机理-数据融合驱动的互联变流系统故障诊断方法

三电平中点钳位型互联变流器,因其大容量、高电能质量等优势,已逐渐成为交直流混联配电网系统的主流能量变换装备。但其长期工作于大功率、时变负载、有限散热等恶劣工况,功率器件开路故障率高。同时,现有故障诊断方法多为单一机理或数据依赖,无法克服系统模型结构复杂、运行工况多变的难题,诊断准确性与快速性较差。为此,提出了一种机理-数据融合驱动的互联变流系统故障诊断方法。首先,基于三电平变流系统的机理模型,结合神经网络观测器,构建机理-数据融合模型以提高故障诊断精度。随后,分析了电流残差量在不同器件开路故障后的变化轨迹,总结出电流残差故障特征表进行开路故障诊断。最后,实验与硬件在环测试结果验证了所提方法的有效性。

七电平MPUC逆变器滞环SVPWM容错控制方法

为了提高单相多电平MPUC逆变器的工作可靠性,提出一种电流跟踪型单相七电平MPUC逆变器滞环SVPWM容错控制方法。首先,分析功率开关器件开路故障对单相MPUC七电平逆变器电压矢量的影响。逆变器开路故障状态下,该方法利用冗余电压矢量的替代实现容错控制;优先选择位置重合的冗余电压矢量进行等效替代;如果没有重合非故障矢量,则选择位置和作用效果最接近的其他非故障矢量。在逆变器单管开路故障状态下,该方法可保证逆变器输出电流较准确地跟踪参考电流,不需要增加备用的硬件冗余单元,能够节约硬件成本,简化系统结构。仿真结果证明了该方法的有效性。

直流区域配电网极间短路故障区域定位方法

直流区域配电系统发生极间短路故障后电力电子变流器需快速闭锁,严重影响了供电可靠性并导致低压区域故障定位困难。提出了故障后不闭锁VSC变流器并限流DC/DC的机制,为解决故障区域定位问题,研究了低压区域发生极间短路故障时的故障特征。研究表明在所提机制下,不同电压等级区域内发生故障后的短路电流、电压跌落、故障发展存在明显差异。利用这种区内外故障上的差异,提出了基于故障特征差异的快速故障定位方法。在仿真软件PSCAD中搭建了直流区域配电网仿真模型,验证了所提出的故障定位方法的可行性。

含高比例分布式电源的直流配电系统故障恢复过电压机理及其抑制

针对直流配电系统故障恢复过程中出现的过电压问题,文章研究了该过电压的产生机理及其抑制方法。介绍了典型直流配电系统的拓扑结构,给出两种核心换流装备(两电平VSC和DC/DC换流器)在双极短路故障下的电流及电压故障特征。基于故障点隔离后的健全区系统等效电路,研究了故障恢复过电压机理及影响因素,揭示了故障存续期间各换流器电压跌落速度不一致是导致故障恢复过电压的根本原因。在此基础上,以保障换流器电压跌落速度相同和直流断路器开断容量为约束,提出各换流器出口限流参数匹配设计原则,同时兼顾限制故障电流和抑制故障恢复过电压效果。在PSCAD/EMTDC进行了仿真验证。

具有直流故障自清除能力的改进MMC子模块

高压直流输电领域中,典型的半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)无法阻断直流侧故障电流,为此,提出一种具备直流故障自清除能力的改进子模块拓扑。分析其子模块的拓扑结构和运行状态;根据子模块闭锁后的特征,画出其系统故障等效电路图,阐明其故障阻断原理;在此原理基础上,为降低成本和损耗,提出改进子模块与半桥型子模块的混联拓扑。然后从耐压性与经济性两个方面,与其他经典的子模块作比较分析。最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端21电平MMC直流系统,对改进的子模块阻断电流特性进行验证,仿真结果表明,所提改进子模块拓扑能够快速有效阻断直流侧故障电流。

施工现场临时配电系统接地故障电流的应用

论文介绍施工现场临时配电系统中断路器作间接接触防护时,当系统发生接地故障,通过计算该系统接地故障电流的方法来确定铜芯电缆允许最大长度,以期为施工现场电气技术员及施工人员提供选择铜芯电缆最大供电半径的计算思路。

基于故障过流度的配电网故障区域定位新矩阵算法

针对现有配电网故障区域定位算法存在的问题,提出一种基于故障过流度的配电网故障区域定位新矩阵算法。该算法通过网络描述矩阵和故障信息矩阵计算比较故障时各区段的故障过流度,判定发生故障的区段,实现对配电网的故障定位。算例分析表明,该算法有效,适用于单电源、多电源和馈线末端故障等各种情况。

