白鹤滩-江苏特高压混合级联直流工程数模仿真平台构建及特性研究

白(鹤滩)—江(苏)特高压直流输电工程是世界上第1个受端采用电网换相换流器(line-commutated converters,LCC)+模块化多电平换流器(modular multilevel converters,MMC)级联结构的实际工程,且受端分层接入4个交流馈入点。根据白江工程设计资料与实际参数,构建了包含与实际工程功能一致的MMC数字阀控系统、小步长现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)阀体仿真模型、直流实际控制保护装置的白江工程数模混合实时仿真平台,实现对白江工程百纳秒–微秒–毫秒级多时间尺度精准仿真。通过大量的功能性试验,以及与实际工程录波的一致性对比试验,验证了仿真平台的准确性;仿真分析了白江工程特殊结构和控制模式能在一定程度上提升对受端交流故障的抵御能力,可避免换相失败或降低换相失败的功率扰动,并改善受端故障引起送端交流过电压问题。本平台将继续应用于多回直流馈入华东的大电网数模混合仿真研究中。

特高压直流系统融冰运行方式试验与工程调试

向家坝—上海及锦屏—苏南?800 kV特高压直流输电工程融冰运行方式拓扑结构为并联换流器结构,控制策略采用并联多端直流输电(multi-terminal direct current,MTDC)系统的电流裕度控制策略。对特高压直流工程融冰运行方式调试过程中出现的稳态直流电流偏大、极II解锁过程中金属回线纵差保护跳闸(metallic return longitude differential protection,MRLDP)及极I闭锁过程中极II融冰方式跳闸等问题进行了详细分析,提出了融冰运行方式下提高逆变侧换流变分接头档位、禁止MRLDP保护等建议的解决方案。通过EMTDC离线仿真和锦苏直流工程现场调试对解决方案进行了验证。验证结果表明了解决方案的有效性,可为其它特高压直流工程融冰运行方式控制保护系统设计提供参考。

华东多直流馈入系统换相失败预防和自动恢复能力的优化

根据华东电网2013年夏季大负荷方式BPA动态等值数据,在电磁暂态程序中采用了与直流工程控制保护一致的详细模型建立华东电网多直流馈入输电系统研究模型,实现了南瑞集团公司、许继集团有限公司以及ABB集团多种技术路线直流控制保护详细模型的有效结合。对华东地区六回直流工程中采用的换相失败预测方法和低压限流参数进行对比分析,给出各工程间参数的差异。在此基础上,研究了优化换相失败预测参数、增加定关断面积法、增大额定关断角对抵御换相失败的作用。最后,通过对低压限流环节参数和瞬时电流限制的研究,提出了直流换相失败后的恢复策略,研究结果可为直流系统运行提供技术参考。

基于高频电压突变量的特高压直流输电系统接地极引线故障监测方法

为快速检测并切除特高压直流输电系统接地极引线故障,提出了一种基于高频电压突变量的高压直流输电接地极引线故障监测方法。首先分析了接地极引线接地故障时高频电压的特性,在此基础上,提出了利用高频电压突变量作为判据检测接地极引线故障的新方案。所提出的故障监测方法不受高频信号下接地极引线阻抗—距离非单调性质的影响,有一定的抗过渡电阻的能力,对接地极引线参数测量误差具有较强的适应性。并且,该算法可以直接应用于现有的接地极故障监视系统(ELIS)中,无需额外的硬件投资。为验证所提出方案的性能,基于电磁暂态仿真程序PSCAD进行了数字仿真试验,结果表明,当过渡电阻小于200?时,该方法均能灵敏可靠地识别并隔离故障,其在电力系统中具有良好的应用前景。

±1100kV特高压直流接入系统控制策略优化

为满足未来更大容量、更远距离的输电需求,有必要进一步研究更高电压等级的直流输电技术,±1100 kV直流是我国正在研究的一个全新输电电压等级,对于提高我国直流输电技术的自主创新能力具有重大意义。基于2020年规划电网,在对原网进行等值的基础上,在电磁暂态程序上建立交直流系统研究模型,研究了送/受端交流系统故障、直流系统故障对交直流系统运行特性的影响,提出±1100 kV直流输电系统控制保护参数及配置的需求和优化措施,研究结果可为±1100 kV直流输电工程提供技术参考。

适应大容量直流接入弱受端的直流极控系统优化控制方法

大容量直流接入较弱受端系统,换流母线电压相对敏感,故障扰动易引起直流换相失败甚至发生连续换相失败。针对弱受端交流故障恢复过程中可能出现的连续换相失败问题,提出了根据交流系统和直流系统关键变量,在线计算调整低压限流功能直流电压上限值的方法,使直流的恢复速度能适应交流系统的恢复状态,避免连续换相失败的发生;提出了逆变站调节器配合和分接头控制的优化方法,使逆变站进入定直流电压控制模式,能在一定程度上减小远端故障引发换相失败的概率。利用与实际直流工程极控系统完全一致的仿真模型进行仿真验证,仿真结果表明:所提出的优化方法可行、有效,能适应弱受端系统对于抵御换相失败的需求,有利于改善交直流系统运行稳定性。

