高壓直流輸電線路繼電保護(hù)與故障定位新原理研究

本項(xiàng)目針對(duì)直流輸電線路的繼電保護(hù)問(wèn)題，提出了輸電線路繼電保護(hù)及故障定位新原理，并利用所提出的繼電保護(hù)原理構(gòu)成高性能直流輸電線路繼電保護(hù)方案，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。項(xiàng)目主要研究成果如下: 1. 利用電力系統(tǒng)仿真軟件建立CSC-HVDC及VSC-HVDC輸電系統(tǒng)仿真模型，為后續(xù)繼電保護(hù)新原理提供了驗(yàn)證平臺(tái)。 2. 研究了利用雙、多端電氣量的直流輸電線路縱聯(lián)保護(hù)原理，分別提出了：利用突變電流極性的縱聯(lián)保護(hù)、基于分布參數(shù)模型的電流差動(dòng)保護(hù)、以及基于模型識(shí)別的縱聯(lián)保護(hù)新原理。 3. 研究了利用單端電氣量的直流輸電線路快速保護(hù)原理，分別提出了：利用特征頻率的全線速動(dòng)保護(hù)、基于分布參數(shù)模型的距離保護(hù)、低電壓保護(hù)、以及利用單極電氣量的故障選極原理。 4. 利用所提出的上述繼電保護(hù)新原理，構(gòu)建了高性能的直流輸電線路繼電保護(hù)方案。 5. 研究了直流輸電線路故障定位原理，分別提出了：基于分布參數(shù)模型、基于參數(shù)識(shí)別、利用固有頻率、以及基于行波電壓分布特征的故障定位原理。 2100433B

能源分布和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)決定了高壓直流輸電在我國(guó)具有廣闊應(yīng)用前景。直流輸電線路長(zhǎng)、故障率高，其繼電保護(hù)與故障定位關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)的安全性和故障恢復(fù)速度。現(xiàn)有的直流輸電線路繼電保護(hù)體系理論不完備、原理單一、可靠性差。本課題充分利用直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制特性，提出了一系列直流輸電線路繼電保護(hù)與故障定位新原理，具體包括：基于分布參數(shù)模型的距離保護(hù)、利用頻率特性的單端電氣量保護(hù)、利用末端補(bǔ)償電壓的低電壓保護(hù)、基于分布參數(shù)模型的自適應(yīng)電流差動(dòng)保護(hù)、利用電流突變的縱聯(lián)方向保護(hù)、以及基于分布參數(shù)模型的故障定位。基于提出的保護(hù)新原理，構(gòu)建的直流輸電線路繼電保護(hù)體系理論完備、易于整定；任何時(shí)刻都至少有兩種以上的保護(hù)原理反映故障存在，可靠性高；能夠做到高阻故障的快速切除，兼顧了快速性和靈敏度。初步研究結(jié)果表明，該理論體系對(duì)電流源換流器直流輸電線路、電壓源換流器直流輸電線路、以及多端直流輸電線路均適用。

柔性直流輸電在海島供電、新能源接入系統(tǒng)和城市配電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，直流斷路器的商用化將加速直流電網(wǎng)的形成。柔性直流輸電采用電壓源換流器方式，故障時(shí)電容放電會(huì)產(chǎn)生大的短路電流，且短路電流與電網(wǎng)規(guī)模和故障持續(xù)時(shí)間有關(guān)。為了快速隔離故障、減少故障分支對(duì)健全電網(wǎng)的影響，同時(shí)減小故障電流對(duì)直流設(shè)備和直流斷路器造成的沖擊，研究超高速與高可靠性相結(jié)合的直流電網(wǎng)繼電保護(hù)新原理，對(duì)于保障直流電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行意義重大。繼電保護(hù)反應(yīng)故障特征而動(dòng)作，而直流系統(tǒng)故障特征又取決于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制特性，故本項(xiàng)目擬建立計(jì)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制特性的直流電網(wǎng)故障特征理論分析體系，系統(tǒng)地提出基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流電網(wǎng)單端電氣量快速主保護(hù)與故障定位新原理、基于控制特性的直流電網(wǎng)后備保護(hù)新原理、以及利用多端電氣量的高靈敏后備保護(hù)新原理。本項(xiàng)目的研究為柔性直流電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行提供完備的繼電保護(hù)理論基礎(chǔ)。

