Adaptive Reclosing Scheme Based on Traveling Wave Injection For Multi-Terminal dc Grids

The hybrid dc circuit breaker(HCB)has the advantages of fast action speed and low operating loss,which is an idealmethod for fault isolation ofmulti-terminal dc grids.Formulti-terminal dc grids that transmit power through overhead lines,HCBs are required to have reclosing capability due to the high fault probability and the fact that most of the faults are temporary faults.To avoid the secondary fault strike and equipment damage that may be caused by the reclosing of the HCB when the permanent fault occurs,an adaptive reclosing scheme based on traveling wave injection is proposed in this paper.The scheme injects traveling wave signal into the fault dc line through the additionally configured auxiliary discharge branch in the HCB,and then uses the reflection characteristic of the traveling wave signal on the dc line to identify temporary and permanent faults,to be able to realize fast reclosing when the temporary fault occurs and reliably avoid reclosing after the permanent fault occurs.The test results in the simulation model of the four-terminal dc grid show that the proposed adaptive reclosing scheme can quickly and reliably identify temporary and permanent faults,greatly shorten the power outage time of temporary faults.In addition,it has the advantages of easiness to implement,high reliability,robustness to high-resistance fault and no dead zone,etc.

基于限流电抗器两侧特定频段暂态能量比的MTDC电网单端量保护方案

柔性直流输电技术有利于未来大量分布式能源接入电网,而配置快速、可靠的保护方案是柔性直流技术发展的关键。基于直流电网等效模型,提出一种基于限流电抗器两侧电压特定频段暂态能量比差异性的单端量故障区域识别方法。该方法依据贝瑞隆等效模型计算出限流电抗器两侧电压比,通过广义S变换提取限流电抗器两侧特定频段电压,根据故障时正负极限流电抗器的电压幅值差的差异性实现故障选极。最后在PSCAD/EMTDC平台搭建仿真模型,分析出发生区内外故障时差异性明显,具备较强的耐过渡电阻与抗噪声干扰能力。

基于CRS-LMD和SVD的MMC-HVDC线路故障测距方法

直流输电线路故障行波波速不确定、波头提取困难以及噪声干扰等因素制约了直流电网中故障测距技术的应用。为了降低上述因素对定位准确性的影响,提出一种基于局部特征有理样条插值均值分解(LMD based on characteristic rational spline,CRS-LMD)和奇异值分解(singular value decomposition,SVD)的故障测距方法。首先,利用特征尺度选取最优极点系数,结合有理样条插值调节拟合曲线的松紧程度,实现对故障电压行波的局部均值分解。其次,采用奇异值分解对故障行波波头进行准确提取。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了张北±500 kV柔性直流电网的仿真模型,模拟各种故障情况并输出故障数据,利用Matlab对故障数据进行处理并验证定位算法。最后,仿真结果表明,所提故障测距算法在不同故障距离和故障类型下均能实现故障测距,且在叠加噪声和过渡电阻的情况下也能保障较高的精确性。

不对称电网电压下MMC-HVDC换流站环流抑制策略

应用模块化多电平换流器技术的柔性直流输电系统在运行时存在桥臂环流问题。文中通过分析不对称电网电压下桥臂相单元的瞬时能量,得出桥臂环流存在2倍频正、负和零序交流分量与直流分量,且直流分量分布不相等。针对交流分量的精确控制问题,文中提出了基于期望瞬态幅值响应的交流控制器,并通过系统的开环与闭环特性分析,在理论上证明了其具有控制精度高、稳定性好等优点。进一步提出了基于此控制器的新型环流抑制策略,此策略可直接在abc三相静止坐标下对每相桥臂独立控制,无需坐标变换和锁相环,控制结构简单且可以同时消除2倍频正、负和零序环流。在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建51电平背靠背输电系统模型,验证了该环流抑制策略的正确性与有效性。

