柔性直流换流阀监视系统关键技术及工程化应用

随着对柔性直流输电工程换流阀及阀控设备可靠性要求的提升,为了更加全面、直观、及时地监视换流阀及阀控设备运行状态,提高换流阀运行安全性,柔性直流换流阀监视系统的作用愈加重要。结合实际工程项目需求,兼顾现场分系统调试、换流阀检修、正常运行维护等不同使用场景,研发了双网双冗余架构的柔性直流换流阀监视系统。采用页面自动布局和参数自动匹配技术并且加以优化,采用“内存+文件”相结合的数据缓存机制有效解决海量数据量的处理。该系统具备海量数据高速处理、遥信遥测报文显示存储、高频采样故障录波及波形处理功能,能够以微秒级精度实时记录事件,同时具备远程控制、换流阀及阀控设备状态和关键参数的修改功能。该系统已成功应用于张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程,其性能完全满足该工程柔性直流换流阀和阀控设备状态在线监视以及系统调试等需求。

高压直流输电线路故障定位研究综述

高压直流输电是我国的重点发展方向之一。快速、准确的高压直流输电线路故障定位对保障高压直流系统运行可靠性、减少停运时间具有重要意义。对目前应用于高压直流输电线路以及柔性直流配电网故障定位的主要技术,包括行波测距法、固有频率法、故障分析法和非精确同步测距法,进行了详细的分析和综述。探讨了不同故障定位技术在高压直流输电线路故障定位应用中的优缺点。结合传感器技术、计算机技术与人工智能技术的发展趋势,对高压直流输电线路故障定位技术的未来发展进行了展望。该研究给高压直流线路故障定位方法的研究者提供了良好的参考。

大规模海上风电柔性直流输电技术应用现状和展望

海上风电具有风力资源稳定性强、年利用小时数高等特点,随着海上风电机组大型化、投资规模扩大以及建设成本下降,基于柔性直流输电技术的大规模海上风电送出已成为海上风电发展和研究的热点方向。结合国内外典型海上风电柔性直流输电工程,对换流阀、联接变压器、耗能装置、高压直流断路器、海底直流电缆关键电气设备应用现状等进行分析和总结,介绍控制系统构、硬件组成和控制算法研究现状。考虑到海上平台所处的盐雾腐蚀环境,介绍了联接变压器、换流阀的防腐设计和海水冷却系统设计。分析、总结了大规模海上风电的并网技术方案的研究现状,对海上换流站、海上风电场的发展趋势进行展望。

基于NTC热敏电阻的温度实时在线监测技术研究

对于以IGBT为主的半导体器件来说,结温升高会严重影响其工作特性,进而影响其构成的电力电子装置的可靠性。提出了一种基于NTC热敏电阻的温度实时在线监测技术。利用IGBT模块内部集成的负温度系数(NTC)热敏电阻,将温度信号转化为频率信号,通过光纤隔离后输入至逻辑处理芯片(CPLD),经逻辑处理后在上位机进行温度实时显示。该技术具有频率信号可靠性高、温度显示准确等优点。最后搭建温度实时在线监测的工程样机,配合电力电子装置的功率运行试验,测试不同温度下的频率值,对该技术的有效性进行验证。

基于去离子水冷却±800 kV换流变压器阀侧套管的冷却效果和参数的影响

随着我国±800 kV大容量特高压直流输电的快速发展,环氧树脂套管的过热问题备受关注。基于去离子水冷却,该文将环氧树脂套管的水道结构由多管道式改进为一体化结构。采用三维电-热-流场耦合分析方法,考虑热传导和热对流的影响,模拟了换流变压器阀侧套管的温度场分布。通过与温升实验数据对比,仿真结果与实验结果的误差在3.99%以内,验证了该套管模型设计的合理性。与去离子水冷却的多管道式套管相比,改进后的±800 kV去离子水冷却一体化套管的载流导体外表面的最高温度更低且环氧树脂内表面的温差更小,结果表明该套管的去离子水冷却效果极强。研究了水道尺寸、流量和入口水温对去离子水冷却一体化套管温度分布的影响,结果表明该套管的温度分布主要由入口水温和流量控制,将去离子水的流量设置为10 L/min时几乎可以带走套管产生的全部热量,且入口水温越低冷却效果越好。分析结果可用于去离子水冷却±800 kV环氧树脂套管的结构优化与设计。

