苏州同里±10 kV柔性直流配电系统直流故障特性研究

基于苏州同里±10 kV直流配电系统参数,针对直流单极接地和极间短路故障暂态特性进行了研究.采用示范工程系统结构及控制策略,利用PSCAD建立了电磁暂态模型,针对系统交流侧、换流器侧、直流侧和负荷侧进行了故障过电压、过电流研究,分析了接地电阻对直流侧电压和电流的影响.结果 表明:系统直流侧发生单极接地故障时,交流侧出现持续直流分量,换流器不闭锁,DC-DC变换器高压侧电容放电;故障接地电阻对直流侧电压、电流影响大;极间短路故障产生严重过电流,将触发换流器过电流保护,导致换流器闭锁;故障电流是产生过电压的重要原因;电感元件两端过电压较大,极间故障对系统交流侧影响较小.     

MMC-HVDC直流侧极间短路暂态特性分析

模块化多电平换流器的高压直流输电（Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current,MMC-HVDC）系统中极间短路故障是最严重的直流侧故障类型,目前多侧重于分析闭锁前电容放电过程及相应的故障保护策略,而对MMC极间短路故障发展全过程分析不够深入,由于极间短路故障暂态过程发展迅速,故障发展各阶段联系紧密、相互影响,为了更好地对直流断路器进行选型和调整继电保护设备,因此有必要对其故障全过程进行分析。首先,分析了MMC拓扑结构及其子模块的三种工作状态。然后,根据电容、电感充放电机理,给出换流器闭锁前、后各阶段故障电流路径,建立故障各阶段的等效电路及数学模型,研究了故障距离对直流侧故障电流、电压波形及换流器闭锁时间的影响。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真软件,搭建71电平MMC-HVDC双端直流输电模型,验证了故障特性分析的正确性和有效性,对保护设备阈值具有工程意义。     

苏州同里±10 kV柔性直流配电系统直流故障特性研究

基于苏州同里±10 kV直流配电系统参数,针对直流单极接地和极间短路故障暂态特性进行了研究。采用示范工程系统结构及控制策略,利用PSCAD建立了电磁暂态模型,针对系统交流侧、换流器侧、直流侧和负荷侧进行了故障过电压、过电流研究,分析了接地电阻对直流侧电压和电流的影响。结果表明：系统直流侧发生单极接地故障时,交流侧出现持续直流分量,换流器不闭锁,DC-DC变换器高压侧电容放电;故障接地电阻对直流侧电压、电流影响大;极间短路故障产生严重过电流,将触发换流器过电流保护,导致换流器闭锁;故障电流是产生过电压的重要原因;电感元件两端过电压较大,极间故障对系统交流侧影响较小。     

含直流电压变换的光伏并网系统单极接地短路电流计算

经直流升压环节升压后与主网相连的光伏并网系统,直流侧发生故障后故障电流迅速上升,严重影响系统的安全稳定运行。论文分析了经Boost全桥隔离变换器(boost full bridge isolated converter,BFBIC)升压后由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)并网的光伏系统拓扑结构,在直流侧单极接地故障情况下研究了该系统中短路电流的放电回路,分析了BFBIC对故障电流的影响,给出了含BFBIC的光伏并网系统在直流侧单极接地故障下的等效电路,提出了短路电流的计算式,并讨论了BFBIC中储能电容大小对短路电流的影响。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了系统模型,仿真结果表明,短路电流计算式与实际结果基本一致,优化储能电容也有利于减小直流侧故障下的故障电流,验证了所提方法及等效电路的有效性。     

MMC-MTDC系统直流单极对地短路故障保护策略

直流侧故障保护是基于模块化多电平换流器(MMC)的多端柔性直流输电(MTDC)系统的关键问题。现有文献主要对直流双极短路故障展开研究,而直流单极接地故障同样可能对系统安全运行产生严重影响。首先针对不同的换流器接地方式,分析半桥型MMC-MTDC单极对地短路故障特性,指出交流侧低阻抗接地方式下存在的问题,为实际工程接地阻抗选择提供一定参考。利用全桥型MMC的短路电流清除能力,提出一种单极对地短路故障快速恢复保护策略,能够在交流侧低阻抗接地方式下避免交流断路器跳闸。PSCAD/EMTDC仿真结果证明了故障特性分析的正确性和所提出的故障保护策略的有效性。     

