混合式直流断路器在柔性直流电网中应用初探

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流电网技术是未来电力系统输电技术的发展方向之一,但面临快速清除直流侧故障的巨大挑战。分析比较3种隔离直流侧故障的方法,选择混合式直流断路器作为隔离直流侧故障的方案。结合基于差动电流的直流故障检测技术,提出考虑线路分布电容的柔性直流电网保护方案,包括线路保护和母线保护,并论述保护参数的选取原则。在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立一个4端柔性直流电网模型,验证所提基于混合式直流断路器的差动保护方案的有效性和可行性。结果表明,所提的差动保护方案满足了保护的选择性和速动性要求,运用混合式直流断路器可在数ms内清除柔性直流电网的直流侧故障。     

柔性直流输电用高压直流断路器及其故障检测方案研究

研究并仿真分析混合式直流断路器的组成结构、工作机理;采用舟山柔性直流工程定海站工程参数搭建双端系统PSCAD仿真模型,分析柔性直流输电系统故障时,直流断路器处的故障特性和故障发展过程,为故障检测装置工作范围及故障检测方法的确定提供依据;直流侧双极短路故障时,故障电流会对直流断路器形成最为严酷的电气应力,且对故障持续时间敏感,因此进一步研究了不同故障检测延时对故障特性的影响,最终根据研究结果,推荐了一种直流断路器快速故障检测方案.     

多端直流系统分区协调保护策略

针对多端直流系统的故障保护问题,首先分析了直流故障特性及多端直流系统保护难点,总结了现有多端直流系统故障保护方法。然后,基于一种典型的多端直流系统拓扑结构,以使用最少数量直流断路器为目标,提出了多端直流系统区域保护划分原则和分区保护策略。该方法将直流故障区域通过直流断路器与非故障区域进行隔离,从而使非故障区域可以继续维持正常运行,而故障区域则通过换流站交流侧断路器和直流侧开关进行保护和隔离。最后,通过MATLAB/Simulink仿真平台建模及仿真分析,验证了多端直流系统分区保护的有效性和经济性。     

一种混合直流输电故障检测和处理策略

混合高压直流输电技术将传统高压直流输电技术的经济性与柔性高压直流输电技术的安全性和稳定性相结合,无疑将成为未来高压直流输电技术的研究热点。VSC站直流侧故障的快速检测和隔离技术一直是混合直流电网发展的主要技术瓶颈之一。高压直流断路器是解决这一问题的重要手段,也是当前研究的热点。根据高压直流断路器的工作过程,分别对高压直流断路器的故障检测和限流控制进行了分析,提出了基于ROCOV(电压变化率)故障检测方法以及分步投入避雷器的限流策略,减少了断路器的动作时间和故障电流峰值。最后,在PSCAD/EMTDC上进行仿真分析,验证直流断路器保护方案的可靠性和快速性。     

多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略

在多端直流输电系统中使用直流断路器有利于故障的快速切除,但目前直流断路器的制造工艺尚不成熟,难以在工程中推广应用。文中在直流输电系统直流侧采用常规交流断路器作为直流断路器的替代方案,提出了一种针对多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略。利用PSCAD/EMTDC软件建立了±800kV双极四端直流输电系统仿真模型,并进行了仿真。仿真结果表明,基于常规交流断路器的多端直流输电系统控制保护策略能够实现系统故障后的快速恢复,较好地满足功率输送要求,有效提高所连交流系统的稳定性。     

基于直流断路器动作响应的环状柔性直流配电网后备保护方案EI北大核心CSCD

直流配电网由于供电能力强、线路损耗小、电能质量高等优点,已经成为未来配电网的发展趋势。柔性直流换流器过载能力差,且直流线路故障时,换流器直流侧电容向故障点提供数值很大的放电电流,对环状直流配电网继电保护的快速性和选择性提出了极高的要求。此外,一方面直流故障电流分断困难,技术尚不成熟,直流断路器存在拒动风险;另一方面,即使换流器闭锁后,仍然需要继电保护识别故障位置并采取故障隔离措施,以保障重启动和恢复过程的顺利进行,因此环状直流配电网的后备保护也应得到足够的重视。提出一种基于直流断路器动作响应的环状柔性直流配电网后备保护方案,分析了直流故障线路一侧断路器拒动情况下,相邻非故障线路上限流电抗器的电压变化特性,提出基于直流电流二阶变化率的故障识别判据和故障隔离方案;其次,分别考虑了高阻故障和故障线路两端直流断路器非同期分断等问题,提出基于直流电流一阶变化率的辅助判据和基于电流二阶变化率数值和方向的闭锁判据,以提升后备保护方案的整体性能;最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建电磁暂态仿真模型,验证了所提方案的有效性,结果表明:该方案动作无需通信,耐过渡电阻能力强,不受交流侧故障影响,能够在直流断路器动作后快速启动并为柔性环状直流配电网提供有效的后备保护。     

