海上风电低频输电系统快速母线保护

海上风电低频输电系统母线故障后,换流器型电源等效电势与阻抗因控制的切换与调整过程,不再像传统电网可视为恒定。文中理论分析了母线电流差动保护适应性,明确故障控制策略对差动保护灵敏度的影响方式。利用母线区内外故障所对应的故障等效模型不同,提出基于时域全量模型识别的母线保护。该保护原理反映被保护元件自身拓扑的变化,理论上具有不受电源特性影响的优势,同样适用于其他换流器型电网。同时,所提保护在时域中实现,不存在相量提取问题,动作速度快。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型,验证了所提母线保护的可靠性和快速性。

利用换流器构建有源边界的单端全线速动保护原理

换流器技术变革导致线路边界的无源元件弱化甚至被取消,仅凭单端电气量特征难以实现全线范围内的故障识别。针对该问题,文中充分发挥换流器的高可控性,主动构建换流器对区内外故障的特异性响应特征,建立与单端量保护具有配合关系的有源边界,进而实现单端全线范围的故障识别。在此基础上,进一步讨论有源边界特性的附加控制策略和关键参数的选择依据,并分析有源边界响应在故障回路中的传播规律,进而设计与之配合的单端全线速动保护判据。仿真验证结果表明,所提方法在高阻故障时仍能够可靠识别,提高了传统单端量保护的可靠性和灵敏性。

逆变型电源场站故障稳态电流实用化计算方法

单机倍乘法常用于逆变型电源场站的故障稳态建模,可简单估算场站短路电流水平,但计算精度有待提升。文中首先分析了低电压穿越控制策略约束下,有功出力、电压跌落程度对发电单元输出的稳态电流的决定性作用,得出故障稳态电流输出特性曲线,基于此分析了场站电气距离及有功出力差异对单机倍乘法计算误差的影响。在误差分析的基础上,提出了计及发电单元分布特性的改进单机倍乘法。该方法在发电单元接入点电压计算中,利用等值阻抗来等效发电单元与并网点的电气距离;将场站分群等值为两台机组,减小发电单元间有功出力差异对短路特性的影响。不同场景下的仿真分析表明,改进方法计算精度较单机倍乘法有着较大的提升。所提方法仅需通过简单计算即可实现场站分群和短路电流聚合,有较好的工程实用性。

能量视角下的电力系统惯量

同步机主导的电力系统中,机械旋转惯量是决定频率动态的主导因素,被代指为系统惯量。随着新能源占比升高,机械旋转惯量不断下降,其主导作用被削弱,现有对电力系统惯量的认知不再适用。文中首先回顾惯量作为阻碍物体状态变化能力度量的物理本质,把电力系统建模为包含不同尺度下多种能量形式和元件的能量供应链,将惯量广义化为机械旋转惯量、电惯量、热惯量、流体惯量。能量供应链中,同一尺度上存储惯量和通道惯量组成的“惯量对”决定了该尺度的动态;总的尺度上,不同尺度的多个“惯量对”决定了时域的序贯动态和频域的级联滤波特性。然后,进一步揭示了惯量需求的根源是能量需求,存储单元需要有足够的瞬时可释放能量来应对传输通道引起的能量补充滞后,整个能量供应链需要存储足够的本地能量支撑分散控制。能量视角下的电力系统惯量认知有助于评估新型电力系统的惯量需求,为新型电力系统有功控制的方法设计提供理论指导。

一种适用于混合双极直流输电的纵联方向保护方法

直流输电线路通常是以大电感和直流滤波器作为边界,故障行波在边界发生折射和反射时,其行波能量也会因为电感和滤波器的存在而被吸收,导致区内、外高频行波能量产生差异.当故障发生为正方向故障时,其高频前行波能量小于高频反行波能量;当故障发生为反方向故障时,其高频前行波能量大于高频反行波能量.由此特征提出了一种基于前、反行波高频能量差异的纵联方向保护,该保护采用小波包变换提取行波的高频能量,利用前行波与反行波在区内故障和区外故障时的高频能量差异判别故障.仿真结果表明,该保护能快速准确地识别故障,并且不受故障类型、过渡电阻以及故障发生位置距离和噪声的影响,具有一定的实用性.

