Analysis on the fault characteristics of three-phase short-circuit for half-wavelength AC transmission lines

Half-wavelength AC transmission(HWACT) is an ultra-long distance AC transmission technology, whose electrical distance is close to half-wavelength at the system power frequency. It is very important for the construction and operation of HWACT to analyze its fault features and corresponding protection technology. In this paper, the steady-state voltage and current characteristics of the bus bar and fault point and the steady-state overvoltage distribution along the line will be analyzed when a three-phase symmetrical short-circuit fault occurs on an HWACT line. On this basis, the threephase fault characteristics for longer transmission lines are also studied.

Grid Strength Assessment for Inhomogeneous Multi-infeed HVDC Systems via Generalized Short Circuit Ratio

Generalized short circuit ratio(g SCR)for grid strength assessment of multi-infeed high-voltage direct current(MIDC)systems is a rigorous theoretical extension of the traditional SCR,which enables SCR to be extended to MIDC systems.However,g SCR is originally based on the assumption of homogeneous MIDC systems,in which all high-voltage direct current(HVDC)converters have an identical control configuration,thus presenting challenges to applications of g SCR to inhomogeneous MIDC systems.To weaken this assumption,this paper applies matrix perturbation theory to explore the possibility of utilization of g SCR into inhomogeneous MIDC systems.Results of numerical experiments show that in inhomogeneous MIDC systems,the previously proposed g SCR can still be used without modification.However,critical g SCR(Cg SCR)must be redefined by considering the characteristics of control configurations of HVDC converter.Accordingly,the difference between g SCR and redefined Cg SCR can effectively quantify the pertinent AC grid strength in terms of the static-voltage stability margin.The performance of the proposed method is demonstrated in a triple-infeed inhomogeneous line commutated converter based high-voltage direct current(LCC-HVDC)system.

计及短路比提升与暂态过电压抑制的含高比例风电送端电网两阶段式调相机优化配置

随着送端电网中大规模风电机组的接入及常规同步机组的置换淘汰,电网短路比水平下降,电压支撑能力削弱,故障时易导致新能源机组暂态过电压而发生脱网事故。面向含高比例风电的送端电网,研究综合计及短路比提升和暂态过电压抑制的调相机优化配置方法。首先,利用新能源多场站短路比(multiple renewable energy stations’short-circuit ratio,MRSCR)分析了调相机接入对风电场短路比的提升作用,并基于调相机暂态快速无功响应特性揭示了其对风电机组暂态过电压的抑制机理;然后,提出一种同时计及短路比提升和暂态过电压抑制的两阶段式调相机优化配置策略,第一阶段以风电场短路比提升为核心约束优化配置调相机位置与基础容量,第二阶段以暂态过电压安全为关键约束进行调相机配置容量修正,并引入量子遗传算法(quantum genetic algorithm,QGA)进行优化求解。最终,基于PSD-BPA在含高比例风电的送端电网进行算例分析,验证了所提出的调相机优化配置方法能够显著提升风电机组多场站短路比水平并有效抑制风电机端暂态过电压。

提高新能源场站稳定性的构网型与跟网型变流器容量配比估算

大规模新能源接入使得电网短路比降低,系统电压支撑强度下降,导致静态电压稳定和次/超同步振荡等稳定问题凸显。构网型变流器具有较强的电压支撑能力,在新能源场站配置一定比例的构网型变流器可以提升系统稳定性,但由于构网型变流器容量与稳定裕度的解析关系不明,导致构网型变流器容量合理占比的理论值估算十分困难。该文针对新能源基地接入低短路比弱电网场景,从小干扰稳定视角探讨构网型与跟网型变流器容量配比的估算方法及其典型值。首先,对构网型变流器进行电压源等值,并通过广义短路比指标分析了构网型变流器配置比例对系统强度以及稳定裕度的影响规律;其次,针对改造构网型风电机组和额外加装构网型变流器两种技术方案,以行业相关标准为边界条件并结合典型升压变压器参数,估算了实际工程中容量配比的典型值;最后,利用多风电场系统案例验证了结论的有效性。

基于电气参数加权占比的新能源场站分布式调相机容量配置研究

新能源经高压直流外送系统逆变侧换相失败会导致送端系统暂态过电压问题。作为动态电压支撑设备之一的调相机可有效提升电网电压支撑强度,在抑制暂态过电压及加快故障恢复方面得到广泛关注。针对利用分布式调相机抑制暂态过电压问题,该文首先基于新能源多场站短路比分析电网强度影响因素;然后研究调相机接入对电网参数及强度的影响,同时利用灰色关联分析法计算影响因素与电网强度关联程度,进而以此为权重,提出综合考虑各电气参数影响的调相机容量配置依据指标α;最后以α和过电压水平为约束,研究分布式调相机容量配置方案,并利用机电暂态仿真,从经济性和有效性两个方面验证调相机容量配置方案正确性。

