混合级联UHVDC系统换相失败抑制分析

换相失败是基于电网换相换流器的特高压直流输电系统中最常见的故障类型之一。近年来新投运的混合级联特高压直流输电系统的逆变侧仍包含电网换相换流器,因此换相失败无法避免。首先,在分析电网换相换流器触发调节过程的基础上,明确了换相失败控制的投入时刻是影响换相失败抑制效果的关键因素;进一步地,结合白鹤滩—江苏混合级联特高压直流输电受端的结构特点和接入交流系统方式,分析了混合级联拓扑下的换相失败抑制新思路;最后,提出可充分利用逆变侧电压观测点增加、模块化多电平变换器所连接母线的电压响应更为灵敏的特点,来加快换相失败控制的投入速度,提升系统的换相失败抑制性能。基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了该分析的正确性。

交流网严重故障引发LCC-UHVDC功率振荡机理及控制优化方法

直流输电工程在长期发展中形成相对固定的控制策略,完善该策略对提高交直流混联电网的稳定性有重要意义。近年来,使用机电–电磁混合仿真技术进行稳定分析,在大电网交流侧某些严重故障下,多条基于电网换相换流器的特高压直流(ultra-highvoltageDCbasedonline commutatedconverter,LCC-UHVDC)工程均出现了持续大幅度功率振荡,表明现有控制策略需要一步完善。该文介绍了各UHVDC工程中出现的相似功率振荡现象,并以某工程为例,深入分析直流控制器中换相裕度面积计算(commutation margin area calculation module,AMINCALC)、设置最大熄弧角输出(maximumarcanglelimiteddirect outputmodule,GAMMA0)及低压限流(voltagedependent current order limiter,VDCOL)等多个控制环节共同诱发功率振荡的机理;研究抑制该类直流振荡可能的控制措施及实用的控制优化方案。实际电网的仿真证明了该方案的有效性。

级联多端特高压直流控制保护系统配置及策略

该文针对金上直流工程主回路拓扑结构与运行方式的特点,设计了送端分址级联多端特高压直流控制保护系统的配置方案;提出送端分站的高、低压换流器的电压平衡控制方案,根据送端两站间通信条件,切换采用附加电压平衡控制的触发角协调控制和串联两换流器一个定电压、另一个定电流的控制策略;基于送端分站级联拓扑,研究了其直流保护功能配置方案,并提出针对送端站1内的极区/换流器区故障或者送端两站之间直流线路永久故障的快速清除方法。基于控制保护工程样机的RTDS闭环仿真结果表明,该级联多端特高压直流控制保护系统可以满足实际工程应用的要求。

昆柳龙特高压混合多端直流阀控触发异常分析及优化措施

昆柳龙特高压混合多端直流工程是世界首个特高压混合多端直流工程,较传统两端直流运行方式更加灵活,但也增加了控制保护策略的复杂性。自投运以来多次发生运行异常,其“首台套”控制保护系统和设备的可靠性有待进一步提升。详细分析了昆柳龙直流“6·9”阀控触发异常事件,全面梳理控制保护功能配置和直流响应情况,提出了增加阀组触发异常检测保护功能并实施应用,该策略能准确迅速检测出阀控脉冲丢失或脉冲延时故障,完善了直流控制保护系统对阀组触发异常工况的风险识别和抵御能力,有效提升昆柳龙特高压多端混合直流工程运行的可靠性和稳定性,研究成果可为后续特高压混合多端直流工程控制保护系统的功能设计提供借鉴和指导。

基于行波模态分解的特高压直流输电线路双端行波测距方法

基于晶闸管换流器的特高压直流输电系统(ultra-high voltage direct current based on line commutated converter,LCC-UHVDC)的故障定位算法对智能电网的安全稳定运行起着重要作用。针对长距离特高压直流输电系统故障测距方法精准度低、快速性差的问题,提出了一种基于变分模态分解法(variational mode decomposition,VMD)和Teager能量算子(Teager energy operator,TEO)的双端行波故障测距方法。首先,研究了LCC-UHVDC线路故障电压行波的传播特性。利用零模电压随线路传播衰减明显的特征,通过VMD算法提取采样点处零模电压行波的时频特性。针对VMD参数选择不当导致的模态混叠问题,利用K-L散度(Kullback-Leibler divergence)对提取的模态指标进行优化。然后采用TEO对分解后信号进行瞬时能量谱提取,精确标定波头到达时间,最后采用双端迭代测距法迭代求解故障距离。在PSCAD/EMTDC搭建±800 kV LCC-UHVDC仿真模型进行验证。结果表明,所提方法在不同故障位置、过渡电阻和故障类型下具有较强的鲁棒性。

