多端直流电网的非边界依赖型线路故障辨识方案

为实现在网孔结构多端直流电网中仅利用本地测量信息进行故障辨识,本文提出一种基于多频带能量分布特征和模式识别技术的故障辨识方案。首先,利用小波包将故障暂态量分解为多能量频带,然后构建深度置信网络模型来分辨不同频带能量分布之间的差异性,模型分辨出的故障数据组可对应不同的故障类型,结合具有方向识别功能的启动判据形成一套完整的非边界依赖型直流线路故障辨识方案。仿真结果表明,该方案能快速、有效地辨识区内、区外故障。

基于相关分析的多端直流电网线路纵联保护新原理

对于“网孔结构”的多端直流电网而言,边界元件的缺失使其线路之间的电气距离大大减小,导致区内、区外故障的判别存在困难。对此,首先分析了行波在该类直流电网中的传播过程,根据故障线路与非故障线路两侧同名行波与异名行波首波头的衰减特性差异,引入相关分析法来表征不同行波之间的相关性。结合突变量能量启动判据,形成了一套适用于具有“网孔结构”的多端直流系统的纵联保护原理。仿真结果表明,所提出的保护原理具有良好的速动性及选择性,且拥有较强的抗过渡电阻能力和抗噪能力。

MMC-HVDC系统结构对多端直流电网故障的影响分析

主要针对基于MMC的多端直流输电网直流故障特性进行研究。首先,对不同系统结构下换流站的稳态运行特性及短路故障电流路径进行研究,提出了不同MMC-HVDC系统结构直流接地故障电流路径的通用分析方法;然后,基于上述方法分析了不同接地方案对故障电流的影响,并提出了一种多端直流系统直流侧接地方案确定分析方法;最后,通过仿真模型对一个5端直流电网在不同系统结构下的接地与非接地直流故障响应进行了比较分析。研究结果说明了伪双极系统具有最好的单极故障电流特性,而直接接地系统受单极故障的影响最大;同时,仿真结果也说明了直流电抗对所有系统结构下的所有直流故障方式均具有良好的改善作用。

基于波阻抗的多端直流电网快速保护方案

针对含限流电抗器的多端直流电网,提出了一种基于单侧波阻抗的快速保护方案。首先分析了感性终端条件下不同故障区域的波阻抗特性,然后通过引入电压启动判据,提出了基于本地波阻抗的故障区间识别判据。该文采用梯度算法快速提取电压和电流行波,并计算波阻抗值。与传统的行波保护相比,该算法提高了保护在高阻故障下的灵敏度,并且仅由本地电气量构成,能够满足保护速动性的要求。最后,基于PSCAD仿真平台搭架四端直流电网,大量仿真结果证明了所提算法的有效性。

基于MMC的多端直流电网双极短路故障电流计算

直流侧故障切除能力是衡量直流输电系统的重要指标。针对子模块采用半桥拓扑的模块化多电平换流器(MMC)直流侧发生双极短路故障的机理进行分析,定量研究了影响故障电流峰值的主要因素;并将结论延伸至多端直流电网,提出了不同电网拓扑和不同位置发生故障后10 ms内各换流站出口、线路电流的计算方法;在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建三端电磁暂态仿真模型,并将故障电流计算结果与仿真结果进行对比验证,结果表明所提计算方法具有一定的精度和速度,对直流电网规划、直流断路器选型具有一定的指导意义。

多端直流电网下垂控制及并行仿真方法

针对含大容量模块化多电平换流器的多端直流电网(modular multilevel converter based multi-terminal DC Grids,MMC-MTDC Grids)的建模仿真和运行控制,首先分析了采用半桥子模块的MMC戴维南等效建模方法,然后介绍了基于PSCAD/EMTDC的多端直流电网并行仿真方法。为了提高多端直流电网运行控制稳定性和可靠性,在多端直流电网运行控制方面提出了直流电压下垂控制。最后在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了典型四端柔性直流电网并行仿真模型,仿真结果验证了本文所提多端直流电网下垂控制策略的有效性。

面向多端直流电网的相继速动判据

基于单端量的保护现今成为多端直流电网的主保护,但由于其自身特点无法保证对线路上所有位置故障有相同灵敏性,因此一旦在不灵敏区发生故障,会造成本侧保护拒动,换流器可能会因故障不完全隔离而无选择性闭锁,影响系统稳定性。该文在深入分析故障产生的一次波过程与直流断路器动作催生的二次波过程特征的基础上,利用两次波过程首波头的时域差异性构造一种新型时差判据;同时,利用二次波过程在区内/区外故障工况下的频域差异性构造一种过零点计数判据。两判据保护范围互相补充,可保证死区故障加速跳开,形成一种类似于交流主网相继速动的原理。仿真结果表明,该文原理可以不依赖通信系统独立动作,经速动性分析,该原理可在换流器闭锁前完成死区故障快速隔离,通过与现今主保护配合可使得多端直流电网运行水平进一步提升。

