适用于柔性直流电网的新型多端口混合式直流断路器

混合式直流断路器(HCB)是柔性直流电网直流侧故障隔离的优选方案,但是HCB高成本限制了其大规模应用的可行性,此外架空线路较高的故障概率要求HCB具备自适应重合闸功能。为此,提出了一种适用于柔性直流电网的新型多端口HCB,分别给出了其在故障隔离和自适应重合闸阶段的控制策略,详细分析了其工作原理和内部动态过程并推导了关键参数的设计方法。不同工况下的电磁暂态仿真和物理实验结果表明,该直流断路器能够通过多条直流线路共用昂贵的主断开关大幅降低制造成本,通过旁路故障线路及其上的限流电抗器降低避雷器的耗能时间和容量需求,并且具备控制简单、易于实现的自适应重合闸功能。     

基于改进直流断路器注入信号的柔直电网自适应重合闸方案

采用架空线路的柔性直流电网容易发生瞬时性故障,需要配置快速、可靠的重合闸方案。常规的自动重合闸方案缺乏对故障性质的预判,而基于换流器注入信号的故障性质判别方法不利于多端直流电网的功率传输。针对上述问题,提出一种适用于混合式直流断路器的RCT型缓冲电路（由电阻、电容、晶闸管构成）,增加主动信号注入模式来实现自适应重合闸,避免信号产生过程对多端直流电网功率传输的稳定性造成影响。在此基础上,详细推导限流电抗器的衰减作用,合理选取注入电压脉冲的宽度;进一步提出基于行波保护信息的注入信号幅值自适应调整策略,提高故障性质判别方法的耐受过渡电阻能力。大量仿真算例验证了所提重合闸方案的可行性和优越性。     

基于HB-MMC的直流电网直流线路保护技术研究综述

由于基于半桥模块化多电平换流器(half bridge modular multilevel converter,HB-MMC)的柔性直流电网系统控制方式和自身拓扑结构的特殊性,直流侧发生短路故障时,其故障电流具有上升速度快、峰值高的特点,极易损坏换流站中的半导体器件。又由于直流故障电流没有自然过零点,直流断路器难以将故障切除,因此,直流输电线路的短路故障对保护系统提出了更高的要求。基于柔性直流电网的拓扑结构、直流侧故障特征,从直流故障电流的限制、直流输电线路保护原理等方面,系统地介绍了国内外基于HB-MMC直流电网的直流输电线路故障处理与保护技术的研究现状,重点分析了柔性直流电网直流线路的保护原理,探讨了目前柔性直流电网故障处理和保护技术面临的关键问题及未来进一步的研究方向。     

柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案

基于柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决中国新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一,而高压直流断路器是构建直流电网的核心设备之一。从多端直流系统发生直流侧短路故障的机理及故障电流的发展趋势入手,以舟山5端柔性直流输电工程为例,分析了发生最严酷短路故障时,直流母线上故障电流的特性,基于分析结果提出了直流电网对直流断路器的需求;结合对现有直流断路器技术路线的对比分析,提出了一种适用于柔性直流输电网的新型快速直流断路器技术方案,并通过仿真分析验证了所提出的新型直流断路器能够满足柔性直流输电网快速切除故障电流的需求。     

基于电流动态偏差值的MMC-MTDC直流侧故障识别

为了快速可靠识别基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的多端柔性直流MTDC(multi-terminal direct current)输电系统直流侧故障,提出了一种基于单端单极电流的柔性直流电网故障识别方案。该方案通过对电流动态偏差值极值的检测与电流累差值的计算实现直流线路故障快速定位,采用母线短时能量保护区分直流母线故障和线路故障,并根据所提保护方案设计了一套故障检测和识别单元。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建仿真模型,通过仿真算例验证了该保护方案能在各种情况下快速、可靠地识别故障,无需双端数据通信,无需复杂数据分析与处理,满足多端柔性直流输电系统对保护的要求。     

