可控换相换流器耗能模式工作原理及电气建模

可控换相换流器(controllableline-commutedconverter,CLCC)具备可控关断能力,能够消除交流系统单相接地引起的换相失败故障,但是故障期间,直流传输功率仍会下降;为此,提出了CLCC主避雷器和V13子阀避雷器充当耗能电阻的耗能模式工作原理,建立了阀避雷器非线性时变电压源模型,求解了耗能模式下CLCC工作电路电气方程,确定了V13子阀避雷器残压值和阀提前关断时间对耗能功率的影响规律,搭建了包含维持系统传输功率为恒定值的闭环控制策略直流系统仿真模型,证明了CLCC在发挥换流作用的同时充当直流耗能装置,逆变站交流系统无法消纳的功率可由CLCC消耗掉,系统的直流功率将不会发生波动,可以把逆变站交流系统单相接地故障对直流系统的冲击降至最小。

可控换相换流阀单阀关断试验方法研究

可控换相换流阀(controllable line-commutated converter,CLCC)既保持着常规直流换流阀容量大、损耗低、过负荷能力强的优势,又能实现桥臂可控关断,可根本解决换相失败问题,适用于多馈入直流系统。2023年6月,CLCC已成功在±500 kV/1 200 A葛南直流改造工程中示范应用,投运以来运行性能良好。CLCC关断大电流的能力决定了其是否能够在交流故障时成功抵御换相失败,因此,需开展单阀大电流关断试验,验证换流阀实际交流故障下内部百余支可控器件同步开通、关断一致性及暂态电气应力耐受水平。该文基于CLCC交流故障时的强迫换相原理,首先分析了主辅支路换流及桥臂换流过程中IGBT子阀关键应力,提取了故障工况各阶段的关键应力参数。其次,提出百kV补能交流电压源和LC谐振电流源百毫秒投退及隔离控制试验方法,建立了关键应力参数与试验电路参数的解析关系,完成了试验电路参数设计。搭建了±500 kV/1 200 ACLCC单阀大电流关断试验平台,考核了换流阀的工作能力,又通过试验和仿真对比分析验证了试验方法的等效性和正确性,为后续不同电压等级CLCC单阀关断试验的提供理论指导。

可控换相换流器研制及其工程应用

可控换相换流器是针对常规直流输电换流阀换相失败问题而提出的一种新型直流换流装备,并于2023年6月在±500 kV/1200 MW葛洲坝—上海南桥高压直流输电系统改造工程(简称“葛南直流改造工程”)中投入使用。文中首先阐述了可控换相换流器的技术需求与技术原理,对其技术经济性进行了分析。然后,结合葛南直流改造工程的实施,介绍了可控换相换流器研制、试验及应用情况,提出了可控换相换流器电气参数、结构设计方案、型式试验方案,并结合现场录波介绍了工程调试过程中的低压加压、空载加压、人工短路等关键试验项目和试验结果,以及换流器投运后的运行情况,根据历次交流故障事件现场录波具体分析了换流器动作时序的正确性。最后,对可控换相换流器在特高压直流输电工程、省域交流联络线改造等场景下的应用前景进行了分析,为后续可控换相换流器的进一步推广应用提供参考。

特高压直流输电换流阀设备数字化思考与实践

在能源和电网数字化转型要求大背景下,作为我国电网核心资产的特高压直流输电换流阀设备正面临全面数字化的挑战。文章首先在梳理目前特高压换流阀设备数字化现状及其数字化提升意义基础上,结合目前研究热点——数字孪生及相关技术,提出了换流阀设备数字化的总体目标及其数字孪生体架构和数据基础构建方法。然后,为了实现换流阀设备底层数据的高可靠低成本获取,文章介绍了在特高压换流阀设备上开展高可靠低功耗无线智能传感关键技术应用研究的成果和经验,主要包括低功耗无线传感网络系统开发、多物理量智能传感器研制、验证测试等方面。最后,对换流阀设备数字化的思考和实践进行总结,对未来换流阀设备数字化工作进行了展望。

压敏电阻在雷电过电压作用下的可靠性

为对压敏电阻在雷电过电压作用下的可靠性进行评估,提出了基于Markov过程的压敏电阻可靠性评估模型。通过Markov过程分析了压敏电阻在限压运行中不同状态的转移过程,同时推导出了压敏电阻在雷电冲击下的平均失效前时间的计算公式。以这一公式为基础,建立了相关的可靠性评估模型。然后通过配电变压器线路上雷电暂态过电压进行建模仿真,得出了压敏电阻在3种状态下的雷电流概率。将雷电参数代入公式计算压敏电阻的可靠性,预测了其在不同运行条件下的寿命:对转化率为1/10,动作电压620V、通流容量40kA的34S621型压敏电阻,当转化率取1/50时,其寿命>4a;压敏电压取910V时,其寿命>5a;通流容量取40kA时,其寿命>3a。分析表明:压敏电阻的寿命与转化率成反比,而与压敏电压和通流容量成正比。