多端直流电网限流电抗器的优化设计方案

针对多端直流(MTDC)电网中限流电抗器的配置问题,提出了一种通用的优化设计新方案。该方案以系统配置的限流电感总和最小为优化目标,综合考虑了直流断路器、换流站闭锁和保护需求的约束条件,采用优化算法确定了限流电抗器的全局最优配置。该设计方案减小了限流电感给系统带来的不利影响,并能够保证系统在故障穿越期间能够连续、可靠地运行。由于在优化过程中采用了短路电流近似计算模型,从而大大提高了优化效率。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建三端模块化多电平换流器(MMC)型直流电网,仿真结果验证了所提出方法的有效性。

适用于多端直流电网的电压极性比较式行波保护方案

相较于在直流线路两端配置限流电抗器,多端直流电网(multi-terminal DC power grid,MTDC)在换流站出口安装限流电抗器可在抑制短路电流的前提下减少经济性投资。针对此类拓扑结构下基于边界效应的直流线路保护不再适用的问题,该文分析了多端柔直电网线路故障下行波复杂的折反射现象,推导了线路发生区内外故障时,两端保护安装处测量到的前两个电压行波的表达式,揭示了区内外故障时线路两端的电压行波的极性特征,在此基础上提出了基于电压极性比较的行波保护方案。该方案无需考虑阈值设定和采样不同步的影响,能够可靠识别出区内外故障。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,验证了该保护方案的有效性。

考虑高阻故障的多端直流电网快速保护方案

针对含限流电感的多端直流电网,提出了一种考虑高阻故障的快速保护方案。该方案以线路附加电感前端的电压变化率作为主判据,并增加了基于小波高频能量的高阻故障辅助判据。辅助判据通过平稳小波变换提取时窗内初始故障波和反射波的高频特征量,从而有效地提高保护在高阻故障下的灵敏度。保护方案的主判据和辅助判据在动作速度和耐受过渡电阻能力方面形成互补,且仅由本地量构成,无通信延时,能够满足多端直流电网对保护速动性和可靠性要求。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建四端直流电网,仿真结果证明了本文所提方法的有效性。

基于暂态电流比值的多端柔性直流电网保护

多端柔性直流电网(multi terminal DC,MTDC)要求直流线路发生故障后在几毫秒内隔离故障线路,如何实现故障线路快速可靠识别是MTDC直流线路保护的难点之一。该文利用区内外故障时保护安装处暂态电流与本侧模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)故障电流的比值差异,提出了一种基于暂态电流比值的直流线路保护方案。该方法通过测量线路双端电气量来判断故障位置,可以保护线路全长。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了四端柔性直流电网模型,通过仿真验证所提保护方案的可行性与优越性。

多端柔性直流电网中机械式直流断路器的操作过电压分析

随着风能、太阳能等可再生清洁能源的大规模应用以及柔性直流输电技术的进步,多端柔性直流电网得到迅速发展。作为保障柔性直流电网安全可靠运行的关键设备,直流断路器也受到了越来越多的关注。直流断路器能够快速切断故障电流,但同时也会产生操作过电压,这可能会危害系统的正常运行,因此文中对多端柔性直流电网中直流断路器的操作过电压进行分析。首先对几种直流断路器产生操作过电压的原理进行简要分析,之后以基于强迫过零的机械式直流断路器为例对各种情况下断路器操作过电压对于系统的影响进行详细分析,最后对分析结果进行了总结。

基于限流电抗器两侧特定频段暂态能量比的MTDC电网单端量保护方案

柔性直流输电技术有利于未来大量分布式能源接入电网,而配置快速、可靠的保护方案是柔性直流技术发展的关键。基于直流电网等效模型,提出一种基于限流电抗器两侧电压特定频段暂态能量比差异性的单端量故障区域识别方法。该方法依据贝瑞隆等效模型计算出限流电抗器两侧电压比,通过广义S变换提取限流电抗器两侧特定频段电压,根据故障时正负极限流电抗器的电压幅值差的差异性实现故障选极。最后在PSCAD/EMTDC平台搭建仿真模型,分析出发生区内外故障时差异性明显,具备较强的耐过渡电阻与抗噪声干扰能力。

计及过渡电阻影响的直流电网不同拓扑结构故障电流简化计算方法

故障电流计算是直流电网设备选型、参数设计和保护整定的基础,目前以详细电磁暂态仿真为主的故障电流分析方法难以适用于大规模直流电网,为此,研究能够适用于不同拓扑结构的直流电网故障电流通用计算方法。首先分析双端直流系统故障后各回路故障电流的耦合机理,提出依据回路电感参数指标的故障回路解耦方法;基于能量守恒的原则,提出网络元件串并联等效和多端环状网络解环的方法,将多端网络解环为开环网络,然后统一等效为双端的故障网络,利用所提出的故障回路解耦方法获得故障电流时域解析式。在RT-lab仿真平台中搭建了多种拓扑结构的仿真系统对所提出的方法进行验证,结果表明,所提出的方法对不同拓扑的直流电网均具有很好的适用性,与详细电磁暂态仿真相比,计算的电流误差基本小于5%。

