考虑交流馈入和稳态运行条件的柔性直流电网故障电流分析方法

柔性直流电网可以实现大规模可再生能源的广域协调互补和可靠输电,是未来高压大容量柔性直流输电的一个重要发展方向.直流线路短路电流是柔性直流电网中换流器、直流断路器及直流母线平波电抗器等关键设备参数选择的重要依据之一.本文建立了考虑交流馈入的直流放电等效电路数学模型,提出了一种分析换流站注入功率对直流故障电流影响的解析方法...     

高压直流断路器

正高压直流断路器利用电力电子器件开断直流回路,快速清除直流故障,对柔性直流输电系统的稳定、经济运行具有重要作用。桥式整流型混合式高压直流断路器由主通流支路、分断支路和耗能支路组成,利用IGBT分合控制,配合耗能组件实现大电流切除。2020年6月投运的张北柔性直流电网工程采用了世界上电压等级最高(±535 kV)、     

IGCT在直流电网中的应用展望

相对于交流电网中的电力电子设备,直流电网中的电力电子设备具有很多不同的特性,为集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)的应用提供了可能的契机。该文紧密跟踪直流电网中关键电力电子设备的发展需求,对IGCT在直流电网中的应用前景进行展望。首先介绍了IGCT的应用特性和直流电网中的关键电力电子装备,包括:高压大容量电压源换流器、中高压大容量直流变压器、高压大容量直流断路器。在此基础上,结合IGCT与电压源换流器、直流变压器以及直流断路器的内在特征,系统阐述IGCT在这些关键设备中的应用契机、可行方案以及技术特点等。最后,对IGCT应用于直流电网中待研究的关键问题进行了讨论,推动我国直流电网中的高效率、高密度、高可靠性、低成本的电压变换和功率传递。     

中高压直流开断技术

直流电网在高压柔性输电、新能源接入、轨道牵引以及未来城市配网方面有着广泛的应用前景。直流断路器作为重要的控制和保护设备,是直流电网供电安全的重要保证。与交流相比,直流开断的要求更高、其实现也更加困难。根据开断原理的区别,目前的直流断路器主要分为空气断路器、电流注入式断路器和混合式断路器三类。分别对三类直流断路器进行了综述,介绍了相应的开断原理与开断方法,着重分析了中高压直流分断方面的最新技术。空气式直流断路器通过建立足够高的电弧电压实现分断,结构简单、可靠性高,在低电压等级系统中已经得到了广泛的应用。电流注入式直流断路器利用储能元件产生的反向电流注入来实现直流分断,短路分断速度较快,可用于中高压直流系统。混合式直流断路器主要利用全控型电力电子器件来实现电流分断,开断速度极快,对于不同电压等级适用性较强,然而较高的成本限制了其广泛应用。     

高压大容量柔性直流电网换流站阀厅空气净距计算及紧凑化布局设计

高压大容量柔性直流电网工程因设有直流断路器,导致其阀厅空气间隙与空间布局和以往柔性直流工程有显著不同.针对高压大容量柔性直流电网特点,对阀厅空气净距计算及紧凑化布局设计开展研究.采用g参数法对非标准气象条件下空气间隙的放电特性进行修正,提出了求取最大空气净距时的阀厅温、湿度取值方法,提出了含直流断路器的高压大容量阀厅紧...     

含多种限流设备的柔性直流电网RT-LAB实时仿真建模

柔性直流电网具有"低惯性、弱阻尼"的特点,其故障电流上升速度快且峰值高.针对包含大量电力电子器件的限流设备不仅增加系统复杂性,同时也降低直流电网仿真效率的问题,提出不同限流设备的等效建模方法.首先,搭建包含多种限流设备的17端柔性直流输电网数字仿真模型;其次,依据单端口子模块等效建模方法,分别针对其中4种典型故障限流设...     

利用直流断路器实现柔直换流器直流侧在线并网

高压大容量柔性直流电网中换流器的快速可靠在线并网是目前工程中亟须解决的问题之一。由于孤岛换流站不具备交流侧启动能力,需要通过直流侧启动实现换流器并网。为了限制直流侧充电电流,可利用直流断路器对换流器进行预充电。研究通过直流断路器分级合闸实现孤岛换流站在线并网的可行性,提出分级合闸过程中直流断路器电流应力以及避雷器能量的计算方法,并通过该计算方法对张北工程直流断路器的电气应力进行计算。在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立了张北柔性直流电网模型并进行了仿真测试,验证了其在直流电网中的适用性,通过仿真结果证明了计算方法的准确性。     

柔性直流输电阀基控制设备硬件在环测试方法

张北柔性直流电网工程是世界首个柔性直流电网工程,对阀基控制设备的可靠性提出了更高的要求.为了更全面测试柔性直流输电阀基控制设备,提出了高压大容量柔性直流输电阀基控制设备全规模接入实时仿真系统实现硬件在环测试的方法.通过研制接口机箱,搭建了基于RT-LAB的北京站阀基控制设备全规模接入测试平台,提出了全面的阀基控制设备测...     