基于深度学习的特高压三端混合直流输电线路波形特征故障区域判别方法

针对将现有直流线路故障区域识别方法应用于特高压三端混合直流输电线路时,存在难以区分T区两侧故障、耐过渡电阻能力弱和阈值整定困难的问题,提出一种利用深度学习及波形特征进行特高压三端混合直流输电线路故障区域识别的方法。首先,对三端混合直流线路不同故障区域进行故障特征分析;然后,对线模电压和线模电流进行多尺度小波分解,提取线模电流中低频分量和线模电压高频分量,结合正负极电压波形特征,组成深度学习模型的输入量,并将故障区域作为输出量,构建深度学习故障区域识别模型;最后,用训练过的深度学习模型对获取的故障特征量进行处理,以实现故障区域识别的目的。通过大量仿真实验,验证了所提故障区域识别方法具有准确率高和基本不受过渡电阻影响的特性。

基于直流电流瞬时微分的特高压直流分层接入系统非故障层换相失败预防控制策略

在特高压直流分层接入系统中,由于层间耦合作用,某一层交流系统发生故障可能导致非故障层换流器发生换相失败。为此,考虑到故障过程直流电流的变化,提出一种基于直流电流瞬时微分的换相失败预防控制策略。该策略基于故障后直流电流的变化特性,得到换相电流时间面积控制中触发角修正量,代替原有换相失败预防控制,提高非故障层换相失败预防控制的启动精度;同时基于电流预测量和等效直流输入电阻动态调整低压限流控制器的指令值,提高其响应速度。在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型对不同工况下所提控制策略进行验证。结果表明,该策略可降低高低端换流器同时发生换相失败的风险,改善故障后系统的运行性能。

特高压直流输电工程中性母线开关故障处理策略优化

特高压直流输电工程采用双极共用接地极设计,一个极故障闭锁后需通过极隔离操作实现故障极与运行极的隔离。极隔离操作过程中,如果极中性母线开关发生故障无法分开导致极隔离中断,需配置极中性母线开关故障处理策略继续完成极隔离。根据不同直流故障时对应的工况,分析了中性母线开关故障处理策略存在的不足,基于故障特性优化了故障处理策略,最后通过RTDS仿真试验验证了策略优化的有效性。

UHVDC垂直接地极技术经济性能分析

针对±800 kV直流输电工程接地极的备选极址概况,选取理论上适合采用垂直型电极的极址,设计了几种垂直接地极的不同布置形式,在子电极长度不变其它参数改变和子电极根数不变其它参数改变2种情况下进行了技术和经济性能的计算比较。结果表明,几种方案中跨步电压和接地电阻满足设计要求,但都存在接地极附近土壤温升过高的现象。几种垂直接地极布置形式中各项技术指标相对最优的方案与双圆环水平布置接地极技术经济比较的结果表明,水平双圆环接地极较垂直接地极在现场更具可行性。

UHVDC圆环接地极接地性能分析

为研究UHVDC圆环接地极接地性能,用三维有限元法计算了考虑钢体自身电阻率时其性能参数,在相同电极长度下计算比较了单圆环、双圆环和三圆环3种不同电极型式的接地特性,结果表明引流电缆注入点处的电极电位和温升略高于电极其它部位,且单圆环电极的最高电位升、接地电阻和最高温升最小,双圆环次之,三圆环最大;还分析了双层土壤上下层电阻率、电极埋深等参数对接地性能的影响。结果表明,电极埋深越大,最高电位升和接地电阻越小,但随着埋深的增加,温度却难以扩散,导致电极最高温升变大。此外土壤电阻率是影响接地性能的重要因素,随着土壤电阻率的增大,最高电位升和接地电阻等指标均有不同程度的上升,电极埋设层土壤电阻率对接地性能的影响较下层土壤电阻率的影响更大。

