计及电网侧储能交互作用的MIDC后续换相失败机理分析及抑制策略

利用电网侧储能的无功支撑能力有望改善多馈入直流输电(multi-infeed high voltage direct current,MIDC)的电压暂态特性,但是电网侧储能接入后,电力电子装备之间的相互作用会影响MIDC控制特性。在计及电网侧储能与MIDC交互作用基础上,分析了故障持续阶段与故障清除阶段的MIDC后续换相失败机理。研究表明,在故障持续阶段,由于电网侧储能的交互作用,定电流控制切换为定关断角控制时直流电流更大,并且电流偏差控制输出减少使越前触发角下降,造成换相供给面积不足的影响更大;在故障清除阶段,计及直流电流振荡影响,越前触发角下降及大幅波动会导致换相供给面积不足;在MIDC系统处于功率恢复过程中,若电网侧储能无功功率指令置为0,将增大后续换相失败风险。然后,针对电网侧储能以及MIDC控制策略进行改进,提出了计及电网侧储能交互作用的MIDC后续换相失败抑制策略。最后,在多种故障类型下仿真验证了所提控制策略有效性。

基于自适应协调触发量的UHVDC分层接入系统同时换相失败抑制策略

特高压直流分层接入方式下,非故障层换相失败预测控制存在启动滞后、输出的提前触发量偏小等问题,系统面临同时换相失败风险。为解决该问题,提出一种基于自适应协调触发量的特高压直流分层接入方式下换相失败抑制策略,将故障层换相失败预测控制输出的触发角调节量引入到非故障层,从而使非故障层换相失败预测控制提前触发。同时,引入联络线两端电压变化量来动态跟踪故障演变过程,以获得自适应协调触发量。在PSCAD/EMTDC中搭建电磁暂态仿真模型进行仿真验证,结果表明,所提抑制策略能够有效降低分层接入方式下高低端换流阀同时换相失败风险。

多馈入高压直流输电系统换相失败防御技术研究综述

高压直流输电技术具有输送容量大、输电距离远、综合成本低的优势,在解决我国能源中心与负荷中心逆向分布问题上起到关键性作用,是中国实施“西电东送”重要战略支撑技术,占“西电东送”总容量50%以上。经过20余年的应用和发展,中国逐步建成了多回直流线路接入同一地区的电网结构,形成了多馈入高压直流输电系统。多馈入直流系统虽然提高了系统运行方式的灵活性、扩大了输送容量,但是增加了系统结构的复杂性、导致系统安全稳定问题愈加突出。多馈入直流系统中,单一交流故障就有可能在大范围内引发多回直流换相失败,对系统造成千万千瓦的功率冲击,严重威胁电网安全稳定运行。换相失败造成的危害随着直流馈入数量和容量的增加越来越严重。该文围绕未来高比例新能源场景下多馈入直流换相失败难题,首先论述了多馈入高压直流输电系统的概念,分析了直流输电系统换相失败机理,然后从换流站级、换流器级及系统级3个层面对现有的换相失败防御技术进行综述,最后对未来换相失败防御技术的重点方向进行了展望,并给出相关建议。

输电线路相间故障引发直流双极换相失败分析

对一起220 kV交流线路相间故障引发直流双极换相失败的原因开展了分析,分析结果表明,220 kV线路AB相故障后,直流换流站500 kV交流母线电压遭受扰动,主要表现为故障相电压幅值跌落、换相电压过零点偏移,二者叠加引发了直流换相失败。并且,作为实际工程中预防换相失败的主要手段,换相失败预测控制在所提事件中未能及时识别故障,对于第一次换相失败并未起到预防作用。此外,换相失败受故障时刻等偶然因素与控制响应的复杂交互影响,所提事件中,正常的换相过程后紧跟换相失败,无过渡换相过程可供控制参考调节,情况较为不利。最后,结合所提事故案例,针对换相失败分析与抑制提出了相关建议。

