LCC-HVDC输电系统的仿真分析与稳定性研究

在电力系统中,高压直流输电(HVDC)系统具有造价低、损耗小、潮流控制灵活等优势。文章详细介绍了HVDC系统的构成、工作原理以及具体的应用问题,建立了仿真模型并分析了接地短路和断线故障对系统的影响。仿真结果显示,系统在瞬时性故障结束后能够通过定电压和定电流控制实现自恢复,但在毫秒级故障中的稳定性较弱,可能导致失稳现象。文章的研究为HVDC系统在实际应用中的可靠性提供了一定的参考。

新能源基地经LCC-HVDC送出系统振荡机理分析与抑制策略(二):阻抗特性与振荡机理分析

该文基于系列文章1建立的电网换相换流器型高压直流(line commutated converter-based high voltage direct current,LCC-HVDC)阻抗模型,开展新能源基地经LCC-HVDC送出系统阻抗特性和振荡机理分析。首先,研究LCC-HVDC送端交流端口阻抗与阀本体交流阻抗、交流滤波器阻抗间的构成关系,分析直流线路、受端换流站、受端电网强度对送端换流站阀本体交流阻抗的主导影响;然后,研究送端换流站直流电流环对阀本体交流阻抗的重叠效应,分析送端换流站交流端口阻抗次/超同步频段负阻尼特性形成机理,并论述受端换流站和受端电网强度对送端交流端口阻抗特性的交互影响;接下来,建立新能源基地经LCC-HVDC送出系统等值模型,研究送端系统振荡边界条件,阐明LCC-HVDC对新能源并网点阻抗特性影响的变化规律,揭示直驱风机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)、双馈风机(doubly-fed induction generator,DFIG)、光伏(photovoltaic,PV)不同类型新能源基地经LCC-HVDC送出系统次/超同步振荡机理;最后,不同类型新能源基地经LCC-HVDC送出系统仿真结果验证了该文提出的次/超同步振荡机理的正确性和通用性。

Novel transient-energy-based directional pilot protection method for HVDC line

This paper proposes a novel directional pilot protection method based on the transient energy for bipolar HVDC line.Supposing the positive direction of current is from DC bus to the DC line,in the case of an internal line fault,the transient energies detected on both sides of the line are all negative within a short time,which denotes the positive direction fault;while for an external fault,the transient energy on one end is positive,which means a negative direction fault,but the transient energy on the opposite end is negative,which indicates that the fault direction is positive.According to these characteristics,an integration criterion identifying fault direction is constructed.In addition,through setting a fixed energy threshold,the faulted line and lightning disturbance can also be discriminated.Simulation results from UHVDC transmission system show the validity of the proposed protection method.

分网接入方式下LCC-HVDC系统运动方程模型及交互振荡模式的阻尼特征(一):扰动传递路径分解

与常规直流相比,永富直流逆变站存在功率全送和功率分送运行方式,而其处于分网接入方式时电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage directcurrent,LCC-HVDC)系统的交互振荡模式及特征尚不明确。针对这一特殊运行方式,采用模块化建模的思路建立可以反映系统电气/控制回路间交互耦合路径的运动方程模型。在此基础上,依据系统整流侧-逆变侧、正极-负极间的交互耦合路径分解得到影响系统主导模式稳定性的3条扰动传递路径,即整流侧内部自稳性路径、逆变侧内部自稳性路径、双极交互作用致稳性路径。最后,设置不同工况下的案例,量化评估不同作用路径提供的阻尼大小,并通过仿真验证运动方程模型及扰动传递路径分析结果的正确性,为后续研究分网接入方式下LCC-HVDC系统交互振荡模式的阻尼特征提供模型基础。

