整流侧换流母线电压恢复对逆变器换相的影响

针对研究发现的交直流系统中整流侧换流母线电压恢复导致逆变器关断角减小的问题。以CIGRE HVDC标准测试系统为例,分析了整流侧换流母线电压跌落时直流控制方式,将其以分段函数表示,联立直流准稳态模型推导建立了整流侧换流母线电压跌落程度不同时的关断角表达式。基于表达式分析得出整流侧换流母线电压跌落越大,电压恢复瞬间关断角越小,严重时会发生换相失败。为此,提出了一种改善整流侧换流母线电压恢复瞬间导致关断角过小的方法。基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件利用CIGRE HVDC标准测试模型仿真验证了换流母线电压变化对关断角的影响,并从趋势上检验了理论分析的正确性和改进方法的有效性。     

整流侧换流母线电压恢复导致逆变器换相失败的机理分析

交直流系统中整流侧换流母线电压恢复会引起直流电流增大,从而导致逆变器换相失败。为了解决该问题,文中首先以CIGRE HVDC标准测试系统为例,分析了电压恢复期间逆变侧控制系统的控制特性,发现由定电流控制切换为定关断角控制瞬间及之后一段时间内,直流电流较大及增速过快从而引起电流偏差控制输出较小且快速降低是诱发换相失败的重要原因。其次,提出了一种通过改进定关断角控制器以改善整流侧换流母线电压恢复导致关断角过小的控制方法。最后,在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中利用CIGRE HVDC标准测试模型仿真验证了所提方法的有效性,由仿真结果可知该方法能有效抑制由整流侧换流母线电压恢复导致的逆变器换相失败。     

单相跳闸对换相过程的影响机理及连续换相失败抑制方法

对逆变侧交流系统因接地故障而单相跳闸后换流母线处电压的相位特征进行了研究,理论分析表明交流系统切除故障相将导致逆变器各换相电压的相位差发生变化。在此基础上,对单相跳闸后的逆变器换相过程进行了分析,发现在现有的等间隔触发方式下,直流系统的换相过程将受到影响,甚至面临换相失败的风险。因此,提出了基于触发角偏差量的换相失败判断方法,该方法能够可靠判断当前系统参数下单相跳闸是否会引发连续换相失败。基于换相电压相位差提出了一种适用于逆变侧交流系统单相跳闸后的逆变器触发方式以抑制换相失败。PSCAD仿真结果表明,所提出换相失败判断方法能可靠预测单相跳闸引发的换相失败,所提出的换流器触发方式可以有效抑制连续换相失败。     

单极闭锁引起直流健全极换相失败分析

推导建立了换相失败的数学模型,得出送、受端换流母线电压比值是引起换相失败的主要原因,单极闭锁后健全极存在换相失败的风险。分析了单极闭锁引起暂态过电压的影响因素,并推导出直流闭锁后的暂态过电压定量计算解析表达式,提出一种单极闭锁后考虑两侧换流母线电压的换相失败判据,并得出送端、受端短路容量与换相失败的关系。最后基于DIgSILENT仿真平台搭建±800 kV天中直流输电系统仿真模型,仿真结果验证了暂态过电压计算方法的正确性,同时证明了单极闭锁后健全极存在换相失败的风险。     

基于最小换流母线电压的多馈入直流系统换相失败判断方法

基于最小换流母线电压的概念,提出一种以最小换流母线电压为判据快速判断多馈入直流系统换相失败的方法。基于节点阻抗矩阵,利用节点电压交互作用因子,计算系统中各节点发生短路接地时换流母线电压;以最小换流母线电压为判据判断直流系统是否发生换相失败;分别分析计算多馈入直流输电系统不同子系统受短路故障影响情况。最后,对IEEE-30节点标准测试系统进行仿真计算,验证所提出的基于最小换流母线电压的多馈入直流系统换相失败判断方法的有效性和准确性。     

基于动态电流偏差控制的连续换相失败抑制方法

为降低高压直流输电系统发生连续换相失败的概率,提出一种动态电流偏差控制器设计方法。从换相失败机理出发,利用关断角增量与电流偏差控制斜升函数斜率的关联性,采用二阶广义积分器实时检测逆变端换流母线三相电压及零序电压幅值的动态变化;以此为依据,在不同类型的交流故障发生后,使电流偏差控制斜升函数输出的关断角增量上限值做出相应的动态调整,从而改变控制曲线斜率,实现对关断角整定值的自适应调节。PSCAD/EMTDC仿真表明,所提方法能较好地抑制单相及三相短路故障导致的连续换相失败,改善直流系统的运行特性。     