高压交流架空线路工频电场对人体的影响

本文主要讨论了高压交流架空线路下人体对地感应电位和人体接触电流的算法。文中首先把人体简化等效为一个等值圆柱,用等效电荷法导出了单相架空线路下人体对地电位的计算模型。在此基础上,进一步将模型与算法推广到三相高压交流架空线路的情况。然后本文运用所推出的模型与算法计算出人接触架空线路下的导体时通过人体的电流。本文推出的模型与算法具有计算步骤简单,计算量小,便于工程运用等优势。

新型可控电网换相换流器拓扑及其控制方法

为保持传统电网换相换流器(line commutated converter,LCC)低损耗、高可靠性和经济性等优点的同时,又避免换相失败故障风险,提出一种新型具有可控关断能力的电网换相换流器(controllable line commutated converter,CLCC)拓扑结构。该拓扑基于全控和半控器件混联的设计思路,首先通过全控型器件转移电流,等待晶闸管关断能力恢复后,再利用全控器件关断电流以快速完成桥臂间换相。可控电网换相换流器主要包括常规换流和可控换流2种运行模式,研究不同运行模式下换流器的工作原理及换流器内部控制策略。通过搭建特高压直流输电系统仿真模型,分析可控电网换相换流器的暂、稳态和典型故障态运行特性。仿真结果表明,在发生交流故障时,可控电网换相换流器可以主动关断桥臂电流实现强迫换相,同时提供一定的无功支撑,解决多馈入直流系统换相失败问题,有利于提高电网安全稳定运行水平,提升多直流馈入受端电网电力接纳能力。

特高压直流工程换流阀用晶闸管实际运行工况关断时间研究

为保证直流工程控制保护系统试验中换相失败判断的准确性,需模拟换流阀实际运行工况下晶闸管关断特性应力,从而获取实际直流工程中晶闸管最小关断时间。该文以±1100k V/5500A昌吉-古泉特高压直流工程为研究对象,分析实际工程晶闸管阀关断过程应力,基于LC谐振和冲击电压复合的等效测试方法,建立了晶闸管关断特性测试平台;通过工程控保联调试验,获取几种易引发换相失败故障的晶闸管阀电压、电流应力,并则算出单级晶闸管应力,在真实物理平台开展测试。测试结果表明,晶闸管在极端运行工况下,最小关断时间为385μs (7°)左右,准确修正了RTDS仿真模型中阀最小关断角度,支撑了直流工程控制保护系统联调试验的顺利进行,为直流工程现场调试奠定了技术基础。

基于试验数据的6250A换流阀逆向校核分析

±800k V/6250A特高压直流输电工程输电电流从5000A提升至6250A对换流阀关键零部件的热特性、电气特性等均提出了新的要求,给换流阀关键零部件的研制带来巨大的挑战。为保证6250A换流阀满足直流工程设计要求,提出了一种基于试验数据的6250A换流阀逆向校核方法。通过试验数据建立换流阀关键元器件电气仿真模型,保证模型的精确性;同时,开展组件研发试验,重点考核了在最严酷工况下换流阀所有性能是否具备充足的设计裕度;最后通过仿真和试验结果对比,逆向校核6250A换流阀可靠性,保证了直流工程顺利实施。

基于无线传感网络的换流阀温度传感器节点温差取能建模仿真

随着特高压直流输电换流阀的快速发展和应用,对换流阀的状态监测和可靠性分析也变得越来越重要。利用智能传感器对换流阀关键物理量进行长期的数据采集和监测,也将为换流阀等输变电设备全寿命周期内老化机理分析和寿命评估提供基础依据。智能传感器的取能问题是制约其应用于换流阀中的一大瓶颈,针对这一瓶颈文章提出了利用温差发电为传感器供电。首先建模分析了换流阀环境中的温度场信息,并建立了温差发电模型,在此基础上研究了温差发电在换流阀温度环境下的取能特征,结果显示换流阀环境中大概率存在16K左右的温差,利用该温差可实现取能模块毫瓦级的取能,该结果支撑了温差发电在换流阀中应用的可行性。

面向换流阀状态监测用传感器节点电磁取能仿真分析与设计

特高压直流输电技术应用在我国发展非常迅速,对特高压直流输电系统核心设备-换流阀-实现多物理量在线状态监测的需求变得越来越迫切。低功耗无线智能传感网络技术是实现换流阀设备多物理量在线监测一种有效手段,但在实际工程应用中必须解决传感器节点自取电这一瓶颈问题。该文根据实际工程应用换流阀的电气和结构设计,提出并验证了一种用于晶闸管表面温度在线监测传感节点的小型化非侵入式电磁取能方案,即利用换流器桥臂电流的开通和关断暂态过程获取能量。文章首先建模分析了换流器桥臂电流在阀组件周围空间的磁场分布情况,在此基础上提出了电磁取能线圈设计方案,利用仿真并结合大电流实验提取取能线圈互感等关键参数,建立电磁取能回路感应部分的等效电路模型。最后在等效电路模型的基础上,用换流阀接近实际工况电流波形对取能模块的输出电压和输出功率特性进行仿真研究,评估取能模块在实际运行工况条件下的有效性。