分网接入方式下LCC-HVDC系统运动方程模型及交互振荡模式的阻尼特征(二):交互振荡模式研究

为研究分网接入方式下电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的交互振荡模式及阻尼特征,基于系统的状态空间模型及系列文章(一)建立的运动方程模型,提取了表征逆变侧电气与控制环节强耦合特性的多个弱阻尼交互振荡模式,研究了不同短路比工况下交互振荡模式的变化特征。在此基础上,通过复转矩系数法量化评估了整流侧/逆变侧内部自稳性路径及双极交互作用致稳性路径对主导交互振荡模式阻尼特性的贡献度。结果表明:1)不同短路比工况下交互振荡模式的阻尼比会进行重新分配;2)当逆变侧正负极短路比相差较大时,双极交互作用较弱,正负极系统的稳定性由2个交互振荡模式各自主导,且稳定性特征有所差异;3)当逆变侧正负极短路比相近时,双极间动态交互加强,交互振荡模式会同时主导参与系统两极的稳定性,正负极稳定性特征相似。

Modern Travelling Wave Based Fault Location Techniques for HVDC Transmission Lines

The modern travelling wave based fault location principles for transmission lines are analyzed.In order to apply the travelling wave principles to HVDC transmission lines,the special technical problems are studied.Based on this,a fault locating system for HVDC transmission lines is developed.The system can support modern double ended and single ended travelling wave princi- ples simultaneously,and it is composed of three different parts:travelling wave data acquisition and processing system,communication network and PC based master station.In the system,the fault generated transients are induced from the ground leads of the over-voltage suppression capacitors of an HVDC line through specially developed travelling wave couplers.The system was applied to 500 kV Gezhouba-Nanqiao(Shanghai)HVDC transmission line in China.Some field operation experiences are summarized,showing that the system has very high reliability and accuracy,and the maximum location error is about 3 km(not more than 0.3%of the total line length). Obviously,the application of the system is successful,and the fault location problem has finally been solved completely since the line operation.

基于AGC控制的HVDC线路线性化模型优化研究

为了加强负荷频率控制和自动发电控制(AGC),对多区域电力系统中的高压直流(HVDC)联络线进行了精确建模,提出了一种新的联络线模型。在简单AGC系统基础上构建了一阶传递函数高压直流联络线模型,并通过时间常数反映了多区域电力系统在负荷扰动下直流输电设定直流电所需的时间。新构建的模型克服了传统HVDC模型响应不精确与结构简单不可靠的问题。为了验证模型的准确性,选择与传统直流输电模型进行了解析比较,结果表明:HVDC联络线模型具有良好的动态性能,多区域综合电力系统还实现了高压直流输电线路电容积累能量的电力系统互联互通。

Security and Stability Aspects of Multi Objective Dynamic Economic Dispatch with Renewable Energy and HVDC Transmission Lines

Renewable sources of energy are being integrated into the power grids due to their economic and environmental merits as compared with the traditional fossil-fuel-fired power generation. However, their significant penetration demands a thorough research in terms of system reliability, that is, security and stability. In this paper, Security Constrained Multi Objective Dynamic Economic Dispatch (SCMODED) problem considering cubic thermal cubic cost function, wind, solar penetration, cubic transmission power losses and cubic emissions cost function as objectives is first formulated. Both HVDC and HVAC lines are included in their formulation. Various approaches like probabilistic load flow (PLF), scenario based method, participation factors and Harmony Search algorithm etc. are employed in the solution process. Security and stability effects of renewable energy (RE) penetration are investigated and analyzed. The simulated results reveal that RE penetration leads to reduced cost and emissions and increased security concerns. Further, there is increased power system instability and hence increased load shedding so as to help the power system attain steady state stability. Inclusion of HVDC lines facilitates rapid and fast control to increase the transient stability limit by the action of the converter ignition angle (CIA) and converter extinction angle (CEA).

