直流输电系统换相失败的研究(一) --换相失败的影响因素分析

作为直流输电系统最常见的故障之一，换相失败与很多因素有关，主要有换流母线电压、换流变压器变比、直流电流、换相电抗、越前触发角、不对称故障时换相线电压的过零点相位移、换流阀的触发脉冲控制方式和交流系统的频谱特性等，以CIGRE HVDC标准模型为研究对象比较详细地分析了以上因素对逆变器换相失败的影响，得出了逆变器发生换相失败的一般规律。     

直流准稳态模型换相失败判断标准的工程实用整定方法研究

介绍了在网络等值化简基础上搭建的适合于研究交直流交互影响的华东电网电磁暂态仿真数据平台.通过仿真对称和不对称交流故障激发直流换相失败,提取换相失败的临界条件,作为直流准稳态模型换相失败的判断标准.研究表明对于对称和不对称故障应采用不同的换相失败判断标准.认为采用电磁暂态仿真方法整定机电暂态中直流换相失败的判断标准具有开创性,对开展机电环境下交直流交互影响研究具有一定的指导意义.     

基于暂态直流电流预测的换相失败临界电压瞬时值判据

目前高压直流输电换相失败临界电压普遍采用稳态或准稳态判据,缺乏计及故障后直流电流响应特性的暂态判据。研究了直流线路平波电抗和对地电容等储能元件充放电效应对于直流电流的影响,建立了拉式空间下直流线路的等值模型,提出了交流系统对称故障下的直流电流暂态预测算法,并采用Stehfest算法进行拉式逆变换,得到故障过程中直流电流的时域表达式,从而推导出了换相失败临界电压瞬时值判据。不同运行参数下的仿真验证了所提直流预测算法及临界电压判据的准确性。     

逆变侧交流系统不对称故障引发HVDC系统连续换相失败的机理及抑制策略研究

高压直流系统逆变侧交流系统发生不对称故障后,若故障不能及时清除,极易引起直流系统发生连续换相失败,影响交直流混联电网的安全稳定运行。逆变侧发生不对称故障后,换流阀的实际超前触发角在换相失败后的系统恢复阶段会受换相电压不对称、直流控制调节共同影响。对实际超前触发角进行推导后得出,不对称故障后实际超前触发角具有周期性波动的特征,极易在直流系统恢复阶段引发连续换相失败。因此,根据滞环控制理论,提出一种通过减小实际超前触发角波动范围来抑制连续换相失败的控制策略。基于CICRE HVDC标准模型,在PSCAD/EMTDC上对逆变侧不对称故障进行了仿真。仿真结果证明,在换相失败后的系统恢复阶段,实际超前触发角的周期性波动是引起连续换相失败的重要原因,所提出的连续换相失败抑制策略可以减小实际触发角波动范围,并有效抑制连续换相失败。     

基于最小换流母线电压的多馈入直流系统换相失败判断方法

基于最小换流母线电压的概念,提出一种以最小换流母线电压为判据快速判断多馈入直流系统换相失败的方法。基于节点阻抗矩阵,利用节点电压交互作用因子,计算系统中各节点发生短路接地时换流母线电压;以最小换流母线电压为判据判断直流系统是否发生换相失败;分别分析计算多馈入直流输电系统不同子系统受短路故障影响情况。最后,对IEEE-30节点标准测试系统进行仿真计算,验证所提出的基于最小换流母线电压的多馈入直流系统换相失败判断方法的有效性和准确性。     

HVDC换相失败典型暂态响应特性及其抑制措施

以CIGRE第一标准模型为研究对象,分析了交流系统发生各种故障时可能引发的换相失败,即不对称故障相相连的逆变器的上下2个换流阀最易发生换相失败,对称故障则依情况而定。基于电力系统电磁暂态仿真工具PSCAD/EMTDC对其发生常见故障时典型暂态响应过程进行详细的仿真分析与计算,据此提出了一些发生换相失败故障时通过控制模式的转换抑制其危害及恢复系统运行的举措,如逆变器一次换相失败故障可以通过改变换流器触发脉冲的次序以控制换相失败发展过程,避免发生更为严重的换相失败;对于2次换相失败,应投入包括最后一个开通阀在内的旁通对,以减少因故障而使换流变压器造成直流偏磁。     

