Adaptive controller design based on input-output signal selection for voltage source converter high voltage direct current systems to improve power system stability

An input-output signal selection based on Phillips-Heffron model of a parallel high voltage alternative current/high voltage direct current(HVAC/HVDC) power system is presented to study power system stability. It is well known that appropriate coupling of inputs-outputs signals in the multivariable HVDC-HVAC system can improve the performance of designed supplemetary controller. In this work, different analysis techniques are used to measure controllability and observability of electromechanical oscillation mode. Also inputs–outputs interactions are considered and suggestions are drawn to select the best signal pair through the system inputs-outputs. In addition, a supplementary online adaptive controller for nonlinear HVDC to damp low frequency oscillations in a weakly connected system is proposed. The results obtained using MATLAB software show that the best output-input for damping controller design is rotor speed deviation as out put and phase angle of rectifier as in put. Also response of system equipped with adaptive damping controller based on HVDC system has appropriate performance when it is faced with faults and disturbance.

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。

R&D and application of voltage sourced converter based high voltage direct current engineering technology in China

As a new generation of direct current(DC)transmission technology,voltage sourced converter(VSC)based high voltage direct current(HVDC)has been widely developed and applied all over the world.China has also carried out a deep technical research and engineering application in this area,and at present,it has been stepped into a fast growing period.This paper gives a general review over China’s VSC based HVDC in terms of engineering technology,application and future development.It comprehensively analyzes the technical difficulties and future development orientation on the aspects of the main configurations of VSC based HVDC system,topological structures of converters,control and protection technologies,flexible DC cables,converter valve tests,etc.It introduces the applicable fields and current status of China’s VSC based HVDC projects,and analyzes the application trends of VSC based HVDC projects both in China and all over the world according to the development characteristics and demands of future power grids.

考虑MAF延时和前馈补偿的高压直流快速锁相环

同步参考坐标系锁相环是高压直流(high voltage direct current,HVDC)同步触发控制系统中广泛应用的一种窄带宽锁相环,在交流系统故障引起相位跳变情况下,其动态响应缓慢。为增大锁相环的带宽,一种滑动平均滤波器(moving average filter,MAF)被前置于锁相环路,然而MAF本身存在响应延迟,制约了锁相环的同步速度。为了缓解响应延迟问题,文中提出一种考虑MAF延时和前馈补偿的HVDC快速锁相环。首先,利用MAF线性暂态特征预测相位变化,并分别针对故障接入和切除引起的相位跳变问题提出不同的补偿策略;接着,利用不变性原理对锁相环路进行前馈补偿,在负反馈控制和前馈补偿共同构成的复合校正控制系统的作用下,锁相环能够在较小PI参数下实现快速响应;最后,将所提快速锁相环在CIGRE HVDC标准模型和三峡—上海直流工程模型中进行仿真验证。结果表明,该快速锁相环能够有效缓解滤波器响应延迟的制约,缩短失锁时间,进而提高高压直流逆变侧抵御换相失败的能力。

模块化高压大容量DC/DC变换器综述

随着新能源发电占比增加和电网规模的不断扩大,直流输电系统的容量不断提升,含有不同电压等级的直流电网是未来发展的必然趋势。在此背景下,DC/DC变换器作为直流电网关键设备,在多电压等级互联场景中发挥着重要作用。文中首先对已有的模块化高压大容量DC/DC变换器进行归纳、分类和比较,然后阐述了目前模块化高压大容量DC/DC变换器的拓扑结构、工作原理与特点,并针对其特点提出了不同变换器的适用场景,最后对未来的研究方向提出了建议。

Fault analysis method of integrated high voltage direct current transmission lines for onshore wind farm

Voltage source converter(VSC) based high voltage direct current(HVDC) transmission is most suited for the wind farm as it allows flexibility for reactive power control in multi-terminal transmission lines and transmits low power over smaller distance. In this work, a new method has been proposed to detect the fault, identify the section of faults and classify the pole of the fault in DC transmission lines fed from onshore wind farm. In the proposed scheme, voltage signal from rectifier end terminal is extracted with sampling frequency of 1 k Hz given as the input to the detection, classification and section discrimi-nation module. In this work, severe AC faults are also considered for section discrimination. Proposed method uses fuzzy inference system(FIS) to carry out all relaying task. The reach setting of the relay is 99.9% of the transmission line. Besides, the protection covers and discriminates the grounding fault with fault resistance up to 300 Ω.Considering the results of the proposed method, it can beused effectively in real power network.