光伏电站直流升压汇集接入系统接地方式分析

随着柔性直流输电技术、直流保护技术的发展,光伏电站直流汇集方式逐步得到研究与应用。光伏电站直流升压汇集接入系统由高变比DC/DC换流器、DC/AC换流器及直流线路构成,但光伏直流升压汇集接入系统接地方式目前还没有形成统一的标准。基于含多类型换流器的直流系统,结合直流升压汇集接入系统拓扑结构,分析了高频变压器、双端直流输电单元中性点、滤波器及升压隔离变压器接地的特性,继而提出了一种光伏直流升压汇集接入系统接地方式选择与确定的方法,并利用理论分析与仿真计算相结合的方法校验了接地方案,通过分析故障特性,提高了接地方式选择的合理性与可靠性。     

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。     

柔性直流配网极间故障控制保护策略与主设备参数配合研究

直流配电网在改善供电可靠性和电能质量、实现分布式电源无扰并网以及城市直流负荷接入等方面,相比交流配网有较大优势。然而直流线路具有故障电流上升速度快、峰值大的特点,极易损坏换流器件及设备绝缘,因此,对直流线路的故障处理提出了较高的要求。基于MMC的柔性直流配电网可以通过接地方式的设计实现直流线路单极故障穿越,而危害更大的极间短路故障尚无很好的处理方法。以背靠背典型两端直流配电网为例,分析了直流线路极间短路故障时的暂态特性及其对交流系统、换流器及直流侧的影响。分析了极间故障时的控制保护策略及其与主要设备参数的配合关系。在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC下进行了直流线路极间短路故障的仿真研究,验证了该控制保护配置与主设备参数配合策略的正确性。     

基于MMC的环状直流配网在不同接地方式下的故障特性分析

基于MMC的环状直流配电网电能质量和供电可靠性高、易于分布式电源接入,但其故障类型多、故障特性复杂且与接地方式密切相关,因此完善的故障特性分析对于主电路参数设计、保护配置等具有重要意义。首先,建立了基于MMC的环状直流配网模型,对其关键设备的主回路和控制方法做了介绍。其次,在三种接地方式下,针对中压直流系统单极接地故障和换流器交流侧单相接地故障,研究了故障回路及故障特性,并对三种接地方式的优缺点进行了分析。最后,在PSCAD/EMTDC中进行了建模仿真分析,验证了理论分析的正确性。仿真结果表明接地方式对故障特性具有较大影响,相关分析也为直流配网故障检测提供了参考。     

钳位双子模块型模块化多电平换流器交流侧故障对直流侧的影响分析

具有故障闭锁功能的钳位双子模块型模块化多电平换流器(clamp double submodule-modular multilevel converter,CDSM-MMC)适用于大容量输电工程,为防止交流侧故障后可能引起的直流保护误动,需分析交流侧故障对直流侧的影响。首先,分析交流侧发生短路故障后,CDSM-MMC子模块电容的充放电情况,以及桥臂电流回路。然后,根据基尔霍夫定律与叠加原理,分析交流侧故障后,直流侧电压及电流特征,并在PSCAD中进行仿真验证。交流故障后,直流侧电流随桥臂电容电压变化;两相短路后,直流电压基本不变;单相接地短路与两相接地短路后,直流电压包含交流分量,其频率与幅值受到交流中性点接地方式影响。最后针对CDSM-MMC直流侧保护,给出部分参考建议。     

基于MMC的环状直流配网在不同接地方式下的故障特性分析

At present, the problem of abandoning wind and PV power in “Three North” region of China is particularly significant, and how to alleviate this problem has become the focus of universal attention. Calculation of renewable energy accommodation capacity is the basis to solve the problem of abandoning wind and PV power. Main problems of Chinese renewable energy accommodation is analyzed from power supply, power grid and load side aspects, and it focuses on the effect of inter-provincial tie-line to renewable energy accommodation capacity. At present, the interprovincial tie-line utilization level is limited, which affected renewable energy accommodation to a certain extent. Based on the sequential production simulation model, a new kind of renewable energy accommodation capacity model is put forward considering the utilization level of inter-provincial tie-line. According to different system stability constraints and different electricity constraints of inter-provincial tie-line, 4 schemes are designed for comparative analysis, and the evaluation model is used to calculate renewable energy accommodation capacity of “Three North” region of China in 2020. Example analysis results verify validity of the model that releasing curve constraints, electricity constraints and stability constraints in turn can significantly enhance renewable energy accommodation capacity through effective use of inter-provincial tie-line transmission capacity. Research work in this paper can provide strong support for the planning and scheduling control of power grid.     