计及换相动态的直流换相失败在线预警方法

单一直流换相失败易引发其相邻直流同时换相失败,严重时将造成直流闭锁引发连锁故障,开展多馈入直流换相失败预警研究及预防对保障电力系统安全稳定至关重要。提出了基于预测换相电压-时间面积的多馈入直流换相失败在线预警方法。首先,通过解析直流换相过程中的交流电压、直流电流动态,实现对换相电压-时间积分面积的实时预测。其次,基于前述预测方法从单一直流系统到多馈入直流系统推导了直流输电换相失败预警系数,并对该系数的主要参数进行了整定。然后将该系数引入换相失败预防控制环节为例说明其应用方式。最后,在PSCAD/EMTDC平台中分别基于CIGREHVDC模型及多馈入模型验证了所提直流换相失败预警系数的正确性及对换相失败预防的指导性。

一种适用于特高压直流分层接入系统的换相失败抑制策略

特高压直流分层接入系统中,当逆变侧交流系统故障时,由于非故障层换相失败预防控制的启动时刻存在延迟,可能导致高低端换流器同时发生换相失败。为此,提出一种基于换相时间电压积分面积的高低端换流器协调控制策略。利用故障层换相失败预防控制可更快速对故障作出反应的特点,所提策略将故障层换相失败预防控制的输出量引入非故障层,使非故障层换相失败预防控制的启动时刻提前,增大非故障层换流器的关断角;同时对低压限流控制环节进行改造,减小故障过程中的直流电流。在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型对不同工况下所提策略进行验证。结果表明,该策略可显著提高非故障层换流器对故障的灵敏度,减小同时发生换相失败的风险。

直流输电系统换相失败预防控制改进策略

基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统在交流电网故障下易发生换相失败,对电力系统的安全稳定运行造成极大威胁。考虑到基于交流电压跌落快速检测的换相失败预防控制(CFPREV)是避免首次换相失败的主要手段,深入分析了短路故障发生时刻、直流电流动态变化和关断角控制器响应等因素对换相过程的影响,从引发首次换相失败的临界换相电压值计算和考虑故障严重程度的触发角调节量2个方面出发,提出了直流输电系统CFPREV的改进策略,最大程度上提升直流系统首次换相失败免疫能力,降低直流系统发生换相失败的概率。

基于多代理的多馈入直流输电换相失败协调预防研究

换相失败是换流站常见的故障之一,换流站间的交互作用使多馈入直流输电系统的换相失败更为复杂,故障严重时会引发并发换相失败。换相失败预防控制器检测交流系统发生故障时立刻提前触发,增大换相裕度,避免换相失败。针对多馈入直流输电系统的交互作用,引入多代理系统,提出了基于多代理的多馈入直流输电换相失败协调预防方法,并在PSCAD中搭建了多代理换相失败协调预防模块,将其用于三馈入直流输电系统进行仿真验证,结果表明,多代理换相失败协调预防方法对本地和并发换相失败都可进行有效地预防。

特高压直流分层接入方式下预防换相失败的协调控制策略

分层接入的特高压直流输电系统中,非故障层换相失败预测控制的启动时刻存在延时,无法及时反应故障严重程度以输出合适的触发角提前量,可能导致高低端换流器同时发生换相失败的风险增加。对此,提出一种基于故障层触发角提前量前馈的高低端换流器换相失败预测控制协调策略。利用故障层换流器可更灵敏反应故障严重程度的特点,所提策略将故障层换相失败预测控制触发角提前量引入非故障层换相失败预测控制,实现非故障层换相失败预测控制启动时刻提前。此外,还引入直流电流协调系数以得到更合适的触发角提前量。在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型,对不同工况下所提控制策略进行了验证。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,对预防分层接入系统高低端换流器同时发生换相失败有一定借鉴意义。

基于三相同时刻采样值算法的HVDC换相失败预测改进

换相失败问题是制约基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统安全运行的重要约束。从事前预防的角度出发,目前实际工程中主要采用了换相失败预测控制(CFPREV)技术。根据现场录波,分析了现有预测控制存在故障检测速度不足的问题,认为提高故障检测算法灵敏度是预测控制提升的关键。在此基础上,分析对比了基于三相同时刻采样值的电压有效值算法与现有检测算法的优劣,并采用该算法对现有换相失败预测控制功能进行改进。仿真结果表明,在单相接地或两相短路接地故障中,基于三相同时刻采样值的电压有效值检测算法的故障检测速度比现有算法更快,采用改进型预测控制能够有效减少换相失败发生的几率。

