混合级联特高压直流输电系统逆变站保护功能及闭锁策略设计

针对混合级联特高压直流输电系统的逆变站,基于其一次拓扑结构,按照保护无死区、故障易定位的原则,结合测量互感器的安装位置,提出了保护的分区建议和配置方案。根据逆变站故障发生的位置及严重程度,以快速切除故障、减少停运范围为目标,提出包括LCC(电网换相换流器)闭锁、单MMC(模块化多电平换流器)闭锁、MMC整体闭锁、顺序极闭锁和分步极闭锁的分级闭锁策略。以白鹤滩-江苏混合级联特高压直流输电工程实际的控制保护装置和按照工程成套参数建立的RTDS(实时仿真系统)模型组建了实时闭环仿真系统,通过仿真验证了所提保护方案和闭锁策略的可行性和有效性。

基于谐波状态空间的高压直流输电系统SISO阻抗建模及稳定性分析

近年来,电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based on high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的稳定性问题得到广泛关注,多位专家学者建议采用谐波状态空间(harmonic state space,HSS)等线性周期时变建模方法对其分析。然而,HSS不可避免地提高了建模的复杂度与维数,在面对大规模交直流系统时具有局限性。同时,LCC-HVDC包含多类型谐波耦合,各部分耦合对稳定性的影响大小尚未得到充分论证。为此,文中以HSS为底层理论建立LCC-HVDC的耦合阻抗矩阵,揭示高压直流输电系统内部的谐波耦合机理。进一步,通过多频电路等效思想,提出三相系统多维阻抗的降维方法,将耦合阻抗矩阵无损降维成单入单出阻抗,以此分析不同次数的谐波耦合对阻抗特性与稳定性的影响。结果表明,考虑到13次谐波截断可以有效提升高压直流输电系统阻抗模型精度,但对稳定性分析结果的影响小于忽略工况变化、简化逆变侧带来的误差。

特高压直流输电技术发展现状与思考

随着国家能源清洁低碳转型和新型电力系统加快建设,针对未来沙戈荒地区新能源和西部水电基地高效汇集与可靠外送,提升电网支撑能力,适应直流集中接入地区可靠运行等发展需求,结合功率半导体器件技术进步,新型换流设备创新研究与应用实践情况,对不同路线换流器的直流输电技术在系统适应性、可行性、可靠性和经济性等方面开展对比分析。首先,分析了特高压直流输电技术发展需求,总结了直流换流技术最新进展;然后,从应用场景、可靠性、系统支撑能力、技术成熟度等方面,进行了各类换流技术对比,并开展特高压直流新技术风险分析探讨;最后,从确定技术路线、选择设计方案方面提出了特高压直流方案选择要求,并给出直流换流技术发展建议。

传统直流换流阀动态关断模型及对换相失败评估准确性的影响

传统高压直流输电系统逆变侧发生交流故障时,换流阀晶闸管的关断特性会随正向电流、电流过零点下降率和结温等外部条件的改变而动态变化,而现有研究多将晶闸管视为理想器件或仅保留一定的关断裕度,很可能会导致换相失败判别结果不准确等问题。为掌握晶闸管关断特性的动态变化对换相失败评估准确性的影响,首先从理论上分析晶闸管关断特性影响换相过程的机理;然后考虑多维因素综合作用下的晶闸管关断特性,提出并建立换流阀动态关断模型,通过与SABER中晶闸管详细物理模型对比验证关断模型的正确性;最后在PSCAD/EMTDC中分别对比采用换流阀动态关断模型和采用传统模型的基于电网换相换流器的高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)在单相和三相故障情况下的换相失败判别结果。结果表明,采用传统模型可能会在未发生换相失败时判断为已发生换相失败,对系统提出更高的关断要求,还可能会导致换相失败发生时刻判断不准确的问题;采用所提出的换流阀动态关断模型,能够使换相失败的判别结果更加准确。

交流电网不平衡情况下电压源换相直流输电系统的控制策略

推导了交流电网不平衡情况下电压源换相高压直流输电系统(voltage source converter based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)电磁暂态模型,提出了适用于该场合的抑制直流电压二次波动的控制策略。通过分析αβ坐标与dq+和dq-坐标之间的变换关系,得出结论:在正序旋转坐标下正序分量为直流量,负序分量是频率为100Hz的交流量;而在负序旋转坐标下负序分量为直流量,正序分量是频率为100Hz的交流量。通过简化交、直流侧电路,建立考虑换相电抗器损耗的交流系统不平衡情况下VSC-HVDC系统电磁暂态数学模型。为了抑制发生不平衡故障时直流电压的二次波动给VSC阀和直流电容器产生额外应力等问题,设计基于正、负序旋转坐标系的双电流内环控制器和直流电压外环控制器。仿真结果证明所提出的数学模型正确、可靠,所提出的控制策略能够有效地抑制直流电压二次波动。

