基于电流模量分析的MMC-MTDC系统直流输电线路故障识别

直流线路故障的快速、可靠识别是基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的柔性多端直流输电(multi-terminal direct current, MTDC)系统发展的关键技术之一。通过分析柔性多端直流系统线路故障后电流的暂态特征,提出了一套基于单端电流模量分析的MMC-MTDC系统直流线路故障识别方案。该方案通过对电流一模故障分量动态偏差值极值极性与大小的检测实现了直流线路故障快速定位,并利用故障后电流零模故障分量的差异,从而实现了对故障极的快速判别。在PSCAD仿真平台上搭建了双极四端MMC型柔性直流电网的模型,通过仿真算例验证了该保护在不同故障位置和过渡电阻下均能快速、可靠地检测到直流线路故障并且准确识别故障极。     

MMC-HVDC系统直流断线故障特性分析

在柔性直流输电系统故障特性的研究中,对直流断线故障特别是模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)-HVDC系统的直流断线故障研究很少。基于对称单极主接线形式和模块化多电平拓扑结构,提出了系统直流断线故障发展过程中非故障直流母线上存在故障电流的新特性。首先,分析了非故障直流母线上故障电流产生的机理;其次,按照换流站运行及控制模式的不同,从直流场、交流场和换流阀3个方面对故障电流引起的系统电压电流变化特性进行了分析,并推导了故障电流的计算表达式;再次,从继电保护的角度分析了故障电流对整个柔性直流输电系统的影响;最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了双端系统进行仿真,验证了故障特性分析的正确性。     

MMC-MTDC系统单极接地故障电流计算方法

直流线路单极接地故障是基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的多端直流(multiterminal high voltage direct current,MTDC)输电系统最常见的故障类型,分析其故障电流暂态特性对于故障类型的判断、保护配置的设计、系统参数的优化具有较大的工程意义。提出了一种适用于MMC-MTDC输电系统处于单极接地故障下,故障电流的计算方法。首先完整分析了多端直流系统单极接地故障演化机理;然后对单个换流站进行简化等效,进而将多端直流系统简化为RLC等效电路;根据基尔霍夫定律推导出故障前系统的状态方程;故障发生后,通过修改故障前状态方程中的状态变量及系数矩阵,用微分方程数值解的方法求解状态方程,进而求得故障电流。最后在PSCAD/EMTDC仿真软件上,搭建了三端MMC直流输电模型,仿真结果验证了故障电流计算方法具有较高的精确度。     

双极MMC-HVDC系统直流故障特性研究

直流故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)的主要故障类型,目前国内外对于MMC-HVDC直流侧故障的研究主要集中于伪双极系统,而对于真双极系统直流侧故障的研究还处于起步阶段。首先,介绍真双极MMC的拓扑结构和工作原理,并根据实际交直流系统电气参数、桥臂子模块电容及电抗的放电机制,建立真、伪双极两种拓扑MMC-HVDC系统直流故障状态下的对应等效电路。然后,对比分析两种拓扑不同阶段故障电流在MMC桥臂上的流通路径,重点研究了故障短路电流对换流站桥臂阀组影响程度的差异,并指出三种电气参数与故障短路电流变化之间的内在关系。最后,基于RT-LAB仿真平台,搭建51电平双极MMCHVDC双端直流输电模型,仿真结果证明了直流故障特性研究方法的正确性。     

直流侧故障下MMC-HVDC输电线路过电压计算

针对基于模块化多电平换流器的高压直流（modular multi-level converter-high voltage direct current,MMC-HVDC）输电系统,为了快速而有效地计算其直流侧单极接地故障下直流线路最大过电压,详细地分析了几种相应的等效计算模型.首先,基于能量守恒定律,得到模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的等效模型I.在该模型中,MMC被拆分为直流侧等效电路和交流侧等效电路,其中前者由2个受控电流源和1个理想电容组成.其次,考虑到单极接地故障下MMC子模块电容电压几乎不变的特性,并且直流电缆可以使用π等效电路模型替代,就能得到MMC的等效模型Ⅱ.最后,基于时域仿真软件PSCAD/EMTDC搭建了400 MW/±200 kV数字仿真模型,验证了2种等效模型的有效性.     

