Research on corona discharge suppression of high-voltage direct-current transmission lines based on dielectric-film-covered conductor

Corona discharge suppression for high-voltage direct-current(HVDC)transmission lines at line terminals such as converter stations is a subject that requires attention.In this paper,a method based on a conductor covered with dielectric film is proposed and implemented through a bench-scale setup.Compared with the bare conductor,the corona discharge suppression effect of the dielectric-film-covered conductor under positive polarity is studied from the composite field strength and ion current density using a line-plate experimental device.The influences of film thickness and film material on the corona discharge suppression effect are investigated.The charge accumulation and dissipation characteristics of different film materials are also studied.The results show that the conductor covered with dielectric film has excellent ability to inhibit corona discharge.The ground-level composite field strength of the conductor covered with dielectric film is lower than its nominal field strength,and its ion current density is at the nA m^(−2) level.The corona threshold voltage can be promoted by increasing the film thickness,but the ability to inhibit corona discharge becomes weak.The larger the surface electric field strength,the more charge accumulated,but the faster the charge dissipation rate.Compared with polyvinyl chloride film,cross-linked polyethylene film has stronger charge accumulation ability and slower charge dissipation rate,which can better restrain the corona discharge of HVDC transmission lines.

直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统稳定性分析及振荡抑制

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电HVDC(high voltage direct current transmission)因具有无源网络支撑等优势而被广泛应用于大容量新能源外送消纳。受电力电子设备交互作用等因素影响,送端系统易发生振荡失稳现象。首先,建立了直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统的小扰动线性化模型,分析了风场有功输出对系统稳定性的影响。然后,建立了MMC及风机并网变流器交流侧dq阻抗模型,从阻抗角度揭示了送端系统振荡失稳机理。进一步,提出了基于MMC交流电压控制外环q轴附加阻尼的振荡抑制策略,可满足系统满功率范围内的运行稳定性要求。最后,基于全比例模型的仿真结果验证了所提振荡抑制策略的有效性。

不同锁相环对LCC-HVDC控制回路稳定性的影响

该文研究了电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)系统逆变侧采用不同锁相环时,锁相环控制回路比例–积分(proportional integral,PI)参数变化对直流控制回路稳定性的影响。首先,分别建立了逆变侧锁相环采用滑动平均滤波(mo ving average filter,MAF)和级联延时消去滤波(cascaded delayed signal cancellation,CDSC)的LCC-HVDC小干扰动态模型,并通过电磁暂态仿真验证了该模型的正确性。其次,基于拉普拉斯变换获得系统定电压控制回路的传递函数,利用奈奎斯特稳定判据以及稳定裕度指标分析不同锁相环对定电压控制回路稳定性的影响,并进行了机理分析,同时在PSCAD/EMTDC的电磁暂态模型上进行了验证。最后,进一步在LCC-HVDC工程模型上对该文所得结论的普适性进行了仿真验证。

Traveling Wave Characteristics Based Pilot Protection Scheme for Hybrid Cascaded HVDC Transmission Line

The hybrid cascaded high-voltage direct current(HVDC)transmission system has various operation modes,and some operation modes have sharply increasing requirements for protection rapidity,while the traditional pilot differential protection(PDP)has poor rapidity,and even refuses to operate when faults occur on the DC line.Therefore,a novel pilot protection scheme based on traveling wave characteristics is proposed.First,the adaptability of the traditional PDP applied in engineering is analyzed for different operation modes.Then,the expressions of the forward traveling wave(FTW)and backward traveling wave(BTW)on the rectifier side and the inverter side are derived for different fault locations.From the theoretical derivation,the difference between the BTW and FTW on the rectifier side is less than zero,and the same is true on the inverter side.However,in the event of an external fault of DC line,the difference between the BTW and FTW at nearfault terminal protection installation point is greater than zero.Therefore,by summing over the product of the difference between BTW and FTW of the rectifier side and that of the inverter side,the fault identification criterion is constructed.The simulation results show that the proposed pilot protection scheme can quickly and reliably identify the short-circuit faults of DC line in different operation modes.

