MMC-MTDC系统直流单极对地短路故障保护策略

直流侧故障保护是基于模块化多电平换流器(MMC)的多端柔性直流输电(MTDC)系统的关键问题。现有文献主要对直流双极短路故障展开研究,而直流单极接地故障同样可能对系统安全运行产生严重影响。首先针对不同的换流器接地方式,分析半桥型MMC-MTDC单极对地短路故障特性,指出交流侧低阻抗接地方式下存在的问题,为实际工程接地阻抗选择提供一定参考。利用全桥型MMC的短路电流清除能力,提出一种单极对地短路故障快速恢复保护策略,能够在交流侧低阻抗接地方式下避免交流断路器跳闸。PSCAD/EMTDC仿真结果证明了故障特性分析的正确性和所提出的故障保护策略的有效性。

多端柔性直流输电线路单极接地故障定位方法

精准可靠的输电线路故障定位方法对于维持多端柔性直流系统稳定运行至关重要。为解决过渡电阻、行波色散对线路测距的干扰,有效提高输电线路故障定位精度。以先定区段再定位的思想,提出一种采用小波包奇异熵和一维卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)的多端柔性直流输电线路单极接地故障定位方法。在接地故障发生时,提取不同区段线模电压组成特征向量,结合1D-CNN分类模型完成区段识别。故障区段确定后,利用小波包奇异熵提取故障区段双端线模电压的深层故障特征,并基于特征提取结果建立1D-CNN回归模型进行故障定位。为避免模型训练时陷入局部最优,采用麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)对1D-CNN模型进行参数寻优。利用PSCAD/EMTDC建立±500KV四端柔性直流仿真系统模型,进行了多种工况的单极接地故障仿真与定位性能测试。仿真结果表明,所提定位方法具有良好的耐过度能力,在50kHz的采样频率下定位误差保持在0.22km以内。

双辅支路抑制HVDC换流站直流侧故障方案

针对换流站单极直流极线接地故障影响因素展开研究,提出双辅支路抑制故障方案。建立±800 kV换流站仿真模型及直流导线模型,分析故障位置对故障程度的影响。模拟换流站单极直流极线接地,验证“阻耗+速断”双辅支路抑制故障方案的有效性。结果表明,接地故障发生在线路中点时,系统过压过流现象最严重。双辅支路可有效抑制故障电压、电流极值差,优化电压、电流波动范围及恢复稳态时间,有效降低故障危害。研究结果可为±800 kV换流站直流侧故障抑制方案设计提供参考。

含限流电抗器的环形直流微电网暂态对地高频电压保护方法

直流线路保护是直流微电网技术发展的关键,限流电抗器为直流故障保护算法的设计提供了便利。针对含限流电抗器的环形直流微电网,利用限流电抗器的故障暂态高频电压特性,提出一种基于限流电抗器两端对地高频电压的保护方法。该方法利用故障后线路两侧限流电抗器两端对地高频电压的差异性识别区内外故障,对于线路背侧阻抗呈容性将导致保护无法正确动作的情况,通过选择合适的频率能够很好地解决。仿真结果表明,该保护方法可快速、准确地判断故障线路和故障极,灵敏度与可靠性高,阈值易设定且无须相邻线路保护配合,对双端数据同步要求较低。该方法在不同的故障场景和运行方式下均能可靠进行故障识别和故障选极,并且耐受过渡电阻能力较强。

基于直流限流电路的直流单极接地故障自适应重合闸技术

为避免柔性直流系统重合于永久性故障,造成二次过流冲击从而威胁系统安全,需采用预先判断故障性质的重合闸方法以确保系统的有效重启和可靠恢复。针对配置有混合式直流断路器的架空线柔性直流输电系统,提出一种基于直流限流电路的直流单极接地故障自适应重合闸技术。首先,提出直流限流电路拓扑结构并分析其工作原理,该拓扑由限流单元、吸能单元和故障性质判别单元组成,与混合式直流断路器串联接入直流线路。此后,结合故障发展过程,理论计算各阶段故障暂态电流、暂态电压的表达形式,并提出直流限流电路各元件的参数选择依据。最后,在PSCAD平台搭建系统模型并进行故障仿真,仿真结果表明所提自适应重合闸技术能准确判断故障性质,并具备较好耐过渡电阻能力。

柔性直流配电网接地方式对故障特性的影响分析

采用理论分析和仿真验证相结合的方法研究了柔性直流配电系统接地方式对其故障特性的影响。首先,介绍了柔性直流配电网的系统架构,确定了直流侧电容的接地方式;其次,分析了直流不平衡电压恢复的理论依据;接着讨论了联接变压器的接地方式对换流器交流侧不同位置单相故障的影响;随后分析了联接变压器接地方式对直流侧单极接地故障的影响,并讨论了不同过渡电阻情况下的故障特性。与电压源型直流输电技术(voltage-sourced converter high-voltage direct current,VSC-HVDC)分析故障特性方法不同,为提高配网供电可靠性,在分析直流侧单极接地故障时,考虑了绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)不闭锁的情况。最后讨论了在实际应用中实现IGBT运行在不闭锁状态下的方法。分析结果表明,接地方式对系统的故障过程和故障恢复过程有显著影响。分析方法和结论为柔性直流配网的接地方式选取、保护方案配置提供了参考。

