基于伪双极MMC换流器的直流配电网接地设计

目前伪双极MMC换流器在实际工程中应用较多,其接地方案的设计是直流工程系统规划及设计的重要组成部分。本文从接地方式选择、故障电流计算及接地电阻选型三个层级展开研究,对直流配电网常用接地方式进行分析,建立联接变阀侧中性点经电阻接地直流配网单极接地故障模型,基于模型简化分析得到故障电流及故障时桥臂电流的解析表达式,提出接地电阻参数的计算选型原则,最后通过仿真验证了理论推导结果的正确性。     

MMC换流站阀侧交流接地故障电流解析

对模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)换流站阀侧交流接地故障特性进行研究发现：阀侧交流系统发生金属性接地故障时,故障点入地电流由下桥臂电容放电电流和上桥臂以及对端桥臂电容放电电流构成,网侧交流系统不会馈入入地电流;带过渡电阻接地故障时,网侧交流系统将通过过渡电阻作用于故障点入地电流。详细推导了三相接地故障和单相接地故障下的入地故障电流和桥臂电流的数学解析式。采用RTDS仿真验证了该表达式的正确性。由于阀侧交流出口处电位被钳制为0,因此上桥臂的子模块电容将产生过电压。下桥臂与故障点构成放电电容回路,下桥臂流过的故障电流迅速增大,且无法通过断路器切断故障电流。因此,建议采取可靠的限流措施避免阀侧故障对换流站等一次设备造成严重伤害。     

苏州同里±10 kV柔性直流配电系统直流故障特性研究

基于苏州同里±10 kV直流配电系统参数,针对直流单极接地和极间短路故障暂态特性进行了研究。采用示范工程系统结构及控制策略,利用PSCAD建立了电磁暂态模型,针对系统交流侧、换流器侧、直流侧和负荷侧进行了故障过电压、过电流研究,分析了接地电阻对直流侧电压和电流的影响。结果表明：系统直流侧发生单极接地故障时,交流侧出现持续直流分量,换流器不闭锁,DC-DC变换器高压侧电容放电;故障接地电阻对直流侧电压、电流影响大;极间短路故障产生严重过电流,将触发换流器过电流保护,导致换流器闭锁;故障电流是产生过电压的重要原因;电感元件两端过电压较大,极间故障对系统交流侧影响较小。     

苏州同里±10 kV柔性直流配电系统直流故障特性研究

基于苏州同里±10 kV直流配电系统参数,针对直流单极接地和极间短路故障暂态特性进行了研究.采用示范工程系统结构及控制策略,利用PSCAD建立了电磁暂态模型,针对系统交流侧、换流器侧、直流侧和负荷侧进行了故障过电压、过电流研究,分析了接地电阻对直流侧电压和电流的影响.结果 表明:系统直流侧发生单极接地故障时,交流侧出现持续直流分量,换流器不闭锁,DC-DC变换器高压侧电容放电;故障接地电阻对直流侧电压、电流影响大;极间短路故障产生严重过电流,将触发换流器过电流保护,导致换流器闭锁;故障电流是产生过电压的重要原因;电感元件两端过电压较大,极间故障对系统交流侧影响较小.     

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。     

MMC-HVDC直流侧故障特性仿真分析

由于拓扑和调制策略的不同,基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统在直流侧发生故障时呈现出与两电平电压源型直流输电(VSC-HVDC)系统不同的故障特性。在PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型基础上,首先分析了MMC-HVDC直流侧线路单极接地、断线和两极短路的故障特性及其对系统运行的影响;然后针对半桥型子模块结构不能够双向阻断故障电流的问题,对子模块拓扑进行了重新设计,通过改变流经子模块电流方向,实现了桥臂电容双向充电,从而提供了续流二极管阻断电压;最后对直流侧两极短路故障进行了仿真分析,仿真结果表明,改进拓扑有效地抑制了直流侧故障电流,避免了交流断路器动作。     

模块化多电平变流器高压直流输电系统直流故障改进控制策略

针对模块化多电平变流器高压直流(MMC-HVDC)输电系统直流故障,首先建立全桥型MMC-HVDC系统的详细数学模型,并对故障期间系统过电压或过电流的产生机理及其发展过程展开深入分析,分析结果表明:在直流双极短路和单极接地故障期间,MMC-HVDC系统正、负极直流母线电压与MMC上、下桥臂电压的直流分量不匹配,导致桥臂电容迅速放电,进而引起系统严重过电流。因而提出在直流故障期间将MMC上、下桥臂实行分离控制,并使上、下桥臂电压的直流分量跟随正、负极直流母线电压而变化,从而实现MMC-HVDC系统直流故障下的安全、稳定运行,所提控制策略实现了MMC-HVDC系统三种直流故障穿越控制的有效简化和统一。另外,为提升直流单极接地和断线故障条件下MMC-HVDC系统的经济运行能力,进一步提出了一种新型功率指令优化策略。最后基于PSCAD/EMTDC仿真证明了所提MMC-HVDC系统直流故障控制策略以及功率指令优化策略的正确性与可行性。     