Damping Characteristic Analysis and Optimization of Wind-thermal-bundled Power Transmission by LCC-HVDC Systems

With the rapid development of renewable energy,wind-thermal-bundled power transmission by line-commutated converter based high-voltage direct current(LCC-HVDC)systems has been widely developed.The dynamic interaction mechanisms among permanent magnet synchronous generators(PMSGs),synchronous generators(SGs),and LCC-HVDC system become complex.To deal with this issue,a path analysis method(PAM)is proposed to study the dynamic interaction mechanism,and the damping reconstruction is used to analyze the damping characteristic of the system.First,based on the modular modeling,linearized models for the PMSG subsystem,the LCC-HVDC subsystem,and the SG subsystem are established.Second,based on the closed-loop transfer function diagram of the system,the disturbance transfer path and coupling relationship among subsystems are analyzed by the PAM,and the damping characteristic analysis of the SG-dominated oscillation mode is studied based on the damping reconstruction.Compared with the PAM,the small-signal model of the system is obtained and eigenvalue analysis results are presented.Then,the effect of the control parameters on the damping characteristic is analyzed and the conclusions are verified by time-domain simulations.Finally,the penalty functions of the oscillation modes and decay modes are taken as the objective function,and an optimization strategy based on the Monte Carlo method is proposed to solve the parameter optimization problem.Numerical simulation results are presented to validate the effectiveness of the proposed strategy.

异步互联系统准同步运行的HVDC附加控制建模及稳定性分析

异步互联系统调频资源和备用容量的分割使得频率稳定问题突出,利用高压直流输电系统的附加频率控制(AFC)可以实现异步互联系统调频备用共享,参与系统频率调控。文中以改善异步互联系统整体的调频性能和频率质量为目标,研究基于直流两侧电网频率差进行无差控制实现异步互联系统准同步运行的直流AFC对两侧电网频率稳定性的影响。利用换流站交直流系统的功率平衡关系建立较为精确的高压直流输电系统线性化模型,得到异步互联两区域系统的负荷频率控制模型,以此进行特征分析指导AFC参数设计。多场景仿真结果表明,准同步运行的直流AFC在使两侧电网趋于同频运行的同时,能够适应两侧电网的容量自动调节直流功率,有效改善全系统的频率稳定特性。

DC Current Order Optimization Based Strategy for Recovery Performance Improvement of LCC-HVDC Transmission Systems

For the safe and fast recovery of line commutated converter based high-voltage direct current(LCC-HVDC)transmission systems after faults,a DC current order optimization based strategy is proposed.Considering the constraint of electric and control quantities,the DC current order with the maximum active power transfer is calculated by Thevenin equivalent parameters(TEPs)and quasi-state equations of LCC-HVDC transmission systems.Meanwhile,to mitigate the subsequent commutation failures(SCFs)that may come with the fault recovery process,the maximum DC current order that avoids SCFs is calculated through imaginary commutation process.Finally,the minimum value of the two DC current orders is sent to the control system.Simulation results based on PSCAD/EMTDC show that the proposed strategy mitigates SCFs effectively and exhibits good performance in recovery.

基于实际控保录波的HVDC送端区内阀短路故障定位

为高效、快速识别高压直流输电系统整流站区内4种典型阀短路故障,提出融合控保录波数据的阀短路故障定位方法。首先,基于Y桥和D桥阀短路保护动作,识别12脉动换流器出线短路;然后,根据阀短路保护动作后执行的控制逻辑引起的各桥故障电流特征差异,在考虑控制系统对故障特征影响的基础上,设计基于不同阀导通状态时各桥三相电流标幺化的阈值分类判据,以区分区内交流侧相间短路和各桥桥臂短路及换流器6脉动换流器出线短路。最后,基于RTDS与实际控保系统的闭环仿真平台,验证了本文所提阀短路故障定位方法的有效性。

基于IGCT抑制换相失败的关键控制策略

针对基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统因以晶闸管作为换流器件而存在的换相失败问题,以集成门极换流晶闸管(IGCT)在中国某背靠背高压直流工程中的应用为基础,首先介绍了IGCT型高压直流的拓扑及基本运行原理。接着,从兼顾换相失败抵御效果和IGCT阀的关断应力角度,提出了适应IGCT阀的关断策略。在此基础上,研究了不同类型交流故障对故障电流峰值的影响,提出了利用故障扰动系数动态调整电流控制器参数的策略,实现故障电流抑制和故障期间直流功率的稳定输送。最后,通过实时数字仿真(RTDS)验证了所提策略的正确性和有效性。

