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.

A DC Chopper Topology to Mitigate Commutation Failure of Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current Transmission

To reduce the probability of commutation failure(CF)of a line commutated converter based high-voltage direct current(LCC-HVDC)transmission,a DC chopper topology composed of power consumption sub-modules based on thyristor full-bridge module(TFB-PCSM)is proposed.Firstly,the mechanism of the proposed topology to mitigate CF is analyzed,and the working modes of TFB-PCSM in different operation states are introduced.Secondly,the coordinated control strategy between the proposed DC chopper and LCC-HVDC is designed,and the voltage-current stresses of the TFB-PCSMs are investigated.Finally,the ability to mitigate the CF issues and the fault recovery performance of LCC-HVDC system are studied in PSCAD/EMTDC.The results show that the probability of CF of LCC-HVDC is significantly reduced,and the performances of fault recovery are effectively improved by the proposed DC chopper.

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。

基于小波神经网络的特高压直流输电线路故障测距方法

传统特高压直流输电线路故障测距方法直接对故障区段进行识别,未对故障电压信号空间状态模型进行构建,这导致了传统方法测距的精度存在较大误差。针对这一问题,文章提出了基于小波神经网络的特高压直流输电线路故障测距方法。通过构建故障电压信号空间状态模型进行故障区段识别,最后基于小波神经网络实现故障测距。对比实验结果表明,本文研究方法测距精度误差较小,具有重要的实际应用价值。

基于T区中低频衰减特性构成方向元件的特高压三端混合直流输电线路单端方向保护研究

将保护装置安装在T区两侧,基于T区中低频衰减特性构成方向元件,提出一种特高压三端混合直流输电线路单端方向保护方法。分析特高压三端混合直流输电系统整流侧、T区以及线路末端逆变侧三端边界频率特性,发现T区边界对故障电流暂态信号中低频分量有一定的衰减作用、整流侧边界和线路末端逆变侧边界对故障电流暂态信号高频分量有明显衰减作用。利用小波分解,根据T区两侧线路暂态电流中低频能量差判断故障方向,并提出故障方向判据。当T区左侧发生故障时,利用线路L1末端所检测到的高频暂态电流能量与低频暂态电流能量的比值来判别整流侧区内、外故障;当T区右侧发生故障时,利用线路L2首端所检测到的高频暂态电流能量与低频暂态电流能量的比值来判别线路末端逆变侧区内、外故障;T区发生故障时,判定为线路区外故障。给出基于T区中低频衰减特性构成方向元件的特高压三端混合直流输电线路单端方向保护方案,最后在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建昆柳龙特高压三端混合直流输电系统模型并对所提保护方法进行验证,仿真表明该文所提保护方法能实现特高压三端混合直流输电线路全线速动保护。

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.

可控换相换流器研制及其工程应用

可控换相换流器是针对常规直流输电换流阀换相失败问题而提出的一种新型直流换流装备,并于2023年6月在±500 kV/1200 MW葛洲坝—上海南桥高压直流输电系统改造工程(简称“葛南直流改造工程”)中投入使用。文中首先阐述了可控换相换流器的技术需求与技术原理,对其技术经济性进行了分析。然后,结合葛南直流改造工程的实施,介绍了可控换相换流器研制、试验及应用情况,提出了可控换相换流器电气参数、结构设计方案、型式试验方案,并结合现场录波介绍了工程调试过程中的低压加压、空载加压、人工短路等关键试验项目和试验结果,以及换流器投运后的运行情况,根据历次交流故障事件现场录波具体分析了换流器动作时序的正确性。最后,对可控换相换流器在特高压直流输电工程、省域交流联络线改造等场景下的应用前景进行了分析,为后续可控换相换流器的进一步推广应用提供参考。

特高压直流输电技术发展现状与思考

随着国家能源清洁低碳转型和新型电力系统加快建设,针对未来沙戈荒地区新能源和西部水电基地高效汇集与可靠外送,提升电网支撑能力,适应直流集中接入地区可靠运行等发展需求,结合功率半导体器件技术进步,新型换流设备创新研究与应用实践情况,对不同路线换流器的直流输电技术在系统适应性、可行性、可靠性和经济性等方面开展对比分析。首先,分析了特高压直流输电技术发展需求,总结了直流换流技术最新进展;然后,从应用场景、可靠性、系统支撑能力、技术成熟度等方面,进行了各类换流技术对比,并开展特高压直流新技术风险分析探讨;最后,从确定技术路线、选择设计方案方面提出了特高压直流方案选择要求,并给出直流换流技术发展建议。

