基于混合式断路器的直流电网保护方案研究

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电(high-voltage direct-current,HVDC)将是未来直流电网重要发展方向之一。相比电缆输电,长距离架空线输电成本低,而直流故障隔离是在架空线路上应用柔性直流输电的棘手问题。首先,研究混合高压直流断路器的直流故障处理方案,提出基于直流电网的3种保护方案,包括线路差动保护,母线差动保护和后备保护;其次,结合实际工程中的现有技术,论述选取参数的原则,采用架空线输电方式搭建了具有混合直流断路器的多端直流电网仿真平台并进一步验证了所提出方案的可行性和有效性。最后,通过仿真分析表明,混合高压直流断路器能够在数ms之内断开故障电流,所提出的3种保护方案能够自动、快速、有选择性地隔离故障,且无故障部分正常运行。     

基于源网配合的MMC直流电网自适应故障清除方案

随着模块化多电平换流器(modularmultilevel converters,MMC)在架空线直流输电和柔性直流电网中的广泛应用,直流线路故障清除问题越来越突出,如何实现直流线路故障的快速清除成为制约MMC柔性直流电网发展的关键问题之一。作为直接有效的解决方案,混合高压直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)还不够成熟,高速大开断容量DCCB的研制仍有困难。文中通过挖掘和利用MMC控制的灵活性,提出一种适用于架空线半桥型MMC柔性直流电网的源网配合自适应故障清除方案。在直流故障期间,该方案利用MMC调压控制策略减少源侧子模块投入数量,降低换流器桥臂单元输出电压,并与网侧断路器预充电电容电压自适应配合,使MMC桥臂单元输出电压小于预充电电容电压,利用电压差使故障电流迅速下降至零,达到切断故障电流并清除故障的目的。首先介绍所提故障清除方案中源侧MMC调压控制原理和网侧断路器拓扑结构,然后分析该方案的工作原理,并推导该方案下半桥型MMC的直流故障电流计算方程,给出调压控制器控制系数和网侧断路器元件参数设计方法,最后在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台上搭建基于半桥型MMC的四端柔性直流电网模型,对所提故障清除方案的有效性进行仿真验证。     

基于等效行波的柔性直流电网差动保护研究

直流线路保护是高压大容量柔性直流电网亟需解决的关键问题之一。针对目前的通信技术难以满足传统行波差动保护对高速采样数据的实时传输要求这一突出问题,文章提出了基于等效行波的柔性直流电网差动保护方法。作为单端量主保护的后备保护,该方法仅利用少量能表征原故障电流行波关键信息的模极大值进行数据交互,在线路两端重构出能完美复现原故障电流行波的等效故障电流行波,不但大大减少了构造行波差动保护判据所需的通信数据量,而且可实现柔性直流电网故障区域和区内直流线路不同类型故障的可靠、快速识别。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了四端环形柔性直流电网,对所提的基于等效行波的柔性直流电网差动保护方案进行了仿真验证。     

适用于直流电网的自旁路型故障限流器研究

柔性直流电网在直流侧故障后,故障线路隔离存在困难,使用限流器抑制过电流成为一种有效的辅助方法。该文提出基于单钳压子模块的限流器拓扑,通过柔性投入限流元件,可实现限流器的可靠投入,并且通过自旁路设计辅助降低断路器切断难度。对所提混合式限流器的工作原理、控制方式和电气应力进行研究,提出限流效果判断关键指标,并在4端直流电网中仿真验证。进一步分析认为,所提出故障限流器拓扑具备应用于柔性直流电网的工程价值。     

直流电网中多断路器协调配合方法EI北大核心CSCD

柔性直流电网在可再生能源并网和区域电网互联领域有重要应用前景,但是故障电流峰值随着系统端数和容量提高不断增长,进而直流断路器成本也进一步抬高。传统方法仅使用单一的故障线路上断路器清除故障,文中基于直流电网的空间互联结构,提出多断路器配合清除故障方案。由于多支相邻断路器投入分担故障能量,降低了对故障线路断路器的需求。进一步地,提出辅助限制线路震荡的断路器限流控制方法。基于张北直流电网提出多断路器配合的主保护、后备保护和重合闸方案。仿真结果表明,断路器主保护耗能减少18.8%~25.2%,系统恢复时间减少36%~44.8%。     

柔性直流电网直流侧故障下500kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

柔性直流电网直流侧故障下500 kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

基于HB-MMC的直流电网直流线路保护技术研究综述

由于基于半桥模块化多电平换流器(half bridge modular multilevel converter,HB-MMC)的柔性直流电网系统控制方式和自身拓扑结构的特殊性,直流侧发生短路故障时,其故障电流具有上升速度快、峰值高的特点,极易损坏换流站中的半导体器件。又由于直流故障电流没有自然过零点,直流断路器难以将故障切除,因此,直流输电线路的短路故障对保护系统提出了更高的要求。基于柔性直流电网的拓扑结构、直流侧故障特征,从直流故障电流的限制、直流输电线路保护原理等方面,系统地介绍了国内外基于HB-MMC直流电网的直流输电线路故障处理与保护技术的研究现状,重点分析了柔性直流电网直流线路的保护原理,探讨了目前柔性直流电网故障处理和保护技术面临的关键问题及未来进一步的研究方向。     