基于单端暂态电流和差比的柔性直流配电系统断线保护

直流配电系统单极断线故障特征不明显,现有的单极断线保护依赖单一电气量量测,难以通过定值整定准确可靠地识别故障线路。文中提出一种基于单端正负极电流和差比的新型断线保护。通过分析四端直流配电系统开环与闭环运行模式下单极断线的故障机理,得出单极断线故障下故障极与非故障极线路电流的变化差异,进一步利用两者线路电流的和与差作商放大故障极与非故障极的差异,达到可靠识别故障极线路的目的。所提保护原理简单,计算量小,避免了定值无法整定的问题,基于本地测量信息即可实现快速故障识别与选极。最后,通过仿真验证了该方法的可靠性。     

基于离散模型的柔性直流电网短路电流计算方法

为计算柔性直流电网故障后的短路电流,提出基于离散模型的柔性直流电网短路电流数值计算方法.针对基于模块化多电平换流器的柔性直流电网,分析直流侧短路故障后的等效电路;建立基于后退欧拉法和梯形积分法的换流器电感、电容和线路的离散化模型,以及不同故障类型下换流站的离散化模型;在此基础上,设计直流电网不同类型故障电流数值求解算法...     

基于分布式电源电流变化率的主动配电网单相断线保护方法

分布式电源的应用,改变了配电网断线故障的特征,加剧了断线故障的威胁。但是目前不仅缺乏含分布式电源(DG)的配电网断线故障保护方法,甚至电网断线故障下DG的输出特性也不清晰。基于主动配电网的可观测性,提出了一种根据DG电流变化率识别配电网断线故障的新思想。首先,分析了配电网单相断线故障下DG的输出特性,并建立了DG的等值模型。然后,建立了含DG的配电网单相断线故障等效电路,推导了故障前后DG输出电流的表达式。随后,分析了故障前后DG输出电流的变化特征,建立了基于DG电流变化率的辐射状配电网单相断线故障保护判据。仿真表明,所提单相断线故障保护方法能够迅速识别断线故障并准确定位。     

柔性直流输电系统交流侧线路继电保护适应性研究

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电（MMC-HVDC）系统运行控制特性与常规直流输电（LCC-HVDC）差别较大,其对交流侧继电保护的影响也不同于LCC-HVDC。基于MMC换流站控制器的动态响应特性,推导了交流电网故障下MMC逆变站交流侧短路电流表达式,分析了逆变站输出短路电流幅值、相位特性与MMC控制方式之间的关系;在此基础上,提出了基于MMC控制方式的等效矢量分析方法,直观刻画了保护电气量之间的相位关系。通过推导故障电气量及保护动作方程,分析了逆变站在不同控制方式下纵联电流差动保护、距离保护和零序电流保护的动作特性,明确了MMC对交流侧继电保护的影响范围,所得结论为MMC-HVDC交流侧线路保护的配置及整定提供了参考依据,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了理论分析的有效性。     

电流互感器二次回路中性线断线的动模试验研究

为了分析电流互感器二次回路中性线断线对故障后二次电流及保护动作行为的影响,进行电流互感器二次回路中性线断线的动模试验研究。首先分析三相电流互感器二次回路中性线断线后的等效电路及电流回路,然后在MATLAB/Simulink上建立三相电流互感器模型,通过以MATLAB/Simulink作为仿真模型开发手段的新型实时数字仿真继电保护测试系统建立110 kV线路保护动模试验测试实例,进行电流互感器二次回路中性线断线后的相关动模试验。试验结果表明,电流互感器二次回路中性线断线后,差动保护在发生区外单相及两相接地短路故障时容易误动,接地距离保护在发生区内单相及两相接地短路故障时容易拒动。对电流特征和阻抗特征的分析结果印证了试验结果的正确性。最后,提出保护逻辑改进方案,并通过仿真验证了改进逻辑的可行性。     

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。     

基于单端暂态量的MMC-MTDC直流线路故障辨识方法

在多端柔性直流MTDC(multi-terminal flexible DC)系统中,带有模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的直流线路的故障辨识是目前亟需解决的重大科学问题。通过分析直流线路故障期间的暂态电流和电压,提出一种基于单端暂态电流和电压的快速辨识方法。根据故障线路与非故障线路电流变化量的差异建立了故障线路辨识模型,依据正、负极暂态电压的样本标准差建立的故障极辨识模型,辨识时间短且无需两端数据通信。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建张北四端口柔性直流系统模型,通过算例验证了该方法能在各种故障下快速准确地辨识故障的类型,且具备一定的抗干扰性和耐过渡电阻能力,满足多端柔性直流系统对直流线路故障辨识的要求。     

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。     

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....     