巴西美丽山Ⅱ期特高压直流工程换流阀运行试验等效性研究

巴西美丽山II期特高压直流输电工程交流侧系统频率为60Hz,其核心装备换流阀采用单12脉动桥设计,与国内常规直流换流阀技术路线和设计标准存在差别。为保证工程长期安全可靠运行,需开展换流阀多种复杂运行工况下试验考核;而实际运行试验回路工作频率为50 Hz,如何有效开展换流阀运行试验等效性研究是亟待解决的关键性问题。介绍了该工程换流阀设计关键技术参数,确定了其关键组部件电气应力和损耗要求;基于损耗等效原理提出了换流阀运行试验等效方法,计算出试验参数则算系数,并通过仿真和试验进行验证;结果表明,该方法有效考核了换流阀运行性能,保证了换流阀电气应力和热应力具备充足的设计裕度,支撑了海外直流工程项目顺利实施。

巴西美丽山Ⅱ期直流工程用饱和电抗器铁心损耗优化与特性分析

巴西美丽山II期直流工程在工作频率、换流器拓扑、环境温度等方面与国内直流工程存在较大差异,若直接套用国内工程用饱和电抗器存在铁心损耗大、温升过高等问题。此外,饱和电抗器运行时温度较高一直是影响换流阀可靠性的潜在隐患。因此,亟需开展饱和电抗器的损耗优化研究,保证工程长期运行的可靠性。以巴西直流工程为切入点,开展了饱和电抗器铁心损耗研究,给出了一种通过调整铁心气隙减小铁心损耗的优化方法,分析了损耗降低机理,研制了饱和电抗器样机,结合仿真和试验分析手段,研究了调整电感值后饱和电抗器电气特性,验证了该方法的有效性。该优化方法不会影响饱和电抗器的外部结构和阀塔的整体结构设计,因此具有工程兼容性高、成本低的优点。同时,提供的优化思路不仅适用于巴西直流工程,也为不同直流工程用饱和电抗器的可行性分析提供理论指导,支持特高压直流工程换流阀前期设计以及技术改造。

不同塔型输电线路工频电场强度的计算与分析

采用模拟电荷法计算了不同塔型的输电线路工频电场强度。根据计算结果,对各种塔型工频电场强度大小和分布特性进行对比和分析,优选出有效降低工频电场强度的输电线路塔型。

建筑物防雷系统中分支导体在雷电流作用下的温升计算

为对建筑物防雷系统中分支导体在雷电流作用下的温升进行估算,提出了两种计算导体温升的数学模型。该模型用于估算在假设电流密度均匀分布在导体横截面内以及考虑到暂态趋肤效应下电流密度非均匀分布两种情况下圆柱导体的温升。根据以上两种数学模型,分别估算出了分支导体3在不同雷电流幅值作用下的温升:幅值为100k A时,其温升分别为2.25℃和2.75℃;当幅值为150k A时,其温升分别为5.1℃和6.18℃;当幅值为200k A时,其温升分别为9.19℃和11℃。本文还验证了该数学模型的研究结果。分析表明:文献中给出的测量数据与该模型计算得出的数据基本一致;防雷系统中各分支导体的温升确实会受到暂态趋肤效应的影响;该部分引起的导体额外温度上升很小可以忽略不计。

三种低压交流电源系统防雷保护电路的保护性分析

采用标准的6kV/3kA混合波发生器作为冲击电源,分析了单相交流电源一级保护电路原理,采用PSCAD/EMTDC软件对3种2级电涌保护电路进行仿真分析,比较了3种电路的保护效果:由压敏电阻组成的两级保护电路;由金属氧化物压敏电阻配合放电管组成的2级保护电路;由金属氧化物压敏电阻和放电管配合电容电感组成的滤波器构成多层次保护电路。仿真结果表明,金属氧化物压敏电阻具有电压箝位和大电流旁路作用;加放电管能够降低压敏电阻残压和箝位水平,提高对脆弱电源设备的保护可靠性;在第2级中加入并联电容构成滤波器,实施对暂态过电压的衰减,使输出波形变得平缓,减小了陡度,能够明显地改善整个电路的保护特性。

世界首套可控换相换流阀:彻底解决直流输电换相失败难题

2023年6月21日,国网智能电网研究院有限公司创新研发的世界首套可控换相换流阀在葛洲坝至上海南桥土500千伏直流改造工程中成功投运,标志着我国在国际上率先攻克了常规直流输电换相失败免疫技术,开辟了高压直流输电发展新方向。