基于MMC多端柔性直流输电保护关键技术研究

基于MMC的多端柔性直流输电是直流输电的重要发展方向。对MMC多端柔性直流输电控制保护系统进行了研究,介绍了一种基于子模块电容电压优化平衡控制算法的控制策略,详细给出了柔性直流输电系统保护配置,对阀侧交流母线差动保护策略和换流器区保护策略等保护关键技术问题进行深入研究,给出了具体的解决策略。并搭建了多端MMC-HVDC仿真试验系统验证控制保护研究策略,详细分析了阀侧交流母线两相短路接地故障和换流器上桥臂短路故障仿真结果。所研究内容对多端MMC-HVDC工程的研究和发展有重要的借鉴意义。     

考虑直流控制的换流器交流侧故障及其保护动作行为分析

直流输电系统换流器交流侧故障时,换流器保护对交流侧故障的保护边界不明确,换流器保护与故障间的对应关系也不明确。为进一步明确换流器保护响应与交流侧故障间的关系,在考虑直流系统控制作用以及换流器工作状态切换的基础上,建立了基于回路叠加的换流器故障分析电路,对交流侧故障时换流器各保护的动态响应特性进行了分析。在此基础上,采用基于实际参数的EMTDC模型对交流侧故障下换流器保护的动作行为进行了分析。分析表明:换流器差动保护可反映换流器交流侧的接地故障;阀短路保护可以反映其所在桥互感器阀侧的相间故障;阀组差动保护仅能反映D桥交流侧单相对地故障;桥差保护则反映的是其所在桥以外的另一桥互感器阀侧的相间短路故障。     

基于电流积分的HVDC系统阀短路故障分类与定位方法

为实现高压直流输电(HVDC)系统阀短路故障的快速有效处理,提出了一种基于电流积分的阀短路故障分类与定位方法。定义六脉动换流器电流路径中的"交流截面""上桥臂截面"和"下桥臂截面",计算出采样窗内流过各截面的电流积分,以其大小关系为判据,区分交流侧相间短路、桥臂短路和直流出线短路3种典型阀短路故障类型;针对桥臂短路故障,进一步计算出采样窗内各交流支路和其对应桥臂支路的电流积分差值,定位故障桥臂。基于CIGRE模型的仿真结果表明,该方法能快速分类与定位阀短路故障,且不受故障时刻、噪声和采样窗长的影响。     

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。     

交流侧单相接地短路故障引起高压直流输电换相失败的研究

针对交流侧单相接地短路故障引起高压直流输电换相失败的问题,阐述了高压直流输电系统(HVDC)的组成和直流输电换相失败的机理,分析了其受交流系统单相接地短路故障影响的原因,并基于PSCAD/EMTDC仿真软件以CIGRE直流输电第一标准模型为仿真模型,对交流侧的单相接地短路故障引发HVDC系统换相失败的情况进行仿真研究。PSCAD仿真分析结果表明,增大关断角来减小换相失败几率的方法会导致整个高压直流输电系统的输送功率减少,消耗更多的无功功率。     

MMC-HVDC系统中阀侧交流母线故障保护策略研究

模块化多电平换流器直流输电系统(Modular Multilevel Converter HVDC,MMC-HVDC)的阀侧交流母线与换流器直接相连,其故障对换流阀造成的危害相对于网侧交流母线故障要严重的多。对其控制保护策略进行深入的研究分析有助于提高MMC-HVDC系统电力传输的安全性和可靠性。首先对MMC基本结构及原理进行了介绍。然后对阀侧交流母线故障进行了分类,就单相接地故障对系统的影响进行了深入的研究分析,并提出了针对性的控制保护策略。最后通过对阀侧交流母线单相接地故障进行仿真,验证了故障特性分析的正确性和对应保护策略的可行性。     

云广直流工程换流器交流侧接地故障仿真分析

云广直流输电工程采用双12脉动换流器串联的特殊结构,其换流器发生故障时的运行特性有待研究。基于云广直流输电工程控制保护系统的RTDS仿真实验数据,研究了站间通信处于正常和故障两种状态下的换流阀的交流侧接地故障,发现故障电流由于周期性的两相短路和三相短路从而形成周期性变化,建议增加直流极差动87DCM保护动作延时以避免保护动作可能扩大停电范围。     

