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。     

柔性直流配电网故障分析

柔性直流配电网故障特性分析是保护方案设计的基础。当前,直流系统故障期间,换流器IGBT不闭锁时的故障特性尚未深入探讨。首先,确定直流配电网的接地方式和控制策略。其次,分析IGBT不闭锁时直流极间短路和单极接地短路的故障特性及过渡电阻等因素的影响,并讨论故障对其他区域的影响。结果表明,对于极间短路,除故障达到稳态后IGBT闭锁较之不闭锁会出现极间电压和故障电流增大的现象外,IGBT闭锁与否对故障特性影响不大;对于单极接地短路,IGBT不闭锁会使直流侧出现不平衡电压,导致换流器交流侧电流出现直流分量。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,证明了理论分析的正确性。     

双极MMC-HVDC系统站内接地故障特性及保护策略

针对双极柔性直流输电系统模块化多电平换流器(MMC)交直流出口接地故障,研究了换流器闭锁后的电压电流暂态特性,并推导了故障分量的数学解析式。研究结果表明,交流出口发生单相接地故障时,换流器闭锁后非故障相上、下桥臂分别出现了过电压和过电流现象,并且交流侧电流出现直流偏置导致故障相短路电流不存在过零点。直流出口发生单极接地故障,换流器闭锁后桥臂短路电流主要由交流系统注入的稳态电流和上下桥臂电抗间衰减的环流构成。针对交流出口发生单相接地故障这一特殊的故障特性,提出了一种选相跳闸保护策略,解决了故障电流不存在过零点时交流断路器无法正常断开的难题。最后搭建了张北四端环网结构柔性直流电网仿真模型,仿真结果验证了换流器出口故障特性分析的准确性以及所提选相跳闸保护策略的有效性和可行性。     

柔性直流电网直流线路故障的过电压机理分析

针对对称单极结构的MMC型柔性直流输电系统,首先深入分析了直流侧单、双极短路的故障电流演变规律,进而揭示了非故障极充电和波过程分别是导致单极接地故障和双极短路故障过电压的主要原因。然后,以一个三端柔性直流电网为例进行仿真验证,并重点分析了不同因素对过电压的影响。研究结果表明,故障电阻对过电压峰值影响较大,而换流站闭锁、接地方式、线路保护等因素的影响较小。最后,对单极、双极故障过电压进行了总结和对比分析。     

MMC-HVDC系统直流侧故障暂态特性分析

近年来,国内外对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的研究主要集中于系统建模仿真、控制系统设计等方面。对基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统(modular multilevel converter based high voltagedirect current system,MMC-HVDC)直流线路故障的研究也仅是在简单的故障定性仿真分析上。为了比较精确地定量分析MMC-HVDC系统直流侧故障瞬间电气应力的暂态特性、短路故障状态下的等值电路模型,分析了系统直流侧故障的机理,给出了故障电压、电流的数学表达式。基于RT-LAB软件搭建了双端MMC-HVDC仿真模型,验证了故障暂态特性分析的结果,单极接地故障使得直流非故障极的对地电压与换流站交流侧的相电压增大;双极短路故障会引起换流站的桥臂产生严重的过电流现象;单极断线故障会导致整流站很大的直流电压变化率,引起严重直流过电压。针对上述问题,文章结合分析结果给出了相应的故障保护要求和策略。     

采用架空线的MMC-HVDC单极接地过电压分析

采用架空线传输方式的远距离柔性直流输电线路,极易发生输电线路单极接地故障,必须采用多种方式保护设备应对暂态过电压。文中研究了采用半桥子模块的柔性直流输电系统在直流侧接地故障下的暂态过电压特性,并分析了系统结构、设备参数和故障特征等对过电压的影响,同时分析了换流器闭锁、避雷器和直流断路器对抑制直流侧故障过电压的效果。研究表明系统设备参数对过电压峰值影响最大,当保护措施启动时,系统保护装置会成为主要的过电压影响因素。最后,提出了应对直流侧故障过电压的避雷器优化配置方案。     

伪双极MMC-HVDC系统联接变阀侧中性点电阻参数设计

针对模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter based HVDC)直流单极接地故障暂态特性研究,提出了联接变阀侧中性点经电阻接地的伪双极MMC-HVDC系统发生直流单极接地故障时换流器电容放电的简化模型。将与故障极相连的三相桥臂电容放电回路等效为3个独立的RLC二阶零输入放电回路,从而简化了换流器电容放电与中性点故障电流的分析过程。基于简化模型分析得到的桥臂故障时刻导通子模块电容电压与中性点故障电流计算公式,研究了联接变阀侧中性点电阻参数设计与电容电压放电水平及控制保护系统闭锁换流器延时时间的配合关系,提出了中性点电阻的参数设计原则。最后,针对鲁西背靠背异步联网工程,在搭建的控制保护系统与RT-Lab形成的硬件闭环系统功能性试验平台上,验证了所提联接变阀侧中性点电阻参数设计原则的有效性。     

