基于直流断路器的柔性直流电网架空线路故障隔离策略研究

柔性直流输电技术未来将向大规模柔性直流电网发展,从经济性和通用性来看使用架空线路的柔性直流电网最具发展前景,然而架空线路故障率较高,如何实现直流线路故障的快速隔离和系统恢复成为制约柔性直流电网发展的关键因素。针对该问题,文中基于张北柔性直流电网示范工程,以半桥结构的模块化多电平换流器进行了研究,提出了适用于工程应用的直流架空线路故障隔离措施和线路故障恢复策略,并基于RT-LAB实时仿真平台搭建了张北工程四端直流电网系统,对相应的隔离方法及故障恢复策略进行了仿真验证,结果表明,可降低直流线路故障对交流系统的影响,降低直流限流切除对系统稳定性和安全性的影响,为柔直电网工程的实际应用提供了依据。     

中国交联聚乙烯绝缘高压直流电缆发展的三级跳: 从160 kV到200 kV再到320 kV

自2012年起,先后有±160 kV、±200 kV及 ±320 kV 交联聚乙烯（XLPE）绝缘的高压直流电缆投入了柔性直流输电工程应用或进入现场敷设。它们分别是：2013年12月投入运行的南澳三端柔性直流输电工程,采用37 km的±160 kV直流海底和直流陆地电缆,用于连接南澳岛大型风场与陆地电网;2014年6月投入运行的舟山±200 kV多端柔性直流输电工程,海底电缆总长度达到294 km;正在建设的厦门±320 kV柔性直流输电工程,电缆总长度21 km,计划于2015年12月投入运行。以上三项柔性直流输电工程的成功建设与运行,也使中国的挤出绝缘高压直流电缆在电压等级上实现了三级跳式的跨越。本文介绍了XLPE绝缘高压直流电缆研发过程中针对材料特性、空间电荷分布、脱气及测试方法等方面的研究成果。并简要介绍了三个电压等级电缆现有柔性直流工程中的应用情况。     

多端柔性直流电网保护关键技术

多端柔性直流电网直流故障后故障电流快速上升、无自然过零点等特点使得直流线路保护和故障处理技术成为柔性直流电网发展的关键技术难点。理论分析了多端柔性直流电网线路保护的特殊性,借鉴传统直流输电线路保护原理和点对点式柔性直流输电线路保护原理的研究现状,对多端柔性直流电网线路保护的发展方向进行了探讨。同时,全面分析了各类直流故障隔离方法的基本原理,从故障隔离能力、经济性、控制保护耦合影响等多个方面阐述了其进一步的发展趋势。最后,考虑到架空线路输电的应用前景,设计提出了一种适用于点对点式柔性直流输电系统、具有低电流危害的新型故障重合闸判断方法,较现有重合闸策略而言,该方法重合于永久性故障时能够彻底避免对系统的二次过电流冲击。在此基础上,讨论了多端柔性直流电网对重合闸策略的性能要求。     

张北±500kV柔性直流电网换流站控制保护系统设计

张北±500 k V柔性直流示范工程首次构建柔性直流电网,柔性直流电网内换流站的控制保护系统需要满足多换流站协调控制、直流线路故障保护及直流线路故障快速恢复等新要求,该文在传统直流换流站控制保护系统设计的基础上,提出柔性直流电网换流站控制保护系统设计方案。相比于传统直流换流站设计方案,该设计方案在源端换流站和受端换流站各配置一套站间协调控制设备,实现多换流站间协调控制;站内保护系统采用三取二方案,增配双重化的直流线路保护,实现直流线路故障快速隔离及恢复。提出的柔性直流电网换流站控制保护系统的整体技术方案,对同类工程的设计提供了完整的设计方法和思路。     

特高压直流工程的换流器并联融冰方式与试验研究

输电线路覆冰灾害严重影响特高压直流输电系统的正常运行。介绍目前特高压直流输电工程所使用的线路防冰的运行方式。对换流器并联融冰运行方式的效果进行分析计算,提出了融冰运行方式下的控制保护策略,并通过基于实时数字仿真器（real time digital simulator,RTDS）高压直流输电系统仿真平台对融冰运行方式进行试验验证。在锦苏特高压直流输电工程系统调试阶段对换流器并联融冰运行方式进行了现场试验。仿真试验与现场试验的结果均证明换流器并联融冰运行方式可行、有效。     

高压直流输电系统故障及控制策略

最近几年高压直流输电在我国有很大的发展,继葛—上直流工程以后,天生桥—广州±500kV直流输电工程又投入了运行。根据以上2个直流工程的控制与保护设置及试验和运行情况叙述了高压直流输电系统在各种故障,包括换流器故障、冷却系统故障、各种情况下的换相失败、交流和直流线路故障,交直流滤波器等故障所采取的控制对策。     