高压直流输电系统换相失败及其相关问题研究

换相失败是交直流输电系统最常见的故障之一,连续的换相失败还会引发直流闭锁,影响系统稳定运行。因此如何避免换相失败发生并在故障后使直流系统平稳而快速地恢复,是保证日益扩大的交直流并联系统安全运行的重要课题。详细分析了目前国内外直流输电系统换相失败问题的研究现状,综述了换相失败的发生机理、研究方法和预防措施。从电压交互影响、谐波传递、混合仿真等方面对多馈入直流输电系统换相失败研究中亟待解决的问题和研究思路进行了探讨,给出了今后该问题的研究方向和重点。

基于多判据预测的特高压直流分层接入系统换相失败抑制策略

特高压直流分层接入系统受端逆变器在交直流侧均存在电气耦合关系。当某一电压等级交流系统发生故障时,交流电压跌落会引发故障层逆变阀组换相失败,而直流电流增大使非故障层逆变阀组也存在换相失败风险。现有的分层接入系统非故障层换相失败预防控制的启动时间滞后于故障层,不能有效防止非故障层逆变阀组换相失败。为解决上述问题,提出了一种基于多判据预测的特高压直流分层接入系统换相失败抑制策略,引入换相电流时间面积指标与原有换相失败预防检测结合,使非故障层换相失败预防控制的启动时间提前、启动精度增加,提升了非故障层逆变阀组对换相失败的抑制效果。在PSCAD/EMTDC中搭建了分层接入系统仿真算例,仿真结果验证了所提抑制策略的有效性。

考虑交直流无功交互特性的换相失败预测控制优化方法

换相失败预测控制在减小换相失败风险的同时将增大直流系统的无功消耗,但当前研究均未考虑其在多回直流系统与受端电网之间无功交互的影响,因此提出了考虑交直流无功交互特性的换相失败预测控制优化方法。首先,分析了换相失败预测控制作用下交直流混联电网的态势演化规律。然后,综合考虑功率冲击和无功功率来评估各回直流系统对受端电网的影响程度,并据此对换相失败预测控制参数进行优化设置。最后,基于实际电网对所提协调优化方法进行了仿真分析。仿真结果表明,该方法能在有效降低整体换相失败功率冲击的同时,避免直流系统吸收过多无功功率而威胁交直流混联电网的无功电压稳定,有利于故障后的无功电压态势向恢复稳定的方向演化。

应对直流连续换相失败的动态无功备用评估

实时评估基于晶闸管的相控换流式直流输电系统(LCC-HVDC)连续换相失败风险,及时采取预防控制措施对保障大电网安全稳定运行意义重大。提出一种应对直流连续换相失败的发电机有效动态无功备用评估方法。将对应于换流母线电压二次跌落的发电机最大无功出力增量定义为有效动态无功备用,临界点处的有效动态无功备用称之为最大有效动态无功备用。当系统动态无功备用小于备用容量门槛值时,采取两阶段的预防控制措施搜索方法。首先采用提升发电机机端电压和增加静态无功补偿的方式,如仍然不能满足要求,在此基础上增加开机。某实际电网的算例验证了该方法的有效性。

基于换流站换相失败预防控制的分析与处理

随着高压直流输电系统在输电工程中的迅速发展,我国已成为世界上直流输电线路最多、输送容量最大的国家。由于直流输电系统中换流站受交流电压幅值降低、直流电流突增、交流换相电压过零点相角偏移等因素的影响,与弱交流系统相连的逆变器容易发生换相失败。特别是在多馈入直流系统中,因换流站之间的相互作用,换相失败更为敏感。将会导致传输功率中断和增加换流站设备的应力,严重时会导致直流系统闭锁。因而必须采取有效措施,保证直流输电系统的正常运行。

