高压直流输电工程换相失败研究

晶闸管换流阀在逆变工作模式时,对连接换流阀的交流系统、直流系统以及换流阀自身的状态要求比较严苛。当逆变侧出现换相失败时,换流阀会承受较大的电流应力,同时也会产生交流系统频率跌宕、直流侧电流陡增等现象。韩国济州高压直流输电工程在调试过程中多次发生的换相失败现象,文中从换相失败发生机理出发,通过现场试验研究和模拟故障现象仿真等方法综合分析,确定出故障发生原因并有效解决了换相失败问题,满足工程运行要求。     

基于逆阻IGCT的可控关断电流源型高压直流换流器电气应力和损耗特性分析EI北大核心CSCD

逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate-commutated thyristor,RB-IGCT)的出现,为可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)的研究奠定了基础。为了推动器件在高压直流输电领域的应用,文中首先介绍最新研制的4500V/3000A逆阻IGCT的技术参数;其次,介绍CSC拓扑方案,提出子模块缓冲电路,能够实现器件的动态均压和IGCT取能的要求;接着,以换流阀电压和电阻损耗最低为约束条件,给出子模块串联数、缓冲电路参数设计和损耗分析等综合优化方法;然后,搭建250kV/750MW的LCC-CSC混合输电系统模型,给出缓冲电路和主要杂散参数的范围;最后,基于研制的4500V/3000A的逆阻IGCT子模块,验证所提缓冲电路的有效性,并对比分析在该参数下CSC、传统直流和柔性直流的损耗情况。结果表明,由逆阻IGCT串联构成的CSC,相对于传统直流换流阀具有可控关断的技术优势,相对于柔直换流阀,具有器件少、损耗低等优势。     

525 kV/3000 MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀研制

基于IGCT的柔性直流输电模块化多电平换流阀(MMC)具有低成本、低损耗、高可靠等潜在优势,在未来陆上大规模新能源送出以及深远海风电并网等应用中具有广阔的前景。在对比集成门极换流晶闸管(IGCT)和绝缘栅型双极晶体管(IGBT)两类功率器件技术性能基础上,介绍了±525 kV/3000 MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀的产品设计。依据IEC 62501标准,完成了IGCT-MMC换流阀产品的第三方见证试验。试验结果表明,所研制的IGCT-MMC换流阀产品技术性能符合设计要求。     

基于非对称IGCT的PWM整流器换流分析与试验

基于非对称集成门极换流晶闸管(IGCT)的脉宽调制(PWM)整流器具有可靠性高、导通损耗小和易于实现有功与无功解耦控制的优点,是高压输电线路直流融冰的新选择。针对非对称IGCT的PWM整流器,根据不同状态的换流阀承受电压,建立了整流器的等值分析电路。基于等值分析电路,开展了换流阀的换流分析,研究了存在的过电流关断电压峰值。在此基础上,提出了换流阀的参数设计方法,研制了基于IGCT的换流阀,搭建了过电流关断试验和串联均压试验的试验平台,开展了物理试验研究,结果表明,所设计的参数满足IGCT安全工作要求,而且具有良好的动态和静态均压效果。     

基于直接测量的换相失败检测及预测方法研究

换相失败是高压直流输电系统逆变侧换流阀较易发生的典型故障,连续换相失败会对电网造成严重危害,传统基于交流或直流运行参数的间接判断法存在响应时间慢、误判率高等缺陷。此处首先分析了换相失败机理,换相失败后晶闸管阀将继续导通,不会承受正向电压,而实际关断角小于最小关断角是导致换相失败的根本原因之一。利用换相失败后晶闸管阀电压波形特征,提出了通过设置采样窗口,直接测量晶闸管阀电压来检测换相失败故障的方法,同时测量晶闸管阀的实际关断角,用于评估换相失败风险。搭建了基于RT-LAB的闭环测试平台,验证了此处所提换相失败检测方法和关断角测量功能,为解决高压直流输电换相失败故障奠定了坚实的技术基础。     

可控电流源型换流器换流应力分析EI北大核心CSCD

可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)是解决直流输电换相失败问题的有效方法之一。对其开展电气应力分析是换流器电气、绝缘和试验设计的理论基础,其相关研究仍属空白。该文在分析CSC运行原理和调制方法的基础上,首先研究在主动换相与强迫换相过程中,换流阀及关键部件的应力特性;其次,给出逆阻集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate commutated thyristor,RB-IGCT)周期关断的建模方法,提取4500V/3000A器件的建模参数。最后,建立“器件–换流阀–系统”详细仿真模型,对250kV/750MW的直流系统进行仿真分析,提取主动和强迫换流过程中的整机和关键部件的应力特性。结果表明,所提理论分析方法和参数计算能够为CSC的电气设计和等效试验提供技术支撑。     

