HVDC单极-大地运行情况下换流变压器直流偏磁建模仿真

阐述变压器直流偏磁主要研究动向、研究需求和分析方法,提出一种评估交流变压器中性点直流偏磁与高压直流输电系统(HVDC)运行方式关系的仿真模型.以天广直流输电系统工程为例,根据实际参数对CIGRE HVDC标准模型控制系统进行修改和补充,运用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件,建立南网天广直流输电单极-大地运行模型.该模型可基于电路元件等值方法对换流变压器直流偏磁电流随系统运行方式变化的规律进行仿真模拟,对各种运行工况下换流变压器直流偏磁进行仿真,并建立单极运行时传输功率与换流变压器中性点电流的映射关系.

HVDC电子式电流互感器现场校准方法及关键问题

直流电流互感器(direct-current current transformers,DCCT)是高压直流输电系统中的重要测量设备。为保证其准确可靠,DCCT投运前和停电维护时需现场校准。对于电子式DCCT现场抗干扰及数字化同步两大关键问题,该文提出电子式DCCT的校准方法并设计一套校准系统,主要包括直流电流源、作为标准器的磁调制式直流电流比较仪(DC current comparator,DCC)和具有光纤数字同步的电子式DCCT校验仪。重点对标准器和校验仪进行了现场抗干扰分析,对于标准器现场使用时可能遇到的母线偏心和邻近通流导体干扰情况进行仿真分析,优化磁屏蔽结构,研制了DCC样机,经中国计量科学研究院校准,该DCC不确定度为5×10-6,在此基础上进行了母线偏心和邻近导体影响测试,验证了优化的屏蔽结构能够有效抵御现场干扰;为检验校准系统,采用0.2级DCCT进行了校准测试,结果表明校准系统不确定度优于5×10-4。

用于HVDC系统互联的高频模块化直流变压器优化控制策略

针对应用于高压直流输电(HVDC)系统互联的高频模块化直流变压器(HFMDCT),以直流电流纹波及高频环节电流应力大小为优化目标,提出了HFMDCT的直流链匹配多电平控制策略。对HFMDCT在多电平控制方法下的直流电流纹波机理进行了分析;通过采用拉格朗日因子法得到优化高频环节电流应力的直流链占空比条件,并以此为依据提出了高频变压器变比的设计原则;同时,为了在直流电压变化时仍可以保证HFMDCT的运行效率,进一步提出了基于直流链匹配多电平控制策略的直流电流纹波优化控制方法。

含LCC-HVDC的交直流混联电网统一谐波状态估计方法

基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统的大量应用使交直流混联电网谐波与谐振问题日益突出。谐波状态估计是电网谐波治理的前提,但是现有研究主要着眼于交流电网,即使考虑直流系统,也仅将其视为谐波电流源,不能实现计及交直流系统间谐波相互作用的统一谐波状态估计。为此,基于广域宽频同步监测系统,首先将含LCC-HVDC的交直流混联电网视为一有机整体,建立其统一谐波状态估计模型,有效地反映交直流系统间的谐波相互耦合关系;其次,提出计及经济性、冗余度和鲁棒性的宽频同步相量测量单元综合优化配置模型及其分阶段求解方法,提高了优化配置的科学性和计算效率;再次,采用抗差最小二乘法,求解含LCC-HVDC的交直流混联电网的统一谐波状态估计值;最后,基于PSCAD/EMTDC建立了交直流混联电网仿真模型,仿真结果验证了所提方法的有效性和准确性。

伪双极MMC-HVDC系统联接变阀侧中性点电阻参数设计

针对模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter based HVDC)直流单极接地故障暂态特性研究,提出了联接变阀侧中性点经电阻接地的伪双极MMC-HVDC系统发生直流单极接地故障时换流器电容放电的简化模型。将与故障极相连的三相桥臂电容放电回路等效为3个独立的RLC二阶零输入放电回路,从而简化了换流器电容放电与中性点故障电流的分析过程。基于简化模型分析得到的桥臂故障时刻导通子模块电容电压与中性点故障电流计算公式,研究了联接变阀侧中性点电阻参数设计与电容电压放电水平及控制保护系统闭锁换流器延时时间的配合关系,提出了中性点电阻的参数设计原则。最后,针对鲁西背靠背异步联网工程,在搭建的控制保护系统与RT-Lab形成的硬件闭环系统功能性试验平台上,验证了所提联接变阀侧中性点电阻参数设计原则的有效性。