±535 kV混合式高压直流断路器绝缘结构设计及试验

高压直流断路器是实现直流组网的重要设备。以张北工程±535 kV混合式直流断路器作为研究对象,主要针对其绝缘结构进行分析和设计。运用PSCAD搭建了直流断路器的宽频模型,获得了其内部电压的分布规律;结合系统对断路器的整体绝缘要求,提出了直流断路器关键零部件的耐压水平;在直流断路器整体布局的基础上,结合运行环境、电压波形、电极型式等进行了等电位设计和绝缘配合设计;运用有限元法对直流断路器三维全场域模型进行了典型工况下的电场校核;在此基础上,对直流断路器的绝缘结构进行了试验验证。通过本文研究,提出了适用于直流断路器绝缘结构的模块化、分区域、分层级和单点就近固定电位的设计方法;直流断路器金具表面最大电场强度在雷电冲击电压下为27.7 kV/cm,在分断过程中为19 kV/cm;直流断路器在型式试验中未发生闪络或击穿,满足了工程应用要求。研究结果可为高压设备的绝缘结构设计提供参考。

交流系统故障下高压直流输电晶闸管触发监测单元储能方式

晶闸管触发监测(TTM)单元是直流输电换流阀的核心器件之一,用于实现阀控系统和换流阀间信号的光电转换,完成换流阀的触发与保护,其性能直接影响直流输电工程的可靠性。文中给出了具有高电位复合取能功能的TTM的功能设计框图,研究交流系统故障下TTM工作状态对高压直流输电系统的影响,提出TTM储能电路的设计方法,并以酒泉—湖南±800 kV/5 000 A直流工程参数为例,对TTM储能电路进行了理论计算、仿真分析和试验研究。以该成果为核心技术的A5000型换流阀TTM已应用于多个直流输电工程。

渝鄂柔性直流输电系统中高频振荡影响因素及抑制策略

针对柔性直流输电工程中出现的中高频振荡问题,现有解决方法是在电压前馈通道中增设滤波器以抑制高频振荡,但增加了中频振荡的风险。以渝鄂柔直工程南通道单元为研究对象,提出了一种通过调整控制链路延时以避免中、高频振荡的方法。首先,基于多谐波线性化原理建立了MMC换流站阻抗模型,详细分析控制链路延时、电网电压前馈策略对MMC换流站阻抗特性以及对系统稳定性的影响;然后,探讨通过调整控制链路延时以避免中高频振荡的可行性,并给出了控制链路延时的选择方法;最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所提方法可实现渝侧、鄂侧系统中高频振荡抑制,同时对系统动态特性影响较小。

基于RTLAB的柔直阀控系统全接入测试方法研究

随着柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)技术的应用与发展,对柔直阀控系统的可靠性测试要求不断提高,现有测试系统无法同时满足阀控系统全规模接入、全功能测试、精准建模的需求。针对已有测试系统的不足,基于RTLAB平台进行精准建模,并设计高性能、灵活配置的接口装置,搭建了阀控全接入测试系统,提出了阀控系统关键测试项目及测试方法。该测试系统及测试方法已应用于张北柔性直流输电工程北京换流站阀控系统的出厂测试中,通过测试的阀控系统在工程现场运行稳定可靠。

主变中性点隔直装置的间隙误击穿现象分析研究

针对某电厂在合空载升压变时,主变中性点隔直装置的保护间隙会发生误击穿的现象,通过现场录波数据及仿真计算,分析了主变中性点隔直装置保护间隙误击穿的原因和机理,并提出了相应的对策措施,解决了电厂或变电站主变充电时中性点隔直装置的保护间隙误击穿问题,提高了主变中性点隔直装置运行的可靠性。