模块化多电平换流器型高压直流变压器的直流故障特性研究

下一代高压直流电网技术成为未来电网发展的重要方向,高压直流变压器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备,也是制约直流电网推广的技术瓶颈之一。然而有关模块化多电平换流器型高压直流变压器(modular multilevel converter based HVDC transformer,M-HVDCT)拓扑的故障响应特性和故障穿越能力的研究尚未见诸报道。在搭建PSCAD/EMTDC仿真模型的基础上,首先分析了M-HVDCT的直流侧线路双极短路、单极接地短路故障机理,分析了系统的故障输出特性。结果表明,双极短路时的子模块电容放电是造成瞬态电流冲击的主因,而变压器耦合的阀侧馈能则是稳态故障电流的原因;M-HVDCT对双极短路故障具有故障隔离能力,而单极接地短路故障则会因为变压器的耦合作用而传到非故障侧,从而给系统带来负面影响。仿真实验结果验证了理论分析的正确性,研究结果将为直流电网技术的工程化研究提供重要的理论和工程应用基础。

基于控制与保护协同的直流配电系统单极接地故障保护策略

随着电力电子技术的发展,柔性直流配电系统逐渐成为研究热点。单极接地故障是直流配电系统中最为常见的故障类型,当交流侧通过高阻接地时,直流侧发生单极接地故障后,故障电流变化不明显,难以准确定位。文中提出了基于控制与保护协同的双端直流配电系统单极接地故障保护策略,通过就地检测交流接地支路电流微分判断故障发生,进而快速投切交流接地支路上并联的小电阻。相比于传统的差动保护方法,所提方法省去了通信时间,有效提高了保护的快速性。同时,根据保护可靠性的要求,优选了并联小电阻的阻值。最后,在PSCAD/EMTDC平台中进行了仿真分析,验证了所提保护策略的可靠性和快速性。

基于感性模糊识别的MMC直流输电线路单极接地故障分析

伪双极模块化多电平换流器(MMC)直流输电系统发生单极接地故障时的故障电流较小,在高阻故障下故障电流更是极其微弱,很难快速识别单极接地故障。考虑MMC直流输电系统中,单极接地故障暂态过程与其他类故障暂态过程的故障回路的区别,提出一种基于感性模糊识别的单极接地故障识别方法。利用电流变化率与电压的相关系数近似表征回路测量点的电感特征,定义正、负极相关系数的比值为感性模糊系数。根据感性模糊系数的符号识别单极接地故障,然后根据感性模糊系数的绝对值判断故障极。大量仿真实验表明,所提方法有较强的速动性和灵敏性,并有很强的耐受过渡电阻能力。

±800kV特高压直流线路缓波前过电压和绝缘配合

为了确定±800kV特高压直流线路的绝缘水平,依托±800kV云广直流输电工程,采用PSCAD程序模拟计算了单极线路接地在健全极线路产生的缓波前过电压及其沿线分布,给出了2%过电压的计算方法,分析了直流滤波器电容、接地电阻大小和接地位置等因素对过电压波形和幅值的影响。按两种直流滤波器方案,进行了云广直流线路的绝缘配合,选择了线路杆塔最小空气间隙,研究结果已在云广直流输电工程建设中应用。采用V串的特高压直流线路杆塔空气间隙受缓波前过电压控制,建议可以按离线路中点±30km内、外两部分分别进行直流线路缓波前过电压绝缘配合,以节省投资。

±800kV特高压直流输电线路单极接地故障过电压产生机理及影响因素

将特高压直流输电线路单极接地故障过电压分成第一次跃升和第二次跃升2个过程,并基于极线间的电磁耦合作用和波过程阐述了2次电压跃升的产生机理;分析了直流滤波器主电容、直流滤波器型式、直流控制系统、杆塔接地电阻、线路中点杆塔是否装设避雷器、输电线路参数和输送功率等多种因素对该过电压的影响。仿真结果表明,直流滤波器主电容参数是限制单极接地故障过电压的关键因素,其他因素对该过电压影响不大,为控制过电压幅值不超过额定电压的1.7倍,建议±800 k V特高压线路的直流滤波器主电容参数取值范围为1-2μF。

直流配电网单极接地故障定位方法

本文首先分析了换流器直流侧经钳位电阻中点接地的优势。在此基础上,建立了直流配电网单极接地故障的模型,分析了故障电流的特征,发现故障暂态电流为线路分布电容充、放电电流,距离故障点越近,流过的暂态电容电流越大。利用快速傅里叶变换提取暂态电容电流特征频段的总能量,通过比较各分支的总能量确定故障点方向,并利用树状图搜索确定故障区间。进而在故障区间上利用负荷电流和故障区间端点的残余电压计算故障距离。在Simulink/Matlab中搭建了数字仿真模型,仿真结果验证了该方法的有效性。在实验室进行了物理模拟实验,对本文方法进行了验证。

