A Fault Current Limiting Hybrid DC Circuit Breaker

Due to the low impedance characteristic of the high voltage direct current(HVDC)grid,the fault current rises extremely fast after a DC-side fault occurs,and this phenomenon seriously endangers the safety of the HVDC grid.In order to suppress the rising speed of the fault current and reduce the current interruption requirements of the main breaker(MB),a fault current limiting hybrid DC circuit breaker(FCL-HCB)has been proposed in this paper,and it has the capability of bidirectional fault current limiting and fault current interruption.After the occurrence of the overcurrent in the HVDC grid,the current limiting circuit(CLC)of FCL-HCB is put into operation immediately,and whether the protected line is cut off or resumed to normal operation is decided according to the fault detection result.Compared with the traditional hybrid DC circuit breaker(HCB),the required number of semiconductor switches and the peak value of fault current after fault occurs are greatly reduced by adopting the proposed device.Extensive simulations also verify the effectiveness of the proposed FCL-HCB.

Research on Parameter Collaborative Configuration of DC Circuit Breaker and DC Fault Current Limiter

Fault current suppression is the key technology to ensure the safe operation of the DC power distribution system. In order to realize the parameter collabora-tive configuration of the DC circuit breaker and the DC current limiter and improve the fault current suppression capability, the fault current suppression mechanism of the DC power distribution system is revealed based on the circuit model. Then, based on the mathematical model of the DC breaker, the characteristic parameters of DC breaking are extracted, and then the influence of different characteristic parameters on the breaking characteristics of fault current is studied. Finally, the mathematical model of the collaborative process between DC circuit breaker and DC current limiter is established. The charac-teristic parameters of fault current collaborative suppression are extracted. The coupling effects of different characteristic parameters on the fault current col-laborative suppression are studied. The principle of collaborative configuration of DC circuit breaker and DC current limiter is proposed, and the collaborative suppression ability of DC circuit breaker and DC current limiter to fault current is fully exploited to ensure the safe and reliable operation of the DC power distribution system.

基于MMC主动限流的VSC-HVDC双极短路故障控保协同策略

直流故障保护是柔性直流输电系统发展面临的主要挑战之一,利用模块化多电平换流器(MMC)的灵活控制实现限流已成为当前研究的热点。MMC的主动限流降低了故障电流变化率和故障电流幅值,易引起故障判断以及保护选择困难。文中以对称单极接线的柔性直流系统为研究对象,采用控保协同思想,将主动限流控制与故障识别相结合,提出了基于主动限流因子的故障区域识别与区分方法实现双极短路故障的区域识别与切除。首先,通过在MMC电流内环控制器中附加故障电流目标预设控制器,在故障发生后可快速跟踪故障电流的变化,自适应地调整MMC输出的直流电压将故障电流控制在预设目标参考值附近;其次,根据不同故障位置时故障电流目标预设控制器输出的限流因子快速确定故障区域。最后,在PSCAD/EMTDC中对四端柔性直流输电系统的不同故障场景进行了仿真分析,验证了所提控保协同策略的可行性和有效性。

含主动限流控制的MMC-HVDC电网直流短路故障电流解析计算

传统的MMC-HVDC电网直流短路故障电流计算一般采用等效RLC电路方法。但是该方法没有考虑主动限流控制(ACLC)对等效电路RLC参数的影响,因此无法直接用于含ACLC的MMC-HVDC电网的直流短路故障电流的解析计算问题。该文通过将ACLC的控制效果等效为虚拟阻抗产生的压降,建立了体现ACLC的控制影响的等效RLC电路,以包含电流变化率限流环节的典型ACLC算法为例,推导了直流双极短路故障条件下ACLC的控制参数与虚拟阻抗的映射关系以及相应的直流故障电流解析表达式。最后,以基于含ACLC的半桥型四端MMC-HVDC电网为例,建立PSCAD/EMTDC仿真模型,对采用ACLC的直流双极短路故障电流解析计算结果进行了验证。结果表明:故障后10ms内直流短路故障电流的PSCAD仿真结果与所提出的含ACLC的等效RLC电路解析计算结果的平均误差在8.29%以内,最大误差在10.99%。因此,使用所提出的方法具有工程实用性。

Short-circuit Current Characteristics of Wind Generators

To study the effects of wind generators on distribution system protection,the short-circuit current(SCC) characteristics of wind generators is important.Although there are many researches on the issue,a clear agreement has not been reached so far.The SCC characteristics for different wind generators are studied.PSCAD simulation is performed in the same system integrated with different kinds of wind generators,and their results are compared with those reported in IEEE papers.The detection possibility by overcurrent relay(OCR)is discussed based on the simulation results.