基于EMTDC的高压直流MACH2系统实时等价仿真

对大规模交直流网络下的高压直流控制保护系统进行参数优化设计,是保证灵活交流输电系统暂态性和稳定性良好的重要手段。目前由于实时仿真技术的网络节点受限、费用高等缺点,使其不适合此规模网络的试验和设计任务。文中基于ABB公司高压直流控制保护系统硬件结构特点和MACH2(modular advanced control for HVDC and SVC)系统运作机理,提出了等价实时离线仿真的实现原理和方法,使离线仿真达到实时仿真的效果;通过与实际工控机运行结果进行比对,验证了其有效性;同时对工程用高压直流控制中的电流控制功能进行了等价实时仿真。仿真结果分析表明,基于所提出的等价实时仿真原理和方法,利用商业通用的离线仿真软件,可高效地进行高压直流控制保护系统优化设计。

具有短路限流能力的大变比DC/DC变换器

提出了一种具有短路自动限流和功率双向流动特性的大变比DC/DC变换器,该变换器适合作为接口电路用在高、低压直流线路之间。该DC/DC变换器以三电平方式工作,通过调节占空比和相移,可以改变其传输功率,并且可以实现功率的双向流动;电路以梯形波电流工作,实现了部分软开关,效率较高;在发生直流短路的情况下,流过开关管的电流峰值与正常工作时相等,实现了自动的短路保护。基于以上特点,设计了一个输入电压为12 kV、输出电压为1 kV、传输功率为100 kW的变换器,通过仿真研究验证了理论分析的正确性。

并联LC换相换流器拓扑、换相特性与控制策略

改进型并联电容换相换流器(evolutional shunt capacitor commutated converter,ESCCC)通过在交流母线侧投切电容,可以实现降低直流线路损耗的单位功率因数控制,但是存在交流线路电感较大、阀电压应力大等问题。针对此问题,提出一种并联LC换相换流器(shunt LC commutated converter,SLCCC)及其控制策略,可有效降低换流器占地面积,改善系统性能。建立拓扑结构和数学模型,分析其换相特性,通过多目标规划方法设计电感、电容等参数,并设计可实现有功、无功功率解耦的闭环控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC环境中对参数设计和控制策略进行仿真验证,结果表明,新型换流器拓扑不仅可以降低换流器占地面积和直流线路损耗,提高抵御换相失败的能力,而且实现了闭环解耦单位功率因数控制。

抑制变压器中性点直流电流的措施研究

为了抑制在直流输电系统单极大地回线运行方式下换流站接地极附近的中性点接地变压器上产生的直流分量,分别对3种抑制措施进行了研究:中性点串联电阻接地、交流输电线串联电容和中性点串联电容接地。结合岭澳和大亚湾核电站主变的具体情况,按实测的流过主变中性点直流电流结果建立了相应的大地电网计算模型,并对在变压器中性点串联电容的方法进行了深入的分析,还根据分析结果提出了有关设备的主要技术参数。研究结果表明:抑制流入变压器中性点直流电流的最优方法是在变压器中性点串联电容。

变压器直流偏磁抑制设备的应用分析

对一随机生成的虚拟电网的直流偏磁抑制措施进行理论分析和数值求解,对中性点串联电阻/电容法、电流注入法的工作原理、实施方式、性能效果作分析。对比3种方法的实现方式和技术参数,证明了电阻法的阻值对目标变电站中性点直流电流和电网中性点直流总量存在饱和效应;全补偿的电流注入法和电容法的抑制效果没有明显区别;实际情况下是电容法优于电流注入法和电阻法;3种方法均会导致交流电网局部直流偏磁危害加剧,但电网直流电流总量下降,总体上直流偏磁风险下降。为了更有效地开展直流偏磁治理工作,提出了现代大型交流电网大范围采用中性点串联电阻/电容抑制直流偏磁的实施原则。