基于首行波曲率半径的交直流互联电网交流输电线路单端量保护

交直流互联电网中逆变侧交流输电线路故障特征与纯交流系统具有较大的差异性,传统交流输电线路的保护方案已经不再适用于逆变侧交流输电线路.首先,基于逆变侧交流输电线路发生区内、外故障时拓扑结构的不同,分别推导了两种情况下线模故障分量电流首行波的表达式,理论上明确了交流输电线路在发生区内、外故障时首行波波形特征的差异性.其次,采用小波变换模极大值法和Levenberg-Marquardt算法提取首行波曲率半径,构造了利用首行波曲率半径进行故障区域识别的高可靠性单端量保护方案.最后,在PSCAD/EMTDC中搭建交直流互联电网模型,使用MATLAB对保护方案进行验证.仿真结果表明:所提保护方案快速有效,可靠性高,耐受过渡电阻的能力较强,具有良好的抗噪声能力.

适用于双馈风电场送出线的纵联方向保护研究

考虑风电场接入电网时,传统方向元件在短路故障发生时易受到风电场内部电力电子器件动态特性的干扰影响,导致频率特性偏移,系统参数不稳定和弱馈性等问题,使继电保护装置不能及时或正确判断故障发生区域。针对上述问题,首先对含有风电场的故障附加网络进行分析,寻找故障发生后纵联保护安装处各测量点电气量之间的关联性,确定其故障逻辑关系。其次通过对常用的相模变换解耦方式进行分析,选择一个合理的方法代入相关性表达式,根据相关系数值完成故障区域判定。最后利用PSCAD/EMTDC搭建双馈风电场并网模型,设置各种不同的故障类型和场景,并利用Matlab进行保护算法验证,检验故障区域判断结果,验证所提保护方法的正确性与合理性,并且仿真结果表明该方法具有较高的可靠性。

基于暂态电流行波突变的LCC-MMC混合双极直流输电纵联方向保护

在直流线路中行波保护作为主保护应用广泛,但行波保护作为单端量的保护具有误动性较高且耐过渡电阻能力较差的缺点。在分析了行波在直流输电系统中传播特性的基础上,根据区内和区外故障时暂态电流行波变化方向的不同提出了一种基于暂态电流行波突变的LCC-MMC混合双极直流输电系统纵联方向保护。若故障时两侧暂态电流行波突变方向相同,则为区内故障,否则为区外故障。通过PSCAD和MATLAB的仿真结果表明,该保护能快速准确地识别故障,并且不受故障类型、过渡电阻以及故障发生位置距离的影响,因此具有一定的实用性。

电流差动保护在海上风电低频送出线路中的适应性分析

低频输电技术在中远距离海上风电领域应用潜力巨大。电流差动保护是广泛应用的传统交流保护,面对电力电子型电源时其性能可能受到影响,故有必要研究其在海上风电低频输电系统中的适应性。文中基于故障复合序网推导了直驱风机和模块化多电平矩阵换流器的电源特性对故障电流的影响,理论分析了电流差动保护的适应性。为定量分析保护适应性,提出了基于改进节点方程的故障电气量计算方法,计算给定故障条件下的故障电流和保护判据取值,判断保护动作情况。研究表明,单相接地和两相短路时保护灵敏度降低,甚至可能拒动;两相接地和三相短路时,保护能正常动作。最后,建立PSCAD/EMTDC仿真模型验证了理论分析和计算方法的正确性。

基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距

为克服对端系统助增作用的影响,实现直流配电线路短路故障的准确测距,提出一种主动探测式的故障测距原理。故障发生后,设计限流策略限制短路电流,进而切换至主动探测控制策略下,向直流线路注入特征频率探测信号。根据特征频率下故障等效电路的激励与响应特性,构建故障测距方程,实现了基于故障分析法的单端量故障测距。基于PSCAD电磁暂态仿真软件搭建了对应模型,仿真验证了不同故障位置和故障过渡电阻情况下测距原理的性能,采用特征频率探测信号构建测距方程,克服了对端电源助增作用的影响,测距结果的相对误差在0.5%以内。

