海上风电场经交流海缆送出高频谐振高效实用化分析方法及其工程实践

2022年,国内某经交流电缆送出的海上风电场发生了高频谐振引起风机脱网事件,谐振频率超过现有标准规定的评估范围。针对海上风电场经长距离交流海缆并网产生的高频谐振现象,提出一种高效实用化的阻抗分析方法,并针对此次事件开展详细的频域仿真分析。采用硬件在环仿真与离线仿真相结合的手段开展风电机组阻抗特性建模,对风电机组变流器进行硬件在环阻抗测试,并在离线仿真平台中实现阻抗数据拟合。考虑了海底电缆的结构尺寸,在离线仿真平台中采用依频模型对其进行详细建模,模型精度满足海上风电场的谐振分析需求。搭建海上风电场场站模型,通过与现场多种工况的高频谐振复现测试结果进行对比,验证了所用分析方法的有效性,并开展阻抗特性整改措施仿真研究,为工程实践提供重要参考和指导。

压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律及失效形式研究

压接型高压IGBT是柔性直流输电用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中的核心器件,其在长期运行中逐渐发生热老化并最终失效,影响着MMC的运行性能。利用压接型高压IGBT的门极驱动信号演化规律监测器件状态对于是实现MMC子模块状态监测的重要手段。文中首先搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中定期测试器件门极驱动信号波形。结果表明随着老化循环次数的增加,压接型IGBT门极驱动电压上升沿米勒平台时间长度增大,门极驱动电流下降沿凹槽位置滞后。其次,对热老化失效以后的压接型IGBT芯片表面进行观测,发现芯片发射极门极氧化层附件出现裂纹,这一热老化失效形式是门极驱动信号变化的主要原因。最后,根据压接型IGBT内部多物理场耦合关系建立了有限元仿真模型,计算结果表明热应力在附加金属层与下钼层接触界面的边缘区域数值较大,在长期交变的应力疲劳后造成门极氧化层裂纹萌发,逐渐导致门极失效。文中研究结果说明了利用压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律在线监测其门极老化状态具有一定意义。

换流器直流差动保护动作特性分析与优化

换流器的故障特征呈现时空复杂性,亟需对直流差动保护的故障响应范围和动作特性展开系统的梳理和评估。分析了直流差动保护的保护范围与功能定位,明确了其存在的选择性问题,即保护范围超出直流系统而延伸至交流系统。以某实际高压直流输电工程的模型参数为背景,详细分析了直流差动保护在不同故障下的动作特性,解析分析了保护特征量的边界,且进一步考虑了直流控制对保护动作特性的影响。分析了提升直流差动保护动作选择性的策略,并构造了引入换流器交流侧电气量的辅助判据,从原理上解决直流差动保护的选择性问题,实际高压直流输电工程的仿真算例验证了该辅助判据的有效性。

直流扰动对交流继电保护动态行为的影响

针对直流系统对交流继电保护所带来的新扰动,分析了直流系统扰动在交流电网中传递的机理。在数字实时仿真系统(RTDS)上,以南方电网某直流系统为原型搭建了一次系统模型,通过接入实际保护装置,构成闭环的交直流混合仿真系统,分析了交流继电保护在直流系统3类扰动工况下的动态行为。结果表明,直流正常运行工况变化对交流保护的影响较小,不足以引起交流保护的误动。而在直流扰动及异常工况这类扰动中,以换相失败对交流保护的影响最为严重。换相失败时引起的快速功率倒向导致变化量方向元件及负序方向元件有误动的可能,并增大了零序过流保护的保护范围。在直流系统故障时,直流控制保护系统在故障后的快速响应比直流故障本身对交流保护的冲击更大,以双极闭锁最为严重,这会给交流保护带来一系列不良影响。所得结果为全面评估交直流混联系统中的交流继电保护提供了依据。

考虑时空离散性的高压直流输电系统换相失败评估方法

直流输电系统换相失败的特性随交流故障合闸角和故障位置的不同而不同,目前只考虑换流母线电压幅值跌落的直流系统换相失败判别方法准确性不高.文中研究了换相失败的时空离散性,分析了故障合闸角对换相失败的影响过程,指出最不利于换相的故障时刻,并且揭示了故障位置对换相失败的影响主要源于故障点与直流逆变母线之间电气距离和相位的差异.基于对换相失败时空离散性的分析,提出了同时计及电压幅值与相位变化的熄弧角判据和以此为基础的换相失败评估方法.以南方电网三节点AC/DC系统为背景,通过与PSCAD/EMTDC、BPA仿真结果的对比验证了该评估方法的有效性和实用性.