适用于直流电网的分区保护策略

利用直流断路器进行故障清除是目前直流电网主流保护方案,但高压直流断路器价格昂贵,直流线路均配置直流断路器的保护成本高。首先提出了一种适用于未来大规模直流电网的分区保护策略,以最小直流断路器使用数量为目标,兼顾系统供电可靠性。其次定性分析了采取分区保护策略所引起的部分功率中断对系统的影响,综合考虑了因故障直流区域功率中断产生的不平衡功率、控制方式、换流器类型等因素,制定了直流电网分区的基本原则。然后,根据直流断路器、换流器、DC/DC变换器、交流断路器、快速隔离开关等故障清除元件的特性,制定了详细的时序配合策略。最后,通过在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建7端直流电网,仿真验证了所提直流电网分区保护策略与相应时序配合策略的正确性。     

基于暂态电流比值的多端柔性直流电网保护

多端柔性直流电网(multi terminal DC,MTDC)要求直流线路发生故障后在几毫秒内隔离故障线路，如何实现故障线路快速可靠识别是MTDC直流线路保护的难点之一。该文利用区内外故障时保护安装处暂态电流与本侧模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)故障电流的比值差异，提出了一种基于暂态电流比值的直流线路保护方案。该方法通过测量线路双端电气量来判断故障位置，可以保护线路全长。最后，在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了四端柔性直流电网模型，通过仿真验证所提保护方案的可行性与优越性。     

柔性直流电网线路超高速行波保护原理与实现

柔性直流电网对于灵活消纳大规模可再生能源具有重要意义。柔性直流电网直流线路发生故障时,故障电流增长速度很快且完全不可控,再加上直流断路器难以开断大电流,因此要求直流线路保护必须具有极快的动作速度。文章分析了直流线路发生故障后的故障行波特征,在此基础上提出基于单端量初始行波的保护方案;分析了雷击干扰的行波特征,提出了雷击干扰的快速识别方法,在保证保护动作速度的同时极大地提升保护可靠性。根据所提的线路保护方案,设计并实现了保护装置样机。通过大量测试验证了保护样机的性能。     

适用于直流电网的组合式高压直流断路器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在直流电网中具有较大的应用潜力。当前各类MMC拓扑中,半桥型MMC具有最佳的经济效益,但缺乏直流故障清除能力。目前主要有两种直流故障清除方法:一种是采用具有直流故障清除能力的子模块,但会引入额外的功率损耗,同时,需要通过闭锁MMC来达到清除直流故障的目的;另一种是采用混合式高压直流断路器,它具有快速隔离直流故障的能力,但投资费用较大。为有效解决上述弊端,提出一种组合式高压直流断路器,并对其控制时序进行了研究。组合式直流断路器以混合式直流断路器为设计背景,对其主要设备进行重新配置并加以改进,更加适用于多端柔性直流输电系统及直流电网。在保证同等直流故障处理能力的前提下,相比混合式高压直流断路器,其投资成本大幅度降低。为验证组合式直流断路器的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个三端单极直流网络模型。仿真结果验证了组合式直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。     

柔性直流输电网线路保护配置方案

受限于直流断路器开断能力,柔性直流电网的线路保护需要具有极快的动作速度。提出了柔性直流电网线路保护配置方案:主保护采用单端量保护原理以满足动作速度的要求,同时需要采取适当的解耦措施和故障选极方法,以及雷击、噪声等干扰的识别方法,以保证保护的可靠性;后备保护采用灵敏性较高的双端纵联保护原理,包括行波差动保护和基于无功能量的方向保护,在时序上与主保护配合,同时在直流侧故障时要能够先于交流侧保护动作。比较分析了柔直电网线路保护和传统直流线路保护、交流线路保护配置方案的异同,对于我国在建的柔直电网具有重要参考价值。     

模块级联多端口混合式直流断路器研究EI北大核心CSCD

高压直流断路器是解决多端及直流电网故障快速隔离的有效方式,近年来发展迅速,国际上完成了多种技术路线样机开发与工程应用。混合式高压直流断路器是当前主流技术路线,因采用大量全控器件,利用率低、成本较高,制约了其在直流电网中规模化应用。该文针对直流电网中多直流出线应用场景,基于模块级联技术提出一种多端口混合式直流断路器拓扑,阐述其在典型系统故障工况下动作原理,完成核心部件电气应力数值分析与设计,仿真研究所提方案在四端直流电网应用性能,完成与现有技术对比分析,论证所提出多端口组合开断方法可行性与实用性,为高压直流断路器技术经济性能提升提供解决方法,推动高压直流断路器在直流电网中更为广泛应用。     