MMC-UPFC不同接地设计的故障特性及对本体保护配置影响

根据MMC-UPFC示范工程的实际需要,提出3种可行的交流侧接地方式:仅并联变阀侧中性点经大电阻接地、仅串联变阀侧中性点经大电阻接地及仅并联变阀侧中性点经小电阻接地。结合示范工程系统参数与实时数字仿真(RTDS)实验,详细分析了不同接地方式对故障特性与保护配置的影响,重点讨论接地点位置对串联变网侧单相接地故障及对应保护配置影响,以及接地电阻阻值对阀侧短引线单相接地故障、换流器桥臂单相接地故障及相应保护配置影响。最终得出仅并联变阀侧中性点经大电阻接地为较优的MMC-UPFC接地方案。     

MMC-HVDC系统阀区单相接地故障定位研究

模块化多电平的直流输电系统(MMC-HVDC)换流变压器阀侧中性点采用大电阻接地。任何一换流站阀侧发生单相接地故障后,导致两个换流站的中性点电流幅值和相位均相等。两个换流站都触发中性点过流保护元件动作,无法准确定位故障位置,对后续的柔直检修工作带来极大困扰。针对此问题,深入分析了阀侧单相故障产生的故障电流通道机理,指出一条放电回路为非全相放电通道,结合柔直的平衡性控制特点,该通道即不可控制通道;另一条零序放电回路为故障放电通道。提出了在一侧换流站增加零序补偿策略,该策略在原调制电压上叠加零序电压,导致两换流站中性点电流出现差值而实现故障准确定位。新策略不增加任何测量装置,简单可靠,易于实现。最后通过RTDS试验平台验证所提策略的正确性。     

考虑故障阀臂封锁条件下的VSC-HVDC换流器故障诊断算法

针对两电平柔性直流输电(VSC-HVDC)系统换流器内部常见的IGBT阀器件短路失效、桥臂直通、交流侧单相接地、交流侧两相短路、直流单极接地这5类贯穿故障,研究了换流器故障保护与诊断的协调配合方案,分析了保护闭锁条件下系统直流电压及交流电流的变化规律,据此提出了利用闭锁时刻的直流电压及闭锁后2个周期的三相交流电流作为特征信号进行换流器故障分类与定位的诊断方法,并确定了用于区分故障类型的电压、电流诊断阈值。对换流器严重贯穿故障进行仿真,利用PSCAD/EMTDC模型对所提出的诊断方法进行了验证,结果表明该方法不仅能可靠识别故障类型,还能准确定位故障位置,可用于故障阀臂闭锁条件下VSC-HVDC换流器的故障诊断。     

基于选相投旁通对的LCC-HVDC系统逆变侧换流变故障性涌流主动抑制策略

当高压直流输电系统换流变阀侧发生单相接地故障,由于换流阀的单向导通性,阀侧故障电流中含有较大的直流分量,流入换流变可能导致换流变饱和并产生“故障性涌流”。与传统三大涌流不同,故障性涌流由阀侧单相接地故障诱发并受直流控制与保护系统的影响。计及直流控保系统的影响,分析了逆变侧换流变发生阀侧单相接地故障时,换流变故障性涌流的产生机理及其对换流变差动保护的影响。针对换流变保护区内阀侧单相接地故障场景下,故障性涌流可能导致差动保护误闭锁的问题,提出了一种基于选相投旁通对的故障性涌流主动抑制策略,可以从根本上避免差动保护误闭锁问题。基于PSCAD/EMTDC的仿真实验验证了所提方案的有效性。     

换流变套管末屏电压采集器铁磁谐振机理分析及抑制

特高压换流变压器的阀侧套管安装有电容型末屏分压装置,用于传变阀侧交流电压。实际运行过程中发现,在线投入阀组时,由于在运直流系统的激励,投入阀组换流变阀侧套管末屏电压采集器会发生铁磁谐振现象,可能引发充电状态下的换流变压器保护误动作。文中基于实际运行故障录波进行了谐波分析,得出谐振发生的特征频率;通过分析末屏分压器及电压变送器电气原理搭建了暂态仿真模型,利用PSCAD/EMTDC建模重现了铁磁谐振发生的工况;在理论分析的基础上提出了改进分压器避免谐振发生的具体措施。     

基于桥臂阻尼阀组的模块化多电平换流器故障快速清除与系统恢复技术

针对柔性直流故障快速清除与系统快速恢复技术难题,介绍了基于桥臂阻尼阀组的故障快速清除与系统恢复技术方案。在分析柔性直流双极短路和桥臂短路2种故障机理的基础上,提出适用于工程的桥臂阻尼阀组的具体电气拓扑和阻尼阀组的控制保护策略以及桥臂阻尼参数的选取原则和工程参数设计流程。以某多端柔性直流输电工程为例进行了仿真验证,仿真结果表明,在直流双极短路故障条件下,所提方案可加快直流短路电流的衰减,实现故障清除后系统快速重启动;在桥臂短路条件下,所提方案可加速阀侧交流电流中直流分量的衰减,加快交流开关的开断过程,降低了换流阀故障损坏的风险。仿真结果验证了所提方案的有效性和可行性。     