柔性直流电网单极接地短路电流计算方法

在柔性直流电网工程设计与直流断路器选型中，电网的短路电流是重要的参考依据。针对以架空线作为金属回线网络的真双极柔性直流电网，文章提出了一种单极接地短路电流计算方法。该方法的基本原理是通过建立单极接地故障时电网的状态方程求解柔性直流电网中的短路电流。以张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程为例，通过对比理论计算与系统仿真结果，证明了该方法的正确性与高效性。文中利用该方法分析了限流电抗器电感值等参数对短路电流的影响规律，为工程设计提供了一定参考。文章提出的计算方法可以广泛地适用于不同端数的基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter， MMC）的柔性直流电网工程，为柔性直流电网工程的参数设计与直流断路器的选型提供支撑。     

±500kV张北柔性直流电网工程系统设计

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。与前期工程相比,张北工程系统设计的主要难点在于:工程故障穿越要求高、故障发展速度快而核心设备的暂态应力水平受限;新能源孤岛接入双极直流电网存在双极协调控制困难、宽频振荡风险高以及暂时性盈余功率问题严重等问题。针对张北工程系统设计的主要难点,提出新型三次谐波注入策略、直流电网电抗器最优化配置方法、基于接地电阻的续流快速衰减方法、子模块动态平均工作电压策略、新型阀控不平衡快速保护策略、阀本体过压保护的动态定值策略等一系列方案,有效提高了核心设备的电流和电压应力水平对直流电网的适应性;提出了双极V/f下垂控制、大规模新能源场站宽频阻抗特性获取方法、基于交流耗能装置的盈余功率解决方案等,解决了大规模新能源孤岛接入直流电网的双极协调控制问题、宽频振荡问题和暂时性盈余功率问题。通过张北柔性直流电网工程实践,验证了上述策略的正确性和有效性。     

高压直流断路器发展研究综述

新型的模块化多电平换流器因其在减少开关损耗、容量升级、电磁兼容、故障管理等方面的优势,正得到广泛的关注与研究。长距离输电线路阻抗大,弱电网较大的阻抗特性会增加系统的不稳定性。因此,目前制约大容量MMC柔性直流并网系统实际工程应用的主要原因之一就是缺乏实用的高压直流断路器。直流断路器研究当前主要面临两方面的问题,即直流故障电流难以迅速开断和高压直流系统中电力电子器件串联数量问题。研制新型的高压直流断路器,既是为了满足直流配电技术发展的需求,也是目前中国电力系统安全稳定运行、电力建设发展迫切需要解决的实际问题,具有重要的理论意义和实用价值。     

特约主编寄语

正随着传统能源的日益枯竭,中国乃至世界面临能源结构转型的挑战,发展可再生能源是国家能源转型的必然选择。目前,中国已经成为世界上风电和光伏装机容量最大的国家。柔性直流电网采用模块化多电平换流器,具有高度的灵活性和可靠性,有利于促进可再生能源的高比例消纳,建设柔性直流电网是未来电网发展和变革的重要方向之一。柔性直流电网依赖全控型电力电子器件,设备耐受过流能力弱,发生故障后若不及时对故障电流进行主动控制,故障电流在极短时间内就可达到器件自保护阈值。因此,通过故障电流主动控制,减小故障电流,降低保护成本,并提高换流器和断路器等设备的可靠性十分必要。     

模块化混合式高压直流断路器研究与应用

多端柔性直流与直流电网为提升大规模可再生能源并网与消纳提供了灵活高效的解决途径,高压直流断路器可实现直流电网故障区域快速隔离,是构建直流电网的核心设备。混合式直流断路器兼顾传统机械式和固态式优点,低损与快速开断特征满足高压大容量直流系统需求。该文针对模块化混合式直流断路器拓扑,详细阐述了其构成、基本原理与技术特点,完成了设计参数数学解析。结合舟山五端直流和张北直流电网应用需求,开发200kV和500kV等级直流断路器,开展部件功能与整机型式试验。建立PSCAD仿真模型,分析直流断路器应用于舟山工程开断性能,实现了200kV直流断路器工程运行,完成系统故障电流和人工短路试验电流开断。试验和运行结果验证设计正确性及样机性能,为灵活可靠的多端及直流电网建设提供了技术支撑。     

