基于混合型MMC的柔性直流电网故障电流阻断控制策略

柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、输送和并网的有效手段。针对基于混合型MMC的直流故障电流阻断方案会引起功率传输中断的问题,本文提出了一种混合型MMC负压控制与超高速机械开关协调配合的故障电流阻断方法,该方法能够快速阻断故障电流并维持非故障线路的功率传输。通过分析故障电流组成及关键影响因素,确定了换流站的控制目标,基于全桥子模块的电压调节自由度,提出了利用混合型MMC输出负压主动吸收故障电流的控制策略,并设计了其与超高速机械开关的协调配合方案,实现故障的可靠隔离。最后,基于RTLAB实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,仿真结果表明,本文提出的方法可快速阻断直流故障电流,缩短直流电网功率恢复时间,提高系统安全稳定性。

柔性直流电网故障暂态电压和电流特征分析方法

对柔性直流电网故障后的暂态电压和电流特征进行准确分析是设计新型故障保护方案的理论基础,现有利用首行波的故障特征分析方法未能有效反映故障点对故障行波多次折射和反射的影响,在近端故障时将产生较大的误差。利用建立的柔性直流电网故障后的等值电路图,求解得到不同位置故障点的初始故障电压、不同位置的折射和反射系数、以及故障点线模-地模耦合转化系数。提出了一种考虑行波多次折射和反射之后故障点等效故障电压的计算方法,并联合求解得到的系统中各位置故障电压和电流的传递函数,得到故障后暂态电压和电流的数值表达式。在PSCAD/EMTDC搭建环状四端柔性直流电网仿真模型模拟故障,通过仿真与理论计算的对比结果验证理论推导的正确性。

兼顾短路与断线故障识别的柔性直流电网行波保护方案

目前大多数柔性直流电网行波保护在配置时仅考虑短路故障,当发生断线故障时,保护动作的正确性尚不明确。对此,首先分析了断线故障下传统行波保护的动作特性,得出了传统行波保护无法正确识别短路与断线故障的结论。在此基础上,探索了断线与短路故障下线路受端的第二个电流波头特征和线路电压特征,研究了两种故障下线路送端的电流首行波特征以及两端电压与电流变化量乘积的特征,提出了一种兼顾短路与断线故障识别的行波保护方案。基于PSCAD/EMTDC仿真平台对所提保护方案进行了性能验证。结果表明,该保护方案能准确识别并应对各种条件的故障,且具有较高的速动性和抗噪声干扰能力。

基于微分平坦性的柔性直流电网系统级控制策略

针对大功率柔性直流电网在不同工况下功率协调控制和直流电压稳定问题,提出一种基于微分平坦控制(differential flatness control,DFC)理论的柔性直流电网系统级控制策略。在分析柔性直流电网具有微分平坦性的基础上,引入功率裕度和直流电压偏差双影响因子,设计了基于DFC的改进自适应下垂控制器,用于提高系统的稳定性、动态响应能力和抗干扰能力。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建张北柔性直流电网模型,验证了所提控制策略的有效性。

表征柔性直流电网电压动态特性的降阶小扰动稳定模型

柔性直流技术是提高新能源渗透率,实现“双碳”目标的关键技术之一。低阶、准确的小扰动稳定模型有利于快速分析复杂柔性直流电网电压的超调振荡,为增强柔直系统安全稳定奠定基础。该文以表征直流电压动态特性为目标构建了直流电网降阶小扰动稳定模型。首先,建立直换流站直流侧阻抗模型的二阶解析式,把下垂外环控制参数等效为具有阻感特性的下垂导纳,并将不同控制模式下的柔直换流站以串并联阻抗电路形式统一表达;其次,基于直流网络拓扑聚合形成直流电网降阶传递函数阻抗矩阵,通过对降阶模型进行频率响应分析,定量探究多端柔直换流站通过直流网络耦合对直流电压动态特性产生的交互作用,指导下垂增益、外环控制系数等关键参数的选取;最后,在多场景电磁仿真中验证所述降阶模型的正确性与有效性。

基于二阶线性自抗扰的柔性直流电网控制策略

针对柔性直流电网中某换流站交流侧发生不对称故障时产生负序电流,引起瞬时功率和直流侧电压、电流较大波动继而影响系统稳定运行的问题,提出了一种基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)的柔性直流电网换流站级控制策略。该策略采用比例积分(proportional-integral,PI)控制器和二阶LADRC控制器分别进行外环控制和内环电流控制,并以模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)为被控对象,针对二阶LADRC控制器进行频域分析,确定控制器参数的合理取值。最后,利用PSCAD/EMTDC平台搭建了四端柔性直流电网模型进行算例分析。结果表明:相比于传统PI控制,所提控制策略有效抑制了负序电流,大幅减小了有功、无功功率和直流侧电压的二倍频波动,提高了系统的故障穿越能力和动态响应速度。