混合直流系统中直流侧故障暂态电流的解析表达与故障特性的研究

由基于线性换流器高压直流输电系统(LCC-HVDC)和基于电压源换流器高压直流输电系统(VSC-HVDC)共同构成的混合直流输电系统,其故障特性与传统直流输电系统不同。针对此问题,对混合直流输电系统中直流侧故障暂态电流特性进行了研究。首先建立了送端电网采用LCC型换流站、受端电网采用VSC型换流站的两端混合直流输电系统,利用拉普拉斯变换定理推导了直流侧故障时的等效电路,解析了LCC侧和VSC侧直流故障电流简易表达式。其次,在简易表达式的基础上,充分考虑送端LCC侧换流站的触发角动态变化过程和受端VSC侧换流站交流电流的馈入,进一步解析了两侧精确的故障电流表达式。然后,从故障电流幅值、谐波等方面对比分析了三种高压直流系统中直流侧故障电流的变化特征。最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提故障电流解析表达式的正确性。

±800 kV直流线路工程邻近带电体架线施工防护研究

考虑直流输电线路邻近带电体架线施工风险,利用表面电荷法得到导线表面电场强度数学模型,应用有限元计算了邻近±800 kV直流输电线路和T型塔的空间电场分布情况,给出了架线施工时邻近线路和T型塔的最小关注距离。研制了直流电场安全监控报警装置并用于验证有限元仿真结果;依托昌吉–古泉±1000 kV特高压直流工程甘3标段完成了装置功能验证,结合验证结果给出了邻近带电体施工管控措施。研究结果可为邻近带电体架线安全施工提供技术参考。

DRU-HVDC系统并联风机无功环流的分析与抑制

基于二极管整流器单元的高压直流输电(DRU-HVDC)具有多重优势从而受到了广泛关注,但是线路阻抗不匹配会使并联风机之间无功功率分配不均,产生无功环流。与传统的P-f,Q-U控制不同,基于DRU构网型风机采用P-U和Q-f控制,分析了此背景下阻抗不匹配时风机间无功环流产生的机理,提出了一种基于自适应频率补偿的无功环流抑制策略。该策略是在使用全局统一参考坐标系的基础上,对各台风机的无功控制环加入自适应频率调节,以此来实现风机间的无功环流抑制。仿真结果与实验结果表明所采用的策略提高了无功功率分配精准度,无需线路阻抗信息即可抑制风机间的无功环流,确保了风机组稳定运行。

大理局±500 kV金中直流线雷击跳闸分析

输电线路是电力系统重要组成部分,其能否稳定运行,直接影响到整个电力系统运行的安全性和可靠性。为此,对超高压输电公司大理局近年来±500 kV金中直流线雷击跳闸情况进行分析,针对该线路实况及雷电活动情况,总结出相应的防雷措施,对线路的安全稳定运行提供重要保障。

输电线路相间故障引发直流双极换相失败分析

对一起220 kV交流线路相间故障引发直流双极换相失败的原因开展了分析,分析结果表明,220 kV线路AB相故障后,直流换流站500 kV交流母线电压遭受扰动,主要表现为故障相电压幅值跌落、换相电压过零点偏移,二者叠加引发了直流换相失败。并且,作为实际工程中预防换相失败的主要手段,换相失败预测控制在所提事件中未能及时识别故障,对于第一次换相失败并未起到预防作用。此外,换相失败受故障时刻等偶然因素与控制响应的复杂交互影响,所提事件中,正常的换相过程后紧跟换相失败,无过渡换相过程可供控制参考调节,情况较为不利。最后,结合所提事故案例,针对换相失败分析与抑制提出了相关建议。

Overview of development, design, testing and application of compact gas-insulated DC systems up to ±550 kV

The development of high-voltage direct current gas-insulated switchgear assemblies(DC GIS)of rated voltages up to±550 kV has been completed.DC GIS provide a compact technical solution with a high functional density,optimized for projects with limited space as in offshore HVDC converter platforms,onshore HVDC converter stations and transition stations between different transmission media.Up to now,no standards for testing of gas-insulated DC systems are available,although pre-standardization work is in progress within CIGRE.Some tests can be performed as required in AC GIS standards.Special aspects of DC voltage stress,like the electric field distribution of insulators influenced by the accumulation of electrical charge carriers and the operation-related inhomogeneous temperature distribution,must be considered by additional electric and thermoelectric tests.For DC GIS,the experience of long-term performance is limited today.Although ageing is expected to be of lower importance,tests are recommended.This contribution summarizes the physical and technical background to design and develop compact DC switchgear assemblies using gas-insulated technology.It explains the developed modules of the substation and gives an overview of the performed tests.Furthermore,it provides an insight in the on-going standardization activities and describes applications in converter and transition stations,showing its space-saving characteristics.