柔性直流輸電技術(shù)采用可關(guān)斷器件脈寬調(diào)制技術(shù)，克服了傳統(tǒng)高壓直流輸電易發(fā)生換相失敗等缺點(diǎn)，在可再生能源并網(wǎng)、孤島供電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。柔性直流輸電故障承受能力差，所以研究適用于柔性直流系統(tǒng)的高性能保護(hù)十分必要。項(xiàng)目組嚴(yán)格按照任務(wù)書(shū)規(guī)定內(nèi)容，在建立了基于兩電平的柔性直流電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上深入分析了柔性直流線路的故障特征并基于各種故障特征構(gòu)造了多種保護(hù)判據(jù)，單端量保護(hù)主要包括基于高低頻電流幅值比的全線速動(dòng)保護(hù)、基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別的距離保護(hù)、基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別的行波保護(hù)等，雙端量保護(hù)包括基于分布參數(shù)的電流差動(dòng)保護(hù)、基于電流突變極性比較的縱聯(lián)保護(hù)以及基于對(duì)端電氣量計(jì)算值的雙端量保護(hù)等，并提出了高可靠性的柔性直流輸電線路保護(hù)方案，最后提出了多種單端量和雙端量故障定位方法。項(xiàng)目組在任務(wù)書(shū)規(guī)定的研究?jī)?nèi)容之外，還提出了針對(duì)行波保護(hù)的雷擊識(shí)別方法并初步開(kāi)展了柔性直流配電網(wǎng)的建模和繼電保護(hù)研究。 2100433B

電力電子新技術(shù)系列圖書(shū)序言

前言

第1章 緒論

1.1 高壓直流輸電的構(gòu)成

1.1.1 高壓直流輸電的概念

1.1.2 高壓直流輸電的分類(lèi)

1.1.3 直流系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2 高壓直流輸電的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合

1.3 高壓直流輸電的歷史與國(guó)外的現(xiàn)狀

1.4 高壓直流輸電在我國(guó)的發(fā)展

1.5 直流輸電技術(shù)新發(fā)展

1.5.1 器件換相直流輸電

1.5.2 強(qiáng)迫換相換流器

1.5.3 特高壓直流輸電

第2章 高壓直流輸電系統(tǒng)的主要設(shè)備

2.1 換流裝置

2.1.1 器件

2.1.2 換流閥

2.1.3 換流單元接線方式

2.2 換流變壓器

2.2.1 功能與特點(diǎn)

2.2.2 換流變壓器型式

2.2.3 換流變壓器接入閥廳的方式

2.3 平波電抗器

2.3.1 功能

2.3.2 平波電抗器型式

2.4 無(wú)功補(bǔ)償裝置

2.5 濾波器

2.5.1 濾波器類(lèi)型

2.5.2 交流濾波器

2.5.3 直流濾波器

2.6 直流輸電線路

2.6.1 直流輸電架空線路

2.6.2 直流輸電電纜線路

2.6.3 直流接地極引線

2.7 接地極

2.7.1 接地極地電流對(duì)環(huán)境的影響

2.7.2 接地極運(yùn)行特性

2.7.3 對(duì)極址的要求

2.7.4 接地極材料

2.7.5 接地極設(shè)計(jì)

第3章 換流器工作原理

3.1 單橋整流器工作原理

3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3

3.1.2 非正常運(yùn)行方式——工況3

3.1.3 故障運(yùn)行方式——工況3-4

3.1.4 單橋整流器外特性

3.2 雙橋整流器工作原理

3.2.1 正常運(yùn)行方式——工況4-5

3.2.2 橋間相互影響

3.2.3 相關(guān)計(jì)算公式

3.3 單橋逆變器工作原理

3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3

3.3.2 故障運(yùn)行方式——工況3-4

3.3.3 單橋逆變器外特性

3.4 雙橋逆變器工作原理

3.4.1 雙橋逆變器實(shí)現(xiàn)逆變的條件

3.4.2 雙橋逆變器可能發(fā)生換相失敗

3.4.3 雙橋逆變器整流電壓平均值

第4章 高壓直流輸電的諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償

4.1 高壓直流輸電諧波的基本問(wèn)題

4.1.1 諧波的危害

4.1.2 諧波的基本概念

4.2 特征諧波

4.2.1 換流器交流側(cè)的特征諧波

4.2.2 換流器直流側(cè)的特征諧波

4.3 非特征諧波

4.3.1 換流器交流側(cè)的非特征諧波

4.3.2 換流器直流側(cè)的非特征諧波

4.4 諧波抑制及抑制設(shè)備

4.4.1 增加脈動(dòng)數(shù)抑制諧波

4.4.2 安裝濾波器抑制諧波

4.4.3 諧波抑制設(shè)備

4.5 交流濾波器設(shè)計(jì)