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。     

低压直流配电系统极间短路故障分析与保护

针对经电压源型变换器与大电网互联的低压直流配电系统,系统配置限流电抗器与直流断路器,利用电源侧限流电抗器两端电压比以及负荷侧表观电阻值,提出一种直流线路短路故障保护方法。首先,确立了实用型辐射状低压直流配电系统结构,分析系统直流侧短路故障电流的产生机理。然后分析了故障时电源侧限流电抗器电压比及负荷侧表观电阻值,并据此提出故障保护判据。用Matlab/Simulink软件对低压直流配电系统进行建模,仿真验证了保护方法的快速性、选择性、可靠性,且大部分保护范围内仅需要单端电气量即可识别故障。     

低损耗双向Z源固态直流断路器设计

随着直流输配电技术的不断发展,直流故障保护问题日渐凸显,断路器作为故障保护的一种重要装置,逐渐向损耗低、动作快方向发展。Z源固态直流断路器具有结构简单、响应迅速、分断无弧等特点,为直流保护提供了新方案。文中提出了一种新型双向Z源固态直流断路器,在分析其工作原理的基础上,给出了其设计方法,并对比了现有典型Z源直流断路器的保护特性。新型拓扑采用电容取代传统结构中二极管的反向阻断作用,降低断路器通态损耗,并通过反并联晶闸管实现能量双向流动,无须外加检测与控制电路,通过阻抗网络参数设计便可实现短路故障的迅速自动响应。最后,基于仿真和原理样机实验对所设计的固态直流断路器的有效性进行了验证。     

柔性直流电网直流侧故障下500kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

可隔离直流故障的直流电网用DC/DC变换器拓扑

直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的重要手段,近些年获得了快速发展。DC/DC变换器作为直流电网中电压变换和隔离直流侧故障的关键设备也日益受到关注。提出了一种适用于直流电网的可隔离直流故障的新型DC/DC变换器拓扑,该拓扑基于半桥模块化多电平换流器型DC/DC变换器,增加故障转移支路,发生直流故障时更易切断故障电流,同时提出了其故障隔离策略。对比该拓扑与半桥式DC/DC变换器的技术性和经济性差异发现,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,提出的DC/DC变换器方案不仅可以更快地切除故障线路,还减少了故障隔离对于直流断路器的依赖。在PSCAD/EMTDC中,针对两个直流电网的典型场景,进行了直流双极短路故障仿真。仿真结果表明,所提出的拓扑具备直流故障穿越能力,非常适用于大规模直流电网系统。     

电流转移型高压直流断路器

混合式高压直流断路器是目前处理直流电网故障较为认可的一种方式,但其存在造价昂贵、使用个数多等问题。为有效解决此类弊端,提出一种电流转移型高压直流断路器,并对其故障隔离控制时序进行了研究。电流转移型高压直流断路器借鉴了混合式高压直流断路器的关键部件和设计理念,将直流母线以及与其相连的混合式直流断路器进行了整合,以整体概念对断路器进行了再设计,优化了设备利用价值。在保证同等直流故障处理能力的前提下,相比混合式高压直流断路器,其投资成本大幅度降低。为验证电流转移型高压直流断路器的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个三端单极直流网络模型。仿真结果验证了电流转移型高压直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。     

考虑交直流侧协调的模块化多电平换流站直流线路保护方案

在换流站保护中,交直流保护之间往往缺乏配合,且存在直流保护的速动性难以满足要求、故障区域难以确定等难点。为此,根据模块化多电平换流器(MMC)闭锁前后直流二次谐波电流与交流负序电流特征,提出了换流站交直流故障辨识方法,可有效区分交、直流故障,确定故障区域。在此基础上,提出了交、直流侧协调配合的换流站直流保护方案。最后,结合光伏直流汇集接入系统的PSCAD/EMTDC模型,验证了交直流故障辨识方法的可行性以及交、直流侧协调配合的直流保护方案的可靠性。结果表明,所提方法能有效识别交、直流故障,且受过渡电阻的影响较小。     