计及零直流电压控制的混合型MMC-HVDC输电系统短路电流计算方法

混合型模块化多电平换流器通过零压控制限制直流侧故障电流,为准确分析计算故障后直流侧电流,考虑不同阶段控制系统作用建立其等值模型,并设计故障电流求解计算方法。在零压控制前,构建混合型MMC的串联RLC等值模型,利用受控电流源表征交流馈入能量对故障电流的影响;在零压控制后,分析上下桥臂电压动态调整对故障电流的影响,构建相应混合型MMC等值模型提高计算精度。采用状态空间方程计算2个阶段的直流短路电流,通过电容电压置零来计及零压控制后子模块投切引起直流侧电压复零的特性。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了双极混合型MMC直流输电系统,在不同工况下通过与详细电磁暂态仿真结果对比,验证了所提短路电流计算方法的准确性。

直流故障下MMC-HVDC的两段式限流保护策略

如何对直流故障电流进行有效抑制是实现柔性直流电网大规模发展的关键。为此,研究模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的控制方法,提出一种针对半桥型MMC的两段式限流保护策略,通过减少子模块的投入数目来降低换流站直流出口电压,达到限制短路电流的目的。首先,介绍MMC的拓扑结构及基于MMC的高压直流输电(MMC based high voltage direct current,MMC-HVDC)系统控制策略;其次,分析两段式限流保护策略的原理与直流故障电流特性,介绍MMC-HVDC系统的直流故障保护策略;最后,通过双端MMC-HVDC系统仿真实验,对所提限流保护策略的有效性进行验证。仿真结果表明,两段式限流保护策略可以有效降低断路器开断电流和吸收能量,节约成本。

基于实际控保录波的HVDC送端区内阀短路故障定位

为高效、快速识别高压直流输电系统整流站区内4种典型阀短路故障,提出融合控保录波数据的阀短路故障定位方法。首先,基于Y桥和D桥阀短路保护动作,识别12脉动换流器出线短路;然后,根据阀短路保护动作后执行的控制逻辑引起的各桥故障电流特征差异,在考虑控制系统对故障特征影响的基础上,设计基于不同阀导通状态时各桥三相电流标幺化的阈值分类判据,以区分区内交流侧相间短路和各桥桥臂短路及换流器6脉动换流器出线短路。最后,基于RTDS与实际控保系统的闭环仿真平台,验证了本文所提阀短路故障定位方法的有效性。

Single-phase earth fault current distribution between optical fiber composite overhead ground wire and ordinary ground wire in transmission system

It is important for the safety of transmission system to accurately calculate single-phase earth fault current distribution.Features of double sided elimination method were illustrated.Quantitative calculation of single-phase earth fault current distribution and case verification were accomplished by using the loop method.Influences of some factors,such as single-phase earth fault location and ground resistance of poles,on short-circuit current distribution were discussed.Results show that:1) results of the loop method conform to those of double sided elimination method;2) the fault location hardly influences macro-distribution of short-circuit current.However,current near fault location is evidently influenced;and 3) the short-circuit current distribution is not so sensitive to the ground resistance of poles.

集成故障阻断能力的DC/DC自耦变换器

高压大容量DC/DC变换器是多电压等级直流互联的关键设备,能够实现电压变换和直流侧故障隔离等功能。使DC/DC变换器具备直流故障阻断能力,减少对直流断路器的依赖,能够在很大程度上降低建设成本。为此,提出一种基于半桥型模块化多电平换流器串联的DC/DC自耦变换器拓扑。在功率正送和功率反送两种工况下,分析DC/DC变换器两侧分别发生直流双极短路故障后的故障响应,并提出对应的故障隔离策略。针对不同工况下的双极短路故障,在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真。仿真结果表明所提出变换器具备双向阻断直流故障的能力,与其他类型的DC/DC自耦变换器的对比分析结果验证了所提出变换器的经济性。

多间隔信息融合的母线保护电流互感器断线再开放策略

对于电流互感器(CT)断线后发生金属性故障的情景,现有母线保护采取的闭锁差动保护动作方式将会引发多个变电站停电。此外,当母线区内发生高阻接地故障时,现有母线保护判据可能会将其误判为CT断线故障,不利于电力系统的安全稳定运行。针对这一问题,提出了一种母线保护CT断线再开放策略,该策略基于断线间隔与非断线间隔的零序电流变化量对负荷波动和故障进行区分,并基于非断线间隔的差流有效值和间隔失灵保护信息对区内外故障进行判别。实时数字仿真系统仿真结果验证了所提CT断线识别判据和再开放策略的正确性。