4.6 直流濾波器設(shè)計(jì)

4.6.1 直流濾波器常規(guī)設(shè)計(jì)

4.6.2 直流有源濾波器

4.7 高壓直流輸電的無(wú)功補(bǔ)償和功率因數(shù)

4.7.1 電網(wǎng)換相換流器無(wú)功特性

4.7.2 無(wú)功功率消耗計(jì)算工程方法

4.7.3 容性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量確定

4.7.4 感性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量確定

4.7.5 功率因數(shù)

4.7.6 無(wú)功分組容量確定

4.8 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備

4.9 無(wú)功控制

4.9.1 分段凋節(jié)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備控制

4.9.2 連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備控制

4.9.3 換流器參與無(wú)功電壓控制

第5章 電網(wǎng)換相直流輸電的控制與保護(hù)

5.1 基本控制方式

5.1.1 控制原理

5.1.2 相位控制方式

5.1.3 換流器控制方式

5.1.4 整流器、逆變器的協(xié)調(diào)

5.1.5 控制保護(hù)用互感器

5.2 保護(hù)方式

5.2.1 故障的分類(lèi)與保護(hù)動(dòng)作

5.2.2 換流站內(nèi)的故障與保護(hù)示例

5.2.3 直流線路的故障與保護(hù)示例

5.2.4 交流側(cè)的故障與保護(hù)示例

第6章 電網(wǎng)換相直流輸電的運(yùn)行特性與系統(tǒng)控制

6.1 電網(wǎng)換相直流輸電的運(yùn)行特性

6.1.1 系統(tǒng)故障時(shí)的運(yùn)行特性

6.1.2 交流電壓穩(wěn)定性

6.1.3 高次諧波穩(wěn)定性

6.1.4 軸系扭振現(xiàn)象

6.2 直流輸電在交流系統(tǒng)控制中的應(yīng)用

6.2.1 系統(tǒng)頻率控制

6.2.2 交流電壓、無(wú)功控制

6.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定控制

6.3 多端直流輸電的控制保護(hù)方式

6.3.1 控制保護(hù)方式

6.3.2 系統(tǒng)故障時(shí)的運(yùn)行特性

6.3.3 起?？刂?

6.3.4 潮流反轉(zhuǎn)

第7章 器件換相直流輸電技術(shù)

7.1 全控型功率器件發(fā)展概況

7.1.1 全控型功率器件的發(fā)展與應(yīng)用概況

7.1.2 器件換相直流輸電采用的典型全控型功率器件

7.2 器件換相直流輸電換流裝置工作原理

7.2.1 換流器

7.2.2 電壓源型換流器的工作原理和基本特點(diǎn)

7.2.3 接入系統(tǒng)時(shí)的有功、無(wú)功功率特性

7.2.4 換流器各部分電壓、電流波形

7.2.5 發(fā)展趨勢(shì)與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

7.3 器件換相直流輸電的控制與保護(hù)方式

7.3.1 只采用器件換相換流器的換相直流輸電

7.3.2 器件、電網(wǎng)換相換流器混合型直流輸電

7.3.3 混合型器件換相直流輸電示例

7.4 器件換相直流輸電的應(yīng)用示例

7.4.1 電壓源型器件換相直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

7.4.2 VSC-HVDC系統(tǒng)工程實(shí)例

第8章 常規(guī)高壓直流輸電的新技術(shù)及新發(fā)展

8.1 強(qiáng)迫換相換流器

8.1.1 電容換相換流器

8.1.2 可控串聯(lián)電容換流器

8.1.3 強(qiáng)迫換相換流器特點(diǎn)

8.2 特高壓直流輸電

8.2.1 概述

8.2.2 特高壓直流輸電的特點(diǎn)

8.2.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

8.2.4 特高壓直流輸電的運(yùn)行方式

8.3 光觸發(fā)晶閘管

參考文獻(xiàn)

電力電子新技術(shù)系列圖書(shū)目錄

已出版相關(guān)工具書(shū)目錄