高压直流输电线路入口端谐波阻抗特性研究

空充变压器时直流线路沿线的50 Hz谐波分量分布与直流线路入口端谐波阻抗有关。针对直流线路入口端谐波阻抗特性展开详细研究。分析了不同直流运行方式下的直流线路入口端谐波阻抗,定性对比其大小关系。研究了直流线路入口端谐波阻抗的解析等值模型,并基于实际直流系统仿真模型,分别通过解析等值法和测试信号法对不同运行方式下的直流线路入口端谐波阻抗进行计算,验证该解析等值模型的准确性。进一步地,根据计算结果分析直流运行方式对直流线路入口端谐波阻抗大小的影响,所得结论与前文定性分析一致。改变换流器模型中换流变套管杂散电容的大小,研究杂散电容对直流线路入口端谐波阻抗的影响,实现了解析等值模型的简化。

柔直用压接型高压IGBT导通压降演化规律研究

MMC子模块中的高压功率器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在长期运行工况下逐渐发生热老化,最终导致器件失效。因此,研究IGBT的状态监测技术对于MMC的可靠运行具有重要意义。目前的文献压接型IGBT导通压降演化规律研究较少,文中搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中同时监测得到不同热老化程度下的器件导通压降和门极电流,利用试验得到的结温与门极电流的线性关系将导通压降归一化到同一结温下,从而剥离结温对导通压降的影响。结果表明,导通压降随着热老化程度呈现上升的趋势,变化范围大致在10%以内。最后,将老化失效的两个IGBT解体,发现器件内部物理结构发生变化,芯片表面发现局部烧蚀甚至熔化。

基于实际工程的变压器改进J-A模型研究

为了能够深入开展励磁涌流对直流输电系统影响的机理性研究,提出了一种基于PSCAD/EMTDC仿真软件的考虑磁滞特性的变压器模型建模方法,该建模方法采用改进J-A模型来描述变压器磁滞特性,具有物理意义清晰、参数较少等优势。介绍了常用的变压器电磁仿真模型建模方法,并给出了所提建模方法的详细步骤和算法设计。在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立了牛从直流输电系统的仿真模型,并结合牛从直流的实际录波波形进行了参数辨识,最终利用PSCAD复现了牛从直流乙线换流变压器空充过程中甲线直流电流的录波波形,验证了所建模型的合理性和有效性。

基于表面分析的金属化膜电容器老化机理研究

金属化膜电容器被广泛应用于脉冲放电的能量存储、柔性直流输电的电压支撑以及交流电网中的中低压补偿等领域,其运行过程的老化现象造成的损失十分严重,亟需进一步研究其老化机理。对此,首先通过加速老化试验得到一批老化后的金属化膜电容器,对其进行解剖;利用共聚焦显微镜和扫描电镜对金属层进行表面分析,发现靠近电极侧的老化现象主要由自愈失败造成,而远离电极侧的老化则主要由电化学腐蚀造成,且层间的空气水分对2种老化机制均有加强作用。研究结果一方面能够为金属化膜电容器的生产制造提供理论指导,另一方面,能够提出新的老化状态表征参量,对金属化膜电容器的寿命判断提出新的预估方法,从而为其在实际应用过程中的在线监测提供理论依据。