基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护

电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电线路两端并联有大电容,在故障发生瞬间,大电容迅速向故障点放电,对高频故障分量系统侧可等效为并联大电容。根据VSC-HVDC这种特有的系统结构,提出了一种基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护新原理。该保护原理采用时域算法,通过识别VSC-HVDC输电线路两侧的电容值来区分区内、区外故障。当直流输电线路发生区内故障时,能同时准确识别出线路两端的电容值;当直流输电线路发生区外故障时,不能同时准确识别出线路两端电容值。根据此特征,构造纵联保护判据。理论分析和仿真结果表明,该原理不受过渡电阻、故障类型、故障位置、控制方式和线路类型的影响,在各种工况下均能快速可靠地区分区内、区外故障,而且该方法计算简单,易于实现,具有一定的实用价值。

模块化多电平变流器HVDC输电系统控制策略

建立模块化多电平变流器(modular multilevelconverters,MMC)的电磁暂态数学模型以及采用MMC为变流器的高压直流输电系统(high voltage direct current,HVDC)直流侧电压的动态数学模型。在此基础上,分析HVDC系统的直流侧电压动态特性,给出HVDC控制器参数协调设计原则和算法。最后,基于PSCAD/EMTDC的数字仿真结果证明了所提出的HVDC控制系统参数协调设计原则和算法的正确性。

HVDC输电系统可靠性跟踪方法

由于高压直流输电(HVDC)系统结构复杂、元件众多,各元件对系统不可靠性的影响各不相同,如能找到一种不可靠性分摊方法,给出各元件对系统不可靠性的贡献大小,以确定直流输电系统的薄弱环节,将为运行和规划人员提供一种新的可靠性分析方法。针对该问题,提出基于比例分摊思想的系统不可靠性跟踪准则,结合可靠性计算中的子系统划分,又提出了直流输电系统可靠性跟踪的2次分摊方法。在子系统可靠性跟踪中,应用比例分摊准则得到各子系统内部元件对子系统可靠性指标的分摊;在整个直流系统可靠性跟踪中,基于该准则得到各子系统可靠性指标对直流系统各可靠性指标的分摊;最后合并2次分摊结果即可得到各元件对系统可靠性指标的分摊。采用某工程算例进行测试分析,结果证实该文提出的可靠性跟踪方法能够将HVDC输电系统可靠性指标公平合理地分摊到各元件或子系统,并有效地辨识了系统的薄弱环节。

基于S变换的HVDC输电线路纵联保护方法

传统的直流输电线路行波保护易受故障电阻的影响,作为后备保护的纵联差动保护动作速度慢,而且需两端数据同步,对此提出一种基于S变换的高压直流线路纵联保护新方法。理论分析表明,当故障发生在保护安装处的正方向时,保护检测到的电压和电流突变量的极性相反,而反方向故障时,二者的极性相同。根据此特征,提出利用S变换相角差的方法来识别两者的极性,进而判断故障的方向。此外,对于双极输电系统的单极接地故障类型,可根据两极电压突变量的S变换零频暂态能量和的比值差异实现故障选极。仿真结果表明,所提方法在各种故障情况下都能够有效地识别区内外故障、故障极以及雷击干扰,灵敏度高,可靠性强。

VSC-HVDC主电路拓扑及其调制策略分析与比较

立足电压源换流器(VSC)-高压直流(HVDC)输电工程实际,旨在解决选用何种VSC拓扑方能使VSC-HVDC输电达到最佳性能,即找出相对最优的VSC拓扑及其调制策略。结合相应衡量指标,首先比较研究了两电平VSC采用不同调制策略时的特性,此比较研究较好平衡了两电平VSC谐波特性与开关频率这一对矛盾体;接着,对此比较研究中得出的相对最优拓扑与两电平12脉动、三电平二极管钳位及模块化多电平VSC间的特性进行分析;最后,得出结论:基于特定次谐波消除脉宽调制的两电平VSC与模块化多电平VSC为切实可行的2种换流器拓扑,其具有各自不同的应用场合特征。另外,结合实际VSC-HVDC输电工程建设的要求,给出了选型的基本方法和经验,并通过仿真加以了验证。

基于相对增益矩阵和Prony技术的南方电网FACTS和HVDC之间交互影响分析

高压直流输电(HVDC)及灵活交流输电(FACTS)装置因其优良特性被广泛应用于现代电网中,但是其实际应用时间较短,加之其控制器的复杂性,使得对大规模交直流混联电网中FACTS装置之间及FACTS装置与HVDC间的交互作用的研究不够成熟和完善。文中以定量分析南方电网中FACTS装置之间以及FACTS装置与HVDC系统间的交互作用大小为目标,建立了含FACTS装置和HVDC系统的多机电力系统的线性化模型,并详细阐述了引入不同FACTS装置及直流系统时,控制变量、输出变量的选择及对代数方程的处理。接着对南方电网进行等值,利用该线性化模型推导出等值系统的传递函数,利用RGA方法找出FACTS装置之间以及FACTS装置与HVDC系统间的交互作用的大小。最后通过大扰动下的Prony分析验证了RGA分析结果的正确性。