换流变压器阀侧接地故障分析及保护优化

换流变是高压直流输电系统的重要组成部分。换流变阀侧自身无接地点,但直流侧有接地点,当换流变阀侧区内发生单点接地故障时,随着换流阀的导通和关断,故障电流呈现不规则的变化,换流变自身现有保护可能灵敏度偏低。极端情况下,当Y/Y接线变压器阀侧中性点发生接地故障时,换流变自身主保护无法快速动作。文中从换流变的结构及运行工况出发,定性概括了阀侧接地故障后的电流特征;分析了现有保护系统的特性;提出了基于零序差动和快速零序过流原理的换流变阀侧保护优化方案;并结合现场故障录波及实时数字仿真系统仿真波形对其进行了验证。验证结果表明,优化后判据可以有效提高换流变保护在阀侧区内单点接地故障下的灵敏度、动作速度及故障定位准确度。     

南桥换流站阀侧套管故障录波分析及阀短路保护改进建议

2008年12月21葛洲坝—南桥±500 kV直流输电工程南桥换流站极2换流变C相阀侧2.1套管箱体内油浸部分爆裂。笔者通过对故障跳闸相关保护录波图的分析,推断出故障性质及故障点位置,为迅速查清故障提供了支持。换流变现场吊套管调查进一步证实了波形分析结论。对故障录波图的进一步分析,发现阀短路保护在桥臂接地故障发生时不能快速动作,会导致故障范围扩大,因此提出通过修改差动电流检测逻辑完善该保护的建议。该建议对葛—南、龙—政、宜—华三个超高压直流输电工程均具有指导意义。     

柔直电网阀侧单相接地故障过电压产生及影响因素研究

在真双极柔性直流输电系统中,虽然换流变压阀侧交流单相接地故障出现的概率较低,但是一旦发生,直流侧会产生严重的过电压。文中研究了柔性直流输电系统模块化多电平换流器(MMC)阀侧发生单相接地故障时的过电压特性及产生机理。首先,分析闭锁前后MMC桥臂子模块电容的充放电回路,对桥臂过电压和健全极线过电压的产生机理进行研究。随后,基于厦门柔性直流输电系统,对阀侧单相接地故障特性分析的准确性进行验证,并仿真分析闭锁延时对过电压的影响。结果表明,桥臂子模块电压的升高是由于直流线路分布电容的放电作用,健全极线过电压是由于闭锁前子模块电容的放电以及闭锁后交流侧电压的充电作用,闭锁时间越短,健全极线和故障相子模块电容过电压幅值越低。     

直流输电系统的动态模拟

设计了高压直流输电动态模拟系统,该模拟系统的目的是为了校验应用于工程的直流控制保护系统,并进行理论研究。根据模拟总体设计原则,对主接线、换流变、换流阀、直流场、交直流滤波器、线路大地回路进行了模拟。模拟系统不仅能模拟正常运行的各种工况,还可以模拟交直流滤波器内部故障、输电线路故障、换流阀故障、换流变压器等各种故障情况,直观地反映了这些设备上的各种电压、电流量,包括它们的谐波和暂态过程,对控制保护的测试达到了预期的效果。     

基于换相面积的CSCC-HVDC输电特性研究

受端电网的直流接入能力是高压直流输电系统规划和运行的关键问题之一。从可控电容换相换流器接入弱交流受端电网对换相失败的影响出发,在对可控电容换相换流器基本原理和拓扑结构进行分析的基础上,建立了可控电容换相换流器的稳态数学模型。为更接近工程实践和提升控制精度,考虑了高压直流控制系统的响应特性,并研究了以换相电压时间面积为控制目标的含可控电容换相换流器的响应控制策略。针对短路故障引起的换相失败,提出了利用限压器-并联间隙组合保护装置的故障恢复策略以缩短电容换相换流器的故障恢复时间。最后基于PSCAD/EMTDC平台,通过仿真验证并和其他方案的对比研究证明了上述控制策略对于降低弱受端逆变站换相失败风险和故障恢复的有效性。     

不同故障下特高压换流变压器差动保护动作特性分析

换流变压器作为高压直流输电系统中重要的电气设备,其继电保护对保障系统安全运行有着非常重要的作用。目前,变压器大多采用基于二次谐波制动的差动保护闭锁方案。特高压直流输电系统中换流器的非线性导致换流变压器和普通电力变压器差动保护存在差异。通过构建相应的短路电流流通路径,研究了换流变压器差动电流在区内单相接地短路故障、区内相间短路故障以及整流侧阀短路故障情况下的特点。研究结果表明,换流变发生区外故障时差动保护不会误动,但换流变发生区内故障时差动保护可能拒动。