极间短路条件下柔性直流输电系统电磁暂态特性分析

以南澳±160kV中压柔性直流系统为例,配合直流断路器的应用,利用PSCAD/EMTDC仿真软件分析了极间短路故障时系统的暂态特性。首先介绍了南澳直流工程的系统拓扑和主回路参数,然后结合不同保护策略分析了系统对直流断路器的参数要求,提出了系统与断路器配合时直流限流电抗的调整思路。最后研究了线路长度、故障位置和断路器动作对暂态特性的影响。仿真结果表明,直流断路器可以快速开断故障电流,限制电流峰值,通过调整直流限流电抗可以实现系统与断路器的配合。研究结果对柔性直流输电系统参数设置和器件及设备选型有一定参考价值。     

基于电压源换流器的柔性配电系统故障限流方案

基于电压源换流器的直流配电系统故障线路电流因电容放电而迅速上升,换流器中大量电力电子器件使系统对故障隔离时间提出较高的要求,而故障限流器接入直流系统不仅能限制直流侧故障线路电流,还能限制交流侧以及换流器中的电流。从系统整体限流的角度出发,提出一种基于全控型晶体管的新型限流模块,根据两极短路的故障暂态过程对限流原理进行详细分析,并给出限流模块参数选择的一般原则及其理论计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,通过大量的仿真测试、对比,验证该限流方案的有效性。     

具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器

直流断路器是直流输电系统安全稳定运行的核心装备。提出了一种具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器(current limiting hybrid high voltage DC circuit breaker with reclosing function,RFL-HDCCB)。RFL-HDCCB拓扑利用限流支路的对称性,既实现了双向故障电流分断功能,又能够完成重合闸功能。无论是瞬时性故障还是永久性故障,都能够实现重合闸功能,恢复系统正常供电。分阶段对RFL-HDCCB的工作原理进行研究分析,然后对RFL-HDCCB进行了参数设计,最后利用PSCAD软件搭建起了系统仿真模型进行验证。验证结果表明,所提出的高压直流断路器与传统断路器相比,不仅能有效降低故障电流的上升率,减少对避雷器的耗能要求,而且降低了机楲开关的分断压力,限流能力明显,体现了所提方案的合理性。     

具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器

直流断路器是直流输电系统安全稳定运行的核心装备。提出了一种具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器(current limiting hybrid high voltage DC circuit breaker with reclosing function,RFL-HDCCB)。RFL-HDCCB拓扑利用限流支路的对称性,既实现了双向故障电流分断功能,又能够完成重合闸功能。无论是瞬时性故障还是永久性故障,都能够实现重合闸功能,恢复系统正常供电。分阶段对RFL-HDCCB的工作原理进行研究分析,然后对RFL-HDCCB进行了参数设计,最后利用PSCAD软件搭建起了系统仿真模型进行验证。验证结果表明,所提出的高压直流断路器与传统断路器相比,不仅能有效降低故障电流的上升率,减少对避雷器的耗能要求,而且降低了机楲开关的分断压力,限流能力明显,体现了所提方案的合理性。     

一种不依赖直流断路器的直流电网架构

提出一种不依赖直流断路器的直流电网架构和相应的控制保护策略。根据电压等级和端口特征,将直流电网划分为若干子系统,通过在子系统间的连接线上串入故障隔离设备,即可不依赖直流断路器,实现直流故障的就地处理,故障子系统的隔离及重启过程不影响健全子系统正常的功率传输。相应的功率调节策略和站间通信分层设计方案,可以有效降低定电压控制换流站的过负荷风险及站间通信系统的复杂度。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果验证了所提出的直流电网和对应控制保护策略的有效性。     

基于辅助电路的MMC-HVDC直流故障处理策略

直流线路故障是基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统必须解决的关键问题。文中提出一种基于辅助电路的直流故障处理策略,即双向晶闸管与开关型零损耗限流装置相配合的保护方案。首先分析了直流故障电流自然衰减的直流保护原理及现有方案的缺陷,进而提出采用双向晶闸管代替背靠背晶闸管集中配置在交流侧的方法来简化其控制回路;通过与开关型零损耗限流装置相配合,并对限流电抗器进行合理设计,能够使保护在不增加运行损耗的同时具有快速抑制短路电流的能力,降低清除直流故障时对交流系统长时间的冲击。此外,进一步提出相应的故障检测及恢复策略。最后,基于PSCAD仿真平台验证了所述保护方案的有效性。