基于单端量的柔性直流电网故障识别方案

直流线路故障的快速、可靠识别是基于架空线路的大容量、高电压柔性直流输电系统发展的关键技术之一,因而分析了模块化多电平换流器型高压直流系统直流线路短路故障后线路两端限流电抗器上的电压变化情况,提出了一套仅利用单端暂态量的柔性直流电网故障识别方案。该方案利用低压作为启动判据,利用限流电抗器上的电压变化率大小和极性确定故障区间,利用检测到的零模故障分量的多少确定故障极。在PSCAD搭建了张北四端柔性直流电网仿真模型,并考虑混合式直流断路器动作过程、过渡电阻、限流电抗器和桥臂电抗器大小等对保护方案性能的影响。仿真结果表明：所提出的保护方案能在各种情况下快速、准确识别故障,且无需通信,无需复杂的数据处理和分析,数据采样频率要求低,满足柔性直流输电系统对保护的要求。     

基于换流站节点类型的直流断路器配置方法

直流电网是应对远距离大容量输电、新能源并网及消纳等问题的有效手段,然而低阻尼特性、故障发展速度快的特点使得故障隔离困难,提升直流电网故障清除能力具有重要意义。文中基于电网中直流断路器的配置要求,提出了一种基于换流站节点类型的直流断路器配置方法,介绍了不同故障情形时该配置方法中直流断路器的动作时序、重合闸策略,并分析了输电线路保护判据及与换流站协调配合的措施。在PSCAD/EMTDC中搭建三端混合仿真模型,对文中所提配置方法与传统的配置方法下的故障进行仿真对比分析,仿真结果表明,所提配置方法能够快速隔离高压直流电网中的故障,减少停电范围,提高供电可靠性,可作为实际系统的一种可行方案。     

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...     

具备故障电流限制能力的多端口直流断路器

混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断的重要装备。然而，目前每条直流线路两端均需配备一台价格昂贵的二端口混合式直流断路器，这严重限制了其在未来新型电力系统中的规模化应用。该文提出一种具备故障电流限制能力的多端口直流断路器，在实现故障双向阻断的基础上，与常规方案相比故障电流峰值下降了38.0%、避雷器能量耗散应力下降了61.21%。更为重要的是，所提断路器完成直流母线故障隔离后，与故障母线相连的健全直流线路仍可以进行正常功率传输，最大程度地保障了柔性直流电网的健全和持续可靠运行。首先，分析了直流断路器在故障工况下的故障电流阻断原理，并对各个动作过程进行了理论推导；然后，揭示了电容和电感参数对断路器限流性能的影响机理，确定了限流单元的元件选型方法；最后，基于PSCAD/EMTDC对所提具备故障电流限制能力的多端口直流断路器进行了仿真分析，结果表明，所提多端口直流断路器具有较强的有效性和适应性。     

环形直流微网短路故障分析及保护方法

以环形风电直流微网为研究对象,深入分析直流母线发生双极短路故障时电压源变流器(VSC)的故障特性,并据此提出以电流差动保护为主保护、欠电压保护为后备保护的环形直流微网故障定位与保护方案。该方案通过检测直流线路的输入、输出电流及其差动电流来定位和隔离故障线路,并配备欠电压后备保护以确保故障下直流微网系统的安全运行。基于MATLAB/Simulink对环形直流微网进行仿真研究以验证所提保护策略的可行性。仿真结果表明,在线路发生双极短路故障时,保护系统能够根据线路差动电流值做出快速响应,从而实现了直流微网系统短路故障的定位和隔离。     

基于混合型MMC和快速真空开关构建的柔性直流电网

采用架空线的柔性直流电网在大规模风电、光伏等新能源的汇集、输送和并网中有很好的应用前景。由于直流故障电流上升速度快、峰值高,柔直工程中一般采用高速大容量直流断路器隔离直流故障。然而,直流断路器制造难度大、成本高,降低了直流电网的经济性,并且其可行性还有待实际工程验证,这在一定程度上阻碍了直流电网的大规模发展与建设。为此,本文提出了一种基于混合型MMC和快速真空开关的直流电网组网方案。该方案充分利用混合型MMC强大的控制能力,可以保证换流器在直流故障期间不闭锁,使得直流电网在直流故障被清除后可以快速、柔性地切换到新的运行状态,缩短直流电网功率中断时间,提高直流电网的利用率。同时可以在直流线路中安装快速真空开关来替代高速大容量直流断路器,以减小直流电网的建设成本,大幅度提高直流电网的经济性。最后,基于PSCAD/EM TDC平台仿真验证了本方案的正确性与合理性。