MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流计算方法

为研究基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流侧短路电流的工程实用计算方法,基于金属性短路故障电流通用解析式,分析了MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障时换流站放电电流的相互抑制作用以及放电回路的耦合机理,并基于所推导的解析表达式提出了故障电流的解耦计算方法。基于PSCAD/EMTDC对MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障工况进行仿真分析,将仿真结果与解析计算值进行对比验证。搭建数字-物理混合仿真实验模型,在数字端和物理端分别设置短路故障,对比实验值与解析计算值。验证结果表明,所提故障电流计算方法能准确地表征MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流的演变趋势。

核电多相环形无刷励磁系统故障分析及继电保护原理

多相环形无刷励磁机是目前在运百万千瓦级核电站广泛采用的励磁机型,因其未配备完善的继电保护,现场发生的多起故障带来了严重损失。实现该保护的难点在于励磁机为旋转电枢式电机,可量测的量仅为定子励磁电流,需用单一电气特征实现对多种故障的保护及区分。首先,文中从各种故障前后转子电枢电流及空间谐波磁场特性入手,对励磁机定、转子绕组及旋转整流器故障的特征及机理进行了深入研究,根据绕组结构不对称下定、转子电流的相互感应关系,得出各种故障暂态及稳态时的频谱分布特征及演变规律;其次,以十一相环形无刷励磁机为例,对动模样机进行了不同故障的实验和仿真,实验和仿真结果验证了理论分析的正确性;最后,提出了一种基于定子励磁电流的新型保护原理,动模样机实验及保护装置的现场运行及测试结果表明,该原理能够实现对故障的可靠灵敏保护,并能有选择性地区分故障。

核电多相无刷励磁系统中旋转整流器不同开路故障模式的特征分析及诊断

对于核电站频繁发生的多相旋转整流器开路故障,实际现场不仅需要可靠诊断,还需要对故障模式进行准确区分。利用故障在励磁机定子励磁电流中反映的特征来诊断无法被直接测量到的旋转整流器故障是一种有效的途径,但是以往研究均仅关注故障励磁电流的频域特征,能识别故障的发生而无法进一步对故障模式进行分类。为此,该文对旋转整流器一管开路、一相开路以及不同位置的两相开路故障后励磁电流时域、频域及频谱分布特征进行研究。首先,对某11相环形无刷励磁系统的运行特性进行理论分析,基于二极管导通顺序及故障二极管在电机运行周期中所处的位置,对故障励磁电流时域特征进行分析;其次,基于故障对励磁电流的影响机理,对励磁电流故障分量进行解析,得到了旋转二极管不同模式故障下的频域及频谱分布特征,并通过某11相动模样机实验验证了理论分析的正确性;最后,结合励磁电流时域、频域以及频谱分布三者特征,提出了二极管不同模式故障的诊断方法。样机实验表明,该文提出的诊断方法能实现所有故障模式的区分,可为一般多相环形无刷励磁系统旋转整流系统故障的保护提供依据。

HVDC送端交流系统故障引起换相失败的机理分析

通常认为高压直流输电(HVDC)的换相失败是由受端交流系统或换流阀故障引起,但工程实践中发现,送端交流故障同样可能引发逆变器的换相失败。目前,针对此类换相失败的研究较少,且大多局限于传统的母线电压幅值特征,对其机理研究不够深入。鉴于此,首先通过分析故障后的交直流系统响应,指出与一般受端故障不同,送端交流故障引发的换相失败发生在故障切除后的恢复阶段,且受端母线电压幅值大小不是其关键因素。在此基础上,对故障切除后的受端母线电压相位特性进行剖析,得出有功功率的恢复会导致受端母线电压相位前移,进而压缩关断裕度并造成触发延迟。进一步地,在不同故障程度下分析了系统换相失败过程对应的触发指令与直流电流的变化。结果表明,当送端故障相对轻微,受端保持定关断角(CEA)控制时,相位前移及突增的直流电流是导致逆变器换相失败的主要原因;而在送端故障程度加深,受端切换至定电流(CC)控制后,相位前移是换相失败的主要原因。最后,基于CIGRE标准模型,仿真验证了分析的正确性。