基于修正开关函数的LCC-HVDC整流站直流侧阻抗建模

电网换相换流器高压直流输电凭借输送容量大、距离远等优势在国内得到广泛应用。换流站作为交直流系统连接枢纽,其精确建模具有十分重要的意义。该文提出一种将换流变压器等值漏感折算至直流侧后的开关函数修正模型,该模型从根本上计及换流站的换相过程,能够准确计算出稳态直流电压;同时基于该修正模型,建立了LCC-HVDC整流站的小信号直流侧低频阻抗模型。最后,在PSCAD/EMTDC中利用Cigre Benchmark模型,对提出的开关函数修正模型及建立的LCC整流站阻抗模型进行仿真验证,证明模型的正确性。

特高压直流换相失败对送端电网风机暂态无功特性的影响分析

特高压直流输电是风力发电远距离输送的有效方式,得到了大量的研究和实际应用。换相失败故障作为常见的直流输电故障,导致风电大规模接入的送端电网中产生了电压幅值非阶跃变化、先低穿后高穿的电压故障特性。为了分析换相失败故障下送端电网特性,需要准确获得换相失败故障下风电系统的暂态无功响应特性。该文针对直驱风电系统和双馈风电系统,将电网故障下风电系统暂态响应分解为故障发生前稳态、电网电压变化状态、变流器输出电压变化状态等3个状态分别建模,得到了考虑不同电网电压故障状态和变流器控制参数等因素的风电系统无功响应模型,仿真结果对数学模型正确性进行了验证。此外,根据换相失败故障下送端电网电压波形,利用所建立数学模型分析了风电系统控制参数对输出无功特性的影响规律。

适用于高压直流输电的组合型基频开关主动换相换流器功率因数控制策略研究

采用可自关断功率的功率半导体器件主动换相换流器(ACC)相对于传统的电网换相换流器(LCC)能够抑制换相失败的风险,相对于电压源型的模块化多电平换流器(MMC)拓扑简单,无需大量的储能元件,体积小、重量轻,因此,ACC在高压直流输电场合有广泛的应用前景。本文针对由两台ACC直流侧串联、交流侧并联组成的组合型ACC,提出一种开关频率为50 Hz的基频开关高功率因数运行方法。与LCC不同,基频开关ACC的触发时刻不受外部电路条件约束,具备触发角超前和触发角滞后两种工作模式,使得组合型基频开关ACC具备调节有功功率和无功功率的能力,能够工作在高功率因数运行状态。此外,本文分析了基于电网电压定向时ACC的功率传输特性,在此基础上,为了进一步提高网侧功率因数,引入功率因数补偿角对基频开关ACC的触发角进行调整,使组合型基频开关ACC的网侧运行在单位功率因数附近。仿真和实验结果均验证了本文理论分析及所提出的功率因数控制方法的正确性和有效性。

基于IGCT抑制换相失败的关键控制策略

针对基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统因以晶闸管作为换流器件而存在的换相失败问题,以集成门极换流晶闸管(IGCT)在中国某背靠背高压直流工程中的应用为基础,首先介绍了IGCT型高压直流的拓扑及基本运行原理。接着,从兼顾换相失败抵御效果和IGCT阀的关断应力角度,提出了适应IGCT阀的关断策略。在此基础上,研究了不同类型交流故障对故障电流峰值的影响,提出了利用故障扰动系数动态调整电流控制器参数的策略,实现故障电流抑制和故障期间直流功率的稳定输送。最后,通过实时数字仿真(RTDS)验证了所提策略的正确性和有效性。

换相失败场景下构网型风机对送端暂态过电压影响因素分析及抑制策略研究

随着构网型直驱风机(GFM-PMSG)在风场中的逐步应用,混合型风场通过电网换相高压直流输电(LCC-HVDC)产生的换相失败问题,使得系统暂态稳定性面临严峻挑战。首先分析了暂态过电压发生机理,并研究了GFM-PMSG控制参数、电网强度对过电压的影响;然后提出了一种协同控制策略,通过优化GFM-PMSG与跟网型直驱风机(GFL-PMSG)在故障穿越期间的无功电流指令及其切换阀值,有效抑制了暂态峰值过电压,最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建混合风场经直流外送仿真模型,验证了该策略的有效性。

