论文部分内容阅读
随着电力电子技术和可控器件的迅速发展,柔性直流输电技术的应用领域在不断地扩大。与电流源换流器(Line Commutated Converter,LCC)型直流输电技术相比,基于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)的柔性直流输电技术更具有优势。因此,柔性直流输电在新能源、孤点供电、城市电网供电和AC/DC混合传输等领域具有广阔的前景。多端柔性直流输电网(VSC based multi-terminal HVDC,MTDC)可以实现双向潮流的快速独立控制,是解决可再生能源穿越整合问题的有效途径之一。因此,多端柔性直流输电技术是实现电网有效整合和可再生能源的远距离传输的可靠途径。在VSC-MTDC系统中,输电线路发生瞬时故障时会严重影响输电系统的供电可靠性和实用性,从而导致整个电网崩溃瘫痪。然而,在直流电网中,远距离输电线路的故障概率很高,故障电流通常在几毫秒内达到峰值。保护需在故障电流超出直流断路器和换流器的承受能力之前发出跳闸信号。如果保护不能及时得隔离故障部分,这将危及整个电网的运行完整性。因此,设计出VSC-MTDC输电线路的保护方案来实现故障快速清除及自动恢复是至关重要的。本文的工作和取得的成果如下:其一,研究了VSC-MTDC的系统结构及数学模型、含铠装层的直流电缆相模变换方法以及小波变换在直流线路保护中的应用。学习了含铠装层的直流电缆新型解耦方法,分析各模量的传播速度和衰减常数特性,并分别选定解耦后的6模量做区内外保护判据、5模量做故障选极判据。阐述了作为本文时频分析工具的atrous算法的基本原理及其性质,分析了a trous算法结果的特点,研究了其在暂态信号频率分量提取以及在直流保护中的应用。分析了 VSC-MTDC系统的结构特点及其数学建模方法,在电磁暂态仿真软件PSCAD中搭建了四端两电平VSC-HVDC系统,用以仿真各种典型的区内外故障。其二,本文以四端VSC-MTDC系统为例,通过分析故障行波在输电线路端点处的折反射特性得出结论:(1)在故障线路上,线路两端的保护装置将几乎同时检测到故障前行波和反行波;(2)在非故障线路上,线路两端的保护装置检测到故障前行波和反行波的时间差较大,且该结论在四端VSC-MTDC系统中故障线路的对侧健全线路上依然成立。依据此特性,本文提出了基于前、反行波时差的VSC-MTDC输电线路纵联方向保护,用a trous算法检测故障电流行波波头到达输电线路端点处的时刻,用解耦后的6模量前、反行波到达端点处的时差来区别故障线路。在四端VSC-MTDC系统中的仿真表明,该保护算法判据明确,采样频率低,计算量小,对通信要求低,具有很高的实用性。其三,本文从两端VSC-HVDC系统出发,分析故障行波在输电线路端点处的折反射系数,通过各端故障检测装置采集到的故障前、反行波电流的幅值比来判断故障段:(1)内部故障时,前行波电流幅值略小于反行波电流幅值;(2)外部故障时,前行波电流幅值远远大于反行波电流幅值。经分析,该结论在多端VSC-MTDC系统中依然成立。依据此特性,本文提出了基于前反行波幅值比的VSC-MTDC输电线路纵联方向保护。用a trous算法检测故障电流行波波头到达输电线路端点处的幅值,用解耦后的6模量前、反行波幅值比的平方来区别故障线路。在四端VSC-MTDC系统中的仿真结果表明,该保护方法原理简单,门槛值易整定,运行速度快,在不同故障类型和故障位置的情况下均可靠动作。其四,通过分析不同故障极短路时的初始波头特性,得出结论:当故障线路5模量电流的小波变换模极大值在零值附近时,为极间故障;当其值大于正门槛值时,为正极接地故障;当其值小于负门槛值时,为负极接地故障。综上,本文提出了用故障线路5模量电流的小波变换模极大值极性识别故障极。在四端VSC-MTDC系统中的仿真表明,该故障选极方法简单可靠。