直流输电系统换相失败的研究(一) --换相失败的影响因素分析

作为直流输电系统最常见的故障之一，换相失败与很多因素有关，主要有换流母线电压、换流变压器变比、直流电流、换相电抗、越前触发角、不对称故障时换相线电压的过零点相位移、换流阀的触发脉冲控制方式和交流系统的频谱特性等，以CIGRE HVDC标准模型为研究对象比较详细地分析了以上因素对逆变器换相失败的影响，得出了逆变器发生换相失败的一般规律。     

基于双判据的特高压直流分层接入系统换相失败预防控制策略

特高压直流分层接入系统中逆变侧受端交流系统故障可能造成高低端换流器同时发生换相失败。对此,综合考虑换流器发生换相失败的电压、电流因素,提出一种基于双判据的特高压直流分层接入系统换相失败预防控制策略。该策略基于换流母线电压变化特征,动态调整关断面积控制中关断角参考值;同时基于直流电流变化特征,得到换相电流面积控制中晶闸管触发角的修正量,进而优化选取各层换流器的触发角,预防高低端换流器同时发生换相失败。在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型对不同工况下所提换相失败预防控制策略进行了验证。仿真结果表明,该策略能快速应对逆变侧交流系统故障,减小高低端换流器同时发生换相失败的风险,可预防分层接入系统高低端换流器同时发生换相失败。     

交流故障下高压直流系统的首次换相失败抑制策略

换相失败是高压直流输电系统的常见故障,其发生的主要原因是交流故障引起的电压幅值骤降和相位跳变。为抑制换相失败,直流控制系统采用关断角调节器将各换流阀的关断角保持在参考值,从而保证足够的换相裕度。然而,目前直流工程中常用的关断角调节器在暂态下响应速度较慢,且存在较大的控制误差,这使得逆变器在交流故障发生时仍然较容易发生换相失败。因此,提出一种快速应对交流故障的换相失败抑制策略。该方法根据换流母线处三相电压的零序分量以及αβ分量幅值计算交流故障下定关断角控制下应有的触发角指令,并将该触发角指令作为原定关断角控制器输出指令的上限值,从而对原控制系统触发角指令进行快速修正,增加交流故障下各换流阀的换相裕度。仿真结果表明,该方法能够有效降低交流故障下逆变器发生换相失败的概率。     

基于直流电流动态上升的高压直流输电系统换相失败分析

针对现有换相失败分析方法未考虑交流系统故障后直流电流动态上升对关断角影响的问题,在分析直流电流变化对关断角影响的基础上,首先推导了对称故障下未考虑直流电流变化以及考虑直流电流瞬时变化的换相失败分析方法。分析结果表明,当逆变侧换流母线电压跌落在一定区间内,以上2种方法会导致换相失败判别结果不准确。为此考虑交流系统故障后直流线路和直流控制的动态过程,推导了直流电流的时域表达式,通过求解直流电流最大值,提出了一种考虑直流电流动态上升的换相失败分析方法。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提方法的有效性以及对高压直流输电系统换相失败判别结果的正确性。     

CCC的补偿度对HVDC系统的影响分析

利用MATLAB中的SIMULINK仿真工具对逆变器为电容换相换流器(CCC)的高压直流(HVDC)输电系统的稳态特性和暂态特性进行了仿真计算,并对仿真结果进行了详细的分析。研究了整流侧定电流、逆变侧定电压控制方式下,CCC中串联电容器补偿度对稳态运行中的HVDC输电系统的熄弧角、换流器与系统间交换的有功功率、无功功率、换流母线电压以及换流器的基波功率因数等的影响。对整流站换流母线处分别发生单相接地和相间短路两种故障形式进行了仿真计算,并研究了换流母线电压的恢复过程及电压暂降与临界补偿度的关系。研究表明考虑到稳态和暂态特性,在整流侧定电流、逆变侧定电压这种控制方式下,CCC的串连电容器补偿度的选择要兼顾防止换相失败和防止引起交流系统不稳定来考虑,并非越大越好。     

电容换相逆变器换相失败的研究

换相失败是直流输电系统的常见故障之一,研究逆变器的熄弧角对理解换相失败的本质及设计保护措施具有重要意义。详细描述传统逆变器熄弧角、电容换相逆变器的视在熄弧角和实际熄弧角的概念和数学模型,比较、分析三者之间的区别与联系。根据熄弧角的数学模型推导实际熄弧角的数学模型,分析影响电容换相逆变器换相失败的主要因素以及影响规律:电容换相逆变器在直流电流下降和交流母线电压升高时,实际熄弧角均减小,可能导致换相失败;换相电容设计值过大,静态换相裕度较小;交流系统不对称会恶化电容换相逆变器的换相性能,甚至导致换相失败。     

Modeling of effective margin angle characteristics and AC voltage stability analysis of CCC

