的快速清除和恢复对整个系统的稳定、可靠运行至关重要。文中分析总结了现有基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)系统和基于电压源型换流器的高压直流(VSC-HVDC)系统中直流线路故障清除及恢复策略。指出现有策略中存在盲目恢复的不足,会对整个系统造成更大的冲击或者不必要的停运。提出了一种可能的解决方案:在不同直流输电系统中展开直流输电线路故障自适应恢复研究,实现直流输电系统的安全、快速恢复,完善直流线路故障综合处理方案。     

混合三端直流输电系统在风火打捆并网中的应用及其控制策略

针对大规模风电外送可靠性问题,提出风火打捆经混合三端直流输电并网系统拓扑结构并设计各换流器的控制策略。混合三端直流输电系统的发电端由两个自然换相(LCC)整流器组成,受端由一个电压源型逆变器(VSC)与外电网相连。风电场群侧LCC1换流器采用定有功功率的控制策略,可以追踪最大功率;火电厂侧LCC2换流器采用定直流电流控制策略,可以平抑风功率波动。受端换流站控制器VSC采用定直流电压和定无功功率控制策略,能有效应对换流站侧交流系统短路故障和负荷突变等工况。仿真结果表明所提控制方案的有效性。这种输电模式能够综合利用常规直流输电和轻型直流输电各自的优点,有效扩展常规风火打捆直流输电系统的适用范围。     

基于VSC HVDC联网的风电场故障穿越能力研究

通过VSC HVDC技术进行大规模风电场并网可以不受传输距离的限制,隔离线路两端网络减少故障之间的相互影响,并可以自动换相,运行不需要借助于外部电源,因此VSC HVDC被视为较理想的风电场并网方式。在分析VSC HVDC的风电场并网系统的稳态控制策略及运行特性的基础上,当交流电网发生故障扰动时,对VSC HVDC联网的风电场并网系统的故障穿越能力进行了研究。给出了传统的直流泄放电阻的故障穿越方法,并提出了一种基于风电机组惯性支持的故障穿越方法。通过对双馈风电机组（DFIG）组成的风电场经VSC HVDC并网的系统进行仿真分析,验证了该方法能够在交流电网发生故障时迅速响应,防止VSC HVDC直流过电压,提高了系统的故障穿越能力。     

采用架空线的MMC-HVDC单极接地过电压分析

采用架空线传输方式的远距离柔性直流输电线路,极易发生输电线路单极接地故障,必须采用多种方式保护设备应对暂态过电压。文中研究了采用半桥子模块的柔性直流输电系统在直流侧接地故障下的暂态过电压特性,并分析了系统结构、设备参数和故障特征等对过电压的影响,同时分析了换流器闭锁、避雷器和直流断路器对抑制直流侧故障过电压的效果。研究表明系统设备参数对过电压峰值影响最大,当保护措施启动时,系统保护装置会成为主要的过电压影响因素。最后,提出了应对直流侧故障过电压的避雷器优化配置方案。