基于相对等效短路比的新能源——柔直送出系统振荡风险评估

新能源基地并网系统面临与电压支撑强度密切相关的振荡稳定性问题,在海量运行方式下,逐一建立精细化模型的稳定性分析过程耗时较长。短路比指标可直观反映新能源并网系统的电压支撑强度和稳定裕度,但现有短路比无法适用于无同步机电源的系统。为此,将短路比概念合理扩展至全电力电子化系统,基于戴维南等效网络来度量新能源-柔直送出系统电压支撑强度,进而提出了能快速评估新能源-柔直送出系统振荡风险的相对等效短路比计算方法,并阐明相对等效短路比能够全面考虑新能源场站发电功率、交流网架结构以及新能源设备变流控制系统等多重因素对振荡稳定性的影响,最后通过算例验证了相对等效短路比评估方法的有效性。

Allocation of synchronous condensers for restoration of system short-circuit power

Modern power systems,employing an increasing number of converter-based renewable energy sources(RES)and decreasing the usage of conventional power plants,are leading to lower levels of short-circuit power and rotational inertia.A solution to this is the employment of synchronous condensers in the grid,in order to provide sufficient short-circuit power.This results in the increase of the short-circuit ratio(SCR)at transmission system busbars serving as points of interconnection(POI)to renewable generation.Evaluation of the required capacity and grid-location of the synchronous condensers,is inherently a mixed integer nonlinear optimization problem,which could not be done on manual basis considering each type of machine and all bus-bars.This study therefore proposes a method of optimal allocation of synchronous condensers in a hypothetic future scenario of a transmission system fed by renewable generation.Total cost of synchronous condenser installations in the system is minimized and the SCRs at the POIs of central renewable power plants are strengthened.The method has potential for application on larger grids,aiding grid-integration of RES.

互联电网短路电流在线分析与优化决策方法

在线分析技术是应对交直流电网短路电流超标和随机波动问题的重要手段。结合调度自动化系统的建模范围和实时数据采集情况,提出在线短路电流计算原则和超标判据;通过日前和实时短路电流多目标逐级优化决策,提升短路电流优化策略对电网时变性和复杂性的适应能力;构建在线短路电流分析和优化控制系统功能架构,通过调度端和厂站端功能集成实现短路电流可靠闭环控制。该方法实现了短路电流精细化分析、综合优化决策和精准闭环控制技术在实际电网的应用,通过对实际电网在线短路电流分析与优化控制系统运行结果的分析,验证了所述方法的有效性和实用性.

直流换流站高通HP3型交流滤波器电抗器匝间故障监测及保护

直流换流站高通HP3型交流滤波器组中电抗器匝间短路故障事故多发,由于缺乏对此故障的快速监测及保护,导致其匝间短路持续存在3~9 min之久并起火燃烧。匝间短路后电抗器的等值电感会不断减小,由此引起了滤波器电路参数变化并进而引发了滤波器配置的热过负荷保护启动告警,长久故障也引发了次生的电抗器底部支撑绝缘子闪络接地致使滤波器差动保护动作出口跳闸。文中分析了3起典型故障案例,结合C型高通HP3型滤波器电路设计理念及运行特点,解释了有关保护启动及动作的原因。基于匝间短路会导致HP3电路中电阻器上的工频电压、电流会随着匝间短路的不断发展而剧烈增大的特性,提出了一种基于工频电压差动原理的故障监测及保护方法。

含跟网型储能的新能源多馈入系统小扰动电压支撑强度分析

储能正常工作时包含充电和放电两种运行模式,导致多储能变流器和多新能源变流器构成的多馈入系统工作点多变,加剧了系统小扰动同步稳定性分析的困难程度。为此,该文聚焦锁相环主导的小扰动同步稳定问题,首先,推导了兼顾储能充/放电运行模式的电网强度评估指标广义短路比,并提出了基于广义短路比及设备临界短路比的系统电压支撑强度分析方法,进而实现了系统小扰动同步稳定裕度的快速评估;然后,探究了跟网型储能变流器的充/放电运行模式对系统小扰动同步稳定裕度的影响规律,并根据矩阵联锁特征值定理论证了跟网型储能变流器工作在充电模式时,系统的小扰动同步稳定裕度高于放电模式;最后,基于仿真算例验证了所提系统小扰动同步稳定性分析方法的有效性。