基于CNN-BiGRU的高压直流输电线路故障识别

针对高压直流(high voltage direct current,HVDC)输电线路故障暂态行波具有时序性和强非线性的特点,导致高过渡电阻情况下故障识别率低的问题,提出基于卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)和双向循环门单元(bidirectional gate recurrent unit,BiGRU)的HVDC输电线路故障识别方法。首先,采用故障后整流侧的双极暂态电流行波作为特征向量,利用CNN提取全局特征,并从中剔除噪声和不稳定成分,完成对数据的降维处理。然后,采用BiGRU来捕获CNN提取到特征的前后时间信息,进一步提取数据中的时序特征,以实现HVDC输电线路故障识别。仿真结果表明:该方法可在不同故障地点以及不同过渡电阻下对单极接地、双极短路、雷击故障、雷击干扰共四种故障实现准确识别,可靠性高,具有较强的耐受过渡电阻能力,同时具备一定的抗噪性能。

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。

UHVDC换流变压器油纸绝缘缺陷直流局部放电发展过程

特高压换流变压器绝缘承受的直流电压高,绝缘缺陷劣化发展迅速,且单凭局部放电(PD)量值和放电次数无法对绝缘缺陷的发展阶段进行分析诊断。为此,研究了特高压换流变压器内部油纸绝缘缺陷直流局部放电特征及其发展过程,构建了油纸针-板等7种局部放电模型。采用阶梯式升压法研究在长期外加电压作用下,绝缘纸板从起始放电到被击穿的整个缺陷发展过程中脉冲电流信号的实时特征及其统计特性,通过拍照的方式给出各模型各发展阶段纸板表面电腐蚀状态,并给出各相应发展阶段电场的空间分布。结果表明:直流局部放电发展过程复杂,初期以大放电脉冲为主,放电频率低,等待恢复时间随机性强;中期和末期以小脉冲放电为主,等待恢复时间均匀分布;临界击穿时等待恢复时间分布集中。结合多种放电模型直流局部放电试验,可断定不同缺陷结构从起始直流局部放电到击穿的过程中,其局部放电的总体发展趋势表现一致。

HVDC送端系统振荡引发受端换相失败的机理分析

高压直流输电系统送、受端存在电气耦合及两端的控制配合,因此,送端振荡可通过系统控制逻辑、电气量及控制量变化等影响受端系统的运行状态,增加了受端换相失败的风险。现有工作主要研究了送端大扰动引发受端换相失败的现象与机理,通过对标准直流系统进行小信号分析,发现直流系统中存在低频频段的固有振荡频率,一旦交流系统发生相近频段的振荡,将可能诱发直流系统共振。在此基础上,首先分析共振引起系统电气量以及控制量的波动对换相失败的影响,通过HVDC的准稳态方程分析共振后直流电流上升导致关断角下降,进而引发首次换相失败的机理;然后从两端的控制系统出发,研究逆变侧控制切换引发后续换相失败的机理;最后对CIGRE直流输电标准测试系统进行验证,并结合换相失败发生机理对换相失败的抑制策略进行了初步讨论。

UHVDC分极分层接入方式及其运行特性

在现有分层接入方式的基础上,提出分极分层接入方式。首先对特高压直流输电接入受端电网的两种分层接入方式,从经济性、多馈入短路比指标方面进行对比分析。继而基于PSCAD/EMTDC仿真平台,对分层接入500kV/1 000kV受端电网的±800kV特高压直流输电系统搭建了两种分层接入方式的仿真系统。最后对两种分层接入方式的特高压直流输电系统的稳态、动态及暂态特性进行比较分析。研究结果表明:分极分层接入方式不仅能有效提高受端电网的多馈入短路比,增强受端电网的电压支撑能力,而且具有良好的稳态及动态响应,更重要的是能够实现两个逆变站换相失败的分层隔离,提高特高压直流输电运行的可靠性。文中针对分极分层接入方式中单极停运或双极功率不平衡时接地极电流过大的不足,提出了抑制接地极电流的措施。