A Novel Pilot Protection for VSC-HVDC Transmission Lines Based on Correlation Analysis

The control system of voltage source converter HVDC (VSC-HVDC) is complex and its fault tolerance ability is not sufficient, and correct rate of line protection device is not high. A novel pilot protection for VSC-HVDC transmission lines based on correlation analysis is proposed in this paper. In the principle, external fault is equivalent to a positive capacitance model, so the correlation coefficient of the current and voltage derivative is 1;while the internal fault is equivalent to a negative capacitance model, so the correlation coefficient of the current and voltage derivative is -1. Internal faults and external faults can be distinguished by judging the correlation coefficient. Theoretical analysis and PSCAD simulation experiments show that the new principle, which is simple, not affected by transition resistance, control type and line distributed capacitance current, can identify internal faults and external faults reliably and rapidly, having certain practical value.

内陆清洁能源基地±800kV/10000MW直流外送拓扑设计

大力开发大规模清洁能源基地是国家“十四五”现代能源体系规划明确的重点任务。针对藏东南地区大规模水电、光伏送出场景,计及新能源基地海拔高、输电走廊受限问题,设计了±800 kV/10000 MW多直流电压等级混合直流、多直流电压等级柔直和四端混合直流系统送出拓扑。针对沙戈荒地区风电、光伏送出场景,设计了±800 kV/10000 MW三端柔直、四端柔直和多直流电压等级混合直流系统送出拓扑。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了各拓扑方案的仿真模型,对比分析了各拓扑的技术特点。通过研究,以期为未来相关工程实践拓扑设计提供参考。

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。

提高LCC-HVDC在弱交流系统下的稳定性和动态性能的控制参数优化方法

基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)系统在逆变侧连接弱交流系统时可能出现小信号失稳以及动态性能恶化的问题,需要同时关注系统的稳定性和动态性能。而现有的控制参数优化方法所用的目标函数往往仅描述系统的稳定性或动态性能,而不能同时兼顾。针对这一问题,该文提出一种利用能够同时衡量系统稳定性和动态性能的能量衰减指标作为目标函数的LCC-HVDC控制参数优化方法。首先,建立LCC-HVDC系统的小信号模型,通过根轨迹和灵敏度分析辨识影响系统稳定性的关键控制参数;然后,通过能量衰减指标计算适用于不同工况的优化可行域,在可行域内以能量衰减指标为目标函数用蒙特卡洛算法对关键控制参数进行优化;最后,通过不同运行点下的测试,证明经过参数优化的LCC-HVDC在弱交流系统下的稳定性和动态性能有明显提升,优化后的控制参数适用于传输功率不同的工况,证明了优化方法的有效性和适用性。

基于小波变换的HVDC线路行波距离保护

对高压直流(HVDC)线路故障特性进行了具体分析,研究了行波在直流线路中传播的特殊性,详细介绍了行波测距式距离保护的原理及应用于直流线路的优势,并对直流线路行波保护提出了具体的要求。利用小波变换对行波保护的动作性能进行了深入分析,提出了具体保护判据。EMTDC仿真结果证明了分析结果的正确性和解决方法的可行性。

利用电流固有频率的VSC-HVDC直流输电线路故障定位

电压源换流器型直流输电(voltage source converterHVDC,VSC-HVDC)线路故障暂态过程中具有相对于交流线路更强的固有频率信号。由于VSC-HVDC直流输电线路两侧并联大电容,在高频的固有频率下系统阻抗可等效为电容阻抗,其值很小,行波在系统侧近似为全反射,因此,VSC-HVDC直流输电线路的固有频率只与故障距离和波速度有关。据此,提出通过对单端电流运用Prony算法进行频谱分析,获取其固有频率进而实现直流输电电路故障定位的方法。仿真结果表明该方法可实现VSC-HVDC直流输电线路的快速、准确定位。

