基于线路换流器的双极高压直流输电系统故障定位

基于线路换流器的双极HVDC输电系统故障定位是一项重要且具有挑战性的任务。通过对线路换流器的故障特征进行监测和分析,结合适当的故障定位方法,可以快速准确地定位故障点,为系统的维护和修复提供支持。本文提出了一种基于线路换流器(LCC)的双极高压直流(HVDC)输电线路故障定位估计方法。该方法使用来自线路整流器端的直流电流信号来估计故障位置,所有的仿真和算法设计工作都是在MATLAB上进行的。故障类型为单极对地(P1G)和双极对地(P2G)是故障位置估计的先决条件,在各种故障情况下对所提出的方法进行了测试,并计算了定位误差,误差范围均在可接受范围。

考虑MAF延时和前馈补偿的高压直流快速锁相环

同步参考坐标系锁相环是高压直流(high voltage direct current,HVDC)同步触发控制系统中广泛应用的一种窄带宽锁相环,在交流系统故障引起相位跳变情况下,其动态响应缓慢。为增大锁相环的带宽,一种滑动平均滤波器(moving average filter,MAF)被前置于锁相环路,然而MAF本身存在响应延迟,制约了锁相环的同步速度。为了缓解响应延迟问题,文中提出一种考虑MAF延时和前馈补偿的HVDC快速锁相环。首先,利用MAF线性暂态特征预测相位变化,并分别针对故障接入和切除引起的相位跳变问题提出不同的补偿策略;接着,利用不变性原理对锁相环路进行前馈补偿,在负反馈控制和前馈补偿共同构成的复合校正控制系统的作用下,锁相环能够在较小PI参数下实现快速响应;最后,将所提快速锁相环在CIGRE HVDC标准模型和三峡—上海直流工程模型中进行仿真验证。结果表明,该快速锁相环能够有效缓解滤波器响应延迟的制约,缩短失锁时间,进而提高高压直流逆变侧抵御换相失败的能力。

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。

基于可控电压源的高压直流输电换相失败抑制技术

为解决传统高压直流输电系统换相失败的问题,文中提出一种在电网换相换流器(LCC)与换流变压器之间串联级联H桥构成柔性化LCC系统的方案。级联H桥作为可控电压源产生容性交流电压,可以实现对换流阀实际换相电压的调节,从而有利于降低换相失败发生的概率。文中根据换流变压器二次侧相位关系建立起柔性化LCC的准稳态模型,进而研究了系统直流母线电压和实际熄弧角的控制关系并证明了柔性化LCC具备可以实现电网功率因数调节的特性。之后,文中提出了针对不同电网状况的可控电压源和LCC协调控制策略,使得系统在故障条件下能够同时满足保障直流功率传输和抗逆变颠覆的要求。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真证明了所提出的方案在交流电压跌落时相比传统LCC方案能够更有效的维持系统稳定、抑制换相失败发生。

基于简化开关函数的电网换相换流器直流侧简化阻抗建模方法

研究换流器的阻抗频率特性对分析高压直流(HVDC)输电系统的稳定性具有重要意义。提出一种基于简化开关函数的电网换相换流器(LCC)直流侧简化阻抗建模方法。首先通过对LCC换相过程进行数学推导,提出了LCC简化开关函数;然后基于动态相量法,通过LCC交、直流之间谐波传递的分析和计算,得到了LCC直流侧简化阻抗;最后在PSCAD中建立了仿真模型,仿真结果验证了所提方法的有效性,且相比未简化方法提升了计算效率,计算结果更为可靠。所提方法能够降低建模复杂度,可为分析大型复杂系统稳定性提供LCC直流侧阻抗的快速计算模型。

面向高压直流输电的电流源型主动换相换流器研究综述

采用自关断功率半导体器件的电流源型主动换相换流器(actively commutated converter,ACC)具有有功与无功功率可解耦、不存在换相失败、无需大量储能电容等特点,在高压直流输电领域具有较好的应用前景。该文针对适用于高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)的ACC功率半导体器件及其均压方法、电路拓扑、调制方法、功率特性、控制策略、故障及保护方法等进行调研和分析。结合具体实例,将ACC与现有HVDC的2种换流器,即电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)进行对比分析。同时,对ACC的潜在应用、存在的问题以及发展的方向进行总结和归纳。