基于励磁电流时序特征的核电多相旋转整流器二极管开路故障诊断

实现多相旋转整流器的故障诊断对保障核电系统安全稳定运行至关重要。然而,现有方法难以准确识别旋转整流器的二极管开路故障模式。为此,该文首先分析将励磁电流作为诊断变量的理论依据;然后,引入形状子特征(Shapelet)变换算法,充分利用其在可解释性和局部差异识别准确性的优势,提取和挖掘不同故障模式下励磁电流最具有代表性和辨识度的特征子序列;最后,结合机器学习分类器得到故障模式分类结果,形成完整的故障诊断方案。通过11相无刷励磁系统仿真模型和动模样机实验进行验证。结果表明,所提方法能够直观并精细表征不同类别故障电流的局部特征,变换后不同故障数据分布的差异性明显提升,仅需结合简单分类器即可实现快速、准确的故障诊断,具有实际应用潜力。

核电站控制棒电源系统发电机失磁故障解析

核电站控制棒电源(简称棒控电源)是控制棒驱动机构的唯一供电系统,确保该系统的安全可靠运行对提高核电站安全性具有重大意义。实际运行的棒控电源系统中发电机的失磁保护判据原理简单,现场发生了多起失磁保护失配事件,且棒控电源系统中发电机的运行状态不同于常规并网发电机;为了有效解决失磁保护失配问题,需对棒控电源系统中发电机的失磁故障进行重新解析。首先,根据转差率和功角特点将失磁发展历程划分为等功角阶段、异步运行阶段和周期异步运行阶段;其次,以发电机等效电路及相量图为基础,以q轴电动势为切入点,结合发电机基本方程,由各阶段q轴电动势的变化解析得到各电气量稳态表达式;最后,通过实际机组的失磁实验数据以及基于PSCAD平台的失磁故障仿真,全面验证了解析结果的正确性。该文给出的失磁故障解析过程为棒控电源系统发电机失磁保护方案的制定奠定了理论基础。

受端混联型多端直流输电系统逆变侧交流故障特性分析及协调控制策略

受端混联型多端直流输电系统具有很好的工程应用前景,但受端不同换流站在交流故障时的耦合特性复杂,其控制策略应能适应各站交流故障穿越的需求。首先研究了受端混联系统逆变侧并联模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter, MMC)侧交流故障时的电流不平衡、过压过流机理,以及电网换相换流器(line commutated converter, LCC)侧交流故障时的功率返送机理。然后,基于故障特性提出了一种简单的协调控制策略,即通过在MMC从站配置基于有功不平衡量的电压补偿来实现并联站间电流平衡,通过设计合适的LCC定电流整定控制来解决严重过压问题。最后基于白鹤滩—江苏多端直流输电工程实际参数的电磁暂态仿真结果,验证了对故障机理分析的正确性和所提控制策略的有效性。协调控制策略不仅能有效解决MMC功率和电流不平衡问题、减小过压过流和避免功率返送,还能改善系统恢复性能,提升系统安全稳定性。

基于卷积神经网络的核电多相无刷励磁系统旋转整流器故障诊断

多相无刷励磁系统广泛应用于大容量核电机组,对其旋转整流器故障的准确判断是保障机组安全稳定运行的重要前提,但是现有方法难以准确区分所有类型故障。为此,该文提出基于卷积神经网络的多相无刷励磁系统旋转整流器故障诊断方案。在给出故障诊断信号选取的理论基础上,将励磁电流作为输入特征,采用一维空洞卷积神经网络实现励磁电流的特征提取和故障模式分类,并结合置信度指标对诊断结果的可靠程度进行评价。进一步使用Score-CAM类激活映射算法分析模型的诊断机制,兼顾了准确性和可解释性。通过11相无刷励磁系统的动模实验进行验证,结果表明,所提方法能够准确区分旋转整流器的不同二极管开路故障模式,在含噪声情况下仍然有较高的准确率,具有良好的应用前景。

核电站控制棒电源系统相复励发电机短路故障的解析计算

针对核电站控制棒电源系统,现有保护仅采用以额定电流为定值的定时限过流保护作为短路后备保护,导致该系统已发生多起过流保护抢先动作与失磁保护失配的事件。解决保护失配问题的关键在于对控制棒电源系统发电机短路故障电流的准确解析,解析重点在于考虑发电机实际采用的相复励无刷励磁方式对故障电流的影响,而相复励励磁电流由并励电压对应的励磁分量和复励电流对应的励磁分量合成产生。经过合理的假设与模型简化,结合发电机基本方程和励磁系统数学模型,推导得到了并励电压分量作用下的三相短路电流。引入复励电流分量作用,根据励磁电流变化对短路电流进行修正,得到了包含暂态分量和稳态分量的相复励发电机三相短路电流时域解析表达式。由正序等效定则扩展得到两相短路电流的时域解析表达式。基于PSCAD/EMTDC平台建立了控制棒电源系统电磁暂态模型,对理论分析结果进行了验证,进一步对保护优化方法进行了讨论。

