Sequential auto-reclosing strategy for hybrid HVDC breakers in VSC-based DC grids

The use of overhead lines for power transmission in the future high-voltage and large-capacity voltagesource converter(VSC)-based direct current(DC) grid will significantly increase the probability of temporary faults.To eliminate potential adverse impacts such as erroneous protection, line-insulation failure, and even damage to power electronic devices resulting from a DC breaker reclosing operation with the traditional sequential autoreclosing strategy, a new sequential auto-reclosing strat-egy for hybrid HVDC breakers(HHBs) in VSC-based DC grids is proposed. This strategy is based on the step-by-step operation of the transfer branch in the HHB. As a result,du/dt resulting from the HHB reclosing operation is greatly reduced, and therefore those potential negative impacts can be eliminated. Several other advantages are also presented.The feasibility and validity of the proposed strategy are verified in a four-terminal annular VSC-based DC grid electromagnetic transient model.

架空线柔性直流电网构建方案

国家电网为配合绿色奥运的理念,计划在北京、河北建设柔性直流电网。从拓扑结构、关键设备、控制保护等方面对架空线柔性直流电网构建方案进行了研究。直流电网网架结构采用口字型结构,换流站采用对称单极结构;关于子模块拓扑的选择,存在半桥子模块结合高压大电流直流断路器以及故障自清除子模块结合快速机械直流开关2种方法。半桥子模块方案技术简单成熟,但是需要超快速保护装置,而且有可能存在直流断路器不能全面保护换流站的问题,需要配置大量的换流器限流电抗器与直流线路限流电抗器;故障自清除子模块方案不需要超快速保护装置,然而存在直流线路故障后所有站短暂闭锁的问题,但是不会造成整个电网的失稳。关键设备和控制保护目前来看不存在不可逾越的难题。

柔性直流电网架空线路快速保护方案

基于柔性直流输电的直流电网技术,是大规模清洁能源接入电网的有效手段,直流电网快速线路保护是其面临的重要技术挑战之一。以国内计划建设的张北直流电网工程为背景,提出了一套适用于全网配置直流断路器、采用架空线输电的对称双极直流电网线路快速保护方案。保护仅利用单端信息进行故障判别,且保护数据窗短,满足速动性的要求;保护采用电压梯度快速检测故障,利用限流电抗器对故障电压信号的平滑作用实现故障区间的判别,并根据零模与一模电压传播特性的差异判定故障极,实现保护的选择性与高可靠性。结合直流电网的PSCAD模型,验证了所提出方案在不同故障情况下的保护性能,并分析了保护对运行方式改变的适应性。

基于混合型MMC和快速真空开关构建的柔性直流电网

采用架空线的柔性直流电网在大规模风电、光伏等新能源的汇集、输送和并网中有很好的应用前景。由于直流故障电流上升速度快、峰值高,柔直工程中一般采用高速大容量直流断路器隔离直流故障。然而,直流断路器制造难度大、成本高,降低了直流电网的经济性,并且其可行性还有待实际工程验证,这在一定程度上阻碍了直流电网的大规模发展与建设。为此,本文提出了一种基于混合型MMC和快速真空开关的直流电网组网方案。该方案充分利用混合型MMC强大的控制能力,可以保证换流器在直流故障期间不闭锁,使得直流电网在直流故障被清除后可以快速、柔性地切换到新的运行状态,缩短直流电网功率中断时间,提高直流电网的利用率。同时可以在直流线路中安装快速真空开关来替代高速大容量直流断路器,以减小直流电网的建设成本,大幅度提高直流电网的经济性。最后,基于PSCAD/EMTDC平台仿真验证了本方案的正确性与合理性。

张北500 kV直流电网关键技术与设备研究

随着张北地区风电、光电等可再生能源不断开发,大规模清洁能源并网与传输对柔性直流电网的发展与构建提出了迫切需求。综合考虑了柔性直流（VSC-HVDC）输电技术的优点,设计了一种对称双极结构作为张北四端直流电网主拓扑,采用半桥式模块化多级换流器（MMC）拓扑结构和架空线进行电力传输。同时,提出了一种新型模块化级联直流断路器拓扑,并开发了500 kV柔直换流阀和直流断路器样机,以满足张北四端直流电网的需求。