基于MMC闭锁与负直流电压无闭锁的综合直流故障限流策略

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网存在抗直流故障扰动能力弱的问题。为此,在无闭锁和闭锁限流的基础上,提出了一种适用于柔性直流电网的无闭锁与闭锁的综合直流故障限流策略。故障发生后,各换流站首先根据直流侧出口电流进行基于负直流电压控制的无闭锁限流,若某换流站由于无闭锁降压限流失效而发生过流,则主动将该换流站闭锁。故障消失或隔离后,无闭锁换流站第一时间恢复正常工作模式,而无须等待重启过程较长的闭锁换流站,以尽量减小系统功率损失。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提综合直流故障限流策略可快速阻断故障电流,并兼顾限流过程的安全性和快速性,最大限度保证系统功率传输,提高了直流电网的抗故障扰动能力。

基于单端分支系数的四端柔直环网线路保护方案

为提升直流线路保护在柔性直流环网中的速动性与可靠性,提出一种基于单端分支系数的保护方案。分析了不同故障位置下各换流阀提供的故障电流分量,并根据单端换流阀极线电流突变量构造分支系数,结果表明线路保护区内故障下的单端分支系数小于区外故障,利用该特征构造区内、外故障识别元件。在线路高阻接地致使主保护失效时,根据桥臂最大允许电流决定线路纵联后备保护的开放时限,以优化现有主、后备保护方案之间的时序配合方案,保障各种直流线路故障工况下,换流阀不间断运行。保护方案不依赖线路边界元件,算法简单,大量仿真结果表明,该方案有良好的耐受过渡电阻能力,能在换流阀闭锁前实现故障区域可靠识别。

MMC-HVDC电网输电线路双极短路故障电流的实用计算

基于模块化多电平换流器的高压直流电网作为支撑高比例可再生能源接纳的有效手段,已经成为电网发展的重要方向。双极短路故障是输电线路发生的最严重故障,目前一般通过在s域内列写直流系统状态方程,然后再基于拉氏反变换求解故障电流,亟待提出短路电流的工程实用计算方法。为此,以张北柔性直流电网为研究对象,首先分析了输电线路双极短路的故障特性及耦合机理。在此基础上,将故障线路靠近阀侧的两端分别看作二端口,分析了故障电流与二端口两侧电压的关系。其次,基于正、负极线路二端口电压变化不大的思想,将环形直流电网简化为两端网络或开式网络,得到故障线路电流的实用计算方法,不再需要求解高阶的拉氏反变换而直接得到故障电流。最后,通过与电磁暂态仿真结果的对比,验证了实用计算方法的可行性与高效性。

基于多类型换流设备的受端电网耦合鲁棒阻尼控制策略

针对混合级联直流馈入与柔性输电设备密集接入的受端电网,为增强其特定振荡模式的阻尼,利用不同换流设备控制回路间的相互作用,提出了一种基于多输入多输出系统模型的耦合鲁棒阻尼控制器设计方法。根据主模比指标选取振荡抑制效果最佳的反馈信号作为控制器输入信号;利用总体最小二乘-旋转不变技术识别系统的振荡模式并辨识系统降阶模型;采用混合H_(2)/H_(∞)方法设计耦合鲁棒控制阻尼器。控制器采用平衡截断法进行降阶,兼具鲁棒性能与实际工程应用。混合级联直流与受端江苏电网互联系统的时域仿真结果表明,相比于传统超前-滞后控制器,耦合鲁棒阻尼控制器在多种扰动和故障下均能有效抑制低频振荡,使系统快速恢复稳定运行。

基于耦合电感的直流故障限流器

柔性直流电网存在故障电流上升速度快、幅值高,感性元件储存能量大等问题,这造成故障电流难以分断,并且使得直流断路器的耗能支路承受巨大压力。为了限制故障电流峰值并且降低直流断路器耗能压力,提出一种基于耦合电感的直流故障限流器。当发生短路故障时,该故障限流器利用电感耦合特性等效投入电阻与电容组成的限流支路,以实现无延时的故障限流;当直流断路器分断故障电流时,该故障限流器利用耗能电阻耗散耦合电感储存的能量,从而分担直流断路器耗能压力,以达到降低避雷器容量需求、加快故障电流分断速度的目的。大量电磁暂态仿真结果表明,所提故障限流器具有良好的限流效果,能极大降低直流断路器的耗能压力。且该故障限流器制造成本低,易于实现。