面向新型电力系统的直流输电换流器统一拓扑架构

新型电力系统对直流输电技术提出了更高需求。该文首先介绍了直流输电的发展历程,并基于新型电力系统发展带来的挑战分析了常规直流输电和柔性直流输电两类技术的优势和不足。为此,从换流器拓扑入手,突破同构串联和异构并联两种常见拓扑架构,以晶闸管换流器和模块化多电平换流器为基础,提出了面向新型电力系统的异构串联型换流器统一拓扑架构。从运行区间、无闭锁故障穿越等技术性能和经济性、易实现性等工程应用角度综合对比分析了多种结构的换流器,证明了异构串联型换流器的优越性。最后,介绍了异构串联拓扑架构的两种具体应用,指出了未来发展方向。

电网换相换流器和电压源换流器串联组成的混合直流换流器控制和保护研究

基于电网换相换流器和电压源换流器串联的混合直流换流器在克服交流故障时的换相失败和直流故障时的重启动具有优势。分析了该混合直流换流器运行方式、控制策略、电压源换流器保护原理、抵御换相失败原理和直流线路重启过程,认为由该混合直流换流器组成的高压直流输电系统,可克服传统直流和柔性直流输电的主要缺点。当逆变侧的交流系统发生故障时,电压源换流器可提供电压支撑来抑制直流电流增加,缓解电网换相换流器换相失败效应。当直流线路发生故障时,逆变侧电网换相换流器可阻断电压源换流器产生的故障电流,具备直流线路故障重启能力。另外,电压源换流器还为电网换相换流器提供无功功率,从而减少换流站无功设备配置。

直流输电系统换相失败预防控制改进策略

基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统在交流电网故障下易发生换相失败,对电力系统的安全稳定运行造成极大威胁。考虑到基于交流电压跌落快速检测的换相失败预防控制(CFPREV)是避免首次换相失败的主要手段,深入分析了短路故障发生时刻、直流电流动态变化和关断角控制器响应等因素对换相过程的影响,从引发首次换相失败的临界换相电压值计算和考虑故障严重程度的触发角调节量2个方面出发,提出了直流输电系统CFPREV的改进策略,最大程度上提升直流系统首次换相失败免疫能力,降低直流系统发生换相失败的概率。

直驱风电场并网对直流输电引起的火电机组轴系扭振影响机理分析

火电机组与电网换相换流器高压直流输电(LCC-HVDC)间的次同步交互作用会引发火电机组轴系扭振(SSTI),而直驱风电场(DDWF)接入LCC-HVDC送端对SSTI阻尼特性的影响与机理尚未明确,相关研究有待开展。针对上述问题,该文基于DDWF与火电打捆经LCCHVDC送出系统,采用模块化建模法建立了小信号模型,使用特征值法分析了DDWF的接入与参数变化对LCC-HVDC引起的火电机组SSTI阻尼的影响;同时,针对特征值分析结果进行了机理分析。研究结果表明,DDWF会与火电机组共同承担LCC-HVDC的功率波动,削弱火电机组与LCC-HVDC间的次同步交互作用,从而增大SSTI阻尼,降低SSTI风险;当DDWF的容量增大、风速提升时,SSTI阻尼增大;当DDWF与LCC-HVDC整流站间电气距离增大时,SSTI阻尼降低;当LCC-HVDC整流侧由定电流控制转为定功率控制,或逆变侧由定电压控制转为定关断角控制时,SSTI阻尼降低。基于PSCAD/EMTDC平台进行了时域仿真,验证了特征值分析与机理分析的正确性。

新型可控电网换相换流器拓扑及其控制方法

为保持传统电网换相换流器(line commutated converter,LCC)低损耗、高可靠性和经济性等优点的同时,又避免换相失败故障风险,提出一种新型具有可控关断能力的电网换相换流器(controllable line commutated converter,CLCC)拓扑结构。该拓扑基于全控和半控器件混联的设计思路,首先通过全控型器件转移电流,等待晶闸管关断能力恢复后,再利用全控器件关断电流以快速完成桥臂间换相。可控电网换相换流器主要包括常规换流和可控换流2种运行模式,研究不同运行模式下换流器的工作原理及换流器内部控制策略。通过搭建特高压直流输电系统仿真模型,分析可控电网换相换流器的暂、稳态和典型故障态运行特性。仿真结果表明,在发生交流故障时,可控电网换相换流器可以主动关断桥臂电流实现强迫换相,同时提供一定的无功支撑,解决多馈入直流系统换相失败问题,有利于提高电网安全稳定运行水平,提升多直流馈入受端电网电力接纳能力。