不对称双极多端柔性直流电网短路电流特性分析

含金属回线的不对称双极柔性直流电网的短路电流特性分析是其故障类型判别和故障隔离的基础。不对称双极电网发生各种故障时的短路电流具有相似的特性,难以区分。文中针对不对称双极多端直流电网的短路电流特性进行分析。首先,建立直流电网的等效电路,其中换流器和线路分别简化为RLC串联电路和RL串联电路;然后,基于建立的等效电路,分析了单端换流站的短路电流特性;最后,基于单端换流站短路电流特性,分析各换流站的放电回路,研究了不对称双极多端柔性直流电网在各种故障类型下的短路电流特性。中国张北双极柔性直流电网的仿真结果验证了分析得到的多端柔性直流电网短路电流特性的正确性。

多端柔性直流电网保护关键技术

多端柔性直流电网直流故障后故障电流快速上升、无自然过零点等特点使得直流线路保护和故障处理技术成为柔性直流电网发展的关键技术难点。理论分析了多端柔性直流电网线路保护的特殊性,借鉴传统直流输电线路保护原理和点对点式柔性直流输电线路保护原理的研究现状,对多端柔性直流电网线路保护的发展方向进行了探讨。同时,全面分析了各类直流故障隔离方法的基本原理,从故障隔离能力、经济性、控制保护耦合影响等多个方面阐述了其进一步的发展趋势。最后,考虑到架空线路输电的应用前景,设计提出了一种适用于点对点式柔性直流输电系统、具有低电流危害的新型故障重合闸判断方法,较现有重合闸策略而言,该方法重合于永久性故障时能够彻底避免对系统的二次过电流冲击。在此基础上,讨论了多端柔性直流电网对重合闸策略的性能要求。

多端柔性直流电网快速方向纵联保护方案

直流线路保护是柔性直流电网发展的关键问题,其主要技术难点在于快速可靠地识别故障区段。传统交流系统保护和常规直流输电系统保护原理很难适用于柔性直流电网。根据柔性直流电网故障暂态特征以及一次设备固有构成,该文提出一种基于线路边界元件的新型快速方向纵联故障识别判据,以及一种实用可靠的故障选极判据,并设计相应的线路保护方案。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建四端模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型直流电网模型,通过大量的仿真算例验证该保护原理的可行性,以及在硬件成本、动作速度、耐受过渡电阻能力等方面的突出优势。

基于本地信息的多端柔性直流电网故障定位方法

故障定位技术是保障多端柔性直流电网安全可靠运行的关键技术。由于直流网络之间的相互连接导致其故障暂态特征十分复杂,故障定位往往要依靠通信手段,同时技术难度也会大幅提升。以基于两电平电压源型变流器的多端柔性直流电网为研究对象,提出一种基于本地信息的多端柔性直流电网的故障定位方法。利用限流电抗器作为直流线路边界,分析了限流电抗器类型的选取及其对断路器开断和保护动作时间的影响,从保护识别的准确性和动作的可靠性角度讨论了限流电抗器的容量和位置配置;对直流行波保护的电压变化率判据进行改进,通过比较限流电抗器两端电压变化率的比值和差值设定故障区间的判别方法及逻辑,利用本地信息确定故障位置;基于MATLAB/Simulink进行了大量仿真测试,验证了所提故障定位方法的可行性和有效性。

基于突变能量比值的多端柔性直流电网闭锁式纵联保护方案

多端直流电网中的限流电抗器集中配置,直流线路之间边界元件的缺失将使区内、区外故障的辨别变得困难。针对上述多端柔性直流电网,提出了一种基于突变能量比值的闭锁式纵联保护方案。以保护安装处的突变能量作为启动判据检测直流电网中的故障,利用故障前、反行波在换流站两侧的突变能量比值差异构造保护动作判据。双端保护判断完成后,仅需进行逻辑交换即可决定是否执行跳闸。在PSCAD/EMTDC平台上验证了所提保护方案的有效性,仿真结果表明该保护方案能够有效辨别区内、区外故障,并拥有较好的耐过渡电阻能力和抗噪声能力。

复杂多端柔性直流电网源网限流设备协同优化配置

利用源网限流设备协同优化配置解决复杂多端柔性直流电网的故障电流抑制难题,成为相关领域的研究热点。首先,结合模块化多电平换流器(MMC)与电网的耦合程度,提出适用于复杂多端柔性直流电网的区域划分原则,以提高多端柔性直流电网限流设备参数优化的计算效率;然后,根据各区域的限流需求,结合MMC、直流变压器、限流电抗器及故障限流器等关键源网设备的限流机理,提出各区域典型限流设备的配置方案;在此基础上,对不同区域限流设备参数进行分级优化;最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建六端直流电网,结合具体故障限流器拓扑,仿真验证所提源网限流设备参数分级优化方法的有效性。仿真结果表明,所提方法能够实现源网设备协同限流,减轻网侧设备的限流压力,同时提高设备参数优化的计算效率。