利用电流频率特性的VSC-HVDC直流输电线路纵联保护

直流输电线路具有相对于交流线路更强的固有频率信号。结合电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)的系统结构,可得固有频率值与线路长度具有明确的函数关系。区外故障时,两侧固有频率主频与线路全长相关,频率差理论上为零;区内故障时,固有频率主频与故障点位置相关,非中点故障时频率差为一很大的值。据此,提出了通过Prony算法对电流进行频谱分析,计算两端的固有频率主频差,进而实现直流输电线路纵联频率保护的原理和保护主判据。针对中点处死区问题,提出了辅助判据。同时在PSCAD上搭建的VSC-HVDC系统上进行了仿真。仿真结果表明,该保护原理只利用两端电流信息,频率的传输无需严格同步,原理上不受过渡电阻的影响。

VSC-HVDC频变参数电缆线路电流差动保护新原理

电压源换流器型直流输电(voltage source converter HVDC,VSC-HVDC)控制系统复杂,故障承受能力差,且多采用参数频变特性明显的电缆线路。提出一种频变参数电缆线路电流差动保护新原理。它建立在分布参数模型基础上,由两端电气量分别计算线路中点电流,并由此构造差动判据。为计算频变参数线路沿线任一点电流,提出一种计算沿线电流分布的新方法。仿真结果表明,该保护都能灵敏可靠地区分区内外故障,且对采样频率要求低,不受线路频变参数和分布电容的影响。

考虑直流控制系统影响的HVDC输电线路后备保护研究

在考虑直流控制系统影响的情况下,详细分析了HVDC输电线路区内、区外的故障特征以及直流控制系统的动作特性和控制状态。引入并分析了基于开关函数的交直流系统二次谐波计算等值模型。通过分析故障期间换流器触发角和直流侧二次谐波量的变化特征,提出了一种新的以换流器触发角为保护动作量,利用二次谐波分量闭锁的直流线路后备保护方案,给出了保护整定的理论计算方法。与直流线路纵联差动保护相比,该保护不因直流电流波动影响而被闭锁,保护动作时间较快;与微分欠压保护相比,具有更高的抗过渡电阻能力。通过PSCAD/EMTDC大量仿真计算,验证了该保护能可靠区分直流线路区内、区外故障,与直流线路纵联差动保护和微分欠压保护相比具有明显的优越性。

多重网格法在HVDC线路离子流场数值计算中的应用

简要介绍了一种求解偏微分方程边值问题的有效方法——多重网格法,它比有限差分法和有限元法具有更高的计算效率和收敛速度。通过对HVDC线路非线性离子流场的计算表明,由多重网格法计算得到的结果比采用有限元法更接近于实际测量值。

基于模型识别的VSC-HVDC直流输电线路方向元件

电压源换流器型直流输电(Voltage Source Converter HVDC,VSC-HVDC)直流线路两侧并联了大电容,在高频下系统侧阻抗可等效为并联电容阻抗。根据VSC-HVDC特有的系统结构,结合模型识别的基本思想,提出了一种VSC-HVDC直流输电线路方向元件方向判别原理。在高频范围内,采用时域算法,通过两种模型的模型误差、识别的电感值和电容值与实际值的差异构成方向判据。理论分析和仿真实验表明,该方法不受故障类型、过渡电阻以及故障点位置影响,在各种工况下均可快速可靠地判别故障方向。

基于S变换的HVDC输电线路纵联保护方法

传统的直流输电线路行波保护易受故障电阻的影响,作为后备保护的纵联差动保护动作速度慢,而且需两端数据同步,对此提出一种基于S变换的高压直流线路纵联保护新方法。理论分析表明,当故障发生在保护安装处的正方向时,保护检测到的电压和电流突变量的极性相反,而反方向故障时,二者的极性相同。根据此特征,提出利用S变换相角差的方法来识别两者的极性,进而判断故障的方向。此外,对于双极输电系统的单极接地故障类型,可根据两极电压突变量的S变换零频暂态能量和的比值差异实现故障选极。仿真结果表明,所提方法在各种故障情况下都能够有效地识别区内外故障、故障极以及雷击干扰,灵敏度高,可靠性强。