交流系统故障时统一潮流控制器处理策略

统一潮流控制器(UPFC)作为功能全面的电力电子设备,需具备较高的故障穿越能力。在交流线路发生故障时,UPFC的串、并联换流器均会承受故障的冲击,且对于线路的瞬时性故障,需要UPFC在线路故障清除后继续运行。从UPFC的结构和故障特性着手进行分析,提出了UPFC在交流系统故障时的处理策略,使其具备系统故障时的故障穿越能力;UPFC并联侧通过控制策略的优化能在故障期间持续运行,串联侧通过控制保护策略与线路保护和重合闸逻辑的配合,能快速退出及重新启动。该策略经过了人工短路试验的验证,并在南京UPFC示范工程运行过程中通过了系统实际故障的考验,该策略的合理性得到了验证。     

基于限流电抗器的统一潮流控制器故障渡越策略及其与保护的配合

详细分析了基于模块化多电平换流器(MMC)的统一潮流控制器(UPFC)接入线路发生故障时的UPFC本体响应特性,提出一种基于限流电抗器的UPFC故障渡越策略。通过限制经过直流母线的故障电流,可使得UPFC外部故障期间并联侧MMC不闭锁,从而实现故障渡越。在此基础上,研究并提出了UPFC故障渡越策略与线路距离保护的协调配合方案,可有效解决UPFC接入后对线路距离保护的不利影响。通过PSCAD/EMTDC进行了大量仿真试验,验证了所提策略和方案的有效性。     

封面简介

<正>国网苏州南部电网500 kV统一潮流控制器(UPFC)工程为迄今电压等级最高、容量最大的UPFC工程。工程设有三组换流器,单组容量250 MVA,采用背靠背的连接方式,串联侧两个换流器通过两个串联变压器接入木渎—梅里500kV双回线路,并联侧一个换流器通过并联变压器接入木渎500 kV母线。     

含UPFC的220kV线路单相瞬时人工接地短路试验分析

采用人工金属瞬时接地短路试验法,对串有南京西环网UPFC的220kV线路进行单相线路短路试验。介绍了UPFC的一次基本组成及保护配置,并结合短路试验结果,对其保护动作过程进行分析。试验结果证明,人工接地试验过程中UPFC动作正确并重投成功,线路故障相开关动作正确并单相重合成功。     

MMC-UPFC单相接地故障下运行特性分析及整体保护策略设计

基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器(MMC-UPFC)是目前最全面的柔性交流输电系统(FACTS)设备,具有广阔的研究前景。但当线路发生接地或短路故障时,MMC-UPFC串联变换器可能承受过电压和短路电流的冲击而导致烧毁。结合国内外研究现状,为弥补研究空白,该文首先介绍了MMC-UPFC的基本结构,针对交流系统故障,通过分析MMC-UPFC装置在交流母线上发生单相接地故障情况下的运行状态,分析其故障特性,提出定义比例参数k,并合理选择k的值,可以使故障接地电流为0,并能保持故障线路的持续运行。针对站内故障,根据MMC-UPFC本身的拓扑结构特点及并联侧、串联侧不同的交流侧结构,提出将并联侧及串联侧分区进行保护,设计了装置的整体保护配置方案,并研究了与交流系统上其他保护的配合运行,为实际工程提供参考。然后,结合PSCAD软件搭建模型进行仿真分析。最后,以220 kV南京西环网UPFC项目中人工短路实验进行分析,验证所提故障运行特性和保护配置方案的合理性和可行性。     

基于故障时域电流波形相似度的UPFC线路纵联保护

当统一潮流控制器(UPFC)检测到线路发生故障时,为避免其内部电力电子设备损坏,有必要快速导通晶闸管旁路开关(TBS)以旁路串联侧换流器,由于UPFC的结构发生改变,此时线路中的电气量也随之改变,从而导致原有保护难以适应当前状态.通过对比分析UPFC线路区内、外发生故障时,线路两端短路电流波形特征的变化规律,提出一种基...     