抑制直流单极闭锁引起大规模风电机组脱网的直流控制策略

直流单极闭锁故障下交流系统暂态过电压会导致直流近区域新能源机组脱网.针对这一问题,详细分析了单极闭锁对暂态过电压的影响机理并进行验证,发现交流系统大量无功盈余是引起暂态过电压骤升的根本原因;然后基于对单极闭锁故障下健全极整流器功率特性的剖析,以稳态下整流侧换流母线处无功的平衡状态为目标,推导建立了健全极直流电流指令值表达式,提出抑制暂态过电压的直流控制策略.当暂态过电压无法被完全抑制时,为避免风机脱网,提出投入合理容量的调相机进一步抑制暂态过电压的协调抑制策略.最后,基于DIgSILENT仿真平台搭建改进的CIGRE双极标准测试模型与天中直流外送系统模型进行验证.结果 表明,该策略能有效阻断暂态过电压的传递,避免风机大规模脱网.     

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。     

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。     

中压直流配电系统故障过电压水平分析

为解决珠海"互联网+"柔性直流配电系统的绝缘配合问题,运用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了三端柔性直流配电系统模型,对主换流器区域和直流线路区域的典型故障事件、保护动作后的系统关键位置过电压水平进行仿真,并通过同类故障点间的比较得到每种故障事件下的过电压最大水平。仿真结果表明,主换流器区域的桥臂电抗器阀侧接地故障、直流电抗器阀侧极间短路故障是过电压较严重的2种故障情况;直流线路区域的极间短路故障发生时,主换流器区域过电压较直流线路区域更严重;主换流器区域的联接变压器阀侧单相接地故障和直流线路区域的首端单极接地故障特性较相似。     

柔性直流配电系统负荷波动对系统过电压及过电流影响研究

柔性直流配电系统因其诸多优势而成为未来智能电网的重要发展趋势,而系统故障中的过电压和过电流分析及其及防护方法研究是其关键技术之一。由于柔性直流配电系统所接入的负荷具有波动性和间歇性等特性,故针对±10 kV两端柔性直流配系统开展了负荷波动对系统过电压及过电流影响研究。分析了故障下电压和电流的产生机理、影响因素以及负荷波动对电压和电流影响情况,并提出了后续研究中负荷的等效建模方法。首先根据两端柔性直流配电系统拓扑结构,在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序中建立其仿真模型。其次,根据系统接口设备拓扑结构,理论分析接口设备出口发生单极接地故障和双极短路故障下电压和电流的产生机理、影响因素以及负荷波动对电压和电流影响情况。最后,仿真验证接口设备出口发生单极接地故障和双极短路故障下负荷不同波动方式对电压和电流的影响,并提出负荷的等效建模方法。     

含风电特高压直流系统单极接地故障暂态特性研究

大型风电能源基地通过特高压直流工程外送时,风机的接入使电网运行特性更加复杂多变,有必要研究单极接地故障下含风电场的特高压直流系统暂态特性。文中建立了风电接入的特高压直流系统电磁暂态仿真模型,通过等效模量法分析了单极接地故障下直流侧过电压的产生机理,讨论了交流侧及风机并网点电压波动的原因;在此基础上,研究了接地点位置、端部阻抗、功率输送等因素对系统电磁暂态特性的影响及规律。结果表明,双极运行下单极接地故障发生在线路中点时,健全极过电压最大;直流滤波主电容对健全极过电压影响较大;故障时无功功率不平衡导致风机接入点电压升高,该过电压与系统功率输送有关,可引起风机高压脱网并使故障继续扩大。文中获得了含风电特高压直流系统及风机的暂态特性及影响因素,对于指导过电压的抑制具有重要的参考价值。     

直流断路器对张北柔直电网中单极接地过电压的影响分析

张北柔性直流电网工程将首次实现混合式直流断路器的工程示范应用,并采用故障率更高的架空线作为输电线路,因此故障过电压对整个系统的威胁更加严峻。文中以柔直电网中直流侧发生单极接地故障为例,研究了含有直流断路器下的单极接地故障暂态特性,并在PSCAD/EMTDC平台上搭建了柔直电网过电压仿真模型,仿真分析了直流断路器中避雷器限电压系数γ、转移支路子模块闭锁时间和避雷器投入方式对关键节点和设备上过电压水平的影响。结果表明:柔性直流换流站的直流母线、换流变阀侧、限流电抗器端间和金属回线过电压随着γ的增大而增大,避雷器吸收能量随γ取值增大而减小;随着转移支路子模块闭锁时间的增加,单极接地过电压有所减小;避雷器依次投入(带有适当的延迟)比避雷器同时投入在限流电抗器端间产生的过电压大幅减小,而对其他设备的过电压影响不大。研究结果可为柔性直流换流站绝缘设计和直流断路器工程化应用提供参考。     