基于MMC的两端TWBS-HVDC直流侧短路故障电流计算方法

基于三线双极结构的高压直流(TWBS-HVDC)输电系统能够较大程度地发挥直流线路的输电能力,是一种实现交改直和线路增容改造的有效方式。针对TWBS-HVDC系统与双极直流系统在接线形式上的差异,文中提出了一种适用于两端TWBS-HVDC的直流侧短路故障电流计算方法。首先基于模块化多电平换流器(MMC)暂态等效电路建立两端TWBS-HVDC在不同直流侧故障发生至线路直流断路器动作阶段的暂态等效模型。以暂态等效电路中独立回路数和动态元件阶数为标准,将所有直流故障归纳为3类,分析推导各类故障下的状态方程,通过求解状态方程中系数矩阵的特征值和特征向量得到故障电流解析表达式。最后在MATLAB/Simulink数字仿真平台中,搭建两端TWBS-HVDC模型进行仿真验证,结果验证了所提TWBS-HVDC直流侧短路故障状态方程求解法的准确性和有效性,为直流断路器选型和限流电抗器参数整定提供了可靠依据。

综合FACTS和HVDC协调优化的大规模风电脱网控制方法

随着交直流混联电力系统的快速发展,目前灵活柔性交流输电系统(FACTS)和特高压直流输电系统在我国电力系统中已得到广泛应用,为近年来我国风电大规模脱网问题提供了新的控制技术和有效手段。分析了系统交直流故障后的风电脱网场景,表明抑制故障后系统电压大幅波动是减少风电大规模脱网的关键。在此基础上,阐述了事故前FACTS优化配置和事故后采取HVDC紧急功率支援协调抑制风电大规模脱网的必要性。并基于对风电场汇集母线电压波动的改善灵敏度,以保证系统安全性为前提,通过协调优化事故前FACTS动态无功补偿设备布点、容量配置和事故后直流紧急功率支援,提出一种风电脱网控制代价最小的FACTS和HVDC的协调优化方法,实现风电脱网的抑制和电网的经济运行。最后,以实际规划电网进行了仿真验证,证明了该方法的有效性。

比例谐振控制器在MMC-HVDC控制中的仿真研究

基于模块化多电平高压直流输电系统(high voltage direct current transmission based on modular multilevelconverter,MMC-HVDC)通常采用双闭环矢量控制策略,由于该策略在不平衡故障情况下,需要采用正负序2套旋转坐标系对正负序电流分别进行控制,从而存在需要调整控制参数多、动态响应慢的问题。该文在两相静止坐标系下,分析了MMC-HVDC数学模型的特点,并对其功率分量进行了相应推导。为了实现交流信号无静差控制,在坐标系下引入比例谐振控制器实现正负序电流的统一控制,该策略无需繁琐的旋转坐标变换,从而不存在受电路参数影响的耦合项和前馈补偿项,进而方便了控制器的设计;同时利用PR控制器对传统电容电压均衡控制内环进行了改进,最后,在PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型基础上,验证了-PR平衡和不平衡控制策略的有效性。

基于同伦变换的VSC-HVDC分散协调鲁棒阻尼控制器设计

针对含柔性直流的区域互联电力系统低频振荡,提出一种基于同伦变换的有功、无功分散协调控制方法。首先,通过数字子空间状态空间系统辨识算法辨识出系统多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)状态空间模型,并对系统进行振荡模态分析。其次,基于线性矩阵不等式鲁棒控制理论,设计出集中MIMO附加鲁棒控制器。最后,应用同伦变换将集中MIMO鲁棒控制器转化为分块对角化的结构,从而得到多个低阶单输入单输出鲁棒控制器。仿真验证表明,该文所设计的有功、无功相协调的分散鲁棒控制器能有效抑制低频振荡,控制器阶数低,无耦合,鲁棒稳定性强,在严重故障情况下能充分利用基于电压源换流器的直流输电的有功和无功调制能力,并且在信号丢失时能保持较好的阻尼性能。