一种高压大容量有源电力滤波器研究

提出一种新型的基于变压器谐波电流补偿的高压大容量有源电力滤波器。变压器采用副方多补偿绕组结构,原方绕组与谐波负载相并联,副方补偿绕组分别与逆变器相联。实时检测变压器原方绕组的谐波电流,通过逆变器产生与原方绕组谐波电流成比例的谐波补偿电流注入变压器副方多补偿绕组中。当原、副方绕组的谐波电流满足谐波电流补偿条件时,变压器原方绕组对谐波电流呈现近似为零的低阻抗,而对基波电流呈现很大的励磁阻抗,从而输导高压电力系统中的谐波电流流入变压器支路。仿真结果证明了这种滤波新原理的正确性。     

柔性直流电网故障电流抑制关键技术与展望

能源危机和变革给传统的输电模式带来了巨大的挑战。柔性直流电网以其灵活、可控、高效等特点,成为新的电力输送方式之一,但在关键技术与装备等方面仍存在较多问题有待解决。文中以柔性直流电网故障电流抑制问题为研究对象,首先分析了柔性直流电网对故障电流抑制的技术需求与国内外研究现状。在此基础上,分别从柔性直流电网故障电流分布特性与演变规律、故障限流原理与多维度协同抑制、数字物理动模仿真等方面提出亟待解决的关键技术问题与研究思路。最后,展望了柔性直流电网研究中仍需关注的重要问题。     

一种以优化MMC-HVDC运行特性的谐波注入调制策略研究

针对柔性直流输电的输送容量主要受到电力电子器件通流能力限制的问题,提出了一种三次谐波注入调制策略。分析了三次谐波注入调制策略的原理,研究了三次谐波注入调制对MMC-HVDC系统运行的影响,包括对比了三次谐波注入调制和传统正弦波调制策略下MMC的桥臂能量波动、子模块电容电压和桥臂电流的特性差异。在PSCAD中搭建系统仿真模型,分别在稳态和暂态运行工况下对上述理论分析进行验证,结果表明三次谐波注入调制策略对MMC-HVDC系统运行特性的优化具有积极作用。     

一种电感耦合型高压直流限流断路器

为保证直流电网发生单极接地故障后,健全线路仍能够正常传输功率,需要在各个直流线路上配置直流断路器,在换流器闭锁前切断故障线路,如何降低断路器的电力电子器件开断应力是目前研究的难点。以张北直流电网为主要研究对象,首先分析直流单极接地短路的等效电路以及传统直流断路器的工作机理;然后,提出一种基于电感耦合型的高压直流限流断路器拓扑结构,以降低各个电力电子器件的开断应力,并详细地论述了该限流断路器的工作机理。限流断路器由故障隔离限流器和引流限流器两部分构成,各部分的电力电子器件可以相互配合,互相借用,有效地提升了该拓扑的经济性。在张北四端柔性直流电网仿真模型上将该方法与其他4种限流方法做对比,进行限流校验、电力电子器件承压校验以及经济性校验,结果表明该文所提出的电感耦合型限流断路器能够在3ms内完成故障引流,6ms内完成故障切除,具有良好的限流、断路能力,并且仅需要632个IGBT器件,经济性较高。     

一种新型电感激励换流式高压直流断路器及其仿真研究

高压直流断路器是多端柔性直流电网中直流故障快速切除的关键设备,是柔性直流电网安全可靠运行的重要保障。针对已有电感激励换流式直流断路器存在的问题,研究提出一种新型电感激励换流式高压直流断路器方案,在转移支路上集成换流驱动电路,避免脉冲变压器副边线圈长期通流;并通过判断线路电流方向,在激发电流正半波内完成正反向换流,缩短反向换流时间,避免电力电子器件关断前的大电流冲击。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了新型直流断路器方案的可行性,正反向换流时间均小于50μs,短路电流开断时间小于3ms,具有通态损耗小、自然冷却、全电流开断和重合闸等特点。     

对国外限制电网谐波标准的分析

谐波源接入电网后,在从电力系统取得基波电流的同时,还将其产生的谐波电流注入电网.随着电力电子技术的发展,变流装置广泛地用于现代工业、交通部门,大容量变流设备、电弧炉以及装有相位控制器件的家用电器和类似的电气设备等谐波源产生的谐波电流,大量地注入电网,造成电网的电压波形发生畸     

一种新型的并联混合型有源电力滤波器

提出一种新型的基于阻抗可控的并联混合型有源电力滤波器。通过对带气隙的线性变压器的电压方程分析得知，当变压器二次侧注入的补偿电流和一次侧的电流满足一定的补偿条件时，变压器对谐波电流呈现近似为零的低阻抗，对基波电流呈现连续无极可调的电抗。从而不仅能够有效地抑制谐波，与无源电力滤波器相结合，还能够实时补偿无功功率。针对该原理提出一种新型的指令电流运算方法。此新原理在高压交流电力系统柔性输电装置中将有着广阔的应用前景。实验结果证明此有源电力滤波器新原理的正确性。