A capacitor commutated converter (CCC) has a simple circuit topology of a series capacitor placed between the valve and the converter transformer in each phase. The series capacitor mitigates the inverter operation of a CCC by assisting the commutation with the voltage charged in it. However, it does not guarantee complete commutation in any conditions, for a valve does not have self‐extinction ability. Therefore, precise analysis of the commutation process of a CCC is required to secure its operation. First, the formulation of the interrelation among the converter parameters—AC voltage, DC voltage, firing delay angle, overlap angle, and effective commutation margin angle—is presented. The firing delay angle at a given effective margin angle is calculated by using the obtained equations, which can be applied to constant extinction angle control. Next, we assess the AC voltage stability of an AC/DC link, when constant extinction angle control is applied to the inverter of CCC. The calculated voltage stability factor (VSF) shows that the commutation capacitor improves the AC voltage stability of constant extinction angle control at the inverter linked to a weak AC system, but it differs by the rectifier operation mode and compensation factor of the commutation capacitor. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 137(4): 38–47, 2001     

高压直流输电系统抑制换相失败的最小关断面积控制策略

根据逆变器的换相过程,分析了换相失败机理。比较了两种高压直流输电系统换相失败判别方法:最小关断角判别和最小关断面积判别;为了提高逆变站抑制换相失败的能力,提出了最小关断面积控制策略。以林枫直流为研究对象,在PSCAD/EMTDC中建立了相应的控制保护模型,对最小关断角控制策略和最小关断面积控制策略进行对比实验。仿真结果表明最小关断面积控制策略抑制换相失败的效果优于最小关断角控制;交流电压跌落幅度过大,换相失败无法避免。     

换流站近端交流输电线路重合时序问题研究

交直流电力系统中直流系统对交流系统的扰动较为敏感,整流站或逆变站的扰动都可能造成直流功率的传输中断。经研究发现,换流站近端交流线路重合闸投入时序对直流系统的电压、功率、关断角等运行参量有较大影响。在交直流电力系统中探讨其机理,首先采用开关函数法对直流系统进行等值,求解交流线路上任一点发生单相接地故障时一侧重合后的换流母线电压。通过比较合于永久故障时两种重合时序下换流母线电压的大小,得到了影响重合时序的故障距离临界点。进而剖析换流变分别为Y0/Y、Y0/D接线时网侧、阀侧换相电压间的变换关系,分析直流系统在不同控制模式下直流电压、直流功率、关断角等运行变量与换流母线电压间的变化趋势。在此基础上得出结论:换流站近端交流线路故障时,使换流母线电压较高的一侧首先重合,可提高直流电压和输送功率,减少换相失败的发生机率,从而减小重合于永久故障时对直流系统的再次冲击。PSCAD数字实验验证了结论的正确性。     

对称故障下基于直流电流变化的后续换相失败风险预判及风险等级划分

在换流母线的不稳定电压作用下,高压直流输电系统发生多次换相失败造成的多次功率冲击对电网安全稳定运行影响很大.根据交直流系统实时运行状态对后续换相失败的风险进行预判是工程中迫切需要解决的问题.分析了高压直流输电系统换相失败的基本过程,根据高压直流输电系统准稳态方程推导了逆变侧关断角与直流电流变化的关系,提出一种基于直流电流变化的后续换相失败风险预判方法.选定前次换相失败后关断角重新恢复至参考值的时刻作为预判时刻,通过预估交流电压变化范围评估导致发生后续换相失败对应的直流电流上升区间,划分高压直流输电系统发生后续换相失败的风险等级,再根据预判时刻的直流电流大小确定发生后续换相失败的风险等级.通过PSCAD仿真软件中的Cigre高压直流标准测试模型,验证了所提方法的有效性.     

采用新型换流变压器及其滤波系统对换相失败的影响

分析了直流输电的换相失败机理及影响换相失败的因素。考虑到新型换流变压器及其滤波系统的阀侧滤波支路会对直流输电系统中各运行变量产生一定的影响,以实验室建立的直流输电系统模拟平台为研究对象,给出了新系统下阀侧无功补偿度的定义,当逆变侧采用新型换流变压器及其滤波系统后,详细分析了多种因素对逆变侧换相失败的影响并得出如下结论:阀侧无功补偿度对换相过程的改善能力不大;直流电流和换相电抗的增加会增大逆变器发生换相失败的几率;越前触发角的增大可有效降低逆变器发生换相失败的几率;不对称故障时,换相电压过零点的偏移会使得与发生单相接地短路相相连的逆变器上、下2个换流阀最易发生换相失败。最后,提出了新系统条件下避免发生换相失败的措施:增大越前触发角或关断角的整定值;适当降低换流变压器的换相电抗;保持换相电压的稳定。