基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方案

直流故障的快速可靠识别是多端柔性直流电网亟须突破的关键技术之一。基于线路边界元件直流电抗器的特征,提出了一种新型的多端柔性直流电网线路边界保护方案。利用故障线路和非故障线路直流电抗器电压大小和方向的不同,实现故障线路的快速识别;利用故障线路正、负极直流电抗器电压大小的差异进行故障类型和故障极的判别。该方案仅通过单端直流电抗器的电压即可实现对故障的快速检测、识别,不仅能够满足直流电网对保护的要求,而且保护方案简单易实现,对硬件要求较低,无需通信。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建三端柔性直流电网模型,仿真结果验证了该保护方案在不同直流故障和运行情况下的有效性。     

基于转移支路逐组导通的混合式直流断路器软合闸策略

直流断路器是构建直流电网的关键设备,通过合闸实现输电线路和换流站接入直流电网、重合闸实现故障输电线路的快速恢复。本文以混合式直流断路器为研究对象,首先介绍了其合闸/重合闸工作原理,然后提出了利用转移支路电力电子模块逐组导通的软合闸策略,并分析了软合闸策略的2类基本暂态过程。通过不同合闸/重合闸应用场合下的暂态过程分析得出,直流断路器采用软合闸策略不仅可以消除输电线路接入直流电网和重合闸快速恢复故障线路时的操作过电压,而且可以实现换流站从直流侧无预充电回路并网启动。此外,还提出了软合闸过流保护方法和耗能支路能量均衡方法来优化软合闸策略,可有效减小合闸于故障的开断电流以及耗能支路能量的不平衡。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了软合闸策略、软合闸过流保护方法和耗能支路能量均衡方法的正确性与有效性。     

基于MMC的直流输电系统双极短路故障保护策略研究

直流侧故障的区间识别和准确定位是多端柔性直流电网亟需解决的重要问题。利用双极短路故障的电流特征,提出了一种基于Pearson相关系数的故障区间识别方法。根据故障后电流的最大值及其对应的电压值,提出了一种基于双端非同步电气量数据的故障定位方法。设计了包括故障启动、故障区间识别、故障定位、故障隔离在内的线路保护方案。该方案通过利用本地的电气量来实现线路保护,具有较强的耐受过渡电阻和抗扰动的能力。在PSCAD平台上搭建了一个四端柔性直流输电系统,经大量的仿真验证了所提出的故障区间识别和故障定位方案的适用性和准确性。     

不对称双极多端柔性直流电网短路电流特性分析

含金属回线的不对称双极柔性直流电网的短路电流特性分析是其故障类型判别和故障隔离的基础。不对称双极电网发生各种故障时的短路电流具有相似的特性,难以区分。文中针对不对称双极多端直流电网的短路电流特性进行分析。首先,建立直流电网的等效电路,其中换流器和线路分别简化为RLC串联电路和RL串联电路;然后,基于建立的等效电路,分析了单端换流站的短路电流特性;最后,基于单端换流站短路电流特性,分析各换流站的放电回路,研究了不对称双极多端柔性直流电网在各种故障类型下的短路电流特性。中国张北双极柔性直流电网的仿真结果验证了分析得到的多端柔性直流电网短路电流特性的正确性。     

柔性直流电网超高速保护方案研究EI北大核心CSCD

柔性直流电网发生直流短路故障时,为保障非故障线路持续正常运行,需要快速隔离故障线路。传统柔性直流输电线路保护动作时间过长,无法满足速动性要求。为此首先对柔性直流电网直流短路故障特性进行分析,得到超高速保护动作时间指标;然后借鉴常规直流超高速保护策略,考虑直流线路故障与直流母线故障的甄别方法,提出一种适用于柔直电网的超高速保护方案,采用行波保护、电压突变量保护与电流突变量保护相结合的方式实现直流短路故障的快速检测和定位,利用双端线路故障检测结果实现保护动作快速出口,能够满足直流短路故障保护的快速性要求。最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型对超高速保护方案进行了仿真验证。     