特高压直流分层接入下换相失败预防协调控制

特高压直流分层接入下逆变侧高低压阀组分别接入500 kV和1000kV电压等级,当以上某个电压等级发生交流故障时,引起高低压逆变阀组发生换相失败的主导因素是不同的。分别分析了逆变阀组发生换相失败的主导因素,分析表明:导致非故障层逆变阀组换相失败的主导因素是直流电流的升高,而导致故障层逆变阀组换相失败的主导因素是交流电压的跌落。由于换相失败预防控制通过检测交流电压判断交流故障,非故障层逆变阀组的换相失败预防控制将因启动太慢以至于无法有效抑制换相失败。为了解决这个问题,提出一种适用于特高压分层接入下的换相失败预防协调控制策略。该控制策略可以使非故障层换相失败预防控制的启动时间提前到与故障层换相失败预防控制相同,从而有效提升了非故障层逆变阀组换相失败的抑制效果。在PSCAD/EMTDC中搭建了特高压分层接入工程的仿真模型,仿真算例验证了所提协调控制器的有效性。

特高压直流多馈入系统换相失败预防协调控制

直流多馈入系统中直流落点间的电气距离较近,不同直流系统间的无功电压耦合关系密切,换相失败预防控制(CFPREV)可能对其他直流系统的正常换相产生影响。在分析CFPREV对多馈入直流系统换相影响的基础上,提出了特高压直流多馈入系统换相失败预防协调控制策略。该协调控制策略可以自适应调节CFPREV输出,在其他直流系统具有较低换相裕度时降低CFPREV输出,从而降低逆变器的无功需求,避免其他直流系统的换相失败。以规划建设中的河南特高压直流多馈入系统为例搭建了仿真模型,仿真算例验证了所提换相失败预防协调控制器的有效性。

基于电流电压预测的直流输电换相失败预防策略

随着我国交直流混联电网的快速发展,直流输电换相失败已成为严重威胁电网安全稳定运行的关键因素之一。设计合理的换相失败预防策略是保障交直流混联电网安全稳定运行的有效手段,但现有换相失败预防策略在部分工况下会失效甚至加剧换相失败。针对这一问题,在分析现有换相失败预防(commutationfailureprevention,CFPREV)控制的原理与不足的基础上,研究暂态过程中直流电流增量对换相失败的影响。提出一种基于直流电流和交流电压双预测的换相失败预防控制策略及其参数整定方法。最后以CIGRE标准直流测试模型及河南特高压直流输电模型为例,仿真验证了所提控制策略对不同类型换相失败抑制的有效性及相较于现有CFPREV的优越性。

基于波形相似度检测的换相失败预测控制改进方法

换相失败是高压直流输电系统常见故障之一。为抑制直流输电系统逆变器换相失败的发生,目前实际工程普遍采用换相失败预测控制(CFPREV)环节。但该环节易受故障合闸角的影响,在某些故障合闸角下,零序电压指标的变化趋势与故障严重程度变化趋势相悖,这将严重制约其启动速度,不利于换相失败抑制。文中在CFPREV基础上,提出一种基于波形相似度检测的CFPREV改进方法,利用Pearson相关系数实时表征零序电压波形变化,快速检测故障,规避了原CFPREV在某些故障合闸角下启动慢的不足。基于CIGRE标准测试模型的仿真结果表明,所提出的控制策略可以消除故障合闸角对原CFPREV的影响,提高CFPREV环节动作灵敏性,在一定程度上抑制直流输电系统首次换相失败。

一种可降低首次换相失败风险的预测型低压限流控制

随着交直流混联电网的快速发展,直流输电换相失败已成为严重威胁电网安全稳定运行的关键因素之一。低压限流控制(voltage dependent current order limiter,VDCOL)是直流控制系统的重要环节,能有效减少后续换相失败的发生,但其首次换相失败抑制能力弱。为增强VDCOL首次换相失败抑制能力,首先分析了换相失败与低压限流控制机理;结合交流故障时暂态电流特性提出了一种基于直流电流预测与虚拟电阻的预测型低压限流控制策略;最后基于CIGRE直流标准测试模型,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提预测型低压限流控制器可有效降低首次换相失败风险。该方法在一定程度上突破了现有换相失败预防策略的局限性,可改善交直流混联电网受端故障恢复特性。