高压直流断路器在张北柔性直流电网中的应用

高压直流断路器是柔性直流换流站构成直流电网的核心设备,但±500 kV电压等级的高压直流断路器尚无应用经验。为了验证±500 kV高压直流断路器在实际应用中的开断特性,介绍了机械式、耦合负压式、混合式3种不同技术路线的高压直流断路器的拓扑结构,在张北柔性直流电网中通过现场实际短路接地故障,验证了±500 kV高压直流断路器能够在3 ms内可靠切断故障电流,最后对3种不同技术路线的高压直流断路器工作特性进行对比分析,指出了不同技术路线的高压直流断路器在分合闸过程中存在的问题,为大容量高压直流断路器的研制与应用提供一定参考。

基于相模变换的柔性直流电网短路故障电流计算

精确的短路故障电流计算对柔性直流电网的器件选型、参数设计以及继电保护研究十分重要。针对现有短路故障电流计算方法未充分考虑直流线路极间耦合的问题,文中提出一种基于相模变换的柔性直流电网短路故障电流计算方法。首先,建立换流站与直流线路的故障等值模型;然后,利用相模变换实现柔性直流电网正极与负极的电气解耦,并获取柔性直流电网在模域内的节点阻抗矩阵;接着,结合柔性直流电网的故障边界条件,计算出柔性直流电网短路故障电流的复频域值,并利用矢量拟合得到故障电流的时域值;最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证所提故障电流计算方法的有效性。仿真分析结果表明,在直流电网发生故障且换流站尚未过流闭锁期间,所提故障电流计算方法能够精准描述直流故障电流的变化规律。

柔性直流电网直流侧极间短路电流初始阶段的量化评估指标

随着高压领域模块化多电平换流器(MMC)型的柔性直流电网大规模建设应用,若直流侧出现短路故障,短路电流在故障初期呈现上升速率快、峰值大等特点,限制了柔性直流电网的进一步发展。为了对短路故障情况下的直流侧电流值进行定量评估,本文从MMC型柔性直流电网固有特性的角度,建立了故障节点处产生的电流响应初始阶段量化评价指标,指导柔性直流电网的规划与运行。首先,提出了一种以MMC输入输出特性为基础的故障电流求解方法,为后续的短路电流量化评价奠定基础。其次,解耦分析柔性直流电网间的短路电流,并从系统固有特性的角度建立了短路电流初始阶段的量化评价指标。最后,在配置特征和架构组成存在差异的各类柔性直流电网上,对所提出的解耦短路电流求解方法和定量指标进行验证。结果表明,所提出的指标能够在不计算短路电流的情况下量化评价柔性直流电网的短路电流,并为柔性直流电网的网络结构设计、运行模式以及参数选择提供技术支持。

柔性直流电网机械式高压直流断路器过电压保护策略

随着柔性直流电网技术的快速发展,机械式高压直流断路器作为电网安全稳定运行的关键设备,其过电压保护策略的研究具有重要意义。本文深入研究了柔性直流电网中机械式高压直流断路器的过电压保护策略,提出了基于动态电阻控制的保护方案,分析了机械式高压直流断路器的工作原理及其在柔性直流电网中的应用现状。在此基础上,本文提出了一种基于动态电阻控制的过电压保护策略,该策略通过动态调整断路器的电阻参数,实现了对过电压的有效抑制。本文不仅为柔性直流电网的安全运行提供了重要保障,也为机械式高压直流断路器的优化设计提供了理论支持。

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。

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。

架空线柔性直流电网构建方案

国家电网为配合绿色奥运的理念,计划在北京、河北建设柔性直流电网。从拓扑结构、关键设备、控制保护等方面对架空线柔性直流电网构建方案进行了研究。直流电网网架结构采用口字型结构,换流站采用对称单极结构;关于子模块拓扑的选择,存在半桥子模块结合高压大电流直流断路器以及故障自清除子模块结合快速机械直流开关2种方法。半桥子模块方案技术简单成熟,但是需要超快速保护装置,而且有可能存在直流断路器不能全面保护换流站的问题,需要配置大量的换流器限流电抗器与直流线路限流电抗器;故障自清除子模块方案不需要超快速保护装置,然而存在直流线路故障后所有站短暂闭锁的问题,但是不会造成整个电网的失稳。关键设备和控制保护目前来看不存在不可逾越的难题。

多端柔性直流电网快速方向纵联保护方案

直流线路保护是柔性直流电网发展的关键问题,其主要技术难点在于快速可靠地识别故障区段。传统交流系统保护和常规直流输电系统保护原理很难适用于柔性直流电网。根据柔性直流电网故障暂态特征以及一次设备固有构成,该文提出一种基于线路边界元件的新型快速方向纵联故障识别判据,以及一种实用可靠的故障选极判据,并设计相应的线路保护方案。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建四端模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型直流电网模型,通过大量的仿真算例验证该保护原理的可行性,以及在硬件成本、动作速度、耐受过渡电阻能力等方面的突出优势。