贵广二回高压直流输电系统换相失败的仿真分析

换相失败是HVDC系统最常见的故障之一.通过分析换流器换相失败的机理,归纳了HVDC换相失败的各种影响因素.以2008年南方电网数据为基础,基于PSCAD/EMTDC建立了贵广二回直流输电系统的详细模型,并分析了一次系统和控制系统的具体结构.对该直流输电系统逆变侧换流母线发生三相接地短路和单相接地短路故障的情况进行了仿真实验,研究了换相失败的判据及故障对系统的影响.仿真结果表明,虽然贵广二回直流输电系统发生换相失败,但由于该系统的高度可控性,当故障切除后,系统很快从换相失败中恢复.     

大规模交直流电力系统仿真计算的相关问题

针对大规模交直流电力系统仿真计算中涉及到的几个相关问题进行了讨论。指出用于大规模交直流电力系统仿真计算的最有效的工具是带有用户自定义功能的交直流电力系统数字仿真程序，传统的动模试验和最新出现的实时数字仿真器并不适合于对大规模交直流电力系统进行系统研究。通过考察直流输电换流器准稳态模型导出的条件，阐明了直流输电换流器的准稳态模型在交流系统不对称故障期间是不适用的。论证了影响逆变器换相失败的因素有多个，重点研究了触发越前角、换流站交流母线电压跌落，直流电流增大以及换流变压器短路阻抗等因素对换相失败的影响。通过实例论证了交流系统故障时直流输电系统的动态响应特性，必须在仿真过程中通过对直流输电系统及其控制器的行为进行精确的仿真计算才能得出，凭经验事先估计直流输电系统在交流系统故障时的响应特性是不科学和不可靠的。     

整流侧控制方式对特高压直流输电系统换相失败影响研究

特高压直流输电系统发生换相失败时,会引起直流电压和直流电流突变,严重影响直流系统的安全稳定运行。控制系统是特高压直流输电系统的核心部分,其控制方式对系统的输出响应有重要影响。分析特高压直流输电系统换相失败的原因,介绍整流侧的控制方式,建立了云广特高压直流输电系统仿真模型,研究云广特高压直流输电系统整流侧采用定电流控制方式和定功率控制方式对换相失败的影响。仿真结果表明：当逆变侧换流变压器变比K改变时,整流侧采用定电流控制与采用定功率控制相比,系统发生换相失败时的临界变比较大;当逆变侧交流母线发生三相对称接地故障、两相短路故障及单相接地故障时,整流侧采用定电流控制与定功率控制相比,系统不发生连续换相失败的临界电阻较小。整流侧采用定电流控制方式时,对换相失败的控制能力优于定功率控制方式。     

交流不对称故障类型对HVDC换相失败的影响研究

文中理论推导了交流电网单相短路接地、两相短路和两相短路接地这3种不对称故障类型下,针对不同换流变接线方式(Y-Y型和Y-D型),故障特征量对直流换相过程的影响。基于向上±800kV直流输电工程PSCAD/EMTD电磁暂态仿真模型,仿真验证不对称故障类型对换流变Y桥和D桥换相失败影响的差异性。此外,还讨论了不对称故障类型对临界过渡电阻的影响规律,得到了不同故障下最易发生换相失败的换流变接线方式和导致换相失败的主要原因,对换相失败有一定的预测作用,并总结了这3种不对称故障类型对换相失败的影响程度。     