三电平逆变器IGBT器件接线故障在线诊断方法研究

接线故障容易引起逆变器接线端发热损坏,进而造成逆变系统无法正常运行。首先分析了IGBT功率器件接线故障阻值特点,然后针对三相三电平NPC逆变器IGBT器件接线故障,根据主电路拓扑结构对接线故障进行了分类;进而在电流α-β相平面上分析了每类IGBT器件接线故障的时域特征分布特性,并证实了接线故障的时域可分性。然后,利用ReliefF算法优选时域特征,获取最优特征矢量,进而提出了基于时域特征的接线故障的PSO-ELM诊断方法。最后,完成了仿真与样机实验。实验结果表明:所提方法不仅能诊断单故障,还能诊断双故障,准确率可达96.187 5%,且可以在线实现。

三电平逆变器多故障模式识别方法

以二极管中点钳位型三电平逆变器为例,分析了三电平逆变器单管开路和多管同时开路故障状态下的相电流和桥臂电压信号,提出了基于相空间重构和小波包分析的三电平逆变器故障识别方法。利用相空间重构技术,对相电流进行重构,得到表征系统故障特征的不同形状、大小和方向的电流轨迹图形,借助图像处理技术识别出相电流不同的各类故障;对相电流相同的不同故障模式辅以小波包分析,提取出桥臂电压的特征频谱,识别出三电平逆变器的所有典型故障。仿真与实验结果表明该方法可以精确提取出各故障状态的特征向量,实现多种故障模式的识别。

交流侧不对称故障下柔性直流输电系统优化控制研究

基于模块化多电平S换流器的柔性直流输电系统(Modular Multi-level ConverterHigh Voltage Direct Current,MMC-HVDC)在交流电网发生不对称故障时,故障侧MMC的内部特性和系统运行都受到较大影响.基于MMC桥臂平均值模型,提出一种不对称工况下MMCHVDC系统的优化控制策略,增强柔性直流输电系统的故障穿越能力.该策略主要由交流侧电流控制和环流抑制两个部分组成,在交流侧利用基于双二阶广义积分器锁相环(Phase Locked Loop Based on Double Second Order Generalized Integrator,DSOGI-PLL),在不对称工况下精确提取电压电流的正负序分量,配合双矢量控制器抑制负序电流,实现交流侧三相电流平衡.在MMC内部采用由PI控制器和重复控制器串联组成的嵌入式重复控制器(Proportional Integral and Repetitive Control,PI-RC)抑制环流中的二倍频正负零序分量,实现直流侧功率的恒定传输.在MATLAB/Simulink软件中搭建MMC-HVDC系统仿真模型,验证了所提优化控制策略的有效性.

识别模块化多电平直流线路故障的保护新原理

为了保证模块化多电平换流器构成的高压直流输电系统安全运行,本文通过在直流线路上串联电感,应用故障分析方法,得出了利用串联电感两侧电压故障分量的保护原理。该原理利用直流线路正负极的电压故障分量的极性,来判断故障极;利用串联电感两侧的电压故障分量的大小,来区分区内、外故障。最后,利用PSCAD仿真软件,建立了该直流输电系统的仿真模型,并进行各种故障仿真,产生故障数据,然后利用Matlab进行保护算法的验证,仿真结果表明所提保护原理的正确性。

新跨接双极三电平子模块拓扑及其控制策略

基于半桥型子模块拓扑的模块化多电平换流器不具备直流短路故障电流阻断能力,影响了低成本架空线的应用。为抑制直流故障时的短路电流,研究了一种新跨接单极三电平子模块拓扑,解决了混合拓扑中电容不均衡充电问题。然后为应对子模块闭锁对换流站和电网可能产生的不利影响,设计了一种新跨接正、负极三电平子模块拓扑,并分析了其过调制运行、降直流电压运行和桥臂电流方向变化工况时所提拓扑的正、负电平输出要求,进一步减少了子模块中功率器件数量并研究了其控制策略。最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,对所提新跨接双极三电平子模块拓扑过调制运行、自均压特性及闭锁抑制特性进行了仿真验证。仿真结果表明,所设计的拓扑及控制策略能够有效抑制直流故障时的短路电流。

张北柔直电网单极接地故障短路电流计算方法及接地策略

基于模块化多电平换流器的柔性直流电网在消纳可再生能源等方面具有广阔前景,而单极接地故障是柔性直流电网中最常见故障,因此故障电流水平的研究对电网规划和设计具有重大意义。分析了张北直流电网单极接地故障的放电机理,通过阻抗高频特性提出故障电流计算方法,所提方法对真双极系统直流侧单、双极短路故障均适用,且最大误差不超过4%,为系统绝缘配合、接地网设计提供指导。根据对短路电流特性和直流电网接地极、线路侧重的分析,提出了直流电网接地策略,显著降低了直流电网故障电流水平。所提计算方法和接地策略在PSCAD/EMTDC仿真平台上得到了验证。