计及AC-UHVDC系统无功补偿和谐波特性的UHVDC交流滤波器可靠性建模

特高压直流输电(ultra high voltage direct current,UHVDC)故障对电网影响严重,建立精确的可靠性模型十分必要。交流滤波器(ACfilter,ACF)子系统与交流母线并联,可补偿无功,减少谐波。谐波过大或无功不足均可能导致UHVDC降额。提出一种计及无功补偿和谐波特性的ACF可靠性模型,用矩阵组合将单一型号滤波器状态空间(state space,SS)合并成ACF所有配置方案的SS模型。由ACUHVDC基波潮流确定ACF需提供无功容量等级,进而将配置方案分组。由谐波潮流计算各配置方案的谐波指标,若谐波电流超标,将配置方案移至容量等级较低分组。根据分组情况,合并配置方案为五状态容量模型。算例表明,配置方案按无功补偿分组后,可能会因不满足滤波指标而被移至0%CL分组,故0%CL状态概率可能比75%CL、50%CL或25%CL状态高。

基于EMTDC的UHVDC交流侧故障的仿真

采用EMTDC软件建立了详细UHVDC模型,研究了交直流系统并列运行的相互影响,并对交流系统故障进行了仿真。仿真结果表明:逆变侧交流系统故障比整流侧交流系统故障更容易引起换相失败,三相系统故障造成严重的功率损失直至极退出停运,故障期间极控系统的策略有利于交流系统故障后,直流系统迅速恢复,合理的控制模式组合有助于故障后的恢复特性。

基于对称分量法的调相机定子故障特征分析

传统同步调相机定子绕组匝间短路故障机理分析方法通常认为电机定子电流接近三相对称,并以此为基础建立同步调相机故障电流的数学表征。但是,一旦发生定子绕组匝间短路故障,同步调相机三相定子电流的对称性将遭到破坏,使得传统故障机理分析方法所建立的数学表征无法准确反映电机内部电气量的变化。文中通过引入对称分量法,建立故障后同步调相机瞬时有功/无功功率的数学模型,提出利用瞬时有功/无功功率中的2次谐波进行定子绕组匝间短路故障诊断。仿真和实验的结果表明:相较于利用定子电流3次谐波与基波幅值之比诊断故障的传统方法,文中方法在轻微故障状态下能提高至少7倍的诊断灵敏度,更易完成早期故障诊断。同时,所提方法中的故障特征量不受同步调相机工况和故障位置的影响,具有强鲁棒性。

直流电场下涂层对导线表面水滴电致运动及电晕放电的影响

架空输电线路上的电晕放电现象通常由导线表面凸起物造成,如雨滴、污秽等,其中雨滴产生的电晕放电现象最为普遍。当前世界各国对于直流输电线路电晕放电机理的研究仍不够深入,因此其也成为发展高压直流输电亟待解决的问题之一。通过球板试验平台研究了涂敷涂层的铝球在表面附着水滴时,涂层对直流电晕特性及铝球表面水滴电致运动特性的影响;利用仿真软件建立了水滴电致运动多相流模型,分析了涂层接触角与水滴运动形态对水滴周围场强分布的影响。结果表明:水滴半径随接触角的增大而减小,水滴长度随接触角的增大先增大后减小;超亲水性涂层表面水滴吸附效应较强,水滴的运动幅度大大降低,水滴周围的电场强度畸变程度较小,同时电晕电流脉冲有效值最低;而超疏水性涂层表面的水滴难以稳定存在,水滴周围场强畸变程度较大,在电场作用下极易发生喷射现象,水滴喷射后场强的畸变程度会降低。

基于风速概率分布与风切变指数的直流输电线路离子流场数值模拟方法

特高压直流(UHVDC)输电线路下方的离子流场是电磁环境的重要评估指标之一。风速作为常见也是影响较大的因素之一,有着明显的地域特点。为了避免资源浪费,在对地高度设计时,应考虑到不同地区的风速分布差异,而不是用过大裕度换取安全度。为此,该文提出一种基于风速概率分布与风切变指数的输电线路离子流场数值模拟方法。该方法通过待计算地区的风速数据构建Weibull风速概率分布函数模型,选择风速数据在95%以内的最大临界风速作为参考值,考虑风速传感器的安装高度,根据风切变指数计算场域不同高度处的风速分布,作为离子流场计算中不同高度节点的风速输入量。结果表明,引入风切变指数后的离子流密度与合成电场强度误差分别下降了16.2百分点和3.8百分点,明显优于传统固定风速模型。并以昆明地区某±800kV直流输电线路为例,采用该方法进行了计算。该方法能够有针对性地考虑输电线路所处区域的风速影响,特别是在高海拔高风速地区,可为输电线路在合成电场安全限值下的对地高度设计提供参考依据。