基于等效电流源的级联混合直流馈入系统强度影响分析

级联型混合直流系统受端的模块化多电平换流器高压直流系统(modular multilevel converter high voltage direct current,MMC-HVDC)和电网换相换流器高压直流系统(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)会因馈入点电气距离较近而存在强相互作用关系。为明确级联型混合直流馈入系统中MMC-HVDC对LCC-HVDC系统强度的影响,提出考虑幅值和相位的MMC等效电流源的简化等效方法,基于所提MMC等效原理将级联型混合直流馈入系统等效成单馈入LCC-HVDC系统,分析等效单馈入系统的参数计算方法,并提出等效单馈入短路比评估指标。最后通过该指标分析归纳了不同控制方式、不同电气距离下等效单馈入系统的系统强度变化情况,即为MMC-HVDC对LCC-HVDC系统强度的影响规律。机理分析和基于PSCDAD/EMTDC、MATLAB的仿真结果表明,所提等效方法具有有效性且所提指标能很好地反应MMC-HVDC对LCC-HVDC系统强度的影响。

基于虚拟功率比的柔性直流输电系统短路故障检测方法

柔性直流输电具有潮流灵活、输送能力强的优点,快速、灵敏的故障检测技术对直流系统的安全稳定运行极其重要。由于过渡电阻和限流电抗器的存在以及测量噪声的影响,使得故障后的暂态特征微弱,进而使得多数故障检测方法的应用受限。为此,提出了一种基于虚拟功率比的柔性直流输电系统短路故障识别方案。首先,分析了多端直流输电系统的故障特性,利用虚拟接地点简化故障后的等效电路,明确了发生区内外故障的特征差异。在此基础上,提出虚拟功率比以增强故障发生后的特征差异,分析了不同工况下的虚拟功率比的特点,提出基于双端非同步虚拟功率比的故障保护策略。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了四端直流输电系统模型,对各种工况下的故障检测性能进行仿真验证。结果表明:所提保护策略能够实现对直流故障的准确识别,只需20 kHz的采样频率,即可在1 ms内完成故障检测,且对过渡电阻、噪声具有较强的耐受能力,相比于其他故障保护方法具有显著优势。

计及新能源幅相特性的新型多馈入短路比指标

为了合理评估高比例新能源并网的多馈入高压直流输电(multi-infeed HVDC,MIDC)系统电压支撑能力,该文首先分析MIDC系统结构特点,随后基于多馈入短路比(multi-infeed short circuit ratio,MISCR)指标,并结合新能源短路电流幅值和相位随机端电压变化的特性(以下简称“幅相特性”),提出多馈入暂态短路比(multi-infeed transient short circuit ratio,MITSCR)指标;其次,根据国家标准的要求分析以双馈风机(doubly-fed induction generator,DFIG)为代表的新能源在不同控制模式下的幅相特性,并通过MITSCR指标分析DFIG接入对MIDC系统节点电压支撑能力影响;最后,利用PSACD/EMTDC软件进行时域仿真分析,结果表明,MITSCR指标能有效表征节点的电压支撑能力,验证了该指标的有效性与优越性。

广义短路比在新能源多馈入配电系统中的适用性研究

广义短路比指标计算简单且物理意义清晰,在主网下多馈入系统的小干扰稳定性评估中得到广泛的应用,但在多馈入配电系统中的适用性尚不明晰。为此,考虑了实际配电网与输电网的差异性,基于单馈入配电系统的特征方程探究了短路比与小干扰稳定性之间的影响规律。构造了等效同构系统,并基于矩阵摄动理论严格证明了多馈入配电系统的主导特征函数与等效同构系统的主导特征函数满足一阶近似相等关系,从而实现了多馈入配电系统的简化与解耦。提出了适用于新能源多馈入配电系统的广义短路比指标,用以量化系统的小干扰稳定裕度,将广义短路比理论的应用范围拓展至配电系统。时域和频域仿真结果验证了所提分析方法的有效性。

分布式调相机对大规模新能源直流送端系统的稳定特性影响

针对大规模新能源接入直流送端系统,典型直流故障引起的系统暂态过电压和频率稳定问题,分析分布式调相机接入直流送端新能源场站对系统的稳定特性影响。首先,介绍分布式调相机无功调压和转动惯量作用原理;其次,介绍新能源机组过电压保护原理及直流送端系统典型故障引发暂态过电压的原因,并分析分布式调相机对系统强度即直流短路比、新能源直流外送系统暂态过电压及动态频率稳定水平的影响。最后,通过时域仿真验证分布式调相机在提升送端直流输电系统强度、暂态电压水平和频率稳定性中的作用。

