柔性直流电网故障限流技术分析与探讨

故障限流技术是实现柔性直流电网保护和故障隔离的重要过渡手段。基于柔性直流电网的故障特征,结合国内外研究成果,从交流侧限流、换流器限流以及直流侧限流3个方面分析了柔性直流电网各类限流技术和方法的原理及性能,对相关限流技术和方法进行了仿真测试和比较。基于对比分析结果,提出了一种改进的电感型限流电路拓扑。所提出的限流电路能够有效抑制故障电流,在配合直流断路器开断故障的情况下,可加速故障电流衰减。最后探讨了未来直流电网故障限流技术可能的研究方向。     

含多类型故障限流设备动作的直流电网保护时序配合

柔性直流电网作为新能源并网的有效手段,要求能够可靠开断直流故障电流。直流电网中配置的多种类型故障限流设备间的故障保护时序配合亟须研究。文中基于直流电网直流线路双极短路故障,研究了故障限流器、直流断路器、半桥全桥混合型模块化多电平换流器以及DC/DC变换器这几类多类型故障限流设备的故障保护时序配合。针对包含环网状以及辐射状结构的复合型多端直流电网系统中的不同区域,配置不同类型的故障限流设备,同时采用检测故障电流变化率的方法判断直流断路器是否可靠动作。根据不同的故障区域,提出了相应的故障限流设备间的保护时序配合方案,并且考虑了部分限流设备如直流断路器拒动后其他限流设备的动作逻辑。在PSCAD/EMTDC仿真中验证了提出的直流电网中多类型限流设备保护时序的可靠性和有效性。     

柔性直流电网直流线路故障主动限流控制

针对架空线柔性直流电网线路故障,提出了基于混合型MMC的主动限流控制方法,从而降低对直流断路器开断速度、开断容量以及吸收能量的要求,减少直流电网建设成本、提高直流电网可利用率。该文首先研究了换流器的交/直流电压解耦可控性,给出了主动限流控制器的控制架构。为了解决直流故障穿越期间,桥臂电容电压可能会短时越限的问题,提出了在内环直流电流控制器附加直流电流指令动态限幅控制器的方案。提出了主动限流控制策略的一种优化手段—电流目标预设控制,分析了不同控制器延时对主动限流控制的影响。计及主动限流控制,研究了单换流器系统和直流电网故障前后直流故障电流演变机理。最后,分别在单换流器系统和直流电网系统中仿真验证了前文理论分析的正确性的有效性。     

考虑故障限流器动作的直流电网限流电抗器优化配置

模块化多电平换流器(MMC)型柔性直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的有效手段,其直流故障限流是线路保护所面临的重要技术挑战之一。根据直流电网双极短路故障后电容放电机理,考虑故障限流器投入过程与直流断路器的切断过程,并兼顾了金属氧化物避雷器(MOA)的能量耗散特性,在PSCAD/EMTDC电磁仿真平台下,基于相域频变架空线模型,研究了投入故障限流器后的直流故障电流特性。在对称双极四端直流电网拓扑中,以各个直流出口故障点的直流断路器切断电流之和最小、故障限流器和直流断路器中的MOA吸收的能量之和最小作为两个目标函数,采用simplex算法对直流电网中各条直流线路的限流电抗器进行了多目标优化配置,并给出不同权重下的各条直流线路的限流电抗优化配置方案。     

柔性直流电网主动限流开断直流故障研究

基于混合型模块化多电平变换器的柔性直流输电系统可通过主动控制来限制直流故障电流,即将在昆柳龙三端混合直流输电工程中应用。然而,关于混合型MMC的主动限流开断原理、故障电流演变特性、限流控制效果与影响因素尚缺少相关理论研究。针对上述问题,该文首先分析采用直流电压前馈的主动限流控制策略限流机理,研究计及延时后,换流器直流电压、电流在故障期间的演变特性。提出换流器与直流断路器协调控制策略,并分析采用不同协调控制策略时故障线路电流的动态演变过程。分析采用主动限流控制策略后的柔性直流电网对DCCB的开断电流大小需求。针对基于半桥MMC构建的直流电网和基于混合型MMC构建的直流电网2种技术方案,在DCCB开断电流需求、DCCB经济性以及直流电网故障特征等方面对二者进行对比分析。研究表明,与半桥MMC型直流电网相比,基于混合型MMC的直流电网在使用主动限流控制技术后,DCCB开断电流大小减小为原来的22%,使得DCCB的成本减小为原来的45%,故障后换流站直流功率最短时间恢复时间减小为原来的30%,故障后功率模块电容过电压减小为原来的33.3%。最后,通过仿真验证理论分析的合理性。     