考虑放电耦合的MMC-HVDC系统直流线路单极接地故障电流的计算方法

直流线路单极接地短路故障是基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)系统中最常见的故障类型,分析其故障特性、掌握故障电流水平对于继电保护的设计及相关参数的优化具有重要意义。作为分析基础,首先分析并得出MMC直流侧故障电流表达式,然后重点针对金属回线单侧接地方式的MMC-HVDC系统,分析了直流线路故障后的故障点两侧系统在接地电阻上的耦合作用,根据耦合作用的产生原因及本质提出了等效解耦方法,从而得出一种针对单极接地故障电流的实用计算方法。通过对比所提方法与PSCAD/EMTDC的电磁暂态仿真结果,验证了所提计算方法的正确性。

大型水轮发电机励磁绕组匝间短路的稳态故障特征分析

大型水轮发电机励磁绕组匝间短路故障不仅会使励磁电流增大、输出无功功率减小,还会导致机组振动加剧,影响系统的安全稳定运行。为对故障特征及其机理进行研究,以三峡左岸VGS发电机为例,首先通过分析故障时励磁磁动势及其作用在不均匀气隙产生的磁场性质,得出定子相绕组内部存在分数次不平衡分支电流的特征。以定子支路为基本分析单元推导出分支电流时间谐波次数与电枢反应磁动势空间谐波次数的对应关系,进而得到电枢反应磁场在转子绕组中产生的附加电流谐波次数的一般性通式。最后利用经过实验验证的多回路方法对故障进行定量计算,验证了理论分析的正确性,并基于计算结果对故障的保护进行了初步探讨。提出分数槽水轮发电机励磁绕组匝间短路故障特征的分析方法,为故障在线检测与保护奠定了理论基础。

转子匝间短路故障对大型汽轮发电机振动的影响机理

转子匝间短路是大型汽轮发电机时常发生的电气故障,会引起励磁电流增大、输出无功减小、机组振动加剧等不良现象。因不具备分支电流互感器的安装条件,基于定子不平衡电流总有效值的故障监测原理无法应用于大型汽轮发电机,而故障引起的机组振动为监测提供了一种新思路。为此,首先从分析转子匝间短路故障时定子和转子的稳态电流特征入手,全面考虑各种空间磁场的相互作用及转子热变形等实际因素,对故障后发电机的定子和转子振动特性进行了研究;通过对故障案例的调研验证了理论分析的正确性,并分析了影响振幅的关键因素。

定子绕组形式对同步发电机励磁绕组匝间短路稳态电流特征的影响

为研究定子绕组形式对同步发电机励磁绕组匝间短路稳态电流特征的影响,对一台12 kW、6极同步发电机的定子绕组连接进行了不同形式的变换,利用经过实验验证的多回路分析法分别对不同定子绕组形式的电机所发生的同一种转子匝间短路故障进行了计算,通过傅里叶分解得到了稳态故障电流的谐波特征,并进行了比较分析。计算与分析表明,发生励磁绕组匝间短路故障后,电机定、转子电流会出现不同于机端外部短路、定子内部短路等其它故障的稳态电流谐波特征,且不同定子绕组形式的电机表现的特征也各不相同。对励磁绕组匝间短路故障监测与保护的研究,需建立在科学的故障计算基础上,对不同型号的电机都需具体分析计算,根据实际情况选择用来检测或保护的特征量。

基于主保护不平衡电流有效值的转子匝间短路故障监测

为利用发电机主保护所配电流互感器来监测励磁绕组匝间短路故障,以三峡VGS发电机为例,采用多回路方法对故障后进入各主保护的不平衡电流进行了计算与分析;在此基础上,指出利用不平衡电流中的单次谐波进行故障监测的不足,由此提出基于主保护不平衡电流有效值的励磁绕组匝间短路故障监测原理;通过对不同短路匝比故障的计算与理论分析,指出流过中性点间的不平衡电流不适合用来反应于励磁绕组匝间短路故障,而应采用反应于每相绕组内部不平衡电流的监测方法;最后阐述了励磁绕组匝间短路监测与其他常规保护之间的配合,为发电机转子匝间短路故障的在线监测奠定了基础。