电容换相换流器在预防高压直流换相失败上的特性研究

换相失败是高压直流输电最常见的故障之一,严重时会导致极停运给电网带来更大危害。一种人工换相技术—电容换相换流器(CCC),借助于换相电容上的电压能有效地减少换相失败发生概率。从CCC的数学机理出发,将CCC运用到高压直流,研究其在预防换相失败上的特性。以德宝直流枯小方式为模型,在PSCAD/EMTDC中采用优化仿真的方法通过计算换相失败临界阻抗的大小,反映CCC在预防高压直流换相失败上的特性。仿真结果表明,CCC的应用能够有效预防高压直流的换相失败。

高压直流输电系统吸收与并联电容换相换流器特性分析

为改善高压直流输电(HVDC)换相特性及调节无功分布,提出一种HVDC系统吸收与并联电容换相换流器(ASCCC)。首先给出其拓扑结构和数学模型,以及系统改善换相特性的工作原理;然后通过构建等效电路,研究并联电容分流特性,以及对比研究传统和新型换相换流器的无功特性,推导出其无功计算方法;最后以某±800kV特高压直流输电工程为例,搭建基于ASCCC的逆变站的Matlab仿真模型,同时进行原理样机实验。结果表明ASCCC不仅具有减少逆变器换相失败的优点,而且能够优化换流变压器乃至整个系统的运行状态。

分层接入特高压直流输电系统抑制连续换相失败协调策略

为抑制分层接入特高压直流系统连续换相失败,在分析了受端系统短路故障后逆变侧换流器与交流系统无功交换特性的基础上,提出了一种连续换相失败协调抑制策略,对故障期间直流电流指令值及其变化速率进行优化。基于PSCAD/EMTDC搭建了分层接入UHVDC系统模型,并对所提连续换相失败协调抑制策略进行了仿真验证。结果表明:相比于CIGRE控制策略,采用所提协调抑制策略时,连续换相失败次数由5次减低为1次,故障期间故障层换流器与受端交流系统无功交换近似为零,显著提升了系统暂态稳定性。

交流故障下高压直流系统无功特性分析及无功控制策略研究

现有低压限流环节(voltage dependent current order limitation,VDCOL)使得高压直流系统的有功和无功强耦合,不能在交流故障持续及恢复过程中充分利用换流站自身的无功支撑能力来改善其恢复性能。该文以CIGRE HVDC标准测试模型与贵广Ⅱ工程模型作为算例,对两种模型交流故障下的直流电流及无功功率可运行范围进行了分析计算,并在PSCAD/EMTDC仿真程序中进行了验证;接着,对VDCOL的外特性进行了分析,结果表明其输出的直流电流指令不在所计算的可运行范围内;最后,采用了一种替换VDCOL的无功控制策略,该策略不仅能保证故障下直流两侧的控制指令位于可运行范围内,也能改善高压直流系统的故障恢复性能。

采用换流器控制信号变化量极性特征的高压直流线路纵联保护

为解决传统高压直流输电线路后备保护因暂态过程闭锁长延时而造成保护性能降低的问题,提出了一种利用换流器控制信号变化极性特征的直流线路纵联保护新原理。通过对换流器动态调节阶段到故障稳态阶段的控制信号特征分析,发现:当发生直流系统故障时,整流器和逆变器的定电流控制信号变化量满足正极性特征且逆变器的定熄弧角控制信号变化量满足负极性特征,而发生交流系统故障时不满足这一控制信号变化特征。根据交/直流侧发生故障后的控制信号变化特征极性差异,构造了基于控制信号幅值变化率和极性特征的启动判据和保护主判据,结合直流母线保护的闭锁信号,提出了直流线路纵联保护新原理,进而实现了直流输电线路故障判别。仿真结果表明:所提保护原理能够在直流线路故障发生后的25~100 ms内快速识别,且在发生500Ω高阻故障时仍能有效识别。所提保护原理仅需传输单向逻辑信息,对通信要求低,在故障暂态和稳态阶段能够长时投入,整体性能优于传统电流差动保护。