抑制变压器直流偏磁的电流注入法

针对直流输电单极大地运行方式下变压器直流偏磁的问题,提出中性点注入直流电流的抑制方法,并建立了电网的直流网络模型,分析了该方法的原理。通过仿真和实测数据的对比,验证了模型的有效性,并定量分析了土壤电阻率和补偿距离对补偿度的影响。仿真计算和广东义和变电站的实际应用情况表明:电流注入实质上起补偿变电站间母线电位差的作用,土壤电阻率增大或者补偿距离减少会导致注入电流增加,补偿度降低,在一般情况下补偿度小于0.6。最后以罗洞站抑直方案为例,验证了电流注入法不适用于复杂运行方式的变电站,并提出了解决方案。

用于抑制大型电力变压器直流偏磁的接地电阻优化配置

我国天(生桥)—广(州)、三(峡)—常(州)等直流工程单极大地回路运行时均出现了直流偏磁问题,只在电流超标的变压器中性点安装抑制装置不能从根本上解决该问题。文章以全网变压器中性点接地电流不超标为目标,在分析直流网络的基础上提出基于伴随网络的接地电阻优化配置方法。在每次迭代求解过程中,在考虑了接地支路的约束条件下修改灵敏度最高的接地支路接地电阻,直到所有接地支路的中性点电流小于其限值。最后用南方电网的数据对该方法进行了验证,结果表明中性点电流被限制在限值以内,从而避免了直流偏磁的发生。

直流输电系统变压器中性点电流分布的影响因素

直流输电系统单极大地回路运行时,直流电流流过变压器中性点,影响了变压器的运行。该电流的分布受到入地电流、土壤电阻率、变电站接地电阻、变压器等效直流电阻、AC系统网络拓扑和直流电阻参数等因素的影响。为研究这些因素的影响,将土壤模型和交流电网模型结合起来,建立了一个求解变压器中性点直流电流的模型来仿真比较500 kV电网实际数据。计算表明考虑海洋影响后,由于海水的低电阻率,造成处于距离接地极较远而靠近海边的厂站变压器中性点会流过较大的直流电流,而交流电网的拓扑结构造成处于相同地理位置的两变电站主变中性点流过的直流电流不相同。仿真结果解释了部分厂站变压器中性点流过较大直流电流的现象。

地磁感应电流对电网安全稳定运行的影响

太阳黑子异常活动而导致的具有准直流特性的地磁感应电流(geomagnetic induced current,GIC)的峰值远远高于变压器允许承受的直流量,已引起国内外多个电网相继发生电气设备受损和电网崩溃的事故。分析了GIC产生的机制,以及GIC致使变压器出现直流偏磁的原因。文中指出通过变压器的直流偏磁,GIC可能对交流电网的设备和电网的安全稳定运行构成威胁。详细分析了不同类型高压直流输电GIC存在的可能性,指出长距离高压直流输电只有在2种运行方式下,直流线路中才会出现GIC;正常运行时,该直流GIC不会危及直流输电的运行。最后提出了开展GIC对交直流系统安全稳定运行研究工作的建议。

考虑海洋影响的直流输电单极大地运行时变压器中性点直流电流研究

考虑海洋影响的直流输电单极大地运行时变压器中性点流过的直流电流与陆地土壤模型计算的结果有很大不同。海洋介质的面积大于陆地而电阻率远小于陆地土壤,它对附近大地电位的分布有影响,离海洋越近,陆地电位降得越快,进入海洋层后电位迅速降到零电位附近。根据500kV电网实际模型,考虑土壤模型和海洋影响后对直流电流的分布进行仿真比较表明,处于距离接地极较远的海边厂站变压器中性点会流过较大的直流电流。这是由于海洋造成电站电位降低,而导致进入交流电网中的直流电流较多地从低电位的厂站流出交流系统。仿真结果很好地解释了岭澳、大亚湾核电站变压器中性点流过较大直流电流的现象。