轻型高压直流输电系统的仿真与故障分析

轻型高压直流输电（high voltage direct current light,HVDC Light）是一种基于电压源换流器（voltage sourced converters,VSC）和脉冲宽度调制技术的新型直流输电形式,其运行控制简单,输出波形好,解决了传统高压直流输电换相困难,两端必须采用有源电源等问题。分析了HVDC Light系统的结构及基本原理,针对定直流电压和定有功功率的控制方式,构建了HVDC Light系统的MATLAB仿真模型;分析了系统的功率和直流电压的稳态特性,并针对几种常见的交流侧物理量扰动和三相短路故障进行了仿真分析。结果表明,受到扰动后的系统能够在0.3 s左右恢复稳态。仿真结果证明了HVDC Light系统的可行性和仿真模型的正确性,为HVDC Light系统的实际应用提供了参考。     

中海油文昌柔性直流输电系统暂态故障仿真分析

柔性直流输电是基于电压源换流器的新一代高压直流输电技术。针对中海油文昌±10 kV/4 MW柔性直流输电项目,在PSCAD/EMTDC仿真环境下分别对直流侧系统、逆变侧系统故障进行仿真分析。结果显示,换流器直流侧电容器组和电缆之间加入串联电抗器能够有效抑制短路电流。逆变器交流400 V发生短路时,故障电流越限快速闭锁逆变侧换流器,能够阻止故障的扩大、保障设备安全。     

双极MMC-HVDC系统故障限流及换流器快速重启策略研究

随着模块化多电平换流器直流输电(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)的快速发展,远距离大容量架空线直流输电系统随之出现。相比于电缆线路,架空线输电易发生短路、闪络等瞬时故障,必须采取相应措施限制故障电流,避免系统停运。针对架空线真双极MMC-HVDC系统,分别从交流系统和换流阀的角度分析架空线路单极接地故障的等值电路模型和故障特性,推导故障电流的解析表达式。提出了一种新型故障限流模块,可有效抑制闭锁后短路电流幅值。依靠该限流模块的限流能力,设计了换流站快速重启策略。仿真结果证明,该限流方案可有效限制桥臂电流的大小及上升速率,消除系统交流侧及换流器内部续流二极管的过流危害,减小直流断路器的动作难度,加速故障极换流站重启,减少系统停运时间。     

基于EMTDC的HVDC极控制的建模与仿真

为了配合高压直流输电系统在我国的发展,介绍了高压直流输电极控制系统的基本结构和工作原理,运用PSCAD/EMTDC仿真软件对极控系统中的最主要功能,如定电流控制、定电压控制、定熄弧角控制以及限幅环节进行了数字建模,并应用于Cigre的HVDC标准测试系统,对4种工况进行仿真计算,仿真结果表明该极控系统具有良好的跟踪设定参考值变化的能力;当交、直流系统发生故障时,控制系统调节快速,能迅速抑制故障,并使故障恢复后直流输电系统能平稳过渡到稳定工况,说明所建仿真模型的正确性。     

新型直流输电系统故障恢复特性

为了解不同无功补偿方式对交流系统强度的不同影响度,提出了一种自耦补偿与谐波屏蔽的新型换流变压器,其结构特点在于换流变压器阀侧角接三角形绕组端部引出抽头接辅助滤波兼无功补偿装置,有效的将谐波抑制于阀侧并部分的补偿换流器所消耗的无功功率,在此基础上建立了一种新型的直流输电系统。对新系统和目前广泛使用的无功补偿设备在HVDC故障恢复过程中作用的仿真分析结果表明,新型换流变压器能够增强交流系统,故障切除后HVDC可以较快的恢复,提高了输电系统运行的安全稳定性。     

混合直流系统中直流侧故障暂态电流的解析表达与故障特性的研究

由基于线性换流器高压直流输电系统(LCC-HVDC)和基于电压源换流器高压直流输电系统(VSC-HVDC)共同构成的混合直流输电系统,其故障特性与传统直流输电系统不同。针对此问题,对混合直流输电系统中直流侧故障暂态电流特性进行了研究。首先建立了送端电网采用LCC型换流站、受端电网采用VSC型换流站的两端混合直流输电系统,利用拉普拉斯变换定理推导了直流侧故障时的等效电路,解析了LCC侧和VSC侧直流故障电流简易表达式。其次,在简易表达式的基础上,充分考虑送端LCC侧换流站的触发角动态变化过程和受端VSC侧换流站交流电流的馈入,进一步解析了两侧精确的故障电流表达式。然后,从故障电流幅值、谐波等方面对比分析了三种高压直流系统中直流侧故障电流的变化特征。最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提故障电流解析表达式的正确性。     