西北电网330 kV尖樊线人工短路试验中接地距离保护适应性分析

以风电为代表的新能源场站的故障特征对传统距离保护的附加阻抗产生了新的影响,导致保护性能降低。而现有距离保护适应性研究缺乏对单相接地故障场景的分析。为此,结合西北电网于尖樊线进行的2次人工短路试验数据,基于多种控制策略下的风电场故障特征,分析单相接地故障下接地距离保护附加阻抗系数,进而判断保护适应性。研究发现网侧保护附加阻抗系数较小,两侧电源故障电流对保护影响较小;而风电场侧保护附加阻抗系数较大,两侧电源故障电流对保护影响较大,导致保护拒动。

面向主动探测式保护的变流器正交控制策略

为避免主动探测式保护的变流器附加控制策略与原有基础控制策略之间相互干扰,提出了一种正交控制的方法。首先分析了新型电力系统中变流器的基础控制策略,针对空间矢量脉宽调制采用正序分量计算空间矢量的特点,设计了基于负序分量的附加控制策略,保证基础控制系统、附加控制系统相互解耦。其次利用基础和附加控制策略处理后的不同信号频带,引入前置滤波环节,给出了常规应用场景下的正交控制策略;然后研究了脉冲信号的生成方式,分析了附加控制策略的适用场景;最后分析了探测信号生成对一次系统和传统保护的影响。

传统交流线路保护在换流器并网系统中的适应性分析

提出了一种继电保护适应性评估方法,基于对换流器并网系统电气量特性的分析,对工程中常配备的纵联差动保护、保护辅助元件和距离保护在换流器并网系统中的适应性进行了评估,并分析了换流器控制策略、故障场景、系统拓扑参数等因素对保护适应性的影响,给出了保护适应边界,针对部分存在适应性问题的保护,提出了性能优化方案。最后利用PSCAD/EMTDC仿真验证了保护适应性分析的正确性和优化方案的有效性,所得结论可以为我国新型电力系统中继电保护的适应性研究以及优化配置提供理论指导。

基于CET变换器的串联型风电全直流系统研究

串联型汇集送出方案被认为是规模化远海风电全直流系统最可能实现的方案。为避免串联型直流风电机组因风电机组间耦合特性引起的过电压现象和风功率损失,使系统实现高压直流送出和具备直流故障自清除能力,提出了基于容性能量转移原理DC/DC变换器(capacitive energy transfer principle based DC/DC transformer, CETDCT)的新型串联系统。该系统拓扑中海上升压站为CET-DCT结构,并采用基于混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的直流风电机组和岸上换流站。以实现风电机组全工况下的最大功率点跟踪、穿越多种直流故障为目标,设计了系统的控制与保护策略。基于PSCAD/EMTDC搭建了传统串联系统和新型串联系统的仿真模型。对传统串联系统风电机组间功率不平衡工况的仿真,验证了风电机组的过电压和风功率损失现象。对新型串联系统稳态工况和故障工况的仿真,验证了新型串联系统的运行特性及所提策略的有效性。

架空-电缆混合线路接地故障距离保护整定研究

针对架空线与电缆的线路参数不均一,提出了架空-电缆混合线路接地距离保护的整定优化方法。分析了零序电流补偿系数对测量阻抗的影响,两侧保护分别采用从母线起混合线路全长70%的正序阻抗和零序阻抗来计算零序电流补偿系数;分析了故障处于不同位置时,架空线侧和电缆侧的保护所采集的故障相电压波形特征,发现电缆侧保护所采集的故障相电压含有较大幅值的非整次谐波,故架空线侧保护采用从母线起线路全长70%的正序阻抗作为整定阻抗,而电缆侧保护采用整条线路正序阻抗的70%作为整定阻抗。利用PSCAD建立了架空-电缆混合线路模型并进行故障仿真,结果表明,该方法可有效提高架空-电缆混合线路接地距离保护Ⅰ段的灵敏性。