特高压直流输电接地极附近的土壤结构对变压器直流偏磁的影响

"十二五"期间,我国将全面推广特高压直流输电线的建设,许多新的科学、技术问题出现。我国幅员广阔,土地结构复杂,因此针对不同的土壤结构对特高压直流接地极地表电位、中性点接地的变压器偏磁进行了研究。首先建立了水平双层土壤模型及其地表电位计算公式,以6种不同的土壤为例,分别流入3 000、4 500和5 000 A直流电流,计算了距离其接地极不同距离的地表电位,根据地表电位计算了偏磁电流的大小,分析了偏磁电流对变压器励磁电流畸变率的影响。结果表明:土壤电阻率越大,流入变压器的直流电流越大,引起的直流偏磁现象越严重,以双层土壤为例,当第2层土壤电阻率从1 000.m增加到3 000.m时,偏磁电流畸变率从24.2%增加到36.5%。随着接地点距离变压器中性点距离的增大,地电位减小,当距离大于60km时,地表电位趋近于零。在选择变电站的站址时,需要根据土壤结构计算偏磁电流及其畸变率,确定合理站址。

高压直流输电技术现状及发展前景

为满足国内直流输电工程的建设需要,紧跟直流输电设备制造水平的前沿技术,对直流输电技术发展的最新成果进行了总结。总结了特高压直流运行方式的特点,指出将电流自然换相技术与柔性直流技术相结合构成多端直流输电技术是未来直流输电技术的发展方向;介绍了多换流站共用接地极技术、换相直流输电技术、大功率半导体器件及换流变压器的应用现状;分析了3种光电式电流互感器的特点;总结了直流输电控制保护系统的发展现状;最后结合生产实际,阐述了跨区电网运行中采用区域直流集控技术的优势。

直流系统大地运行时交流系统直流分布的计算

为分析直流输电系统采用单极大地回路方式运行时,换流站接地极附近的中性点接地交流变压器因流入较大直流电流而导致直流偏磁等一系列不良后果,分别采用场路耦合法和电阻网络分析方法计算和比较了流入变压器中性点直流电流。结果表明,两者的计算结果相差较小,因而工程上可以采用较为简单的电阻网络分析方法计算分析直流大地电流对交流电网的影响。

交流电网直流电流分布仿真软件的开发

为量化分析高压直流输电入地电流(简称直流电流)在交流电网内的分布,提出了直流分布的完整理论分析模型,实现了变电站地下网络的Thevenin等效;借助潮流计算数据取得交流电网的接线信息,开发了潮流计算接口,解决了现代大型交流电网接线运行方式的数据输入问题。运用随机模拟试验方法探讨交流电网直流分布的机理,分析了交流电网内的直流电流的分布规律:交流电网规模越大直流电流分布越广;杆塔-避雷线系统的存在会使交流电网直流电流分布密集;采用抑制措施后交流电网局部直流电流分布可能更加密集,但直流电流分布总量下降。仿真软件适用于大型交流电网直流电流分布的预测计算和抑制措施的仿真评估,可以为更好地分析、预报和抑制直流电流分布及其不良影响提供参考。

基于双重保护拓扑的变压器直流偏磁抑制措施

超/特高压直流输电系统调试或故障时的单极-大地运行方式,均可导致直流偏磁现象,半岛地质环境下此效应尤为突出。结合山东半岛电网的具体线路架构和数据,对基于变压器中性点串电容的直流偏磁抑制方案进行了优化分析,提出采用并联避雷器和火花间隙的双重保护拓扑,并给出了直流偏磁抑制装置中的中性点电容器、旁路开关、电子开关、限流电抗器等的选择,以及避雷器与火花间隙的选择与配合。仿真结果表明,在系统发生故障时,所提出的双重保护拓扑可有效保护中性点直流偏磁抑制装置的安全。