±800kV云广UHVDC输电线路合成场强计算

为研究和确定高压直流输电线路的特有电磁环境参数(也是主要的环境影响指标之一)合成场强,利用有限元法计算了±800 kV云广特高压直流线路为5分裂和6分裂共5种极导线,极导线间距为22 m,对地最低距离为16、18、20和22 m时导线下方地面处的合成场强。提出了±800 kV云广特高压直流线路下地面合成场强按30kV/m控制,当采用5×LGJ-630/45及以上截面极导线时,导线最小对地高度应≮18m的结论。

UHVDC系统可靠性分层等值与灵敏度分解

为了量化特高压直流(UHVDC)系统可靠性及其参数灵敏度,提出了可靠性分层等值模型和改进频率和持续时间(F&D)算法。基于UHVDC系统结构和运行特点,计及多容量水平、换流变压器接线形式和单端整体备用模式,将其划分若干个子系统,分别建立状态空间,逐层向上等值,得到整个系统状态空间。传统F&D法需人工查找和计算等值转移频率后才可计算出等值转移率,易出错且计算量随着状态空间维数增加。基于矩阵描述的改进F&D算法,可直接建立等值前后转移率矩阵关系,以及系统可靠性指标对底层元件可靠性参数的灵敏度分解关系。算例分析结果表明,所提模型和算法能够定量评估UHVDC系统可靠性,明确了影响UHVDC可靠性的关键参数和薄弱环节,证实了方法的可行性与有效性。

基于IF-AD-ELM的特高压直流输电系统故障辨识

针对现有的特高压直流(ultra high voltage direct current,UHVDC)输电系统故障检测方法灵敏度低、难以识别高阻接地故障的问题,提出了一种基于整数因子(integer factor,IF)-近似导数(approximate derivative,AD)和极限学习机(extreme learning machine,ELM)的特高压直流输电系统故障辨识方法。其中整数因子用于分析不同采样频率下的信号,近似导数法用于获得信号不同程度的细节系数。首先,基于不同的整数因子对信号进行下采样,并利用近似导数法对所得信号求一阶、二阶和三阶近似导数。其次,分别计算各个子信号的熵特征。然后,用基于交叉验证的递归特征消除(recursive feature elimination with cross validation,RFECV)算法对得到的一系列特征进行特征筛选,并结合ELM对特高压直流输电系统进行故障辨识。最后,在Matlab/Simulink环境中搭建了±800 kV的UHVDC系统模型,模拟不同故障类型。实验结果表明,所提方法在识别特高压直流输电系统不同类型故障时有更高的准确率,且耐受过渡电阻能力强。

基于可靠性灵敏度的UHVDC系统预防性检修优化

对特高压直流(Ultra High-Voltage DC,UHVDC)输电系统元件进行预防性检修(Preventive Maintenance,PM),可提高UHVDC可靠性,其难度在于如何确定需要预检的元件、如何建立反映预检参数对可靠性指标影响的预防性检修模型。针对上述问题,建立了UHVDC可靠性灵敏度模型,以确定其薄弱元件。提出了计及潜在故障状态的元件预防性检修模型。根据容量分层等值状态空间,提出了包含预检的UHVDC可靠性模型。提出了UHVDC可靠性对薄弱元件预检参数的优化算法。算例分析验证了所提预防性检修的可行性和优化算法对改善UHVDC可靠性的有效性。

基于电流特征量相关系数的UHVDC线路纵联保护新原理

特高压直流输电线路长、发生故障概率大,其常规纵联电流差动保护的快速性较差且耐受过渡电阻能力有限。相关系数可定量描述两个变量的变化趋势,且不受变化幅度影响。为此,首先立足直流线路故障暂态特性,利用两端电流和、差计算相关系数,构造了判据特征量。其次,基于判据特征量在区内、外故障的不同特性,计及直流输电系统控制特性,提出了纵联保护新原理。该原理无需电容电流补偿,耐受过渡电阻能力和快速性优于常规纵联电流差动保护;且对信道要求低,利于工程应用。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证了新原理的有效性。