基于电流动态偏差值的MMC-MTDC直流侧故障识别

为了快速可靠识别基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的多端柔性直流MTDC(multi-terminal direct current)输电系统直流侧故障,提出了一种基于单端单极电流的柔性直流电网故障识别方案。该方案通过对电流动态偏差值极值的检测与电流累差值的计算实现直流线路故障快速定位,采用母线短时能量保护区分直流母线故障和线路故障,并根据所提保护方案设计了一套故障检测和识别单元。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建仿真模型,通过仿真算例验证了该保护方案能在各种情况下快速、可靠地识别故障,无需双端数据通信,无需复杂数据分析与处理,满足多端柔性直流输电系统对保护的要求。

高压直流断路器在张北柔性直流电网中的应用

高压直流断路器是柔性直流换流站构成直流电网的核心设备,但±500 kV电压等级的高压直流断路器尚无应用经验。为了验证±500 kV高压直流断路器在实际应用中的开断特性,介绍了机械式、耦合负压式、混合式3种不同技术路线的高压直流断路器的拓扑结构,在张北柔性直流电网中通过现场实际短路接地故障,验证了±500 kV高压直流断路器能够在3 ms内可靠切断故障电流,最后对3种不同技术路线的高压直流断路器工作特性进行对比分析,指出了不同技术路线的高压直流断路器在分合闸过程中存在的问题,为大容量高压直流断路器的研制与应用提供一定参考。

多端光伏MMC-MVDC系统的控制策略研究

近年来,多端模块化多电平变换器(MMC)一直都是应用在柔性高压直流输电系统方面,但是近年来由于电力行业的蓬勃发展,推动了多端口MMC中压(MVDC)配电网的应用由船舶方向转向电网方向的发展。针对dq旋转坐标系为切入点展开建模,并且运用了内环电流控制和外环控制原理建立了一个MMC数学模型。在增强电力系统稳定性方面引入了最近电平逼近策略,并在最后借助于MATLAB/Simulink仿真软件构造了一个三端光伏的MMC-MVDC的系统模型.

基于改进时域法的多端MMC-HVDC故障电流计算

为解决基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电(high voltage direct current,HVDC)故障电流解析计算精度不足的问题,提出一种计及远端站影响的多端MMC-HVDC故障电流改进时域求解法。首先,在分析故障后子模块电容放电路径的基础上,推导换流站等效电容值等系统参数,建立MMC-HVDC系统故障后网络等效模型。其次,将直流电网各换流站解耦,以故障后各支路电流近似解为初值,逐次修正计及远端站影响的多端MMC-HVDC线路等效电阻及等效电感,得到多端MMC-HVDC系统中各支路的故障电流值。最后,基于RT-LAB仿真平台搭建四端柔性直流电网模型,对故障电流计算值与详细电磁暂态仿真结果进行对比。结果表明,所提故障电流求解方法能够准确、有效地计算出多端MMC-HVDC短路故障后各支路电流值,最大误差小于5%。

基于新型方向判据的多端MMC-HVDC故障快速检测方案

以张北—北京四端±500kV柔性直流电网为基础,定量分析线路故障后暂态电压行波在感性线路端口的传播特征,设计一个基于单端量的多端柔性直流输电系统故障快速检测方案。该方案利用反向行波积分与正向行波积分的比值大小提出一个新型的故障方向判据,并根据直流限流电抗器对故障暂态行波的衰减作用,联合反向行波的变化率和方向判据实现故障区域的快速检测。此外,根据线路故障后故障极和非故障极电压变化差异判别故障类型。与已有的方法相比,所提方案只需要单点测量信息就能够实现方向性保护,具有较强的识别大过渡电阻故障和抗噪声干扰能力。最后,通过PSCAD/EMTDC搭建的张北—北京仿真模型,验证所提线路故障快速检测方案的性能。

Review of protection and fault handling for a flexible DC grid

With the development of power electronics technology,the flexible DC grid will play a significant role in promoting the transformation and reformation of the power grid.It is immune to commutation failure and has high flexibility in power control and renewable energy grid integration.However,the protection and fault handling technology for a flexible DC grid is a big challenge because of the limited overcurrent capability of the converters.This paper summarizes the development of the flexible DC grid,and analyzes the fault characteristics in detail.Next,the applicability,advantages and disadvantages of the existing protection principle,fault isolation and recovery schemes are reviewed.Finally,the key problems and development trend of the future flexible DC grid are pointed out and forecasted respectively.

