混合多馈入HVDC换相失败时控制与保护策略的研究

摘要

传统线路换相高压直流（LCC-HVDC）以其技术上和经济上的独特优势，目前在世界范围内得到了广泛的商业投运。由于地区经济发展和能源分布的不均衡，在某些地区负荷中心已经出现了多条直流输电线路落点于同一受端交流系统。而大功率全控电力电子器件的发展和风能、太阳能等可再生能源的规模化开发利用，使得电压源换流器高压直流（VSC-HVDC）得到了青睐。继两电平、三电平电压源换流器拓扑结构之后出现的模块化多电平换流器（MMC）技术，VSC-HVDC作为新一代直流输电技术，在世界范围内已经得到了广泛发展和应用。因此，未来的电网中，将会出现含有VSC-HVDC和LCC-HVDC共同构建的混合多馈入直流（MIDC）输电系统的格局，给未来电网的安全稳定运行带来了新的机遇和挑战。在传统MIDC输电系统中，受端交流系统的相对强度会影响换流站母线电压之间的相互作用，逆变站的换相失败可能造成一个直流子系统的事故“蔓延”到其它直流子系统。为了充分发挥LCC-HVDC输电系统和VSC-HVDC输电系统各自的优势，需要对这类新型混合MIDC输电系统进行全面深入的研究。
　　1)LCC-HVDC和VSC-HVDC输电原理及控制策略
　　对LCC-HVDC和VSC-HVDC输电系统各自交直流输电原理、基本结构和控制策略进行了详细研究。针对各自输电的技术特点，将 VSC-HVDC“植入”现有的LCC-HVDC输电系统，改善交流母线电压特性，减少LCC-HVDC换相失败，提高整个输电系统的稳定性。
　　2)混合MIDC输电系统强度计算及其运行特性仿真分析
　　换相失败与受端系统强度有一定的关联性。建立了混合MIDC输电系统模型（受端交流系统考虑负荷特性），与带有同样负荷的LCC-HVDC进行了对比分析。从有效短路比（ESCR）、换相失败免疫性指标（CFII）和故障后恢复特性等多个指标出发，对各自LCC-HVDC输电系统的稳态和暂态运行特性进行了理论推导和仿真对比分析。结果表明，VSC-HVDC的馈入，可以增强受端交流系统的ESCR，增大CFII，减少换相失败几率，且故障后恢复更平稳快速。
　　3）混合MIDC馈入下的工频变化量阻抗方向保护动作特性分析
　　在传统交直流受端交流电网故障时直流系统等值工频变化量阻抗模型分析的基础上，对混合MIDC系统中LCC-HVDC馈入交流电网线路发生故障情况时，混合MIDC系统等值工频变化量阻抗特性进行了定性和定量分析，揭示了VSC-HVDC馈入对其影响的机理。基于PSCAD/EMTDC仿真，全面系统地对比验证了单馈入LCC-HVDC系统与混合 MIDC系统（都未考虑受端系统负荷特性）理论分析的准确性和有效性。
　　4）混合MIDC馈入下的工频变化量分相综合阻抗方向保护新原理
　　在分析研究受端交流电网故障及其诱发的直流系统暂态过程中直流系统等值工频变化量阻抗暂态特性的基础上，对混合MIDC馈入下的受端交流电网输电线路工频变化量方向纵联保护的动作特性进行了详细的理论分析与改进，提出了分相综合阻抗方向保护判据。基于PSCAD/EMTDC仿真，对理论分析的正确性进行了全面系统地验证。

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 多馈入直流的现状及发展动态

1.3 本文的主要研究工作

第2章 LCC-HVDC和VSC-HVDC输电原理及其控制策略

2.1 引言

2.2 LCC-HVDC输电系统

2.3 LCC-HVDC换相失败故障分析

2.4 VSC-HVDC输电系统

2.5本章小结

第3章 混合MIDC输电系统动作特性定量计算及仿真分析

3.1 引言

3.2 混合MIDC输电系统模型及其控制策略

3.3 混合MIDC有效短路比计算

3.4 换相失败免疫性指标（CFII）

3.5 混合MIDC系统仿真实验分析

3.6 本章小结

第4章 混合MIDC馈入下的等值工频变化量阻抗动作特性分析

4.1 引言

4.2 混合MIDC系统的交直流混联故障分析模型

4.3 混合MIDC系统等值工频电流变化特性

4.4 混合MIDC系统等值工频变化量阻抗模型

4.5 混合MIDC等值工频变化量阻抗仿真分析

4.6 本章小结

第5章 混合MIDC馈入下的工频变化量分相综合阻抗方向保护新原理

5.1 引言

5.2 工频变化量分相综合阻抗方向保护原理

5.3 分相综合阻抗保护判据及其性能特点

5.4 仿真分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利

致谢