一种混合式直流故障限流器的设计与仿真

由于直流断路器的开断容量、速度及成本的限制,直流电网面临着故障隔离难题.提出了一种基于换相电容的混合式故障限流器,故障后借助换相电容将限流支路投入故障回路抑制故障电流.限流支路由晶闸管、换相电容、限流电阻和限流电感组成.文中给出了限流器的拓扑结构,分析其在故障不同阶段的限流原理;用基尔霍夫定律列出换相电容处于不同阶段的...     

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...     

基于模量相平面的柔性直流电网T接线路故障识别方法

含T接线路的柔性直流电网由于仅在送端和受端安装直流断路器,发生区内故障时各端的直流断路器均需断开,与双端直流相比,其故障电流特征更加复杂,常规的直流电网保护方法无法直接应用.为满足含T接线路的柔性直流电网对保护的高要求,文中提出了一种基于模量相平面的柔性直流线路故障识别方法.首先,研究网络拓扑结构,基于换流器闭锁前区内外故障等效电路,推导故障电流模量特征.然后,结合故障位置及类型,对保护动作原则和阈值整定进行分析;同时通过构造阈值缩比因子,实现保护的自适应整定.最后,在PSCAD/EMTDC平台中建立含T接线路的柔性直流电网仿真模型,验证了所提方法的快速性和可靠性.该方法算法简单、计算量小,仅利用单端信息快速识别故障且抗系统扰动能力强.     

基于主动限流控制的直流配电网保护及故障隔离方案

柔性直流配电网中直流故障易引起系统过流,严重威胁电网的安全运行。基于全桥子模块的模块化多电平换流器(FBSM-MMC)的柔性直流配电网大多利用MMC闭锁来切断故障电流,但其闭锁会导致整个直流配电网的短时停电,降低供电的可靠性,迄今尚无有效的解决方案。对此,文中提出一种基于FBSM-MMC主动限流控制的柔性直流配电网保护及故障隔离方案,共包含3个阶段:故障发生后首先利用MMC主动限流控制将换流器输出直流电流限制在1.2倍额定电流附近(阶段1),进而根据各条线路两端直流电流是否具有同步性过零特征实现故障线路的识别(阶段2),在此基础上,进一步提出基于直流断路器与快速机械开关协同配合的故障隔离方案(阶段3)。通过断开故障关联的直流断路器,并控制相应换流站的输出直流电流降低为0,使得故障线路上的机械开关亦能快速开断,从而实现故障隔离。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了四端柔性直流配电网模型,通过大量仿真验证了所提保护及故障隔离方案的可行性。     

含直流故障限流装置动作的直流电网故障电流计算方法

模块化多电平换流器型柔性直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的有效手段,其直流故障限流和故障线路的快速隔离具有重要意义。该文提出一种含限流器投切、断路器跳开和避雷器耗能过程的直流电网故障电流计算方法。首先,根据直流电网双极短路故障后电容快速放电机理,分析电感型故障限流器投入前后故障电流的变化情况。其次,考虑故障限流器投入过程与直流断路器的切断过程,并兼顾故障限流器和直流断路器中的金属氧化物避雷器(metal-oxide arrester,MOA)特性,提出一种包含6个子阶段的柔性直流电网故障电流计算方法。通过PSCAD/EMTDC电磁仿真平台验证该算法的准确性。     

Pilot protection of hybrid MMC DC gridbased on active detection

Considering the advantages and limitations of traditional identification method, combined with the strategy of active detection, the principle of DC grid pilot protection based on active detection is proposed to improve the sensitivity and reliability of hybrid MMC DC grid protection, and to ensure the accurate identification of fault areas in DC grid. By using the DC fault ride-through control strategy of the hybrid sub-module MMC, the fault current at the converter station DC terminal is limited. Based on the high controllability of hybrid MMC, sinusoidal fault detection signals with the same frequency are injected into the line at each converter station. Based on model recognition, the capacitance model condition is satisfied by the detected signals at both ends during external faults whereas not satisfied during internal faults. The Spearman correlation coefficients is then introduced, and the correlation discriminant of capacitance model is constructed to realize fault area discrimination of DC grid. The simulation results show that the active detection protection scheme proposed in this paper can accurately identify the fault area of DC grid, and is not affected by fault impedance and has low sampling rate requirement.     