基于重合相有功功率的配电网永久性故障识别方法

针对盲目重合于永久性故障会给配电网带来二次冲击等问题,提出一种基于重合相有功功率的配电网永久性故障识别方法。首先,建立了配电网分相重合时的分析模型,推导了不同中性点接地方式下瞬时性和永久性故障时的重合相有功功率表达式,得到了不同故障性质下有功功率的差异;其次,构建了基于有功功率的永久性故障识别判据,分析了过渡电阻、负荷大小等因素的影响,得到了所提方法在不同中性点接地方式系统中的适用范围并提出了分相重合策略;最后,通过PSCAD/EMTDC仿真结果验证了理论分析正确,以及所提永久故障识别方法耐过渡电阻能力较强。

基于Pearson相关系数与广义S变换的低压直流微电网的故障选线方法

针对低压直流微电网线路的故障选线方法的研究有限,提出一种基于Pearson相关系数与广义S变换的故障选线方法。首先,介绍了低压直流微电网的一般组成。在此基础上,研究了低压直流微电网的单极故障以及极间故障的故障特征,提出选线方法,对各线路正负极首末端电流差进行Pearson相关系数计算来确定故障线路。然后对所选故障线路正负线路首端的电流量进行广义S变换,计算出其能量和的比值判别故障极性或者极间故障。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建出低压直流微电网模型以输出各线路电流数据,并利用Matlab对数据进行仿真。结果表明,所提选线方法直接有效,且耐受过渡电阻的能力较强。

基于双馈风电场的三相短路电流计算及保护方法

新能源发电技术在电力系统中逐渐占据越来越大的比重。为了实现电力系统安全运行的稳定性,需要了解系统故障的影响,根据双馈风力发电机的撬棒动作情况以及相关暂态特性完成短路电流计算。通过建立双馈风力发电机模型,并根据双馈风力发电机在三相短路故障期间投入的撬棒保护,对风机内在机理的动态变化进行分析,精确计算定转子磁链在故障期间的变化情况,从而得到撬棒动作时的新三相短路电流计算方法。最后通过PSCAD/EMTDC进行仿真验证,并利用Matlab检验计算方法的精确度。同时根据风场的低电压穿越能力与电流保护装置的特性,提出一种针对双馈风电场的低电压穿越保护方案。该方案根据低电压穿越能力的电压变化要求以及短路电流的大小协作完成对线路的保护,以便清除故障后风场电压可以及时恢复并且保持并网运行,且在一定程度上可应对低电压穿越能力的延时问题。

基于电流故障分量变化特征的三端柔性直流配电网线路保护方法

通过利用模块化多电平换流器(MMC)和输入串联输出并联-双有源桥DC/DC变换器(ISOP-DAB)所构成的等效电路在发生不同故障时电流回路的差异分析故障特征,并结合理论数据分析进行验证,提出利用双端线路电流故障分量绝对值变化特征来判断区内外故障以及故障选极的保护方法。最后在PSCAD/EMTDC上建立含有分布式能源的三端柔性直流配电网模型用以输出故障数据,利用Matlab实现保护算法,验证所提保护方案的可行性。

利用改进变分模态分解突变能量的直流配电网保护方法

为了有效识别环状直流配电网中的故障,提高直流配电网保护的可靠性、选择性、速动性和灵敏性,保证系统的稳定运行,提出一种利用改进变分模态分解(VMD)突变能量的线路纵联保护方法。因为VMD算法需要先设置模态数,且模态数与分解效果息息相关,所以首先利用麻雀搜索算法(SSA)找到VMD算法合适的模态数,使得在此参数下的分解效果最优。然后根据线路首末两端突变能量的差异,构造保护方案。将故障时采集的电压、电流故障分量进行SSA-VMD分解,得到若干模态分量并计算其突变能量。根据区内、区外的突变能量大小差异构造区内、外故障判据,由故障时正负极的突变能量比值差异构造故障极判据。在PSCAD/EMTDC中搭建环状直流配电网模型,利用MATLAB进行保护方法验证,结果表明:在不同故障类型下,所提方法均可在3 ms内快速可靠动作;可以识别区内外故障并实现故障选极,保护线路全长;可耐受过渡电阻20Ω,耐受过渡电阻能力强;在40 dB噪声情况下,依旧可以识别故障,有一定的抗干扰能力。