多相无刷励磁系统旋转整流器故障的仿真与识别

多相无刷励磁系统中旋转整流器的损坏时有发生,故障恶化将严重影响主发电机的正常安全运行。为识别旋转整流器的故障,建立了包括旋转整流器在内的整个多相无刷励磁系统的多回路数学模型,对旋转整流器的正常运行和常见故障状态进行了仿真,仿真结果同励磁机额定运行值以及实验结果吻合。分析了旋转整流器各种状态时励磁机稳态定子励磁电流的频谱,并对特征机理进行了理论分析,在此基础上提出以励磁机定子励磁电流的4次谐波分量同22次谐波分量的比值作为故障识别对象,为多相无刷励磁系统旋转整流器故障诊断提供了理论依据。

同步发电机励磁绕组匝间短路故障稳态数学模型及仿真

励磁绕组匝间短路故障会造成发电机励磁电流增大、输出无功功率减小、振动加剧等。为实现故障在线监测与保护,需准确快速计算故障电流等电气量。应用交流电机的多回路理论,基于对故障时定、转子电流稳态特征的分析,得到各回路电流的稳态表达式;根据同频率量相等的原则,将稳态时的微分方程组转化为线性代数方程组,得到励磁绕组匝间短路故障的稳态数学模型;利用高斯消去法可直接求得所有回路电流中各种交、直流分量的稳态解,快速实现故障的稳态计算。对一台12kW、3对极的隐极同步发电机进行了空载时励磁绕组匝间短路实验,稳态仿真结果与实验吻合较好。该方法可比暂态仿真减少90%的计算时间,为同步发电机励磁绕组匝间短路故障的监测与保护奠定了基础。

隐极发电机励磁绕组匝间短路故障定位及短路匝数估算

为实现对发电机励磁绕组匝间短路故障的在线检测与保护,以一台12 kW、3对极隐极同步发电机为例,采用多回路法对该样机负载运行时发生的励磁绕组匝间短路故障进行计算,并与实验进行了对比分析;基于计算与实验结果,分别探讨了分布式励磁绕组的故障位置及短路匝数对故障特征量的影响;在此基础上,提出利用定子分支谐波电流进行故障定位及短路匝数估算的新方法,为隐极发电机励磁绕组匝间短路故障在线检测与保护方案设计奠定了理论基础。

无分支电流互感器的同步发电机转子匝间短路监测方法

转子绕组匝间短路是大型汽轮发电机时常发生的电气故障,故障恶化将严重影响发电机的正常安全运行。由于中国绝大多数的大型汽轮发电机不具备分支电流互感器的安装条件,基于定子不平衡电流有效值的故障监测原理应用受到了局限。为此,本文提出一种适用于无分支电流互感器的同步发电机转子绕组匝间短路故障监测方法,该方法依据故障前后励磁磁动势的变化形成故障监测判据。在对实际励磁磁动势的计算中,仅需用到发电机的定子漏抗参数及空载特性曲线,计算精度受发电机运行方式影响较小。通过一台1对极12kW隐极发电机模拟样机的实验验证了监测方法的有效性,该方法同样适用于转子两点接地保护。

同步发电机励磁绕组匝间短路时的电磁转矩(英文)

同步发电机的励磁绕组匝间短路故障会引起机械振动,而研究故障时的电磁转矩是分析机械振动特性的基础。文中首先基于多回路数学模型计算了短路故障后的电磁转矩,计算中全面考虑了定、转子绕组产生的各种次数、转速、转向的空间磁场之间的相互作用;对一台12kW、3对极隐极同步发电机样机进行了仿真计算及实验的比对验证;从分析故障后定、转子电流的谐波特征及其产生的磁场入手对电磁转矩特征进行了理论分析。文中深入分析了励磁绕组匝间短路故障对电磁转矩的影响机理,为利用机械振动特征进行故障监测提供了依据。

模块化多电平换流器的分频均压控制策略

随着模块化多电平换流器(MMC)子模块个数的增多,传统基于排序的均压方法存在开关频率偏高和排序计算量偏大的问题。为此提出了分频均压控制策略,使电容电压排序频率远小于触发控制频率,并从理论上给出了此控制策略的排序频率选取方法。通过厦门柔性直流输电示范工程的电磁暂态仿真算例验证了所提出的分频均压控制策略在一定范围内减小排序频率时,可以在满足MMC的运行性能及安全性的前提下,明显减小开关频率和减轻排序计算负担。