15、李斌-直流电网限流与保护关键技术

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➢ MMC型直流系统边界元件少;
➢ 直流电网内直流线路经直流 母线直接互连;直流电抗器 等设备一般安装于换流站出 口,无法根据边界特性区分 相邻线路。
多端柔性直流电网单端暂态能量保护原理
基本原理
区内外故障特性差异
If 内= If 外= Uf ZSM Rl1 j Ll1 j L Uf ZSM Rl1 j Ll1 2 j L
UM_in UN_in 1 1 区内故障: UM_out UN_out UM_in UN_in UM_in UN_in 区外故障: 1, 1或 1, 1 UM_out UN_out UM_out UN_out
至芦潮港
➢ 通过大量的调研发现,规划中 的柔性直流电网工程基本确定 会在每条线路两端安装百毫亨 级的直流电抗器; ➢ 主要目的在于减小故障危害, 提高电网的故障生存能力,但 同时也会线路保护提供了突破 口。
Qushan Island Ningbo Zhoushan Island Daishan Island
丰宁抽蓄500kV母线 丰宁 换流站 VSC 1500MW
210km
多端直流输电工程;
2014年6月,舟山五端±200kV柔性
直流输电工程;
2015年12月,厦门±320kV、
张北230kV 风电汇集
配套 风光
张北 换流站 3000MW
VSC
50km 262km
252km
500kV 母线
1000kV 母线 昌平 VSC 换流站 3000MW 昌平500kV母线
阻尼模块 冗余式拓扑
安装于直流侧
SM1 SM1 SM1
SMN
SMN
SMN
安装于桥臂
串联防过压式拓扑
SM1 SM1 SM1
SMN
SMN
SMN
16
典型限流技术
固态限流技术
阻尼模块与双晶闸管法相互配合:可加速故障隔离速度,增大保护范
围;确保晶闸管可靠关断;防止交流保护误动作;确保瞬时性故障情 况下换流站的快速回复。
MMC:两极短路故障
仿真验证
(1 )子模块闭锁前:子模 块电容放电,直流故障电
流快速上升。
(2) 子模块闭锁后初期: 子模块电容被旁路;交流
侧三相短路;直流侧电流
衰减;桥臂电流为两者叠 加。 (3) 不 控 整 流 阶 段 : 考 虑
桥臂电抗器作用下产生的
换向重叠情况下的不控整 流。
MMC:单极接地故障
仿真验证
➢ 故障过流不严重,仍可经非故障极运行;
➢ 非故障极电压为额定值两倍,交流电压直流偏
置Udc/2,绝缘要求高。
大纲
一 二 三 四
研究背景
直流故障特性
直流电网限流技术 直流电网线路保护新原理
10
直流故障限流的需求
交 流 侧
换流器 换流器 1
直流限流器 直流断路器
换流器 换流器 3 3
风电
限流性能分析
无限流
故障后6ms不闭锁换流站会出 现严重的过电流,器件无法承 受; 实际工程中 , 故障后 MMC 在 1ms内快速闭锁 , 防止器件损 毁。无法实现故障穿越。
感性限流
无 限 流 仿 真 结 果
电感限流:故障初期
电感限流:稳态
电感限流效果
电感能够有效抑制故障电流上升速度,对提高换流站故
常规MMC
+ -
双晶闸管法
+ -
+ -
+ -
+ -
➢ 直流侧故障电流衰减很慢; ➢ 晶闸管存在关断失败分险; ➢ 交流保护可能误动作;
17
典型限流技术
固态限流技术
➢ 加快故障电流衰减速度; ➢ 消除直流偏置,确保故障清除后 晶闸管可靠关断; ➢ 防止保护误动作;
18
发展趋势
必须限制故障电流幅值 必须限制故障电流上升率 必须保证限流器快速恢复 降低最大切断电流能力要求; 动作逻辑匹配协调; 故障后重合与系统自愈。
识别判据
aj (k ) aj 1(n)h 0(n 2k ) n dj (k ) aj 1(n)h1(n 2k ) n
Ej | dj (k ) |
k
2
>
Ej Eset
多端柔性直流电网单端暂态能量保护原理
仿真算例
两极短路故障
单极接地故障
多端柔性直流电网单端暂态能量保护原理
+ -
+ -
+ -
直流限流器
仿真验证
直接加入直流电抗器的不利影响