基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统故障分析

作为模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)的一种,钳位双子模块(ClampDouble Sub-module,CDSM)型MMC具有直流故障自清除能力。但基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统,在直流故障特性等方面与其他类型MMC构成的直流系统存在较大差异。为此,首先分析了联接变压器不同接地方式下的电容放电回路,阐述了直流故障对交流侧的影响。其次,在CDSM故障闭锁情况下,划分了MMC换流器端单极接地和极间短路时的故障阶段,建立各阶段的等值模型并求解。阐述了DC/DC换流器及光伏电源对极间短路故障回路的影响,并对DC/DC换流器侧的暂态过程进行了分析。最后,在PSCAD/EMTDC中建立基于CDSM-MMC的光伏直流接入系统模型,验证了分析结果的正确性。     

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。     

柔性直流系统挤出绝缘电缆暂态过电压仿真

电压源换流器高压直流(VSC HVDC)输电系统中广泛应用了挤出绝缘直流电缆。针对开关操作、内部故障以及雷击所引起的暂态过电压对直流电缆系统可靠性的挑战,基于南澳柔性直流输电示范工程,利用PSCAD/EMTDC建立直流电缆系统仿真模型,设置交流单相接地、两相短路、桥臂电抗器接地等不同类型的故障,分析了各类故障条件下直流电缆系统的暂态过电压特性。研究结果表明,直流电缆端部过电压峰值最大可达2 p.u.,且电缆端部出现的过电压幅值与短路电阻值有关。     

直流断线故障下海上风电经柔性直流送出系统的暂态特性

断线故障为常见的直流故障类型之一,研究该场景下海上风电经柔性直流送出系统的暂态响应特性对于系统的保护方案设计有着重要参考价值。首先,分析了直流母线正极断线故障下短路电流产生机理,推导了非故障极短路电流表达式,并分析了接地阻抗参数对该短路电流特性的影响。其次,研究了故障期间风电场侧与电网侧换流站交直流侧暂态电压演变特性。研究表明:故障期间风电场侧直流电压与其有功输出正相关,且两端换流站交流阀侧电压产生了一对大小相等、方向相反的直流偏置分量;此外,采用较大的接地阻抗参数可有效降低短路电流对系统运行性能的影响。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了全系统的电磁暂态仿真模型,通过仿真验证了暂态特性分析的正确性与参数选择的合理性,对于大规模海上风电经柔性直流系统并网的规划设计具有一定的指导意义。     

MMC-HVDC直流侧故障特性仿真分析

由于拓扑和调制策略的不同,基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统在直流侧发生故障时呈现出与两电平电压源型直流输电(VSC-HVDC)系统不同的故障特性。在PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型基础上,首先分析了MMC-HVDC直流侧线路单极接地、断线和两极短路的故障特性及其对系统运行的影响;然后针对半桥型子模块结构不能够双向阻断故障电流的问题,对子模块拓扑进行了重新设计,通过改变流经子模块电流方向,实现了桥臂电容双向充电,从而提供了续流二极管阻断电压;最后对直流侧两极短路故障进行了仿真分析,仿真结果表明,改进拓扑有效地抑制了直流侧故障电流,避免了交流断路器动作。     

基于零模电流相关性的直流配电网单极接地选线方法

柔性直流配电系统最常见的故障是单极接地故障。发生单极接地故障后,系统出现故障极与非故障极电压不平衡的现象,对系统安全稳定运行产生威胁,对保护方案的快速性和可靠性提出很高要求。针对此问题,首先分析了柔性直流配电系统线路发生单极接地故障后的故障电流特征,然后验证了故障时线路两端零模电流分量的相关性,最后提出基于线路两端零模电流量相关性的柔性直流配电系统单极接地选线方案。该保护方案充分利用故障后系统固有暂态特征,无需利用边界元件构造边界特性。在实时数字仿真器(Real Time Digital simulator, RTDS)上搭建基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的柔性直流配电系统电磁仿真模型验证所述方案的有效性。结果表明该选线方案能够实现快速、可靠识别故障线路,且耐受过渡电阻、噪声、传输延时的能力强,不受交流侧故障影响。