柔性直流电网架空线路快速保护方案

基于柔性直流输电的直流电网技术,是大规模清洁能源接入电网的有效手段,直流电网快速线路保护是其面临的重要技术挑战之一。以国内计划建设的张北直流电网工程为背景,提出了一套适用于全网配置直流断路器、采用架空线输电的对称双极直流电网线路快速保护方案。保护仅利用单端信息进行故障判别,且保护数据窗短,满足速动性的要求;保护采用电压梯度快速检测故障,利用限流电抗器对故障电压信号的平滑作用实现故障区间的判别,并根据零模与一模电压传播特性的差异判定故障极,实现保护的选择性与高可靠性。结合直流电网的PSCAD模型,验证了所提出方案在不同故障情况下的保护性能,并分析了保护对运行方式改变的适应性。

混合式直流断路器在柔性直流电网中应用初探

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流电网技术是未来电力系统输电技术的发展方向之一,但面临快速清除直流侧故障的巨大挑战。分析比较3种隔离直流侧故障的方法,选择混合式直流断路器作为隔离直流侧故障的方案。结合基于差动电流的直流故障检测技术,提出考虑线路分布电容的柔性直流电网保护方案,包括线路保护和母线保护,并论述保护参数的选取原则。在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立一个4端柔性直流电网模型,验证所提基于混合式直流断路器的差动保护方案的有效性和可行性。结果表明,所提的差动保护方案满足了保护的选择性和速动性要求,运用混合式直流断路器可在数ms内清除柔性直流电网的直流侧故障。

适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器

现有的直流潮流控制器大多为双端且仅能辅助控制一条线路上的潮流。为全面控制直流电网潮流分布,文中提出了一种适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器,它可以同时控制多条线路上的潮流且易于拓展。首先,在充分研究已有直流潮流控制器的基础上,提出了多端口直流潮流控制器的拓扑结构并详细阐述了工作原理;其次,研究了多端口直流潮流控制器的等效电路,进而设计了能够使其稳定运行的控制策略;最终,在RT-LAB仿真平台中搭建了舟山五端柔性直流输电系统并安装了三端口直流潮流控制器,对所提拓扑结构和控制策略进行了仿真验证。

基于本地信息的多端柔性直流电网故障定位方法

故障定位技术是保障多端柔性直流电网安全可靠运行的关键技术。由于直流网络之间的相互连接导致其故障暂态特征十分复杂,故障定位往往要依靠通信手段,同时技术难度也会大幅提升。以基于两电平电压源型变流器的多端柔性直流电网为研究对象,提出一种基于本地信息的多端柔性直流电网的故障定位方法。利用限流电抗器作为直流线路边界,分析了限流电抗器类型的选取及其对断路器开断和保护动作时间的影响,从保护识别的准确性和动作的可靠性角度讨论了限流电抗器的容量和位置配置;对直流行波保护的电压变化率判据进行改进,通过比较限流电抗器两端电压变化率的比值和差值设定故障区间的判别方法及逻辑,利用本地信息确定故障位置;基于MATLAB/Simulink进行了大量仿真测试,验证了所提故障定位方法的可行性和有效性。

柔性直流电网行波保护解析分析与整定计算

目前直流线路保护研究主要依赖于数值仿真,然而对于多换流站的柔性直流电网,数值仿真不仅费时费力,且难以得出有效的保护整定方法。为解决这一问题,该文首先建立了柔性直流电网故障暂态分析简化模型,针对典型故障情况,推导了故障电气量的复频域表达式,并利用拉氏反变换得到故障首行波的时域解析解。其次,基于故障解析计算结果,提出了直流线路行波保护整定及校验方法,并给出不同系统参数下保护可耐受过渡电阻能力。相比于数值仿真,解析计算在提高计算效率的同时,能够得出故障电气量的变化边界,有效避免采样不确定性的影响,还可以便捷地分析系统参数对保护性能的影响,为实际工程中相关参数的选择提供参考。

基于突变能量比值的多端柔性直流电网闭锁式纵联保护方案

多端直流电网中的限流电抗器集中配置,直流线路之间边界元件的缺失将使区内、区外故障的辨别变得困难。针对上述多端柔性直流电网,提出了一种基于突变能量比值的闭锁式纵联保护方案。以保护安装处的突变能量作为启动判据检测直流电网中的故障,利用故障前、反行波在换流站两侧的突变能量比值差异构造保护动作判据。双端保护判断完成后,仅需进行逻辑交换即可决定是否执行跳闸。在PSCAD/EMTDC平台上验证了所提保护方案的有效性,仿真结果表明该保护方案能够有效辨别区内、区外故障,并拥有较好的耐过渡电阻能力和抗噪声能力。