并联型四端直流输电系统实时数字仿真分析

利用实时数字仿真器(RTDS)建立了并联型四端±500kV,5 000MW双极直流输电仿真模型,直流控制保护模型采用所开发的多端直流输电控制保护样机,与RTDS构成实时闭环仿真试验环境。控制策略采用多端直流电流裕度控制,控制系统架构按多端控制、极控制2级进行设置。多端控制包含多端直流输电系统各换流站功率指令分配、功率升降协调、直流电压控制和多端通信等功能。极控制包含常规直流控制功能,主要实现各换流站功率控制。利用该仿真系统对并联型四端直流输电系统稳态运行工况、单站闭锁功率补偿、直流线路故障进行仿真研究,结果表明所提出的控制策略和开发的控制保护样机可以满足多端直流输电要求。     

特高压直流系统融冰运行方式试验与工程调试

向家坝—上海及锦屏—苏南?800 kV特高压直流输电工程融冰运行方式拓扑结构为并联换流器结构,控制策略采用并联多端直流输电(multi-terminal direct current,MTDC)系统的电流裕度控制策略。对特高压直流工程融冰运行方式调试过程中出现的稳态直流电流偏大、极II解锁过程中金属回线纵差保护跳闸(metallic return longitude differential protection,MRLDP)及极I闭锁过程中极II融冰方式跳闸等问题进行了详细分析,提出了融冰运行方式下提高逆变侧换流变分接头档位、禁止MRLDP保护等建议的解决方案。通过EMTDC离线仿真和锦苏直流工程现场调试对解决方案进行了验证。验证结果表明了解决方案的有效性,可为其它特高压直流工程融冰运行方式控制保护系统设计提供参考。     

高压直流双线并联运行故障选线策略

针对高压直流输电工程中双线并联运行方式,在总结了交流小电流接地选线经验的基础上,分析了已投运直流输电工程线路故障的特征,提出了双线并联运行故障选线策略,并将其分为与行波保护及电压突变量保护相配合的暂态故障选线策略和与线路低电压及线路纵差保护相配合的整流侧稳态故障选线策略以及逆变侧稳态故障选线策略三部分,阐述了上述三部分故障选线策略的逻辑,RTDS仿真模型验证了高压直流双线并联运行故障选线策略的正确性.     

柔性直流电缆及附件系统型式试验设计方法

为满足国内柔性直流输电工程对于电缆及附件产品试验评估的要求,以XLPE电缆在直流电场中的极性反转、长时间效应及不同外施电场下的畸变情况等相关研究为基础,建立了完善的高压直流电缆及附件的评估方法和试验系统,为此,结合±160 kV南澳柔性直流输电工程的要求完成电缆及附件产品型式试验的项目设计,搭建试验回路并选取参数进行型式试验,最终验证相应直流电缆及附件产品质量满足工程需求。     

张北柔直电网直流分压器二次电压测量异常引起误闭锁机理分析及改进措施

针对张北柔直电网试验示范工程某±500 kV换流站系统调试期间发现直流电压测量异常导致换流器误闭锁事件,通过对站内直流分压器结构及设计原理进行分析,研究了换流器误闭锁机理.发现直流分压器物理结构存在一定设计缺陷,直流分压器二次分压板二次测量电缆1路断线情况下,引起另外2路测量电压异常升高,达到柔直电网直流控制保护系统过电压保护定值,换流器误闭锁.针对存在的问题,分别从硬件和软件2个方面提出了改进措施并加以验证,有效地解决了直流分压器二次故障引起电压测量异常以致闭锁换流器的问题,为柔直电网中直流分压器的设计和选型提供了参考.     

架空线柔性直流电网的直流短路电流限制研究

建立了±500 kV架空线柔性直流电网的电磁暂态仿真模型,较为详细地计算、分析、比较了极间短路等严重故障下的短路电流与换流站闭锁时间。研究结果表明,合理地配置限流电抗器是限制短路电流、防止多个换流站闭锁的有效手段。研究了限流电抗器的配置方案以及改进的限流措施,使得站外直流线路故障不会造成任何换流站闭锁,满足设计与运行的要求。     

换流站联络变充电励磁涌流对哈郑特高压直流运行影响分析

特高压直流工程送端换流站的联络变空载充电时产生的励磁涌流,使得换流站交流母线电压出现畸变,引发谐波进入直流系统。谐波将导致直流电压、电流以及功率波动,尤其是直流电流的谐波严重时,可能导致直流系统谐波保护告警甚至动作,影响特高压直流的安全稳定运行。基于系统实际条件,研究了天山换流站在不同操作方式下对新建750/500 kV联络变充电时的励磁涌流特性,评估了其对±800 kV哈密—郑州特高压直流谐波保护的影响,提出了联络变充电时的安全措施建议。研究成果为确保哈郑特高压直流的安全运行提供了技术依据,并可为其他类似工程提供参考。     