基于VSC的多端直流环网系统故障分析与定位研究*

与两端系统相比,多端直流环网系统具有更好的供电可靠性和灵活性,但由于故障后电流回路的增多,给故障的分析与定位带来更大挑战。本文首先对直流电网的拓扑和控制方式进行介绍,并对环网中直流侧母线及线路的故障暂态特性进行分析,推导出故障电压和电流的数学表达式。在此基础上配合线路出口限流器、直流断路器及直流方向开关的使用,提出一种基于故障特征量di/dt的无需换流站间通信的故障定位保护策略。最后在Matlab/Simulink上搭建了三端直流环网系统仿真模型,仿真结果表明所提故障定位与保护策略能快速识别并切除故障,保证故障后多端直流环网系统的快速恢复。     

基于本地信息的多端柔性直流电网故障定位方法

故障定位技术是保障多端柔性直流电网安全可靠运行的关键技术。由于直流网络之间的相互连接导致其故障暂态特征十分复杂,故障定位往往要依靠通信手段,同时技术难度也会大幅提升。以基于两电平电压源型变流器的多端柔性直流电网为研究对象,提出一种基于本地信息的多端柔性直流电网的故障定位方法。利用限流电抗器作为直流线路边界,分析了限流电抗器类型的选取及其对断路器开断和保护动作时间的影响,从保护识别的准确性和动作的可靠性角度讨论了限流电抗器的容量和位置配置;对直流行波保护的电压变化率判据进行改进,通过比较限流电抗器两端电压变化率的比值和差值设定故障区间的判别方法及逻辑,利用本地信息确定故障位置;基于MATLAB/Simulink进行了大量仿真测试,验证了所提故障定位方法的可行性和有效性。     

多端高压直流输电系统保护动作策略

多端高压直流输电(HVDC)系统保护动作后故障处理策略的选择与多端系统结构密切相关。详细分析了串联型和并联型多端直流输电系统的闭锁和线路故障再启动逻辑2类保护动作后故障处理策略,并简要介绍了其他保护动作处理策略。快速移相及同时投旁通对是串联型常用的闭锁策略;并联型常采用闭锁脉冲策略,以及禁止投旁通对策略。对串联型而言,极隔离实际上是换流器隔离;由于存在多条多电压等级的直流线路,从而线路故障处理策略复杂度很高;功率回降和极平衡需各主控站协同处理;新增合大地回线开关的处理策略。对并联型而言,线路故障处理需各整流站协同处理;新增降电流后闭锁策略;新增分断直流线路开关策略,便于隔离故障直流线路。     

基于快速重合闸的多端直流配电网极间故障隔离恢复策略

为快速识别并隔离直流极间故障、实现多端直流配电网的极间故障快速恢复,提出了一种基于直流断路器快速重合闸的故障隔离恢复策略。研究了由半桥式模块化多电平换流器组成的环形多端直流配电网极间故障暂态特性,并结合目前典型的保护配置、故障选线及控制方法,形成一种基于直流断路器重合闸的控制保护一体化协调配合策略。各保护区内的快速保护检测到故障后立即闭锁换流器、跳开直流断路器以快速隔离故障;控制保护一体化装置获取故障定位信息后,重合非故障区域内已经跳开的直流断路器、解锁已经闭锁的换流器,在新拓扑结构下实现直流极间故障的快速恢复。最后在PSCAD/EMTDC软件下搭建了六端柔性直流配电网仿真模型并测试了极间故障隔离及恢复特性,验证了所提方案的可行性。     

基于MMC的多端柔性直流线路超高速保护关键技术研究

为了满足多端柔性直流电网输电线路超高速保护动作快速需求,在传统直流线路保护的基础上,介绍了柔性直流线路的保护配置和动作策略,根据故障行波的特征,提出了一种行波保护方法。该方法将电压信号经过S变换提取故障行波的特定频带特性,通过对不同时刻故障行波幅值的变化识别接地短路故障,进而构成行波保护出口的判据。最后基于实际工程参数,在RTDS搭建的多端柔性直流仿真模型与控制保护系统构成的闭环系统上进行试验验证,试验结果表明该方法有效、可靠。     

一种新型超导直流故障限流器

与用于交流系统或双极直流系统的限流器不同,用于多端柔性直流系统的故障限流装置应能够在短路故障发生初期有效抑制故障电流的快速上升,避免在线路断路器动作之前换流器桥臂闭锁.针对这一性能要求提出了一种专门用于多端柔性直流电网中的新型超导故障限流器的基本结构和工作原理,并制作了原理验证样机.通过对原理验证样机开展的一系列实验,...     