采用新型换流变压器及其滤波系统对换相失败的影响

分析了直流输电的换相失败机理及影响换相失败的因素。考虑到新型换流变压器及其滤波系统的阀侧滤波支路会对直流输电系统中各运行变量产生一定的影响,以实验室建立的直流输电系统模拟平台为研究对象,给出了新系统下阀侧无功补偿度的定义,当逆变侧采用新型换流变压器及其滤波系统后,详细分析了多种因素对逆变侧换相失败的影响并得出如下结论:阀侧无功补偿度对换相过程的改善能力不大;直流电流和换相电抗的增加会增大逆变器发生换相失败的几率;越前触发角的增大可有效降低逆变器发生换相失败的几率;不对称故障时,换相电压过零点的偏移会使得与发生单相接地短路相相连的逆变器上、下2个换流阀最易发生换相失败。最后,提出了新系统条件下避免发生换相失败的措施:增大越前触发角或关断角的整定值;适当降低换流变压器的换相电抗;保持换相电压的稳定。     

云广特高压直流输电系统换相失败研究

换相失败是HVDC系统最常见的故障之一。通过分析换流器换相失败的机理,归纳了HVDC换相失败的影响因数及判据。以南方电网2010年数据为基础,采用PSCAD／EMTDC对云广±800kV特高压直流输电系统建立了详细的电磁暂态仿真模型,并分析了一次系统和控制系统的具体结构。对该直流输电系统逆变侧换流母线发生三相接地短路和单相接地短路故障的情况进行了仿真分析。仿真结果表明,云广特高压直流输电系统故障后发生换相失败,但由于该系统的高度可控性,故障切除后系统从换相失败中恢复性能良好。     

HVDC换相失败暂态特性及其对差动保护的影响分析和对策

通过CIGRE HVDC标准测试模型,获取了直流系统换相失败时的等值工频电流与换流母线电压之间的关系曲线。推导了交直流互联系统中电流差动保护的判据表达式,并对与直流系统直接相连的输电线路的差动保护进行了分析。分析结果表明,交直流互联运行环境下发生区内故障有可能引发差动保护的拒动。提出了基于幅值判据来识别内部故障。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了理论分析的正确性和所提判据的有效性。     

考虑换相失败影响的交流线路单相故障性质判据

逆变侧交流线路电流幅值受直流换相失败影响在单相跳闸后出现短时波动,该波动范围会随着直流换相失败次数增加而增大,造成基于恢复电压幅值的传统单相故障性质判据发生误判。针对这一问题,首先搭建输电线路故障相等值模型,考虑直流换相失败对健全相电压的影响,推导出不同故障性质恢复电压阶段断开相电压时域表达式;其次根据断开相时域电压波形的差异性进行积分算法,提出基于时域电压积分的单相故障性质识别判据;最后利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建模型对所提判据进行验证。结果表明,该判据不受直流换相失败的影响,能够可靠判别故障性质,适用于换相失败及正常运行期间,算法简单,耐过渡电阻能力良好,具有一定的抗直流干扰能力。     

预防多馈入直流输电系统换相失败的直流功率控制方法

为了预防多馈入直流输电系统换相失败及同时换相失败的问题,提出了一种直流功率控制方法。在定量分析直流功率对逆变侧换流母线电压影响的基础上,利用回降故障直流功率、增大系统电压稳定裕度的方法防止换相失败。该方法根据逆变器之间的相互作用关系,将多馈入直流输电系统换相失败分为2种不同场景,针对不同场景设计了相应的直流功率控制策略,并给出了对应的直流功率控制启动判据,计算了直流功率调节量及其调节速率。在PSCAD仿真平台搭建多馈入直流输电系统模型,所提出的直流功率控制方法能够有效避免多馈入直流输电系统换相失败及同时换相失败。     