基于模拟退火算法的特高压直流VDCOL控制环节优化方法

高压直流传输系统受端交流电网日趋复杂,在逆变站所配置的传统低压限流单元(voltage dependent current order limiter,VDCOL)的控制特征已难以适应现代电力系统的调控方式,为此,提出基于模拟退火算法的特高压直流VDCOL控制环节优化方法。首先,基于高压直流传输系统逆变站的稳态模型和常规VDCOL控制环节的响应特性,分析逆变站与直流受端交流系统的功率交互特性,推导直流电流指令值与逆变站无功消耗的关系;其次,设计高压直流传输系统典型故障集合,提出基于模拟退火算法的VDCOL控制环节U-I特性曲线多拐点参数的优化方案;最后,采用MATLAB与PSCAD/EMTDC联合仿真的方法得到所提改进的VDCOL控制环节U-I特性曲线。通过与常规VDCOL控制环节的仿真对比分析可知,所提方法更加符合系统暂态无功的实际需求,可有效抑制直流连续换相失败的发生。

降低直流线路损耗的并联电容换相换流器单位功率因数控制策略

电网换相换流器的交流滤波器组和无功补偿装置占地面积大,在交流电网故障时容易发生换相失败;改进型并联电容换相换流器(ESCCC)能减小换流器占地面积,提高抵御换相失败的能力,但通过阀侧电容投切实现单位功率因数控制会影响谐波特性。针对此问题,并考虑直流线路损耗优化,文中提出了一种基于ESCCC并结合交流母线侧电容投切的新型单位功率因数控制策略。首先,建立了拓扑结构和数学模型,分析了单位功率因数控制的原理;然后,提出新型控制策略,采用新的谐波评价指标设计了滤波电感、电容等参数;最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,验证控制策略的有效性和参数设计的合理性。仿真结果表明,ESCCC能在全工况下实现单位功率因数控制,并且降低了直流线路损耗和换相失败概率。

特高压主变充电导致直流周期性换相失败的原因（英文）

换相失败是直流输电系统逆变器最常见的故障之一,通常故障清除后直流系统可以恢复换相,周期性换相失败很少发生,过去国内从未出现过换相失败闭锁直流的情况。通过对林枫直流现场数据的深入分析,得出换相失败持续时间达到保护定值,保护正确动作;而励磁涌流引起枫泾站换流母线电压畸变、阀控VBE对已关断阀执行重触发以及换相失败恢复期间直流电流过冲等因素是导致林枫直流发生周期性换相失败的主要原因。在此基础上,基于电磁暂态程序建立了林枫直流输电研究模型,其中控制保护采用了与实际工程一致的详细模型,通过仿真研究提出了极控系统的改进措施:取消瞬时电流控制、优化换相失败预测和低压限流等功能,最后在林枫直流输电工程中进行了现场验证试验,试验结果验证了所提措施的有效性。

高压直流输电系统换流器技术综述

作为高压直流输电核心设备的换流器容量巨大、可控性强,对可靠性的要求很高。传统晶闸管换流器容量很大,但投资大、谐波严重。电压源换流器能弥补传统晶闸管换流器的部分缺点,其发展十分迅速。为了进一步推动换流器技术在高压直流输电系统中的改进研究和应用,针对传统晶闸管换流器、每极2组12脉动换流器、电容换相换流器以及电压源换流器等适合于高压直流输电的换流器,在详细介绍这些换流器的拓扑结构、基本工作原理、控制策略的基础上,对其技术特点和应用领域进行了评述。研究结果表明:长距离大容量高压直流输电仍然适合采用传统晶闸管换流器;电压源换流器在HVDC中有广泛的应用前景,是未来高压直流输电技术的重要发展方向。