逆变型电源场站故障稳态电流实用化计算方法

单机倍乘法常用于逆变型电源场站的故障稳态建模,可简单估算场站短路电流水平,但计算精度有待提升。文中首先分析了低电压穿越控制策略约束下,有功出力、电压跌落程度对发电单元输出的稳态电流的决定性作用,得出故障稳态电流输出特性曲线,基于此分析了场站电气距离及有功出力差异对单机倍乘法计算误差的影响。在误差分析的基础上,提出了计及发电单元分布特性的改进单机倍乘法。该方法在发电单元接入点电压计算中,利用等值阻抗来等效发电单元与并网点的电气距离;将场站分群等值为两台机组,减小发电单元间有功出力差异对短路特性的影响。不同场景下的仿真分析表明,改进方法计算精度较单机倍乘法有着较大的提升。所提方法仅需通过简单计算即可实现场站分群和短路电流聚合,有较好的工程实用性。

基于MMC闭锁与负直流电压无闭锁的综合直流故障限流策略

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网存在抗直流故障扰动能力弱的问题。为此,在无闭锁和闭锁限流的基础上,提出了一种适用于柔性直流电网的无闭锁与闭锁的综合直流故障限流策略。故障发生后,各换流站首先根据直流侧出口电流进行基于负直流电压控制的无闭锁限流,若某换流站由于无闭锁降压限流失效而发生过流,则主动将该换流站闭锁。故障消失或隔离后,无闭锁换流站第一时间恢复正常工作模式,而无须等待重启过程较长的闭锁换流站,以尽量减小系统功率损失。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提综合直流故障限流策略可快速阻断故障电流,并兼顾限流过程的安全性和快速性,最大限度保证系统功率传输,提高了直流电网的抗故障扰动能力。

不同稳态工况对同步调相机单相短路后暂态温升的影响

同步调相机可在系统故障时为特高压直流换流站提供暂态无功支持,以保持系统电压稳定,防止直流换相失败,但调相机的高无功输出也会导致其温升增加,运行能力受限。系统故障前同步调相机的初始工况是影响其暂态温升和运行能力的一个重要因素,为研究系统低电压时调相机暂态温升与初始工况之间的关系,该文将调相机的电磁场、温度场与电网模型耦合,计算调相机不同稳态工况下的定转子损耗和温度分布;以线路单相短路故障引起的系统低电压为例,研究调相机初始工况对暂态温升的影响。在考虑各结构件最大容许温度的条件下,揭示调相机单相短路持续时间随初始工况的变化规律。研究结果为提升调相机在系统低电压下的暂态运行能力提供技术支持。

具备故障限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器拓扑与控制策略

为解决直流电网中直流故障快速清除的技术难题,提出了一种同时具备限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器,并设计了启动、限流后开断线路和限流后复位3种控制策略。所提拓扑结构通过限流电路实现断路时刻电流值的大幅下降,通过电感旁路电路实现故障清除所需时间的缩短;所提控制策略通过复用拓扑部分回路实现直流电网对断路器电容的预充电,通过初步故障判断与二次确认方式来优化断路器的动作时序,实现断路时刻电流值的进一步下降。在PSCAD/EMTDC中搭建了三端直流电网仿真模型,对断路器的各种工况进行了仿真验证。结果表明该多端口直流断路器在各工况下均可实现多条直流线路的保护、减小断路时刻电流值和减小故障切除所需时间。

多端VSC-HVDC直流线路故障限流及限流特性分析

基于电压源型换流器(voltage source converters,VSC)的多端柔性直流系统中直流线路的故障电流上升速度快、电流峰值大。然而具有大容量、快切断能力的高压直流断路器正在研制中。结合目前直流断路器开断容量水平,该文提出通过在直流线路两端串入限流电路的方法来限制故障电流的峰值和电流的上升速度率,并给出相关参数的理论计算方法。对该电路的限流特性进行分析与对比,结果表明,该限流电路能有效抑制故障电流,降低了对直流断路器开断容量和开断速度的要求。在该限流电路的基础上,提出一种多端VSC-HVDC直流线路故障处理方案。仿真分析表明,该故障处理方案能够有效抑制直流线路故障电流以及IGBT并联二极管电流,故障切除后非故障系统能保持正常运行,可以有效地增强多端VSC-HVDC系统对直流线路故障的处理能力。

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。

基于时域动态过程的变速抽蓄机组外部故障短路电流计算方法

变速抽蓄机组(VSPSU)采用特殊的交流励磁结构及控制方式,导致其外部故障短路特性与常规定速机组相比差异巨大。为此,提出了一种基于时域动态过程的外部故障短路电流计算方法。根据VSPSU外部故障下的励磁及控制特点,将外部故障下的VSPSU分为持续励磁和跨接器动作这2种情况,并基于空间矢量分析分别建立2种情况下的时域动态电路模型。在此基础上,结合2种情况的过渡边界条件和定子磁链动态特性推导得到VSPSU外部故障短路电流的解析表达式。与PSCAD/EMTDC仿真结果的对比表明,所提出的VSPSU外部故障短路电流计算方法具有较高的准确性及实用价值,能满足变速抽水蓄能电站一次设备选型以及继电保护等工作的需要。