Nyquist Stability Analysis and Capacitance Selection for DC Current Flow Controllers in Meshed Multi-terminal HVDC Grids

Controllability of DC current/power flow is essentialin multi-terminal HVDC (MTDC) grids, particularly for theMTDC grids in a meshed topology. In this paper, consideringmeshed MTDC (M2TDC) grids with the installation of twoline/multi-lineDC current flow controllers (CFCs), a small-signalmodel of the DC CFCs integrated M2TDC grids is derived,studying the impact of the power losses of the DC CFC andtheir influence on the analysis of energy exchanges. The systemstability analysis is analysed using the Nyquist diagram, which ismore suitable for analyzing complex nonlinear systems with morecompact and reliable indicators of stability in comparison withgain/phase margins shown in the Bode diagram. In addition, aselection method of the interconnected capacitor of the DC CFCis proposed under different operating conditions. The impact ofthe switching frequencies of the DC CFC on the control ranges ofthe DC current flows is analyzed. The effectiveness of the Nyquistanalysis and the capacitance selection method is verified bysimulation studies using PSCAD/EMTDC. The obtained control ranges of the DC CFC with different switching frequenciesand capacitances would be useful for practical engineeringapplications.

MMC-HVDC技术在高原气候条件下的风电并网研究

介绍MMC换流器的结构及原理,研究MMC和HVDC在高原气候条件下风电并网中的有效性。

基于电流模量分析的MMC-MTDC系统直流输电线路故障识别

直流线路故障的快速、可靠识别是基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性多端直流输电(multi-terminal direct current,MTDC)系统发展的关键技术之一。通过分析柔性多端直流系统线路故障后电流的暂态特征,提出了一套基于单端电流模量分析的MMC-MTDC系统直流线路故障识别方案。该方案通过对电流一模故障分量动态偏差值极值极性与大小的检测实现了直流线路故障快速定位,并利用故障后电流零模故障分量的差异,从而实现了对故障极的快速判别。在PSCAD仿真平台上搭建了双极四端MMC型柔性直流电网的模型,通过仿真算例验证了该保护在不同故障位置和过渡电阻下均能快速、可靠地检测到直流线路故障并且准确识别故障极。

基于故障电流预测的柔性直流电网自适应限流策略

故障限流是保证柔性直流电网安全运行的关键技术。然而,现有基于故障限流器(FCL)的限流策略未考虑与故障严重程度的匹配,增加了FCL在轻微故障下非必要启动的次数及保护拒动的风险。针对上述问题,提出一种基于人工神经网络(ANN)预测故障电流的柔性直流电网自适应限流策略。该策略能在线评估故障严重程度并据此灵活选择加速投入、正常投入或不投入FCL,提升了FCL的限流效率。首先,分析了自适应限流及故障在线预测的必要性,并阐述了基于ANN预测故障电流的流程。在此基础上,结合差模电流积分比和故障电流瞬时值形成故障严重程度分级指标,并基于故障电流及其预测值在线评估故障严重程度。针对极严重故障、严重故障、轻微故障及区外故障分别采取相应时序的限流策略,进而形成匹配故障严重程度的柔性直流电网自适应限流策略,在避免FCL非必要启动的同时降低直流断路器开断容量需求。最后,在PSCAD/EMTDC环境中搭建了四端柔性直流电网仿真模型,以直流断路器开断电流为评估指标,对比验证了所提自适应限流策略在各故障工况下的灵敏性和有效性。

混合式直流故障限流器改进拓扑及其参数设计方法

故障限流器可以有效保障设备安全和柔性直流电网的可靠故障穿越,是柔性直流电网故障处理的核心技术之一。为消除传统限流电感对系统暂态响应速度及运行稳定性的不利影响,提出一种基于电感电阻混合拓扑结构的新型混合式直流故障限流器,在系统发生故障后以电感与电阻并联的方式实现故障限流。与现有的直流故障限流器相比,所提混合式直流故障限流器有效减少了拓扑中的晶闸管数量,造价成本大幅降低。同时小信号模型分析表明,电感两端并联的电阻能够有效消除限流电感对系统暂态响应和稳定运行的不利影响。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了四端环状柔性直流电网,充分验证了所提方法在保障限流效果的基础上能够有效改善系统的运行稳定性。