基于本地信息的多端柔性直流电网故障定位方法

故障定位技术是保障多端柔性直流电网安全可靠运行的关键技术。由于直流网络之间的相互连接导致其故障暂态特征十分复杂,故障定位往往要依靠通信手段,同时技术难度也会大幅提升。以基于两电平电压源型变流器的多端柔性直流电网为研究对象,提出一种基于本地信息的多端柔性直流电网的故障定位方法。利用限流电抗器作为直流线路边界,分析了限流电抗器类型的选取及其对断路器开断和保护动作时间的影响,从保护识别的准确性和动作的可靠性角度讨论了限流电抗器的容量和位置配置;对直流行波保护的电压变化率判据进行改进,通过比较限流电抗器两端电压变化率的比值和差值设定故障区间的判别方法及逻辑,利用本地信息确定故障位置;基于MATLAB/Simulink进行了大量仿真测试,验证了所提故障定位方法的可行性和有效性。     

基于拟合电流斜率特性的柔性直流配电线路纵联保护方法

光伏、风电等低碳清洁可再生能源和多样化负荷的接入促使直流配电网成为新的研究方向。为提高其供电可靠性,需对配电网系统进行故障特征分析。针对直流故障线路与换流器直流侧电容构成放电回路的前期阶段,提出一种适用于柔性直流配电线路的纵联保护新方法。该方法基于最小二乘法,并以故障电流采样数据拟合曲线斜率的方式,识别故障后直流线路两端电流的发展趋势,进而快速准确地判别直流线路故障。通过PSCAD/EMTDC建模仿真,验证了该方法的有效性及较高的可靠性。     

基于故障分量差动电流极性特征的直流线路故障全过程保护原理

为了提高直流线路保护的可靠性,需要研究能够在故障暂态和稳态过程中均可识别故障的后备保护原理。提出了基于故障分量差动电流极性特征的故障全过程差动保护原理。通过对故障暂态阶段(换流器未响应阶段、换流器动态调节阶段)及故障稳态阶段的电流故障分量特征进行分析,得出故障全过程中整流和逆变侧故障分量差值在区内故障时满足正极性特征而区外故障时不满足的结论,建立面向故障全过程的差动保护判据。仿真结果表明了该判据在各种工况条件下的正确性,受交流系统故障特征谐波影响小,具有较强的抗过渡电阻性能和抗干扰能力。     

低压直流微电网新型主动限流器及控制策略

低压直流微电网中直流母线发生短路故障后,现有的被动式保护措施难以有效保护电力电子装置,并且当计及直流线路电感与变流器直流母线侧电容时,常规主动限流器会出现限流电感电流振荡的特性。详细分析了该电流振荡特性产生的机理,探究了系统参数变化对限流电感电流振荡峰值的影响。并提出了一种新型主动限流器拓扑结构及控制策略,该拓扑结构通过增加能量耗散支路,在限流器直流母线侧电容电压产生负压时导通,以此耗散能量,解决了电感电流振荡的问题。通过仿真与实验,验证了所提新型主动限流器对电感电流振荡特性抑制的有效性,且在不同工况下具有良好的鲁棒性。     

适用于柔性直流电网的500 kV级直流电缆与架空线路并联运行控制及保护策略

高压直流电缆是跨海长距离输电和新能源并网的重要装备,高电压等级、高通流能力的直流电缆还处于研发阶段。为推进高压直流电缆研发,考验长期运行性能,依托国内某±500 kV柔性直流电网工程建立了直流电缆综合试验站。该柔性直流工程线路主要采用架空线,试验站位于其中一个换流站单极出线处,采用直流电缆与架空线路并联运行方式,其运行控制和保护配合复杂、可靠性要求极高,尚无工程经验可循。针对500 kV级直流电缆试验段与架空线路并联切换运行的接线方式,提出了试验站直流电缆监视和投入退出控制策略、故障保护策略以及过负荷运行控制保护策略。仿真试验结果证明,所提策略可保证直流电缆接入柔性直流电网后可靠运行。