抑制新能源次/超同步振荡的SVG鲁棒自适应控制参数设计方法

现有抑制新能源次/超同步振荡的静止无功发生器(SVG)控制设计方法大多针对单一运行场景,难以确保运行工况变化下系统的小干扰鲁棒稳定性。为此,提出了一种抑制新能源次/超同步振荡的SVG鲁棒自适应控制参数设计方法。论证了短路比(SCR)可用于评估运行工况变化下含SVG的新能源并网系统小干扰稳定裕度;基于短路比分析方法,发现了代表系统小干扰稳定性最差的关键运行工况;基于H_(∞)控制理论,提出了一种关键运行工况下SVG控制参数鲁棒自适应设计方法。该方法能确保含SVG的新能源并网系统在运行工况变化下系统的小干扰鲁棒稳定性。

低惯量交流系统并网变流器次/超同步振荡分析

低惯量电力系统中跟网型变流器可能会与同步机转子动态产生交互,给系统稳定性分析引入新的问题,仅靠跟网型设备动态和短路比衡量交流系统强度不再准确。为此,该文综合分析系统惯量和短路比对跟网型变流器小干扰同步稳定的影响,提出适用于分析低惯量系统中并网变流器稳定性的方法,所提方法计算量低、物理意义明确。首先,推导变流器和同步机混联系统的闭环模型,并提取出能表征低惯量动态的相互作用系数矩阵,定性分析两类设备间的交互关系。其次,基于模态摄动理论,将原多机系统解耦为稳定性等效的子系统。然后,选取适用于分析小干扰同步稳定问题的相位主导回路,根据该回路提出综合考虑惯量和短路比的稳定性分析方法。最后,基于仿真算例验证了所提低惯量系统中并网变流器小干扰同步稳定性分析方法的有效性。

考虑新能源多场站短路比的暂态过电压风险评估

为解决电力系统暂态过电压风险评估中输入特征集构建合理性不足、强相关性差等问题,提出一种考虑新能源多场站短路比MRSCR(multiple renewable energy stations short circuit ratio)的暂态过电压风险评估方法。首先,通过分析暂态过电压数学模型,发现MRSCR与暂态过电压呈负相关性;然后,综合考虑MRSCR与其他影响系统暂态过电压的关键因素,构建多维输入特征集;最后,通过卷积神经网络建立输入特征与暂态过电压的高维映射,实现系统暂态过电压风险的快速、准确评估,并通过算例分析验证了所提方法的有效性、可行性。

弱电网下自同步电压源低电压穿越双模式切换控制方法

针对弱电网情况下自同步电压源在低电压穿越时的瞬态过电压和过电流问题,推导电网阻抗、角度跳变、电压跌落深度下的数学方程,并分析影响过电压和过电流的关键因素,进而提出一种自同步电压源低电压穿越(LVRT)双模式切换控制方法,当电网正常运行时采用自同步电压源均衡控制方法,该方法基于虚拟阻抗并通过模拟阻抗来实现平衡电压环和电流环的控制能力;当电网处于电压跌落状态时采用基于强电流控制的LVRT模式,可有效提升电压跌落瞬态、低电压穿越过程以及电压恢复阶段的平滑过渡能力。并提出一种电压恢复控制策略,该控制策略基于多状态反馈跟随器,可有效抑制过渡过程中电压与电流瞬时变化,通过相位突变补偿控制策略抑制瞬态过电流冲击,帮助电网电压恢复。最后,利用Matlab/Simulink建模仿真软件验证该控制方法的可行性和优势性。

基于改进白化权函数聚类的新能源电压支撑能力量化评估方法

新能源缺乏对电网的电压主动支撑或支撑能力不足,可能严重影响电网电压稳定性。综合考虑了新能源场站和电网侧系统参数与运行条件的影响,提出了一种基于灰色白化权函数聚类的电压支撑能力量化评价方法。首先,分别从新能源场站和电网的角度建立了全面的新能源电压支撑能力评估指标体系。其次,基于组合赋权法获得到各评估指标的综合权重。然后,提出了一种改进的正弦白化权函数,实现对新能源电压主动支撑能力的量化评价。最后,对某省10个风电场站的真实运行数据进行算例分析,结果表明该评估方法能够准确评价其电压支撑能力。