统一潮流控制器的平滑启动和停运策略

统一潮流控制器(UPFC)包含串联和并联两个部分,其并联部分与静止同步补偿器(STATCOM)类似,目前已有成熟的策略实现其启动和停运,但对于串联部分,尚缺乏对实现其平稳接入和退出交流系统的有效策略研究。文中对UPFC的结构和运行原理进行分析,通过并联部分对串联侧换流器进行部分充电,再通过串联侧换流器的主动充电策略将其充电至额定状态,以减小其解锁时对换流器的冲击;另一方面,通过串联侧换流器控制线路电流在串联变压器绕组和串联变压器旁路开关之间的平稳转移,使串联变压器旁路开关在零电流断开和闭合,以及使串联侧换流器在零功率闭锁,从而实现UPFC的平滑启动和停运。基于PSCAD的仿真结果表明,该策略可以使UPFC的启动和停运过程对交流系统基本无影响。     

考虑新型拓扑结构的统一潮流控制器五端功率注入模型

南京西环网中统一潮流控制器(UPFC)装置的串联侧变压器接入220kV铁北—晓庄双回线路,并联侧连接在临近的35kV燕子矶母线,这种新型拓扑结构对UPFC的系统级建模提出了更高的要求,既要考虑UPFC控制双回线路的特点,还要体现UPFC对并联侧母线及后续线路的影响。为此,文中提出了一种适用于新型拓扑结构的UPFC五端功率注入模型,在考虑串联侧控制双回线路且并联侧节点可灵活的情况下,基于注入功率法推导了该模型的数学表达式,并给出了PSASP软件下UPFC五端模型的潮流计算原理和实现方法。在该模型的基础上,进一步实现了UPFC串联侧双线控制策略,并基于南京UPFC工程实际数据进行正常运行状态和串联线路N-1故障的仿真计算,结果验证了该模型的准确性、灵活性和全面性。     

基于模块化多电平的统一潮流控制器换流器和直流侧故障特征分析及保护配置

统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)是为实现对交流线路的实时控制和动态补偿而提出的串并联混合型灵活交流输电系统装置,其换流器和直流侧的故障特征复杂,对保护要求高。首先介绍基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的UPFC基本结构与工作原理,其次分析了换流器和直流侧几种典型故障的故障特征。在此基础上,给出了换流器和直流侧保护配置方案。针对换流器桥臂单相接地故障和直流侧单极接地故障情况下保护可靠性低的问题,提出了改进的保护配置方案。最后结合RTDS仿真实验,验证了所给出的UPFC保护配置方案的有效性。     

含统一潮流控制器的电力系统次同步谐振特性

基于dq解耦矢量控制原理推导和建立了统一潮流控制器(UPFC)装置控制策略和仿真模型,该模型可快速跟踪UPFC有功/无功功率调节指令,还可有效调节直流电容电压、并联侧换流器接入节点交流电压。综合采用复转矩系数法和基于PSCAD/EMTDC的时域仿真方法研究了UPFC串/并联侧变压器-换流器投入运行前后,及UPFC输送功率不同时系统的次同步谐振(SSR)特性。研究发现,UPFC并联侧变压器-换流器对系统SSR特性影响很小,而UPFC串联侧变压器-换流器投入运行后会显著改变系统谐振特性;UPFC输送的有功/无功大小对系统的SSR特性影响很小。相关研究成果可为UPFC控制器设计及含UPFC和串补的输电系统规划和运行提供参考。     

考虑UPFC实时控制策略的电网功率调节能力研究

提出一种考虑统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)系统级和换流器级控制策略的线路功率调节能力计算方法,实现了电网正常运行和N-1情况下UPFC对线路潮流有效控制范围的计算。介绍了UPFC工程的控制策略,在考虑并联侧定电压控制和定无功控制特性的基础上实现潮流分析,并以南京西环网UPFC为例,基于江苏电网的实时运行数据对UPFC的实际潮流控制范围进行计算,为电网调度运行提供参考。     

统一潮流控制器在风电机组并网运行中的应用

大规模风电并网改变了原来电网的潮流分布、线路传输功率以及电网故障时的暂态特性。将统一潮流控制器(UPFC)应用于异步风电机组并网的环形输电网络模型中,研究UPFC改善风电并网的性能。通过设计UPFC并联侧的双闭环反馈控制,设置风电输出线路三相短路故障来研究UPFC提高风电场低电压穿越能力。再建立UPFC串联侧有功与无功的独立控制系统,向输电线路输出补偿电压,研究其优化风电并网系统的潮流分布能力。在Matlab/Simulink软件中建立模型,仿真结果表明基于UPFC强大的无功补偿能力与潮流控制能力,UPFC能够显著提高风电并网的低电压穿越能力和优化潮流分布。     