SFCL对HVDC系统中换相失败的影响

针对逆变侧换流母线逆变侧发生短路使得交流电压下降和直流电流上升而引起的换相失败问题,分析了换相失败影响因素及桥式超导故障限流器（SFCL）限流原理.在PSCAD/EMPDC仿真环境下,以CIGRE HVDC基准模型为研究对象,将SFCL应用于直流输电系统中,研究SFCL对HVDC系统稳定运行及换相失败的影响.研究表明,SFCL能够限制交流系统的故障电流继而使直流输电系统能快速恢复正常运行状态。     

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。     

换流变压器阀侧单相接地故障保护动作分析

文章系统分析了超高压直流输电系统的换流变压器阀侧发生单相接地故障时的特点,并讨论了相应的换流变压器差动保护和换流器差动保护的动作行为,最后运用EMTDC对CIGRE直流输电标准测试系统的整流侧和逆变侧换流变压器阀侧单相接地故障进行了仿真分析,研究了交直流保护系统的配合及相关的解决措施,完善了超高压直流输电系统的故障分析和保护配置。     

柔性直流输电系统桥臂过流保护定值配合方法

针对交流故障下柔性直流桥臂过流保护可能误动导致故障穿越失败,直流故障下桥臂过流保护拒动或慢动可能导致开关器件过流等问题,讨论了柔性直流换流阀桥臂过流保护功能在阀控和直流保护装置中的配置和定值配合关系。借鉴交流保护定值配合图的概念,提出了桥臂过流保护功能在阀控装置与直流保护装置中的优化配合方法。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真平台,结果表明所述桥臂过流保护配合关系和定值设置方法可在交流故障下成功实现故障穿越,并可在直流极间短路等严重故障下可靠闭锁换流器并触发旁路晶闸管,降低电力电子器件的过流风险。     

交流系统故障下高压直流输电晶闸管触发监测单元储能方式

晶闸管触发监测(TTM)单元是直流输电换流阀的核心器件之一,用于实现阀控系统和换流阀间信号的光电转换,完成换流阀的触发与保护,其性能直接影响直流输电工程的可靠性。文中给出了具有高电位复合取能功能的TTM的功能设计框图,研究交流系统故障下TTM工作状态对高压直流输电系统的影响,提出TTM储能电路的设计方法,并以酒泉—湖南±800 kV/5 000 A直流工程参数为例,对TTM储能电路进行了理论计算、仿真分析和试验研究。以该成果为核心技术的A5000型换流阀TTM已应用于多个直流输电工程。     

交流不对称故障下的LCC-MMC混合直流系统输送功率提升策略研究

将常规两端直流输电系统逆变站的电网换相换流器(LCC) 替换为模块化多电平换流器(MMC)所构成的混合直流输电系统,可结合两种换流器的优点而具有广阔的应用前景。在研究其基本稳态控制特性的基础上,重点分析了交流电网不对称故障引起的直流输送功率下降及中断问题。通过分析混合直流系统的交流故障特征,发现交流不对称故障发生在整流侧时易引起直流电压下降甚至输送功率的中断,发生在逆变侧时易引起直流系统电压异常。鉴于此,提出了基于MMC典型控制的附加直流电压控制策略,在其调制范围内通过降低故障时逆变侧的参考直流电压以提高直流系统的输送能力。若检测到本站直流电压的交流分量大小超过限定值,则附加控制策略自动投入,无需依靠换流站间的通信。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所提控制策略的可行性。     

高压直流输电系统的保护策略

直流系统保护策略是直流输电工程系统研究和控制保护系统设计的重要组成部分，其目标是保护设备，避免故障或异常工况造成的设备损坏和影响直流输电。高压直流输电系统可能的故障工况包括挟流阀故障、直流部分故障和交流部分的故障，直流系统在不同的故障情况下表现出一定的特性，根据直流系统运行特点和故障特性提出了高压直流输电系统的保护策略。文章以三常高压直流输电工程为例详细说明了长距离直流输电系统的保护策略，包括功能配置、保护原理、保护动作的处理方式以及控制保护系统仿真研究所采用的手段，并在此基础上时高压直流系统保护策略进行了总结。