采用直流断路器的对称单极多端柔性直流故障清除策略

针对直流断路器应用中直流线路故障快速选择性隔离问题,研究了对称单极多端柔性直流线路故障清除策略。根据对多端直流系统的单极和双极接地故障特性的分析结果,得到了单极和双极故障初期相同的故障电流上升率余弦特性衰减特性。提出了基于电流变化率的方向纵联选线策略,同时设计了采用直流断路器策略实现故障隔离和重合闸的直流线路故障清除方案。通过搭建的PSCAD/EMTDC模型,对单极接地故障时的电流上升率特性和设计的直流线路故障清除策略进行了验证,仿真结果证明了电流上升率特性的正确性以及所述故障清除策略的有效性。     

基于LCC和FHMMC的混合多端直流系统 线路保护方案研究

混合多端直流线路故障的检测和隔离是一个亟待解决的问题。针对基于电网换相型(Line Commutated Converter,LCC)和混合型模块化多电平换流器(Full Half Bridge Modular Multilevel Converter,FHMMC)的混合多端直流系统拓扑架构,在分析直流线路故障影响的基础上,提出了一种多端直流线路保护方案。首先,通过配置快速线路保护系统,在模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)换流器过流闭锁前检测出线路故障。其次,采用在换流站两端配置线路保护系统保护直流线路全长、中间换流站配置线路保护系统分别保护两条线路的配置方案。在此基础上,提出利用线路故障后汇流母线区两侧电流变化量的不同,构造线路故障区域识别判据以解决多端线路故障区域识别问题。最后,通过与控制系统相配合将MMC站直流电压控制为零压或负压,并将LCC站快速移相,实现线路故障的自清除及隔离。仿真结果验证了所提方案的可行性。     

基于真双极接线的VSC-MTDC系统功率转代策略

随着国内柔性直流输电技术的快速发展,基于真双极接线的多端柔性输电技术将被越来越多地应用到实际工程中。不同于单极线路或换流器退出运行时,伪双极系统下会出现的线路过载和切机切负荷现象,对于运行方式更为灵活的真双极系统,由于非故障极可转代故障极的部分功率,使得电网可靠性和整体输电能力的提升成为可能。提出了一种适用于真双极多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统的功率转代策略:基于真双极系统正负极电网可独立控制功率的特点,当直流系统在非正常运行状况下出现非对称拓扑时,在确保各元件不越限的前提下使非故障极电网转代故障极电网部分功率,以提高VSC-MTDC系统的总传输容量。同时,基于张北±500 k V柔性直流输电示范工程,搭建了真双极四端柔性直流输电PSCAD/EMTDC仿真系统,对所提策略进行了有效性验证。     

张北柔性直流电网换流阀故障穿越策略与保护定值优化

不同于以往端对端柔性直流工程,应用直流断路器的柔性直流电网要求直流线路故障时换流站可实现故障穿越。文中以张北柔性直流电网工程为背景,首先,建立了直流线路故障时换流阀暂态电流的数学模型;然后,基于传统阀控过流保护策略,分别提出了保证换流阀故障穿越能力的定值设计方法和保证换流阀安全性的定值设计方法,解决了传统的阀控过流保护策略无法兼顾直流线路故障下换流阀的故障穿越能力要求和站内故障时换流阀的安全性要求的问题;最后,提出了基于分桥臂闭锁的新型阀控过流保护策略,并设计了详细的动作时序。在PSCAD中搭建张北柔性直流电网仿真模型,验证了所建立数学模型的准确性和所提出策略的有效性。