柔直换流阀子模块控制器EMC能力提升研究

柔性直流输电换流阀所用的核心器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关速度很快,IGBT开关过程中会产生强烈的电磁骚扰,加上雷击等瞬态骚扰,导致阀厅形成非常规的强电磁骚扰环境。子模块控制器作为子模块的控制和保护单元,属于低压信号设备,位于高压端子模块本体上,负责接收阀基控制器的开关指令和子模块本体的控制保护,因此电磁兼容(EMC)性能面临着严峻考验。为提升换流阀子模块控制器的EMC能力,对换流阀子模块周围电磁环境进行了仿真分析,并根据分析结果和相关标准,设定了控制器相关EMC试验参数,对控制器进行了针对性的电磁骚扰试验考核。系统分析并优化电路和试验方法,顺利通过浪涌抗扰度试验和射频场感应的传导骚扰抗扰度试验,并在实际工程应用中得到了验证。

具备有载调压功能的LCC-HVDC拓扑及控制策略

随着近年来高压直流输电的快速发展,换流变压器有载分接开关频繁动作导致故障数量明显增加,直接影响了直流工程的可靠性与电网的安全运行。运用(modular multilevel converter,MMC)模块化多电平可控电压源技术和基本原理,提出了一种新型具备有载调压功能的(line commutated converter based high voltage direct current,LCCHVDC)直流输电的拓扑结构和控制策略,实现了对电网侧电压的补偿,当交流母线电压降低时,无需调节变压器分接开关而维持阀侧电压在额定值水平,大大降低了分接开关的动作次数,提高了工程运行的可靠性。以CIGRE直流输电标准模型为算例,分析了提电压补偿在传统LCC-HVDC直流输电系统中应用的机理,验证了该控制策略的正确性和有效性。

考虑桥臂参数不对称和子模块故障的MMC协同控制策略

近年来,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)受到广泛关注并得到迅速发展,在实际工程中,MMC上、下桥臂参数不可避免地会存在不一致;另外,当MMC桥臂子模块因故障旁路时,会导致6个桥臂子模块数目的不对称,以上两种桥臂不对称现象,均会打破MMC内部原有的能量均衡,同时导致换流器阀侧电流出现直流和2倍频谐波,以及导致直流电流中出现基频和二倍频谐波等问题。为解决以上问题,该文考虑桥臂参数不对称和子模块数目不对称同时存在的复杂工况,提出了MMC协同控制策略,此策略在充分保留子模块电压保护裕度的前提下,即可抑制桥臂参数不对称导致的直流侧/交流侧谐波,又可抑制桥臂子模块数目不对称导致的谐波,有效的改善了MMC交直流输出外特性的性能。最后,搭建了双端MMC仿真模型,仿真结果验证了理论分析及所提策略的有效性。

适用于一般坐标系的电力电子变换器阻抗(导纳)稳定性模型

电力电子变换器的谐波稳定性通常采用频域阻抗或导纳建模方法进行分析。目前已有学者建立了电压源变换器在几种坐标系中的阻抗模型,但各模型是相对独立的。另有学者注意到了dq坐标系和PN以及αβ复坐标系中阻抗模型存在的部分等价关系,但其研究中坐标变换是基于常数矩阵或者部分推导不够完备,无法适用于更一般的坐标系。系统地推导了dq坐标系和“12”空间向量坐标系中变换器的导纳模型,并定量揭示了锁相环在低频段引入负电阻性的机理。在此基础上,针对常用的时域坐标变换,包括Park、Clark、Lyon和顾氏变换等,得到了其频域关系并阐明了dq、fb、“12”等坐标系中阻抗模型的转换关系和等价性。由此建立了适用于一般静止和旋转坐标变换的阻抗模型,完善了现有的电力电子阻抗稳定性建模理论体系,并导出了αβ实坐标系中镜像频率耦合的4维导纳矩阵。通过频率扫描法和理论推导的对照分析验证了该一般阻抗模型的有效性。

基于余热回收利用的新型换流阀冷却系统

特高压直流换流阀在运行过程中会产生高达兆瓦级的热量,但由于换流阀出水的温度为50~60℃,属于低品位热源,回收利用难度大,难以有效地开展余热回收和利用,容易造成能源极大的浪费。为解决这个问题,提出了一种基于余热回收利用的新型换流阀冷却系统--换流阀余热综合利用系统。该系统采用热泵技术吸收换流阀余热,提高了热源的热品位,从而可以驱动吸收式系统工作进行制冷制热,实现换流阀冷却以及余热回收利用。从试验和模拟分析结果来看,该系统可以实现冷热联供,满足阀厅等场所的制冷制热需求,可以提升阀冷系统的可靠性,经济成本优势明显。