无联接变柔直配电网的零序电流抑制控制策略

在基于模块化多电平换流器(MMC)的电压源换流器-柔性直流配电网(VSC-MVDC)换流站中,联接变压器是占地面积和造价仅次于换流阀的一次设备。取消VSC-MVDC换流站的联接变压器,可有效降低换流站占地面积,减小项目投资,还可降低系统损耗,减少维护和服务,提高系统经济性和实用性。但针对消弧线圈接地和电阻接地系统,无联接VSC-MVDC在发生接地故障时,会产生零序电流,并且可穿过直流侧流入对侧交流系统。零序电流若不进行抑制,会导致一次设备的电流应力增加,严重时可影响系统稳定性。此处针对该工况,提出了一种附加的零序电流抑制控制器,可有效抑制故障时零序电流,增强无联接变压器的MMC换流站的故障穿越能力。通过RTDS仿真验证了所述零序电流抑制控制器的有效性。

具备故障阻断能力的半桥子模块及其实验验证

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电已经成为当今直流领域的主要应用技术。此处在传统半桥型子模块(HBSM)基础上进行了改进,各个子模块(SM)仅需增加3个二极管即可在故障后切断电流通路,有效防止故障电流激增。该方案经济实用,无需增加IGBT等成本较高的电力电子器件。搭建了201电平±160 kV仿真系统以及4电平±80 V的实验样机进行验证,实验结果证明了此处所提方案可以保证系统正常运行,并能高效阻断故障电流。

配电网故障状态下柔性多状态开关故障电流抑制策略

为抑制配电网交流故障持续期间柔性多状态开关(flexible multi-state switch,FMSS)注入短路点的故障电流,首先采用基于解耦双同步参考坐标系的瞬时对称分量分解方法对配电网不对称故障期间FMSS故障侧端口出现的负序、零序电流进行抑制。进一步推导出配电网三相短路接地故障时FMSS在不同运行工况下的系统向量图,利用对称分量法建立含FMSS配电网故障时的复合序网,分析配电网在对称性故障、不对称性故障时的故障电流大小,提出了一种带电压死区的无功下垂控制策略,实现故障状态下对FMSS注入短路点故障电流的有效抑制,同时根据配电网母线电压幅值变化相应地修正无功功率外环控制器指令值,利用FMSS对配电网提供无功支撑,改善馈线电压质量。采用MATLAB/SIMULINK搭建三端FMSS模型进行仿真分析,验证了所提方法的有效性与正确性。

适用于两电平电压源型换流器的直流故障清除辅助拓扑

两电平电压源型换流器在35kV及以下电压等级输电场合具有较高的成本效率比,因此被广泛应用于风电并网等低压领域。但是,其不具备直流故障清除能力的特点,给电网设备安全造成了较大的影响。基于以上背景,文中提出了适用于两电平电压源型换流器的直流故障清除辅助拓扑。该辅助拓扑使用超导故障电流限制器,大幅降低了故障电流;基于电流谐振的思路,可实现在电流过零时将故障清除。采用该辅助拓扑的直流故障清除方案,相比于采用交流断路器的方案,具有清除时间短、故障电流小的优点;相比于采用直流断路器的方案,具有电压变化率小、成本低的优点。最后,在PSCAD/EMTDC中验证了所提辅助拓扑的正确性与有效性。

含多类型故障限流设备动作的直流电网保护时序配合

柔性直流电网作为新能源并网的有效手段,要求能够可靠开断直流故障电流。直流电网中配置的多种类型故障限流设备间的故障保护时序配合亟须研究。文中基于直流电网直流线路双极短路故障,研究了故障限流器、直流断路器、半桥全桥混合型模块化多电平换流器以及DC/DC变换器这几类多类型故障限流设备的故障保护时序配合。针对包含环网状以及辐射状结构的复合型多端直流电网系统中的不同区域,配置不同类型的故障限流设备,同时采用检测故障电流变化率的方法判断直流断路器是否可靠动作。根据不同的故障区域,提出了相应的故障限流设备间的保护时序配合方案,并且考虑了部分限流设备如直流断路器拒动后其他限流设备的动作逻辑。在PSCAD/EMTDC仿真中验证了提出的直流电网中多类型限流设备保护时序的可靠性和有效性。

海上风电柔直系统送端电网故障过电压机理分析及抑制策略

为应对送端交流电网故障时的过电压问题,分析了风场-柔性直流输电系统送端交流电网故障过电压产生机理,并提出了过电压抑制策略。首先,建立了不同电网故障下换流变压器网侧及阀侧电压的数学模型,研究了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)控制策略对于电网电压的影响机理,及电网过电压导致MMC出现的过调制问题对于系统控制性能的影响;在此基础上,提出了一种过电压抑制策略,能够在不引入负序电流的条件下有效抑制系统的过电压水平,且能够在故障线路切除后加快电网电压的恢复速度;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台构建了风场-柔性直流输电系统模型并进行了仿真研究。研究结果表明:所提出的送端交流电网电压数学模型能够准确反映系统的故障特性,所提出的过电压抑制策略能够实现预期控制效果,有利于系统在故障发生及恢复过程中的稳定运行。