一种适用于MMC-HVDC直流输电线路的保护新原理

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为一种新型多电平拓扑结构的电压源换流器,具有扩展性强、输出电压质量高、谐波含量少等优点,已经展现出极其重要的工程应用前景。首先介绍了模块化多电平高压直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current,MMC-HVDC)的拓扑结构及运行原理,然后通过故障附加状态网络分别对区内和区外故障进行了分析,并利用二阶微分法提取了故障时电压、电流的故障分量,得出了保护策略。根据故障网络分析可知,当直流线路发生区内故障时,电流故障分量极性相同;当直流线路发生区外故障时,电流故障分量极性相反。因此,可以根据电流故障分量的极性是否相同来识别区内、外故障,利用二阶微分法来提取故障时电流的故障分量,用以识别区内、外故障。另外,根据故障网络分析还发现,当直流线路发生区内故障时,单极故障时电压故障分量极性相同,双极故障时电压故障分量极性相反。因此,可以根据电压故障分量的极性是否相同来识别故障极。利用二阶微分法来提取故障时电压的故障分量,根据电压故障分量的极性,识别故障所在的极。最后利用PSCAD电磁暂态仿真软件建立了MMC-HVDC的仿真模型。仿真结果验证了故障分析以及保护方法的正确性。     

全直流海上风电场高升压比DC/DC变换技术综述

采用直流汇聚、直流传输的全直流海上风电场,可以避免使用笨重的工频交流变压器,在功率密度、建设成本、系统损耗等方面具有较大的优势,因此基于直流汇聚、直流传输的全直流海上风电是目前海上电能传输的研究热点。在全直流海上风电系统中,风机端口电压需进行高变比升压后才能远距离传输,所以高升压比DC/DC变换器是整个风能变换传输系统中的重要环节。首先从变比、容量、故障隔离等角度对适用于全直流海上风电的直流变换器进行需求分析。其次对各种直流变换器的拓扑实现进行总结分类,并指出各种拓扑的优缺点以及应用前景。最后对各种拓扑结构及控制方法进行比较,对未来适用于全直流海上风电场的高升压比直流变换器进行展望。     

直流配电网中的线路保护方案研究

故障区段的可靠识别是直流配电网线路保护的难点之一,由此产生相邻线路保护的配合问题,并需防止交流故障后直流保护误动。基于平波电抗器和滤波电抗构成的物理边界的故障区域识别方法,不适用于采用模块化多电平换流器(Modular multilevel converter, MMC)的直流电网。为此,在分析直流线路短路的电气特征后,综合考虑保护配合问题,划分了直流线路保护区域,设计了包含主保护、后备保护在内的直流线路保护方案。为满足选择性要求,直流线路保护采用两端电流方向判断故障位置。最后,搭建光伏直流汇集接入系统及多端直流配电网的仿真模型,验证了该直流线路保护方案的可靠性、选择性和速动性。     

基于电压源换流器的直流配电限流方案研究

为了限制直流配电网中电压源换流器(Voltage Source Converters,VSC)直流侧发生两极短路故障时的直流侧故障电流,研究了其故障发生时的暂态过程,并对交流侧连接双向晶闸管(AC side connecting Double Thyristors,ACDTS)的保护方案进行分析。针对ACDTS直流侧电流过大问题,提出了利用单向晶闸管以及并联电阻电感的方式对其改进。利用PSCAD/EMTDC对改进ACDTS方案进行直流侧故障仿真,并与传统的直流侧线路故障以及ACDTS保护方案下的直流侧故障相互对比。仿真结果表明,利用改进ACDTS保护方案可以有效地限制直流侧故障电流。     