感性限流特性:能够有效限
制故障电流上升率,防止换 流站快速闭锁;

影响:直流电网中加入过多
直流电抗器会对系统暂态响
应、稳定性,及DCCB的快速 断流造成不利影响;

难点:百毫亨级电感制造、 与换流器及DCCB的匹配协调。
13
限流性能分析
高电压、大容量直流限流器!
19
大纲
一 二 三 四
研究背景
直流故障特性
直流电网限流技术 直流电网线路保护新原理
20
常规直流输电线路保护的借鉴
平波电抗器 直 流 滤 波 器 G G 直流线路
➢ 行波保护: 采样率、过渡电阻
➢ 边界保护: 平波电抗器、直流滤波器 ➢ 方向纵联: 暂态功率方向纵联、无功 功率方向纵联
区内外故障网络
3.36 3.53 3.86 0.15 2.39 0.19
正向
正向 正向 正向 反向
269.91
164.93 87.16 2.14 109.68 0.18 35.14
区内
区内 区内 区内 区外
交流系统
正向交流系统
反向交流系统
正向
反向
区外
区外
方向元件的必要性
多端柔性直流电网快速方向纵联保护原理
基本原理
8 4 0 1 1.05 1.1s
保护+断路器动 阀臂过流而闭 作时间(数毫秒)
电阻幅值: 辅助直流断路器
锁(数百微秒)
电感上升率: 保护换流器
无限流 40 30mH 30 200mH 20 500mH 10 0 0 1 2 3
4
5 ms
非失超恢复:
换流器 直流断路器
快速重合
400 0 -400 1 1.2 1.4 1.6 1.8s
14
无限流仿真结果
典型限流技术
超导限流技术

开展了超导直流限流器初
步研究&概念设计。

未考虑直流故障限流需求
&匹配协调等重要问题。
天津大学 华中科技大学
日本东京电机大学
上海交通大学
中科院电工所(概念设计)
15
典型限流技术

固态限流技术

限流性能:固态限流动作速度快,能够实现百微秒级的快速限流;但是 如何降低通态损耗是其工程应用的关键问题; 安装位置:安装于直流线路上可实现剩余网络的继续运行,不对换流器 故障穿越造成影响;安装于换流器桥臂可同时发挥直流故障电流和阀故 障限流,且通过分散布置能够利用子模块电容进行IGBT供电。
2017年中国智能电网学术研讨会
直流电网限流与保护关键 技术
李斌 天津大学 2017年4月23日星期日
大纲
一 二 三 四
研究背景
直流故障特性
直流电网限流技术 直流电网线路保护新原理
2
应用背景
灵活、高效的直流技术可实现电网柔性互联、大规模可再生能源平滑 接入,被认为是未来电力系统发展的一次重要革命。
风 电
AC DC
光 伏
DC DC
储 能
AC DC
DC AC
DC AC
DC AC
直流电网
交流电网
中心负荷
3
应用背景

我国柔性直流输电及直流电网的发展
金山岭500kV母线
2011年7月,上海南汇±30kV柔性直
流并网工程;
2013年12月,南澳三端±160kV柔性
康保 3000MW
配套 风光
VSC
idc I 0' e t /
uc Ae sin( t ) Ce t i A e sin( t ) l Le
t
isk
Um sin( t 0 ) |Z|
isk il Um 1 ' t / ikup 2 3 2 | Z | sin( t 0 ) 3 I 0 e ikdown isk il Um sin( t 0 ) 1 I 0' e t / 2 3 2| Z | 3
仿真算例
单端量保护动作性能
故障类型 故障位置 过渡电阻(ohm) 0 0 0 k 17.61 16.71 17.76 故障方向
➢ ➢ ➢ ➢
无需通信; 动作速度快; 不受分布电容影响; 耐受过渡电阻能力强;
Ej 1.09e4 3.85e3 1.68e3 故障区段识别
近端
中点 两极短路 末端 正向区外近端 反向区外近端 近端
方向纵联判据
aj( k ) aj 1( n)h0( n 2k ) n dj( k ) aj 1( n)h1( n 2k ) n
N N 1, dj_in( k ) / dj_out( k ) 1.2 k 1 k 1 R N N 0, dj_in( k ) / dj_out( k ) 1.2 k 1 k 1