多馈入高压直流输电系统中逆变站滤波器投切引起的换相失败仿真研究

随着云广特高压直流输电工程的引入,南方电网各换流站进行滤波器投切时产生的谐波交互影响也更加严重。谐波的交互影响不仅可能引起谐波的畸变,甚至可能诱发换相失败。文章对直流系统运行特性和谐波特性的联系进行了分析,建立了2010年南方电网交直流并联输电系统详细的混合仿真模型,对逆变站由于滤波器投切引起的换相失败进行了仿真研究。仿真实验验证了上述分析结果的正确性,揭示了谐波不稳定与换相失败之间的内在联系。

高压直流输电系统换相失败的仿真研究

换相失败是直流输电系统逆变器最常见的故障,当逆变器联接于弱交流系统时换相失败更容易发生,而以往的研究重点是换相失败的机理及数学推导,缺乏相应的仿真验证。为此,通过电磁暂态仿真研究了广泛使用的换相失败解析表达式及其不同短路情况下的误差。结果表明:三相短路时最小电压降的计算公式与仿真结果相吻合,而单相接地故障时最小电压降的计算结果与仿真有一定误差;理论计算结果稍偏保守,但是仍然能够作为反映换相失败的一个指标。在此基础上分析研究直流控制系统对连续换相失败影响的结果表明:增大逆变站控制器增益和减小其时间常数均可以抑制换相失败的发生,有利于逆变侧交流电压的恢复与维持。

整流侧控制方式对特高压直流输电系统换相失败影响研究

特高压直流输电系统发生换相失败时,会引起直流电压和直流电流突变,严重影响直流系统的安全稳定运行。控制系统是特高压直流输电系统的核心部分,其控制方式对系统的输出响应有重要影响。分析特高压直流输电系统换相失败的原因,介绍整流侧的控制方式,建立了云广特高压直流输电系统仿真模型,研究云广特高压直流输电系统整流侧采用定电流控制方式和定功率控制方式对换相失败的影响。仿真结果表明:当逆变侧换流变压器变比K改变时,整流侧采用定电流控制与采用定功率控制相比,系统发生换相失败时的临界变比较大;当逆变侧交流母线发生三相对称接地故障、两相短路故障及单相接地故障时,整流侧采用定电流控制与定功率控制相比,系统不发生连续换相失败的临界电阻较小。整流侧采用定电流控制方式时,对换相失败的控制能力优于定功率控制方式。

基于双判据的特高压直流分层接入系统换相失败预防控制策略

特高压直流分层接入系统中逆变侧受端交流系统故障可能造成高低端换流器同时发生换相失败。对此,综合考虑换流器发生换相失败的电压、电流因素,提出一种基于双判据的特高压直流分层接入系统换相失败预防控制策略。该策略基于换流母线电压变化特征,动态调整关断面积控制中关断角参考值;同时基于直流电流变化特征,得到换相电流面积控制中晶闸管触发角的修正量,进而优化选取各层换流器的触发角,预防高低端换流器同时发生换相失败。在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型对不同工况下所提换相失败预防控制策略进行了验证。仿真结果表明,该策略能快速应对逆变侧交流系统故障,减小高低端换流器同时发生换相失败的风险,可预防分层接入系统高低端换流器同时发生换相失败。

特高压直流输电系统逆变站换相失败对整流站的影响及其保护配置策略优化建议

换相失败是特高压直流输电系统最常见的动态故障之一。以宾(宜宾)—金(金华)特高压直流发生的任一桥换相失败造成的异常扰动为例,理论分析其成因,详述换相失败后整流侧交流系统频率、电压、无功的暂态特性,进而研究对400 V负荷(主泵软启动器、外冷风机、换流变压器冷却器)的后续影响;并试着剖析了区域电网间多回特高压直流系统同时换相失败对同一送端电网系统稳定的影响。最后结合CFPREV(换相失败预测)逻辑模块分析了宜宾站换相失败保护策略,并提出合理的优化建议。