考虑风电出力状态转移和直流线路功率调整的AC/UHVDC系统静态可靠性及其灵敏度评估

对于风电和特高压直流(ultra-high voltage direct current,UHVDC)可靠性建模,已有很多独立研究。但针对含风电AC/UHVDC电力系统,同时考虑双馈异步风力发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)结构、风电状态转移模型、交直流设备随机故障的研究不多,且往往基于简化DFIG结构和简化UHVDC可靠性模型。考虑上述因素,对系统进行可靠性评估和灵敏度分析。对DFIG多状态转移模型,从2种视角考虑风电出力与出力转移特性。引入直流功率调整以确定换流站控制方式。采用解析枚举、概率加权法,计算可靠性指标。提出可靠性指标对直流功率、DFIG有功出力灵敏度的解析表达。算例分析验证了所提算法的有效性和应用价值。

负荷模型对含UHVDC的多落点电网直流恢复特性的影响

负荷模型对电网暂态稳定性特别是对电压稳定性影响甚深,为了解负荷模型对含特高压直流的多直流落点电网直流动态恢复特性的影响,研究了扰动下ZIP静态负荷模型、感应电动机负荷模型(IM)的多回直流恢复特性,深入分析了送、受端网区ZIP静态负荷模型中不同比例的恒功率有功负荷、恒电流有功负荷、恒阻抗有功负荷、感应电动机模型负荷和IM欠压保护切除和恢复重接入特性等对多落点直流动态特性的影响并分析比较了南方电网典型IM模型和IEEE6型IM模型对直流恢复特性的影响,引入多馈入交互因子(MIIF)指标分析故障下直流换流站间动态交互影响作用。研究结果表明:送端和受端负荷模型对直流恢复特性的影响效果相反;大扰动下当电压跌落在一定范围内时,受端典型IM模型在改善功角稳定性方面占优,而无论送、受端,IEEE6型在弱化系统电压稳定性方面都占优。

基于暂态分层等值算法的UHVDC换流站短期可靠性评估

特高压直流(ultra-high voltage direct current,UHVDC)线路传输容量大,其可靠性对电网安全极为重要。现有UHVDC系统可靠性研究只考虑长期可靠性,不能反映元件故障后可靠性短时变化。基于UHVDC换流站结构、瞬时状态概率和稳态等值算法,提出了暂态分层等值算法以建立换流站瞬时状态空间等值模型,同时提出了具有时变特性的双极可用率和双极停运率等可靠性指标。引入平均概率算法,计算换流站状态概率和可靠性指标在一段时间内的均值。所提模型拓展了现有UHVDC系统可靠性评估算法和指标,有利于量化其短期运行风险。通过与瞬时状态概率算法作比较,验证了所提暂态分层等值算法的正确性。结果表明UHVDC换流站瞬时状态概率与其稳态值存在差异,从不同初始状态向稳态值收敛。

基于U-I特性的UHVDC线路纵联保护新判据

纵联保护是高压直流输电线主要保护之一。提出一种基于状态信息量比较的直流线路纵联保护新判据。建立以直流电压和电流为变量的U-I平面,分析实时捕获的U-I平面的动态轨迹,分别在U-I平面内区域Ⅲ和区域Ⅳ构建保护判据,最后将判断结果转换为状态信息,线路两侧通过交换状态信息量的纵联比较来识别故障位置。该保护方案仅利用故障时刻整流侧和逆变侧的就地电压和电流的瞬时轨迹判断,对同步性要求低,信息量小。仿真结果表明,所提方案具有较好的耐过渡电阻能力,可靠性好。

UHVDC系统故障树分析误差及灵敏度分析

采用故障树(fault tree analysis,FTA)法分析UHVDC系统可靠性及灵敏度。考虑多状态元件同站双极互为备用逻辑关系,建立所有故障方式的故障树。基于串、并联结构,分别建立FTA和状态空间(state space,SS)可靠性分析模型。发现FTA误差,源于对串联系统不当引入多个元件同时故障状态。分别采用FTA和SS法计算UHVDC系统状态概率和灵敏度,量化前者误差。结果证实FTA得到的不可用率确实较SS法偏高,误差与元件个数及元件可用度有关。发现系统故障概率对同一元件修复率和安装率的绝对灵敏度之比,为其安装率和修复率之比的平方,同一元件所有参数相对灵敏度之和为0,据此可大幅降低灵敏度分析计算量。