阻性限流
阻性限流的主要作用体现在限制故障稳态电流。其选值可由“MMC闭锁 后不控整流稳态电流的抑制”为依据进行确定。但是,直流电网闭锁后 故障电流抑制的意义小于故障初期防止换流站闭锁的重要性。
电阻型稳态电流抑制率35% 电阻的限流效果 电阻对电流上升率 的 抑 制效果不佳,难以 防 止 换流器的快速闭锁 ; 阻性限流稳态限流 效 果 明显。稳态电流抑 制 率 达到 35% 仅需 2 Ω 电 阻 (正负极各一个) 。 可考虑利用电感抑 制 上 升率,防止换流站 快 速 闭锁;利用电阻抑 制 稳 态值,防止 DCCB 拒动 导致的过电流。
区内外故障特性差异
UM_in ZSM jL UN_in ZSN jL , 区内故障: UM_out ZSM UN_out ZSN UM_in ZSN+Zl +jL UN_in ZSN jL 区外故障: , UM_out ZSN Zl +2 jL UN_out ZSN
正向
正向 正向 正向 反向 正向 正向 正向
区内
区内 区内 区外 区外 区内 区内 区内
0
0 0 100 300
17.25
0.37 2.41 2.60 3.23
19.30
115.77 3.01e3 459.38 160.90
单极接地
0
末端 正向区外近端 反向区外近端 100 300 0 0 0 0Leabharlann 3.32平波电抗器
直流线路
➢ 边界保护:平波电抗器、直 流滤波器、并联大电容 ➢ 方向纵联:暂态功率方向纵 联 ➢ 动作速度要求更高
G
并 联 电 容
直 流 滤 波 器
G
多端柔性直流电网中的边界
Yangshan Island Sijiao Island
110 kV AC 220 kV AC ±200 kV VSC ±50 kV LCC
障穿越、提高电网故障生存能力作用明显;
以保证换流站在故障后6ms内故障穿越为原则,需电感 值445.3mH; 电感对故障稳态没有限流效果。
12
限流性能分析
直流限流器
+ + + -
感性限流
限流电抗选值计算方法
iarm k 1k 2 1 2 1 IdcN 2 9 9 M cos 2
1 2 1 2 1 idc 3 k 1k 2 9 9 M 2cos 2 3 Mcos IdcN1
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
A
Cs1 1 2 1 2 1 e ttrip sin(ttrip )=3 k 1k 2 IdcN1 2 2 9 9 3 M cos M cos Ls1 2 LF
光伏
换流器 换流器 2 2
k1
换流器 换流器 4 4
交 流 侧
架空线雷击过程


特征:直流系统故障电流变化速度极快,幅值高;
重大影响:单个故障迅速波及整个直流电网; 保护:线路快速故障识别定位于可靠性之间存在矛盾; 隔离:断路器最大切断电流与动作速度受到考验。
11
限制直流故障短路电流,降低或消除其重要影响至关重要!
1000MW真双极柔性直流输电工程;
2300MW
张北特高压站
直流断路器
2016年,云南±350kV背靠背连接。
4
大纲
一 二 三 四
研究背景
直流故障特性
直流电网限流技术 直流电网线路保护新原理
5
MMC:两极短路故障
故障过程
子模块闭锁前
子模块闭锁后
MMC:两极短路故障
子模块闭锁前 子模块闭锁后初期
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