特高压直流输电系统接地极引线阻抗监视策略

为提升特高压直流输电系统接地极引线的故障识别性能,提出一种新的接地极引线阻抗监视策略。对输电线路的全频带阻抗—距离特性进行了理论分析,以此为基础提出了基于高频信号注入的接地极引线阻抗监视策略,并给出了注入信号频率选择原则及故障告警判据。研究表明:若接地极引线长度超过注入信号的1/2波长,金属性接地故障时,阻抗监视装置测量阻抗的虚部随故障距离呈周期性变化,加大了判据整定的难度。因此注入信号频率的选择应保证金属性故障时,线路阻抗随故障距离的增加而单调变化,同时最大的故障阻抗模值应小于线路正常运行时的阻抗,且留有一定裕度。PSCAD仿真验证了该策略的有效性。

特高压直流输电工程调试换流阀低压加压试验时直流电压异常跌落分析

为了进一步认识直流(DC)输电工程低压加压试验的特点,针对锦屏—苏州南±800kV特高压直流(UH-VDC)输电工程第一阶段分系统调试期间,锦屏换流站极Ⅰ低端换流阀低压加压试验过程中直流电压出现异常跌落的情况进行了详细理论分析和仿真研究。依据现场实测电压波形的特点、幅值及异常跌落周期和跌幅规律,对影响低压加压试验的试验电源、接线回路、直流系统控制系统及阀控制系统分别进行了排查研究,并且运用EMT-DC仿真软件对上述环节进行了故障模拟仿真。研究表明,低压加压试验中12脉动直流电压的前8个脉动波形正常,电压值基本保持在200V左右,第9个脉动的电压异常跌落至0V,第10、11、12个脉动的电压又回升并保持在100V左右,直至该周期结束,之后此过程每周期重复出现。由此特点推测试验过程中阀触发控制环节出现故障,导致某个阀未导通或异常触发,从而使直流电压异常跌落。在EMTDC仿真的阀不触发故障波形与现场波形完全符合,印证了推测的正确性。依据仿真结果,最终在现场发现阀触发环节中光纤回路故障,导致阀触发脉冲中断而出现异常,同时也得到了12脉动阀组中单个阀未触发情况下的典型波形。可见,通过对现场波形的详细分析以及仿真的进一步校验,发现了导致低压加压试验异常的原因,使得试验最终顺利进行并获得成功。另外,通过分析、研究,对于试验中可能出现问题的环节以及对应的异常特征有了进一步的认识,尤其是低压加压试验触发异常情况的波形特点,对于今后其他工程的建设和相关研究都有一定的参考价值。

宁东直流大地回线转金属回线转换失败原因分析与改进建议

在我国高压直流输电投入实际运行以来,在大地回线转金属回线过程中,多次发生由于金属回线转换开关(MRTB)并联的吸能避雷器损坏而导致转换失败的事件,迫切需要精确反应开关动作机理的研究手段。通过对宁东直流输电系统现场大地回线转金属回线转换成功的与失败的录波波形对比分析,得出转换失败前后的系统电气特征。采用宁东直流实际的主回路设备参数和控制保护功能,建立起以直流电磁暂态程序(EMTDC)为基础的详细模型,再现了开关转换和故障过程的暂态现象。不仅验证避雷器由于四柱并联,长期运行操作使每个柱特性变化不一致,较小阻抗单柱承受较大的能量而损坏,而且,通过对转换失败之后逆变站金属回线接地保护动作闭锁直流系统事件进行分析,得出由于逆变站金属回线接地保护软件策略缺陷,导致保护动作闭锁直流系统。根据分析结果,对宁东直流大地转金属回线过程提出改进建议,同时对后续直流工程的MRTB并联避雷器的成套设计提出建议。

特高压直流融冰方式控制策略及试验分析

特高压直流输电工程融冰接线方式采用极I和极II高端换流器并联接线运行方式。向(家坝)—上(海)和锦(屏)—苏(南)?800 k V直流工程融冰基本控制方式采用并联混合式多端直流输电系统(multi-terminal direct current,MTDC)控制策略,溪(洛渡左岸)—浙(江金华)?800 k V直流工程采用并联换流器电流裕度控制策略。分析特高压直流工程融冰方式控制保护原理和向上、锦苏以及溪浙工程融冰方式系统试验结果,并对融冰接线方式系统试验过程中发现的稳态运行直流电流略大于设定值、直流电流不能稳定运行等问题进行论述和分析,揭示产生问题的原因,提出解决方案,并在向上特高压直流输电工程融冰方式系统试验过程中得到验证。