统一潮流控制器用500 kV油浸式串联变压器技术解析

500 kV串联变压器是苏州500 kV统一潮流控制器(UPFC)工程中的关键设备,承担着换流器与线路电压、功率输送调节的任务。由于500 kV串联变压器特殊的联结方式和运行工况,其与常规500 kV变压器存在诸多不同。第一,网侧绕组相对地主绝缘与线路电压等级匹配,而端间纵绝缘则由各项过电压决定,带来了网侧绕组绝缘水平复杂的特点;第二,绝缘试验中雷电全波冲击试验和外施耐压试验也与常规变压器差异较大;第三,串联变压器的特殊工况造成了其对抗短路能力和过励磁能力要求高的特点。在苏州UPFC工程中,针对500 kV油浸式串联变压器开展了大量的技术研究,克服了网侧绕组绝缘复杂、试验技术特殊、抗短路能力和过励磁能力要求高等难题。文中分别从运行工况、技术特点和试验要求等方面对苏州UPFC工程中500 kV串联变压器进行技术解析。     

适用于UPFC接入线路的主动注入式故障测距方法

针对统一潮流控制器(UPFC)接入线路场景下传统被动式故障测距方法的精度难以保障的问题,提出基于控制与保护协同思想的主动注入式UPFC接入线路故障测距方法。该方法在接入线路故障隔离后,充分利用基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器的高度可控性,将串联侧模块化多电平换流器切换至附加控制模式,向接入线路主动注入特征电压,进而通过单端量的解微分方程算法实现故障测距。所提方法将UPFC作为信号源,向接入线路单侧注入电气信号构建故障测距方程,可解决被动式故障测距方法易受UPFC运行特性和过渡电阻影响的问题,提高故障测距的准确性和可靠性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建UPFC接入线路模型,仿真结果验证了所提故障测距方法的可行性和有效性。     

基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器的设计

传统基于电压源换流器（voltage source controller,VSC）的统一潮流控制器（unified power flow controller,UPFC）开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低,同时在运行过程中也有遭受短路故障的可能性和风险,特别是在大容量高电压的场合下,极易造成器件的损坏。将模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）引入UPFC中,同时改进MMC的控制策略以适应所提拓扑的要求,同时由于MMC的引入,短路故障的风险进一步加大,因此在MMC-UPFC的基础上设计了限流模块,该限流模块能在系统短路故障下有效地抑制短路电流,且该限流器在正常工作情况下并不会给线路增加负担。整个UPFC的拓扑具有模块化程度高、谐波小、容量扩展、短路快速限流等特点,该文所设计的拓扑增加了系统的可靠性、安全性和经济性。     

新型UPFC拓扑结构的功率传输增强方案

根据实际工程需求,将统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller,UPFC)的拓扑结构进行变换。将UPFC系统的串联换流器和并联换流器接在不同的线路中,为了提高串联侧的输电能力,提出一种可再生能源对UPFC系统提供有功功率支持的方案。由于可再生能源的不确定性,为了系统的安全和稳定,可再生能源提供的功率先由电池储能进行存储,再做接入;对含新型UPFC拓扑结构的输电系统进行数学建模,以传输功率最大化为目标函数,通过遗传算法进行求解;最后通过算例仿真验证所提方案的正确性和有效性。     

统一潮流控制器近端母线的短路电流计算方法

针对目前实际投运的统一潮流控制器(UPFC)及其采用的故障控制策略,基于电网络理论推导了UPFC近端母线短路电流的计算方法。使用UPFC串联线路对故障母线的转移导纳描述了UPFC的近端母线,由于UPFC串联侧在近端母线故障时立即被旁路保护,导致故障母线的戴维南等值电势发生突变,进而对短路电流的计算结果产生影响,计算结果的相对变化与UPFC故障前运行电压和电流分布系数有关。在IEEE 9节点系统中,研究了运行条件变化以及UPFC参数变化对短路电流的影响,并使用PSCAD对计算结果进行了仿真验证;在IEEE 118节点系统中,分析了UPFC对大规模电网短路电流的影响。结果表明,UPFC对其两侧母线短路电流的影响相反,且对近端母线短路电流的影响随着电气距离增大而减小。     

泛在电力物联网框架下的新型UPFC系统

基于提出的建设泛在电力物联网的号召,利用统一潮流控制器（unified power flow controller, UPFC）实现物理层面上多条线路的紧密联系。由多个换流器串联接入到多条输电线路上,另外多个并联换流器连接到其他多个网络中,形成一个由换流器作为媒介的大型电力系统输电框架。在连接众多换流器的直流线路上,由储能电池作为有功功率支撑并联接入,共同组成泛在电力物联网框架下的新型UPFC系统。对新型UPFC系统进行数学建模,以对可再生能源的最大消纳能力和有功功率传输的最小成本为目标函数,用遗传算法进行求解。通过算例仿真验证了新型UPFC系统在增强有功功率传输极限、减少有功功率传输成本等方面的优越性。     

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.