基于直流断路器的柔性直流电网架空线路故障隔离策略研究

柔性直流输电技术未来将向大规模柔性直流电网发展,从经济性和通用性来看使用架空线路的柔性直流电网最具发展前景,然而架空线路故障率较高,如何实现直流线路故障的快速隔离和系统恢复成为制约柔性直流电网发展的关键因素。针对该问题,文中基于张北柔性直流电网示范工程,以半桥结构的模块化多电平换流器进行了研究,提出了适用于工程应用的直流架空线路故障隔离措施和线路故障恢复策略,并基于RT-LAB实时仿真平台搭建了张北工程四端直流电网系统,对相应的隔离方法及故障恢复策略进行了仿真验证,结果表明,可降低直流线路故障对交流系统的影响,降低直流限流切除对系统稳定性和安全性的影响,为柔直电网工程的实际应用提供了依据。

500kV混合式高压直流断路器控制保护及其动模试验

为了满足高压直流断路器的快速可靠控制和保护要求,针对架空线直流电网系统,提出了500 kV混合式高压直流断路器的控制保护系统架构、主要控制时序和保护逻辑。针对断路器暂态测试需求,提出了动态模拟试验方法,设计了动模试验系统架构,提出了直流系统和断路器设备的参数等效和暂态故障模拟方法。搭建了动模试验系统,通过动模试验验证了直流断路器控制保护系统的动作时序和暂态故障保护逻辑,直流断路器控制保护系统能够在3 ms内完成快速分闸,并能够快速响应直流系统和断路器内部故障。动模试验方法的应用有助于直流断路器控制保护可靠性的提高。

柔性直流电网结构对单极接地故障过电压的影响

柔性直流电网的优势之一是其运行方式灵活可变,考虑到未来在检修等工况下系统可能采取不同的电网结构继续运行,而对于采用架空线的柔性直流电网,直流线路极易发生单极接地故障,因此有必要对不同电网结构下直流线路单极接地故障的过电压水平进行研究。搭建了基于环型四端柔性直流工程的过电压仿真模型,研究了柔性直流电网直流侧接地故障下的暂态过电压特性,计算分析了直流线路发生单极接地故障时,4种柔性直流电网结构下换流站内、外关键节点和设备上的过电压水平。研究表明,伪U型结构下系统的过电压水平相对较低,折线型和真U型电网结构下系统的过电压水平相对较高。不同电网结构对换流变压器阀侧对地电压和换流站母线过电压的影响规律相似。

基于混合式直流断路器的柔性直流架空线路单极接地故障重合闸方案

为避免柔性直流电网中架空线故障后重合于永久性故障时的过流冲击以及直接重合于瞬时性故障时的过电压对系统造成危害,在系统跳闸后准确识别线路的故障性质并制定智能化的重合方案具有重要意义。针对配备混合式直流断路器的柔性直流电网,分析了混合式直流断路器在架空线发生单极接地故障后的基本动作原理以及故障线路单侧断路器的隔离开关重合后2种不同故障性质下故障线路端电压的差异;研究了瞬时性故障下直接重合断路器转移支路时输电线路上的重合过电压问题及相应的过电压抑制方法。在此基础上提出了架空线单极接地故障的智能重合闸方案。仿真结果表明,该方案能够快速识别线路的故障性质,并根据判断结果,完成相应的重合或再次开断操作,且能有效减小输电线路上的重合过电压。

基于混合型MMC和直流开关的柔性直流电网直流故障保护研究

提出了采用混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multilevel converter,hybrid MMC)和直流开关构建柔性直流电网进行架空线远距离电能传输的方案。针对由全桥型子模块和半桥型子模块组成的混合型MMC,分析了其拓扑结构、基本运行原理和直流电压运行区间,提出了混合型MMC的三自由度控制架构,并详细分析了直流故障穿越控制策略,进而设计了混合型MMC构成的柔性直流电网的故障清除策略和多次重启动时序。故障期间,混合型MMC无须闭锁IGBT,可控制故障电流至0,从而保持不间断运行、持续向交流系统提供无功支撑。3次重启动失败后,架空柔性直流电网配置的直流开关在零故障电流下开断以隔离故障电流通道,直流电网重启,线路潮流发生转移。最后在PSCAD/EM TDC仿真平台验证了所提出的故障清除策略及重启动时序的可行性。