基于特勒根拟功率定理的直流输电线路故障测距

高压直流输电系统的网络结构和故障特性对线路故障测距方案准确度提出更高要求,对此,该文提出一种基于特勒根拟功率定理的直流输电线路故障测距方案。首先,在分析直流线路贝瑞隆模型的基础上,首次提出特勒根拟功率定理应用于直流线路故障分析的方案,并给出拟功率解析表达式。其次利用贝瑞隆模型构建拟功率基准值,并根据故障点处基准值与计算值相等的原则实现故障测距。最后,通过大量仿真,验证理论推导的正确性以及拟功率能有效反应故障位置,并验证该方案不受过渡电阻及故障类型的影响。该研究实现了低采样频率下高精度测距的目标。

MMC-LCC混合直流输电系统分段下垂控制策略

由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)和电网换相换流器(line commutated converter,LCC)构成的混合直流输电系统中,LCC换相失败严重影响系统的安全稳定运行。文中首先分析MMC-LCC混合直流输电系统换相失败时的电流特性以及交直流电压特性。其次,考虑调制比对半桥型MMC的影响,采用MMC电压改善控制策略拓展电压调制比的可行域。然后,提出MMC电压分段控制策略,根据交流电压跌落程度的不同,分别设计直流电压参考值的调节方法,优化混合直流输电系统电压控制逻辑,实现MMC电压在正常运行与故障情况下的有效切换。最后,在MATLAB/Simulink中搭建MMC-LCC混合直流输电系统模型,对交流电压不同跌落程度进行仿真,结果表明所提控制策略能在实现故障穿越的同时提高直流电压控制精度,增强系统稳定性。

基于测量波阻抗相位特性的多端混合直流线路保护方案

电网换相换流器和模块化多电平换流器(line commutated converter-modular multi-level converter,LCC-MMC)并联型多端混合直流输电系统结合了基于电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter-high voltage direct current,LCC-HVDC)与基于模块化多电平换流器型高压直流输电(modular multi-level converter-HVDC,MMC-HVDC)的技术优势,但因其不一致的边界特性、特殊的汇流母线结构、不同的换流站控制策略,导致现有的线路保护方案难以直接应用。为此,文中提出一种基于测量波阻抗相位特性的多端混合直流线路保护方案。首先,推导不同故障位置测点处测量波阻抗表达式,发现在高频段内,测点处测量波阻抗相位在区内外故障条件下差异显著,且相位特征与故障距离、类型和过渡电阻等因素无关;接着,利用S变换提取测量波阻抗相位信息,并结合行波高低频能量比判据,实现故障识别;最后,在PSCAD中进行仿真验证。结果表明,所提保护能够区分T区母线与其相邻线路末端故障,在满足快速性的同时具备一定的耐受过渡电阻(500Ω)和抗噪声干扰(20 dB)能力,满足多端混合直流系统线路主保护要求。

利用单端边界能量的直流输电线路全线速动保护

现有单端边界能量保护,难以区分整流侧区外故障和直流线路末端故障,单端复合式保护解决了此问题,但方法相对复杂。此外,利用边界对故障高频分量衰减作用的单端边界能量保护对装置采样频率要求较高。为解决以上问题,该文根据直流滤波器的分流特性、平波电抗器的分压特性,提出一种新型直流线路单端边界能量全线速动保护方案。整流侧区外故障时,整流侧保护安装处边界能量值小于整流侧平波电抗器阀侧的值;逆变侧区外故障时,整流侧保护安装处边界能量值小于区内故障时的值;区内故障时,整流侧保护安装处边界能量值大于整流侧平波电抗器阀侧的值,且大于逆变侧区外故障时保护安装处检测到的值。根据此特征构造区内外故障识别判据,考虑到利用双端故障信号选极速动性不足,进一步提出一种单端快速选极判据。该方案原理简单,对采样率要求低,易于工程实现。大量仿真结果表明,该方案速动性好,可靠性高,且具备较好的抗过渡电阻能力。