基于VSC的直流电网输电线路单极接地故障分析

研究单极接地故障的故障特性对解决直流输电系统故障诊断、保护设计等关键问题具有重要意义。本文将直流输电系统的单极接地故障过程分为直流侧电容放电、网侧电流回馈和电压恢复3个阶段,并针对不同接地阻抗情况下系统暂态特性,推导出各故障过程中的电容电压和放电电流的时域表达式。通过分析故障过程中直流电压的振荡特性,直流系统可通过增加阻尼避免因网侧电流回馈导致该阶段二极管过流击穿。对于单极接地故障,直流系统可通过非故障相单极运行,使其在电压恢复阶段具备短时持续运行能力,为故障清除争取时间。通过搭建两端VSCHVDC仿真系统,对直流系统的单极故障特性进行验证。

基于相似度比较的环状柔直配电网线路单极接地故障保护

直流配电网线路发生单极故障的概率较高,同时受过渡电阻变化范围较大的影响,故障识别难度大。首先,针对环状直流配电网的中压直流线路单极接地故障的保护问题,分析了单极接地故障后系统的零模网络。基于系统的零模网络,分别建立了区内、区外故障的数学模型,并通过Hausdorff距离算法对任意时刻零模差动电流采样信号和由区内、区外模型求得的零模差动电流值分别进行相似度比较,实现故障的快速识别和隔离,保护定值整定简单。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,验证了所提保护方案的可行性,结果表明该方案识别准确度高、耐受过渡电阻能力强。

直流侧故障时模块化多电平变换器运行特性分析

基于半桥子模块(HBSM)级联的模块化多电平变换器(MMC)广泛用于中高压直流输电工程。分析了直流侧短路和直流单极接地故障的暂态特性,并提出了相应保护策略。分析直流侧短路故障,将三相桥臂等效成为1条支路,给出了桥臂电流与系统电气参数的关系;分析系统交流侧接地时的直流单极接地故障特性,描述了交流三相出口电压和直流母线电压;在RT-LAB平台上搭建21电平的MMC模型进行验证,并对上述2种故障分别提出了保护策略。

张北柔直电网单极接地故障机理分析

为实现新能源互补消纳,兼顾低碳奥运,国家电网公司拟在河北省张家口地区构建?500k V可再生能源四端环形柔性直流电网示范工程,工程采用半桥型子模块MMC和直流断路器组网,线路采用架空线路,包含极线和金属回线。架空线路易发生单极接地故障,针对直流电网单极接地故障时的极线故障电流,从放电源和放电路径的角度,得出故障电流由故障极换流器提供,健全极扰动电流由健全极换流器提供的结论。针对健全极母线过电压问题,从电位突变的角度,得出了健全极母线过电压主要由中性点电位突变和金属回线电感对电位的抬升导致的结论,换流器交换电压和桥臂电感对其也有影响。所述机理在PSCAD/EMTDC平台上得到了验证。针对极线故障电流和健全极母线过电压的共同影响因素,对接地电阻和电感的敏感度进行了仿真分析,可为其他工程提供理论参考。

江陵换流站直流极母线接地故障仿真及分析

本文建立了500kV江城直流输电工程的电磁暂态仿真模型,该仿真模型控制系统由定电流控制、最小α角控制、低压限流控制、电流偏差控制等控制器组成,能够实现直流输电系统的常规控制功能。基于该模型,针对江陵换流站一起直流极母线接地事件开展故障仿真分析,仿真结果验证了所建模型在工程性分析中的有效性。

中压直流配电系统接地方式研究

在分析基于电压源换流器的直流配电网特点的基础上,从提高直流配电网供电可靠性出发,对中压直流配电系统的接地方式进行了研究。首先,分析了直流配电网的主要特点,即：广泛采用对称单极的结构;根据不同的电压等级可能采用两电平换流器或模块化多电平（MMC）换流器;可以通过联接变压器与交流系统相连,也可以直接与交流系统相连。在此基础上,分别针对两电平换流器和模块化多电平（MMC）换流器,分析了交流侧接地方式与直流侧接地方式的耦合关系,并以保证直流配电网供电的连续性和电能质量为目标,对直流配电系统的接地方式进行了研究。最后,针对直流配电网的运行场景,给出了直流配电系统接地的推荐方案,并通过仿真验证了方案的合理性。

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。

基于暂态电压Pearson相关性的MMC多端柔性直流配电网单极接地故障保护方案

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的多端柔性直流配电网直流侧保护方案,目前主要针对其双极短路故障进行了研究,而单极接地故障同样会对系统稳定运行产生严重影响。鉴于此,该文提出了一种基于暂态电压Pearson相关性的单极接地故障保护方案。该方案利用电压变化率和低压作为启动和检测判据;根据正负极线路暂态电压Pearson相关系数在区、内外故障时的差异进行故障识别;并利用故障时刻的直流电压特性确定故障极。最后,在实时数字仿真器(real time digital simulator,RTDS)上搭建了基于MMC的四端柔性直流配电网模型。仿真结果表明:该方案不受过渡电阻、故障距离以及信号噪声的影响,且基于本地信息量、无需通信。