基于MMC的两端TWBS-HVDC直流侧短路故障电流计算方法

基于三线双极结构的高压直流(TWBS-HVDC)输电系统能够较大程度地发挥直流线路的输电能力,是一种实现交改直和线路增容改造的有效方式。针对TWBS-HVDC系统与双极直流系统在接线形式上的差异,文中提出了一种适用于两端TWBS-HVDC的直流侧短路故障电流计算方法。首先基于模块化多电平换流器(MMC)暂态等效电路建立两端TWBS-HVDC在不同直流侧故障发生至线路直流断路器动作阶段的暂态等效模型。以暂态等效电路中独立回路数和动态元件阶数为标准,将所有直流故障归纳为3类,分析推导各类故障下的状态方程,通过求解状态方程中系数矩阵的特征值和特征向量得到故障电流解析表达式。最后在MATLAB/Simulink数字仿真平台中,搭建两端TWBS-HVDC模型进行仿真验证,结果验证了所提TWBS-HVDC直流侧短路故障状态方程求解法的准确性和有效性,为直流断路器选型和限流电抗器参数整定提供了可靠依据。     

特高压直流输电系统接地极线路保护配置方案优化建议

接地极是特高压直流输电系统中重要的组成部分,结合宾金直流接地极调试及投运以来发生的两起接地极引线断线事件,尤其是2015年7月13日接地极引线1断线接地事件,利用单位电流法计算故障支路的电流分布系数,理论分析接地极线路接地和断线故障时电流变化特征,深入分析目前宾金直流接地极保护策略配置存在的缺陷,将纵联差动保护与不平衡保护相结合,形成一种能准确判断故障类型的新型保护配置方法,优化目前的保护动作策略,能有效提高接地极系统运行的稳定性。     

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。     

基于暂态电流的MMC-LVDC双极短路故障定位方法

随着分布式电源和直流负荷的大量接入,直流配电系统相较于交流系统更具优势。故障定位是直流配电网可靠、优质供电的关键支撑技术之一。分析了模块化多电平换流器(MMC)型柔性直流配电网双极短路故障暂态特性,提出了一种基于子模块闭锁后初始阶段暂态电流的故障精确定位方法,建立了双端MMC型柔性直流配电网的等效电路,推导了直流电流的时域表达式,构建包含故障距离和过渡电阻2个未知参数的时域方程组,并利用最小二乘法进行求解。该方法适用于不同接地方式。在PSCAD/EMTDC中搭建了双端柔性直流配电网模型。仿真结果验证了该方法的有效性、可靠性与准确性,针对两端换流站参数不对称和过渡电阻时变场景,所提方法也具有很高的定位精度。     

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。     

考虑过渡电阻影响的柔性直流配电系统电流突变量保护

柔性直流配电系统中,直流故障下,其换流器自身保护的闭锁速度快,有效故障信息极少,系统保护需要高速检测故障。基于有限的故障暂态信号,研究快速、准确识别故障区域的保护是直流配电系统发展的迫切需求。因此,提出了一种适用于多端柔性直流配电系统的暂态量保护。利用直流双极短路故障后的直流电流波形变化特征,计算电流波形曲率并以此为判据,与电流突变量(di/dt)算法相结合,实现不同过渡电阻故障的快速、可靠识别。该保护基于本地测量实现直流线路保护,计算量小,解决了传统电流突变量保护受过渡电阻故障影响无法正确动作的问题。最后,在PSCAD中搭建精细化多端柔性直流配电系统仿真模型,验证了所提出的电流波形曲率保护方法的动作性能,保障了直流配电系统的安全可靠运行。