基于反行波差值的特高压直流线路纵联保护方案

纵差保护作为高压直流线路后备保护,需设置较长延时躲过区外故障时分布电容电流的影响。为提高纵联保护性能,提出一种基于反行波差值的纵联保护原理。区内故障时,远离故障侧的反行波与近故障侧的前行波不满足线路的传输函数;区外故障时,远离故障侧的反行波与近故障侧的前行波满足线路的传输函数。因此根据传输函数与近故障侧前行波计算远故障侧反行波,并将计算所得的反行波与实际反行波比较,识别区内、外故障。在PSCAD/EMTDC中对所提方案进行了验证,仿真结果表明,不同故障情况下保护方案均能快速、可靠地识别故障,并具有良好的耐受高阻能力。     

交流系统电压对MMC-HVDC接地故障时换流器闭锁前桥臂电流的影响机理

直流线路接地故障是模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的主要故障类型。发生故障时,为满足直流断路器切断电流要求,应在MMC闭锁前切除故障,而MMC的闭锁时刻取决于子模块中绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)承受故障时桥臂电流的能力,因此对故障时单桥臂电流的特性分析提出了更细致具体的要求。首先介绍了真双极MMC的拓扑结构和工作原理,分析了在发生直流线路单极接地故障时闭锁前故障电流不同成分在MMC桥臂上的流通路径。然后采用复频域计算法,构建了故障时桥臂电流的数学模型,推导了交流系统电压对MMC闭锁前桥臂短路电流的影响机理。研究表明交流系统电压相角对故障时桥臂电流的幅值影响显著。最后,基于PSCAD仿真实验平台,搭建31电平单端及51电平双端MMC-HVDC,在不同电压幅值与相角取值下的仿真结果验证了该机理的正确性。     

基于MMC的光伏直流升压并网系统故障分析及限流控制策略

基于模块化多电平换变流器(modular multilevel converter, MMC)的光伏直流升压并网系统为大容量并网提供了更多的可能。而光伏升压系统直流侧发生故障时暂态过程复杂,故障电流上升迅速且峰值过高。针对此问题,首先对系统直流侧双极短路故障时的直流升压变换器与MMC换流站进行了故障过程分析,并通过故障回路分别计算出了可靠闭锁下流经短路点的故障电流。然后针对MMC换流站的故障电流,依据其控制原理,提出基于电压变化的主动限流控制策略。该控制通过引入电压变化量动态改变桥臂参考电压,从而限制故障电流。最后通过PSCAD仿真模型验证了故障分析结果与限流效果,经检验,该控制策略可以有效减小断路器的开断电流以及桥臂过流峰值。     

一种可阻断直流故障电流的双逆阻型MMC研究

可阻断直流故障电流的模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)在高压直流输电工程中具有广泛的应用前景。提出一种可阻断故障电流的基于新型双逆阻型子模块(DualReverseBlockingSub-Module,DRBSM)的MMC拓扑结构。在输出相同电平数的前提下,与现有拓扑相比,DRBSM型MMC具有较强的直流故障电流阻断能力和更低的功率损耗,且DRBSM型MMC可直接移植半桥子模块(HBSM)型MMC拓扑的控制和调制策略。亦对该子模块结构的拓扑构成、运行原理及故障电流阻断机理进行分析。最后,采用PSCAD/EMTDC仿真验证了该拓扑结构的可行性和有效性。     

海上风电经柔性直流联网系统受端交流故障穿越协调控制策略

针对海上风电经柔性直流联网系统受端交流故障导致的直流过电压问题,提出了直流过电压协调抑制策略。针对单极直流过电压,通过合理切换双极MMC控制模式,可使故障极MMC主动维持直流电压稳定。并设计了风电场精确减载控制策略,以保证非故障极MMC满载运行,从而降低单极MMC退出对受端交流电网的影响。针对双极直流过电压,设计了一种基于本地直流电压测量信息的风电场减载控制策略,即根据直流电压变化率及偏差量主动降低风电场有功出力,以抑制直流电压上升率及幅值。并提出了附加桨距角控制及其参数选取原则,使风电场与各换流站内电容共同维持直流电压稳定,提高系统故障穿越能力。最后,基于RTLAB OP5600实时数字仿真平台搭建了系统仿真模型。不同受端交流故障情况下的仿真结果表明,所提直流过电压协调抑制策略可保证直流电压在安全运行范围,维持系统安全稳定运行。