基于整流器无功功率控制的暂态电压抑制策略

针对高压直流输电系统换相失败引起送端换流母线电压波动的问题,首先推导送端换流母线电压与整流侧直流电压、直流电流之间的数学关系,分析得出换相失败及恢复期间直流电压与直流电流变化不协调是引起送端换流母线电压波动的主要原因。为抑制换流母线电压波动,基于整流器无功消耗与电压间定量分析,以换流母线耐压水平为约束,确定整流器无功消耗的期望值,并结合整流器无功特性分析,确定换相失败及恢复期间直流电流指令值补偿量,提出基于整流器无功功率控制的电压波动抑制策略。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了电压波动机理的正确性以及抑制策略的有效性。

交流侧故障引发高压直流换相失败的关联分析及应用技术研究

换相失败是高压直流输电系统中常见的故障,在现在实际运行的电网监控系统中,主站只能接收到来自WAMS的高压直流线路功率信号、交流侧母线电压信号和来自变电站直传告警的故障信号,因而无法利用关于换相失败故障分析的相关研究成果进行详尽的故障分析,这对于高压直流输电系统的故障监控工作是不利的。因此,参考GIGRE高压直流系统的模型,使用DIg SILENT/Powerfactory电力仿真软件对高压直流系统进行建模,在交流侧进行不同类型和电气距离的故障模拟,通过相关电气量采集分析,验证了不同故障条件下,交流侧故障对于换相失败的不同影响。结合华中电网实际,利用智能电网调度技术支持平台D5000的数据采集优势,将孤立的换相失败故障和已知的交流侧故障进行准确关联和统计分析,从而为换相失败的监控、分析和预防工作提出了一些有借鉴意义的方法和思路。

提升直流输电系统换相失败抵御能力的关键新技术

基于电网换相换流器的高压直流(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)输电由于输送容量大、损耗低、经济性好等优势被广泛应用于远距离输电与区域电网异步互联,是实现我国“西电东送”能源发展战略的重要技术手段。LCC-HVDC采用无自关断能力的晶闸管作为换流元件,依赖交流系统电压进行换相,因此受端交流系统故障、晶闸管及其控制电路不可靠等均易导致换相失败。

抑制高压直流换相失败的串联电压换相变流器及控制方法

为有效降低电网换相高压直流(line-commutated converterhighvoltagedirectcurrent,LCC-HVDC)输电系统换相失败的概率,提出串联电压换相变流器(seriesvoltage commutated converter,SVCC)方案。该方案以直接增加换流阀换相电压面积为目标,将级联的全桥子模块变流链接入换流变压器与LCC换流阀交流端口之间,通过灵活控制串联电压对阀组辅助换相。基于全桥子模块的8种工作状态,设计变流链串联电压辅助换相策略及电容电压控制方法;以SVCC临界换相电压为依据,提出子模块电容容值及额定电压的优选方法。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,SVCC拓扑能灵活切换子模块变流链的工作状态,所提出电容电压控制效果良好,与仿真结果吻合度高。相比其他方案,SVCC对交流系统电压暂降的电压补偿响应速度快,可显著提高LCC-HVDC防御换相失败的能力。此外,当交流系统故障超出SVCC抑制换相失败范围,SVCC所采取的紧急应对措施降低了变流链内开关器件的电流应力要求,提高了其工程实用性。

交直流混联电网换相失败分类及抑制措施研究综述

交直流混联电网是我国电网发展的新形态,然而换相失败在新的电网形态中表现形式更加复杂多变,对系统的安全稳定运行造成了巨大的隐患。首先根据换相失败的表现形式将其分类并定义,然后分别针对阀级换相失败和系统级换相失败,综述了目前已提出的相关抑制措施;最后,从交直流混联电网复杂的交互特性入手,分别对换相失败快速预测和提前触发控制、换相失败传播机理以及多换流站广域协调控制策略三个方面,给出了未来关于换相失败相关研究值得探索的方向。