七电平电流源型换流器无源逆变试验与分析

普通晶闸管换流阀无关断电流的能力,需要借助电网电压完成换相,不适用于没有交流电网的无源逆变电路.为了将晶闸管换流阀应用于柔性交直流电网,以并联十二脉动晶闸管换流器为前级,以七电平直流电流分配单元为后级构成级联型电流源逆变器.七电平直流电流分配单元不仅实现了对直流母线电流的动态平均分配,而且形成了周期性的直流电流过零点,为十二脉动晶闸管换流器提供零电流换相条件,从而实现晶闸管换流阀的强迫换相.实现强迫换相的晶闸管换流阀外特性相当于全控型逆阻器件,因此换流器可实现无源逆变.在对电路拓扑、调制方法进行详细分析的基础上,设计了额定功率为0.5 MW的七电平柔性直流换流器试验装置,以三相电阻为负载,进行了无源逆变试验.试验结果验证了大电流工况下,晶闸管换流阀与多电平直流电流分配单元协同作用实现晶闸管换流阀受控关断的可行性和可靠性.     

图像识别在特高压换流阀元件故障在线监测系统的应用

针对特高压换流阀元件众多、实时监测困难的问题,提出了一种基于图像识别技术的换流阀元件状态在线监测方法。介绍了图像数据提取及预处理的方法,分析了晶闸管门极线脱落及螺母力矩线偏移的图像特征,实现了晶闸管门极线脱落、螺母位移等故障的智能检测。基于图像识别及故障特征提取方法,设计了一套换流阀元件状态在线监测样机,详细介绍了样机的软件和硬件设计方法。在特高压直流输电阀塔上搭建试验环境,对图像分析和故障特征提取的方法进行测试,试验结果表明,所提出的图像分析和故障特征提取方法可有效识别换流阀元件的异常工况,对换流阀元件运行异常提前预警。     

图像识别在特高压换流阀元件故障在线监测系统的应用

针对特高压换流阀元件众多、实时监测困难的问题,提出了一种基于图像识别技术的换流阀元件状态在线监测方法。介绍了图像数据提取及预处理的方法,分析了晶闸管门极线脱落及螺母力矩线偏移的图像特征,实现了晶闸管门极线脱落、螺母位移等故障的智能检测。基于图像识别及故障特征提取方法,设计了一套换流阀元件状态在线监测样机,详细介绍了样机的软件和硬件设计方法。在特高压直流输电阀塔上搭建试验环境,对图像分析和故障特征提取的方法进行测试,试验结果表明,所提出的图像分析和故障特征提取方法可有效识别换流阀元件的异常工况,对换流阀元件运行异常提前预警。     

A5000型换流阀晶闸管击穿故障处理方案优化

晶闸管击穿故障为换流阀常见故障之一,现有±800 k V特高压换流站A5000型换流阀晶闸管击穿故障处理方案存在耗时不稳定、处理环节复杂等问题,进而造成换流阀停电时间延长,影响直流输电系统功率输送能力,针对A5000型换流阀晶闸管击穿故障处理方案进行优化,提高了该型号换流阀晶闸管击穿故障的处理效率,缩短了换流阀停电时间,可进一步保障直流输电系统功率输送能力。     

换流阀晶闸管电压监视单元综合测试系统研制*

作为光控换流阀的核心设备，晶闸管电压监视单元的运行状态直接影响了直流输电系统运行可靠性，然而对其进行测试的设备受限于进口测试仪，不利于换流阀运维，因此研制晶闸管电压监视单元综合测试系统具有重要工程价值。基于晶闸管电压监视单元的工作原理，结合IEC 60700 1标准，研制一种换流阀晶闸管电压监视单元综合测试系统，并应用于晶闸管换流阀试验。通过仿真分析和试验验证，证明该测试系统设计合理，满足工程应用需求。     

电容动态投切电力电子开关研制

电力系统受到扰动后的暂态过程中,提升负荷侧的无功支撑有助于电网电压快速恢复。为提高电网电压降低时电容器组无功出力,设计并研制了电容动态投切电力电子开关样机。为验证样机性能,搭建了试验系统,开展了基于逆阻型集成门极换流晶闸管(IGCT)的电容动态投切电力电子开关的绝缘、运行和动态投切试验,试验结果证明电力电子开关的设计和研制满足电容动态投切的要求。研究结果可为以后设计和研制更高电压等级和更大电流的电容动态投切电力电子开关提供参考。     