换流站交流出线方式对换流变空投的影响

近年来,输电网中电缆线路占比增加,电缆线路由于其电抗小、对地电容大可能会影响换流站与交流电网的谐振特性。为了分析换流站交流出线方式对换流变空投的影响,分析了换流变空投时励磁涌流和铁磁谐振现象,建立了架空线路和电缆线路2种换流站交流出线方式。以我国典型±500 kV直流工程换流变为例,利用PSCAD/EMTDC仿真研究了换流站不同出线方式、电缆线路占比及断路器合闸电阻对励磁涌流和铁磁谐振的影响,并提出了相应建议。结果表明:不同出线方式对励磁涌流影响并不显著;在电缆线路出线方式下更易发生铁磁谐振,且电缆占比越高,铁磁谐振发生概率越高;断路器合闸电阻对励磁涌流和铁磁谐振均能有效抑制。     

含混合型MMC的四端柔性直流电网改进自适应重合闸策略

柔性直流电网是进行大规模新能源远距离架空线传输的重要技术手段。但架空线比直流电缆更容易发生瞬时性短路故障,待故障消失后需迅速重合闸。若直流电网发生永久性故障,常规基于换流器主动信号注入的故障性质判别方法易对直流电网的稳定运行产生较大干扰。针对上述问题,提出一种基于混合型模块化多电平换流器（MMC）主动信号注入的柔性直流电网改进型自适应重合闸方法,在混合型MMC极控制器中附加主动信号控制,使柔性直流电网在不中断功率传输的前提下实现故障性质辨识。此方法具备较强的耐过渡电阻能力,且不影响柔性直流电网功率传输的稳定性。在PSCAD/EMTDC搭建了混合型MMC四端柔性直流电网的电磁暂态模型,通过仿真验证了该方法在配备混合型MMC和机械式直流断路器的柔性直流电网中的有效性。     

高压直流输电直流系统保护设备现场检验方法探索

由于缺乏简单便捷又有效可行的检验方法与装置,投运后的高压直流输电直流系统保护设备一直未开展定期检验工作。这将对电网的安全稳定造成严重隐患。文章提出了一种高压直流输电直流系统保护设备现场检验方法,该方法的优点在于无需拆卸保护设备、无需解析光电转换协议、不会对电网造成不良影响、安全风险小、成本较低。研制了具备光电式电流互感器、零磁通电流互感器加量能力的高压直流保护现场检验装置。采用所提方法与装置在投运已超过十年的±500 k V江城直流鹅城换流站开展了现场试点检验,验证了所提方法可行。     

一种不依赖直流断路器的直流电网架构

提出一种不依赖直流断路器的直流电网架构和相应的控制保护策略。根据电压等级和端口特征,将直流电网划分为若干子系统,通过在子系统间的连接线上串入故障隔离设备,即可不依赖直流断路器,实现直流故障的就地处理,故障子系统的隔离及重启过程不影响健全子系统正常的功率传输。相应的功率调节策略和站间通信分层设计方案,可以有效降低定电压控制换流站的过负荷风险及站间通信系统的复杂度。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果验证了所提出的直流电网和对应控制保护策略的有效性。     

基于柔直电网的暂态量保护方案及配合策略研究

柔直电网中直流线路故障的检测和隔离是一个亟待解决的问题。针对柔直电网的基本架构,在分析直流线路故障对直流线路保护的需求的基础上,引入了基于边界原理的暂态量保护,并进行了适用性分析。通过分析发生直流线路故障时快速跳开直流线路两端的直流断路器必要性,提出在提高测量采样频率和优化判据时间窗的基础上,根据故障反行波能量和前行波能量在功率送端站和受端站的不同特征,对暂态量保护判据进行优化,并给出了直流线路两端配置的保护方案。在此基础上,进一步研究了暂态量保护与直流断路器、直流母线保护相配合的故障清除策略。通过仿真验证了所提策略的可行性。     

Long-term reliability testing of 500 kV DC PPLP-insulatedoil-filled cable and accessories

This paper describes the results of a long-term reliability test of a newly developed 500 kV DC oil-filled cable and accessories that transmit up to 2800 MW. This is the largest capacity ever used for submarine cables. The test line was 500 m and consist of submarine cables, land cables and several kinds of accessories. An optical fiber sensor was first installed in the oil duct of the cable to measure the conductor temperature directly under application of DC voltage. From 1994 to 1996, the authors carried out an accelerated electrical and thermal aging test equivalent to 40 years, a load cycle test, a polarity reversal test and a transient overloading current test. Satisfactory breakdown strength was confirmed in the residual test which followed the long-term test. These results have been instrumental to the decision to construct 500 kV DC commercial submarine cable lines