大功率电力电子器件自然循环沸腾冷却系统

为了满足大功率电力电子器件日益增长的冷却需求,本文提出了一种自然循环沸腾冷却系统,其利用相变过程实现高效冷却,并采用自然循环方式驱动冷却介质。基于两相流动与传热的理论基础,建立了均相流系统仿真模型,并以大功率电力电子器件的典型代表换流阀为例,进行了换流阀自然循环沸腾冷却系统设计。在此基础上,搭建了换流阀自然循环沸腾冷却系统实验平台,开展不同变量下换流阀自然循环沸腾冷却试验。仿真和实验结果表明:均相流模型能够准确地反映系统两相流动过程,所设计的自然循环沸腾冷却系统的温控效果具有可实施性。

不平衡电网电压下的MMC子模块电压波动抑制方法

为降低模块化多电平换流器(MMC)对子模块电容的需求,有必要抑制子模块的电容电压波动。电网三相电压不平衡情况发生时,会加剧MMC中子模块的电容电压波动。首先分析了电网电压不平衡时MMC子模块电容电压的波动特性,进一步分析了三次谐波注入对子模块电压波动的影响;重新设计了三次谐波电压注入的幅值和相角,使其能在不平衡工况下有效实现降低电压波动的目标;设计了相应的波动抑制策略;最后,在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真,验证了所提注入方案的有效性。

混合MMC电容电压波动差异机理及抑制策略

降低模块化多电平换流器(MMC)中子模块电容电压纹波幅值,有望降低对子模块电容器容值、体积、成本的需求,具有重要的研究价值。文中首先分析了混合MMC过调制下半桥子模块与全桥子模块的电容电压波动特性以及两种子模块间的波动差异产生机理,确定波动差异对应的能量积累区间。然后分类讨论三次谐波电压注入后桥臂参考电压的极值点分布和过零点分布,建立三次谐波电压注入系数、调制比与波动差异抑制能力的关系。在此基础上,以减少半桥子模块与全桥子模块电容能量积累差异为目标,对三次谐波电压注入量进行优化设计,提出了基于三次谐波注入优化的子模块电容电压波动差异抑制策略,并给出电容容值降低的计算示例。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双端混合MMC模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。

特定次谐波注入抑制模块化多电平换流器电容电压波动

模块化多电平换流器(MMC)电容电压波动抑制有助于降低电容器体积/重量,降低换流阀设备投入成本。推导了换流阀子模块电容电压波动分量及影响因素,分析了二倍频环流注入、三次谐波注入对子模块电容电压波动及换流阀的影响,提出的特定次谐波注入方法,可显著降低换流阀子模块电容电压波动,且桥臂电流峰值和有效值控制在允许范围内。以张北柔直工程参数为例,通过PSCAD仿真比较了环流抑制为零、二倍频环流注入、特定次谐波注入情况下的电容电压波动、桥臂电流有效值和桥臂电流峰值,验证了所提方法的正确性和有效性。

基于加窗FFT的风电场自适应振荡抑制策略

大规模风电送出系统会出现振荡现象,现有抑制策略在振荡频率变化时难以快速、有效地抑制振荡。针对该问题,以直驱风场送出系统为研究对象,提出一种基于加窗快速傅立叶变换(FFT)和附加准比例谐振控制器相结合的振荡自适应抑制方法。首先,基于谐波线性化方法建立直驱风机(permanent magnet synchronous generator, PMSG)阻抗模型,分析PMSG发生振荡的机理以及采用附加准比例谐振控制器抑制振荡的有效性;然后,设计一种基于加窗FFT的振荡频率快速检测和提取方法,并给出相关参数的设计原则。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真对比基于加窗FFT和传统FFT的控制器对振荡的抑制效果。结果表明:基于加窗FFT的控制器对振荡的抑制速度和效果具有显著优势,验证了所提振荡抑制策略的有效性。