基于高压直流换流站站域信息的交流线路距离保护方法

为了解决发生换相失败时基于工频相量的交流线路距离保护将会受到影响而无法可靠判别故障的难题,提出了一种基于高压直流换流站站域信息的交流线路距离保护方法。因为未发生换相失败期间,距离保护可以准确地识别故障位置,所以可以考虑在换相失败期间闭锁距离保护,以避免其受到换相失败的影响。逆变器正常换相时,直流侧电流与交流侧电流基本相等,而换相失败时直流侧电流将远大于交流侧电流,利用此故障特征可对换相失败进行检测。基于换流站站内换相失败信息的检测与共享,可对传统距离保护的性能进行改善。在PSCAD/EMTDC仿真环境下建立高压直流输电系统模型,对所提出保护方法的性能进行验证。仿真结果表明,新提出的距离保护可以避免换相失败对其的影响,在交流线路区内、外发生不同类型的故障时均能准确、可靠地判别故障位置。     

考虑直流电流变化的HVDC系统不对称故障换相失败分析

目前高压直流输电系统逆变侧发生不对称故障时,采用最小关断角判别法判别换相失败,其研究仅考虑电压因素,预测效果不理想。针对此问题,通过对换相失败机理和影响因素的分析,认为直流电流上升与交流电压下降均会使关断角减小,将直流电流与交流电压解耦,得到一个仅含电压变化率的逆变侧关断角表达式作为判据。该判据可依据对直流线路和逆变侧相关运行参数的计算得出导致换相失败的临界电压变化率值。在换相过程中,当系统电压变化率小于临界电压变化率时,系统存在较大换相失败风险。基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建CIGRE HVDC模型,对不同过渡电阻的单相接地故障进行仿真测试,结果验证了所提方法的正确性。     

用于稳定控制的HVDC换相失败识别判据研究

高压直流(HVDC)换相失败会对交流系统产生巨大的功率冲击,必须对直流输电系统换相失败状态作出准确识别,才能针对性地采取安全稳定控制措施。目前,工程应用的稳定控制装置识别HVDC换相失败完全依赖于直流控保信号,当直流控保系统死机或者与稳控装置通道异常时,稳控装置将无法动作。文中研究了HVDC换相失败工况下的电气量特征及识别原理,介绍了直流控保系统换相失败保护判据及其适用性,提出了适用于安全稳定控制的换相失败、连续换相失败、多直流同时换相失败识别判据。基于实际控保系统的宾金直流实时数字仿真系统(RTDS)试验结果表明:所提判据能够准确识别直流系统发生换相失败,并且能够根据安全稳定控制的需求判断连续换相失败发生的次数和时间间隔。     

特高压半波长与直流混联系统的暂态建模与稳定性分析

为研究特高压半波长与直流混联系统的暂态稳定性,根据半波长输电系统准稳态模型建立的特高压半波长与直流混联系统的稳定分析模型,分析了半波长输电线路的稳定运行区域,讨论了直流换相失败和直流闭锁时混联系统的功角稳定性;分别基于二阶系统的冲击响应模型和阶跃响应模型,揭示了直流换相失败和直流闭锁故障后的功率变化对半波长输电系统功率波动的影响机理;研究了利用直流输电系统传输功率的快速响应特性,采用直流功率调制对系统提供紧急功率支援,以提高含半波长互联系统的暂态稳定性的可行性。混联系统的机电暂态仿真验证了直流换相失败和直流闭锁故障对系统功率波动影响的分析方法的正确性以及直流输电系统对半波长线路提供紧急功率支援的有效性。研究表明:半波长线路功率波动峰值在系统直流换相失败时与振荡频率有关,而在闭锁故障时闭锁功率越少,阻尼越大,波动峰值越小;直流功率调制可提高异步联网系统的暂态稳定性。     

溪洛渡直流工程换相失败特性及相关因素分析

精确模拟直流逆变器换相失败及功率恢复对电力系统安全稳定分析是十分重要的。将电力系统实时仿真器RTDS连接到溪洛渡直流工程实际的直流控制保护系统装置,分析与评估逆变站换流母线电压跌落、故障类型以及交流系统强度等因素对溪洛渡直流的换相失败和故障恢复特性的影响。研究结果表明,换流母线故障相电压跌落幅度是决定溪洛渡直流逆变器在交流系统短路故障后是否发生换相失败的主要影响因素。