换流器保护在交流故障下的出口时序特性分析

当交流故障的故障条件不同时,换流器保护的出口结果和出口时间均具有不确定性,针对该问题展开系统的研究。梳理了换流器区故障和换流器保护的类型,并基于实际特高压直流工程的RTDS实验结果分析了交流故障下可能动作的换流器保护及其动作机理。详细分析了换流器保护的故障后电气特征离散性和计时原理,指出这是导致换流器保护动作时间不确定的两个原因。进一步深入对比了交流故障下存在出口时序离散性的3种换流器保护的动作逻辑,并结合上述特高压直流工程的RTDS实验结果分析了不同故障条件下这3种保护的出口时序特性。分析结果表明,这些保护延时定值极为接近,而且可能相互闭锁,不同故障条件下三者的出口时序关系决定了不同的动作结果。

考虑VSC-MTDC动态稳定性约束的优化协调控制策略

为了解决多端柔性直流系统（VSC-MTDC）直流电压越限和功率分配不合理的问题,提出了一种与调度系统相结合的协调控制策略。通过调度系统进行短期负荷预测,并以所有下垂控制站的下垂系数、直流电压参考值和直流功率参考值为决策变量,以直流电压、直流功率和直流线路电流不越限为不等式约束,建立系统损耗和直流电压偏差最小为目标的多目标优化模型。此外,为了保证系统稳定性,通过建立反映VSC-MTDC直流侧响应的状态空间模型的方法,引入所有下垂系数之和为常数的等式约束。算例中搭建了四端VSC-MTDC系统,对定功率站的功率不变、功率突变以及计划停运等情形进行实验。结果表明,所提算法能在保证系统稳定的前提下,确保各节点直流电压波动范围为额定值的–5%~5%以内,同时保证各站的直流功率不满载。因此,所提算法能够优化VSC-MTDC的运行特性,可作为一种稳态调控或计划停运的控制手段。

中国海上风电检测与认证标准体系研究

建立和完善海上风电检测与认证标准体系,有助于把控风电机组的产品质量,提高海上风电运行可靠性,对于大规模海上风电接入后电网的安全稳定运行至关重要,为此系统研究我国海上风电检测与认证标准体系,并提出思考和建议。首先介绍我国目前的风电产业标准体系概况,分析该体系各环节中专门针对海上风电设立的标准占比,提出加快建设、健全海上风电标准体系的必要性;其次,分析我国现有海上风电合格检测、认证标准的内容及实施情况,指出项目认证对于海上风电具有重要意义,提出实行海上风电项目认证强制性要求的重要性;最后,分析我国关于海上风电并网检测、认证的探索,提出加快我国并网性能评估和认证相关标准的制定工作的迫切性。

空充变压器时直流线路沿线50 Hz分量分布的定量计算研究

空充变压器可能在邻近运行直流线路上产生电压和电流的50 Hz分量,存在引发50 Hz保护动作而导致直流降功率的风险。针对空充变压器时直流线路沿线50 Hz分量的分布展开研究,为进一步制定合理的应对措施提供指导。分析了运行直流线路产生50 Hz分量的机理,并提出基于测试信号法的直流线路入口端谐波阻抗计算方法。在此基础上,研究了在不同运行方式下,空充变压器时运行直流线路沿线50 Hz分量的定量计算方法。以牛从直流的PSCAD/EMTDC仿真模型为例,利用上述方法进行计算,并将计算结果与仿真结果进行对比。分析结果表明,二者具有较好的一致性,这验证了所提定量计算方法的准确性和有效性。

基于频率耦合阻抗模型的海上风电并网系统振荡稳定性分析

海上风电的大规模开发利用可能会引起次(超)同步振荡事故,降低系统的稳定水平,因此亟需一种能准确分析海上风电并网系统振荡稳定性的方法。为此,首先建立设备的频率耦合阻抗模型,根据系统的拓扑结构,形成海上风电并网系统的阻抗网络模型,由网络的传递函数得到系统的聚合阻抗,根据聚合阻抗的频率特性获得系统的振荡模式并判断模式的稳定性。将所提方法应用到某海上风电交流外送系统中,分析系统的次(超)同步振荡风险,研究并网风电机组数量和交流系统强度这2个关键因素对系统次(超)同步振荡的影响规律,并通过仿真验证分析结果的准确性。