基于电流突变量比值的高压直流输电线路纵联保护方案

针对现有的高压直流输电(HVDC)线路纵联差动保护可靠性不足且动作延时较长的问题,提出了基于电流突变量比值的HVDC线路纵联保护方案。该方案利用特定频率下直流滤波器组和HVDC线路中的电流突变量比值的大小识别故障发生的位置。当发生区内故障时,整流侧电流突变量的比值和逆变侧电流突变量的比值均在1附近;当发生区外故障时,整流侧电流突变量的比值和逆变侧电流突变量的比值中必有一个远大于1。仿真结果与现场录波数据测试表明,基于电流突变量比值的HVDC线路纵联保护方案能够在各种工况下准确快速地识别区内外故障。

利用测量波阻抗相位特征的高压直流输电线路纵联保护

为提高直流线路后备保护的可靠性和速动性,提出了一种利用测量波阻抗相位特征差异的直流线路纵联保护方法。通过对直流输电线路区内、外故障时线路两端测量波阻抗的相位特征分析可知,在一定频率范围内,直流线路内部故障时,线路两端测量波阻抗相位约为–90°;在直流线路外部故障时,线路两端测量波阻抗相位分别接近–90°和0°。区内、外故障下线路两端测量波阻抗相位差异明显,据此可以实现对区内外故障的判别。由于区内外故障时测量波阻抗的相位特征仅与直流线路边界和线路波阻抗有关,与故障距离、过渡电阻和故障类型等因素无关,因此该保护方法的门槛值易于整定。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,该保护方法的动作性能不受故障距离、过渡电阻和故障类型的影响,具有良好的灵敏性和速动性。

基于直流输电无功控制的多直流馈出电网交流系统过电压最优抑制策略

为解决多直流集中外送电网在单回直流故障期间交流电网出现的过电压问题,提出了一种基于高压直流输电无功控制的过电压最优抑制策略。对直流输电系统外送功率受阻时交流系统过电压的机理进行了研究。研究表明,在直流输电系统换相失败或线路故障重启期间,换流器消耗无功明显减少,在交流侧滤波器切除之前,交流系统无功严重过剩,导致换流站交流母线出现较为明显的电压抬升,甚至出现过电压。基于该机理提出了过电压抑制策略,该策略在单回直流故障期间,短时提升近区健全直流逆变侧关断角γ及直流电流指令,在保持健全直流外送功率不变的基础上,增加整流侧换流器的无功消耗,从而抑制过电压的策略。基于最优控制器的设计方法,给出了过电压抑制环节的设计过程及实施方法。中国西南某双直流馈出电网实际仿真算例验证了该抑制环节的有效性。

多馈入系统直流间耦合程度量化表征方法

目前多回超/特高压直流馈入华东电网,交直流系统之间交互作用及耦合复杂。为了量化表征多馈入直流间耦合程度,提出了多馈入直流系统的交流电压畸变耦合系数。通过计算一回直流内部故障引起其余直流逆变站换流母线交流电压的畸变程度,得到多直流间耦合系数。该耦合系数包含了直流输送容量对交流系统的影响、不同技术路线直流控制系统内部控制环节响应特性差异以及直流逆变站之间交流电网的阻抗特性等因素的综合评估。利用耦合系数提出耦合区域的概念,可用于评估多回直流同时换相失败的风险。以华东电网多馈入系统为例进行了仿真验证,结果表明所提出的耦合系数以及耦合区域表征形态与实际运行中的情况基本相符,该系数能为直流的规划和运行提供重要的技术参考。

巴西美丽山水电送出系统安控协控系统调试方案与现场试验

巴西美丽山水电经一期和二期2回±800kV特高压直流输电工程送出系统的安控协控装置Master Control(简称MC),实现2个大型水电站、2回特高压直流以及近区交流系统之间的安稳装置动作和协控指令执行,主要目的是确保巴西北部水电能够最大限度地送出以及电网的安全稳定运行。深入分析了MC系统的设计原则、覆盖范围以及动作时序,并根据调试期间美一工程带原安控系统正常送电的需求,提出了针对性的交替隔离措施和系统调试优化试验方案,确保对MC系统全部稳控功能和接口设备进行检验;同时在现场完成了试验方案的实施,确认了MC系统的功能正确,动作结果符合预期,满足投入运行的条件。

华东多直流馈入系统换相失败仿真研究

基于2013年华东电网夏季高峰方式,经动态等值在电磁暂态程序上建立交直流输电系统研究模型,采用了与工程控制保护一致的详细模型,建立了多直流馈入输电系统模型,首次实现了南瑞、许继以及ABB公司多种技术路线直流控制保护详细模型的有效结合;针对葛南、林枫、宜华、复奉、锦苏、龙政6回直流落点华东交流系统发生单相和三相故障时,直流系统发生换相失败的情况及交直流系统动态性能进行了研究;给出了换相失败持续时间和直流恢复时间的统计结果;分析了逆变站与交流系统交换无功功率在故障及其恢复期间的变化情况。研究结果表明即使华东地区6回直流同时发生换相失败,交直流系统均可以正常恢复。最后通过仿真计算给出了华东地区发生单相和三相故障可能导致华东6回直流同时换相失败的区域。