基于可控关断电流源换流器的直流输电控制策略

近年来,特高压直流输电技术快速发展,为解决晶闸管换流阀易发生换相失败问题,国内已经建成了多条基于电压源型换流阀的混合直流输电系统,但IGBT电压源换流器仍存在过流能力差的固有缺陷。基于可控电流源换流器,分析比较了多个全控电力电子的工程适用性,提出了可用于常规高压直流输电工程的电流源换流器拓扑结构,研究基于非全周期逆向锁相环技术的关断脉冲触发策略,提出了基于可控关断电流源换流器的直流控制优化策略和故障穿越策略。最后基于半实物仿真平台RTDS搭建混合直流输电系统,验证了所提拓扑可行性和策略有效性。     

LCL型高压直流输电系统中换流变压器损耗的仿真研究

针对基于电网换相换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)系统中存在的换流变压器噪声大、逆变侧换相失败等问题,提出了采用LCL型换流器的高压直流输电系统。在PSCAD中建立荆门-上海±500 kV直流输电的LCC-HVDC和LCL-HVDC系统的仿真模型,在该模型中测量了换流变压器阀侧绕组的谐波电流,研究了换流变压器的负载损耗。通过研究发现相较于LCC-HVDC系统,LCL-HVDC系统中的换流变压器的负载损耗降低了约38.1%。     

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。     

基于新型换流变压器的直流输电系统改善换相的机理

基于新型换流变压器的直流输电系统在换流变压器阀侧滤除主要特征谐波,势必会对系统换相特性产生一定的影响。探讨了逆变器换相失败的根本原因,分别建立直流输电系统采用传统换流变压器与新型换流变压器时阀侧线电压的数学模型。在此基础上,分析未接入滤波器和接入滤波器时变压器漏抗及耦合电抗对逆变器换相的影响。结果表明,通过滤波,基于新型换流变压器与基于传统换流变压器的直流输电系统均能消除耦合电抗的不良影响,但前者可大大削弱变压器漏抗的消极作用,后者没有任何削弱,说明基于新型换流变压器的直流输电系统在改善换相方面具有独特的优越性。实验证实了数学模型及理论分析的正确性。     

一起触发脉冲异常导致换流阀换相失败问题分析

直流输电系统实际运行过程中,逆变站换流阀换相失败多由交流系统扰动或故障造成,但控制系统异常也会造成换流阀换相失败.对某换流站连续13次换相失败起因进行分析,通过隔离疑似问题模块、缩小排查范围、增加外置故障录波等手段,查明触发角指令在不同的时钟域传输过程中发生数据跳变导致换相失败.现场对EMF板FPGA程序进行了修改,未再发生过同类原因导致的换相失败.     

一种抑制后续换相失败的自适应电流偏差控制方法

为了降低高压直流输电系统发生换相失败的概率,该文结合直流输电系统的电流偏差控制的特性,提出一种抑制后续换相失败的自适应电流偏差控制方法。通过理论分析,发现电流偏差控制中斜坡函数的斜率较大时有利于换流阀的换相过程而不利于传输功率的恢复,较小时有利于传输功率的恢复但不利于换相。基于此结论提出的自适应电流偏差控制器能根据交流故障严重程度动态调整关断角增量,从而提高后续换相失败的免疫力,然后,在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建CIGRE标准测试模型,并实现了所提控制方法。仿真结果表明,所提自适应电流偏差控制器可在一定程度上抑制HVDC系统的后续换相失败,从而有效地改善高压直流输电系统的运行特性。     

一种±800kV直流换流阀技术改进方案及验证

哈密—郑州±800 kV直流输电工程哈密南换流站极Ⅱ低端换流阀技术改进工程是国内首次对国外品牌换流阀进行技术改进的工程。首先对原国外品牌换流阀的技术缺陷及相应技术改进方案进行了介绍。然后对工程现场分系统调试、站系统调试和系统调试等方案的设计和主要创新点进行梳理。最后对工程现场调式情况进行了介绍,结果显示,改进后的换流阀直流均压电阻运行温度显著降低,晶闸管状态检测机制更加完善。试验中未出现保护误动作或故障跳闸等错误,未出现换相失败等异常问题,改进后的换流阀性能参数满足工程设计要求。     

晶闸管换流阀反向恢复特性建模及阻容参数优化设计

晶闸管换流阀作为特高压直流输电的核心设备,其阻容参数设计关系到换流阀的性能乃至整个直流输电工程的安全可靠。基于晶闸管反向恢复电流的指数衰减模型,建立了换流阀关断时刻的数学模型,求解出晶闸管换流阀的反向恢复电压计算公式,总结出阻容参数对反向恢复电压过冲的影响规律。同时考虑关断时刻电压下降率、开通时刻电流上升率以及阻尼损耗等性能指标的限制,提出一种换流阀阻容参数的优化设计方法。在PSCAD/EMTDC中搭建12脉动换流器模型,对阻容参数的优化设计结果进行了仿真验证。