【摘 要】
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高压直流输电已经成为了我国跨区电网的重要组成部分,交直流混合输电的格局已在多个大区电网中形成,其工作机理、运行方式、故障电气特征与传统交流电力系统有很大差异,在故障工况下因交直流系统的相互作用会派生出新的电磁特征。近年来我国电网的运行实践已经表明,这些新的电磁特征在一定条件下会影响交流系统继电保护的判别,并已成为引发交流继电保护不正确动作的重要因素。因此,对交直流系统相互作用引起电磁暂态过程,特别
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高压直流输电已经成为了我国跨区电网的重要组成部分,交直流混合输电的格局已在多个大区电网中形成,其工作机理、运行方式、故障电气特征与传统交流电力系统有很大差异,在故障工况下因交直流系统的相互作用会派生出新的电磁特征。近年来我国电网的运行实践已经表明,这些新的电磁特征在一定条件下会影响交流系统继电保护的判别,并已成为引发交流继电保护不正确动作的重要因素。因此,对交直流系统相互作用引起电磁暂态过程,特别在故障工况下直流系统注入交流系统的电量特征及其对继电保护的影响等方面迫切需要展开深入研究。而由于交直流电网运行方式复杂多变,直流输电系统特有的大电流、非线性快速响应特性,在故障的电磁暂态过程中电气量表征出复杂的非线性特征,因此判断直流输电系统是否对交流继电保护的动作行为造成影响,成为当前学科研究的难点。
本文针对交直流电网出现的暂态功率倒向现象而导致继电保护误动的问题,在交直流电磁暂态建模、直流系统注入交流系统的电量暂态特征、暂态功率倒向的机理及对交流继电保护的影响等方面展开研究。本文的工作从从继电保护的视角出发,在电磁暂态时间框架下研究交直流系统相互影响机理和交流故障特征的变异,主要研究内容包括：
(1)首次从继电保护角度研究了交直流系统相互作用机理,提出了直流换相失败对交流系统来说可表现为一个故障。在交流故障期间如果直流系统发生换相失败,对交流系统来说相当于发生了一种特殊形式的复故障。分析了由于交直流系统相互作用而引发的暂态功率倒向机理,是由交流故障和直流系统快速变化引起的两个不同扰动源同时作用于电网元件在满足一定条件下“竞争”的必然结果。
(2)从研究继电保护问题的角度,基于PSCAD/EMTDC电磁暂态分析程序,建立了交直流输电相互作用分析的电磁暂态典型模型。直流系统模型是以三广直流输电工程为原型,在合理修正CIGRE直流输电标准测试系统结构和参数的基础上搭建的。逆变侧交流系统建模是以广东电网的结构和参数为原型,除对所需要研究的输电线路进行展开外,对系统进行了等值简化。
(3)交直流电磁暂态典型模型的仿真结果与理论计算、BPA程序、继电保护故障程序、RTDS闭环仿真的结果进行了比较,在稳态和暂态层面进行了校核,结果表明：
可灵活改变交直流模型的运行方式,正常时的潮流分布和故障工况下电流电压的分布、故障特征及直流系统的暂态响应与实际系统相符,可作为研究电磁暂态过程中交直流系统相互作用共性问题的仿真平台。
(4)在本文建立的PSCAD/EMTDC交直流系统电磁暂态模型上,对实际电网中出现的暂态功率倒向现象进行了分析和仿真再现。分析了保护误动事故的电气特征和交直流系统的相互作用过程,说明了直流换相失败及控制系统的响应均是在故障工况下的正常反应,但因直流系统电量快速变化,对交流系统来说表现为另一个故障点,导致在交流输电线路出现暂态功率倒向并导致了纵联方向保护的误动。通过改变交直流系统电磁暂态模型的运行环境,对“暂态功率倒向”现象普遍性进行仿真验证。
(5)首次研究了暂态功率倒向电气特征对继电保护的影响。暂态功率倒向现象出现的纽带是交流故障期间的直流换相失败。基于对实际故障录波、EMTDC和RTDS仿真波形的分析,总结了直流系统发生换相失败时阀侧电流各个暂态阶段的特点及直流控制系统响应；分析了直流系统换相失败时注入交流系统的电量特征。指出直流换相失败之后的约50ms内的电气特征值得关注,阀侧电流暂态变化复杂,注入交流系统的谐波丰富,非周期分量的成分很大,逆变器送出的有功功率大幅减少,但消耗的无功功率却大幅增大。
(6)分析了换相失败时直流系统电量的扰动强度及在交流系统中的影响范围,指出直流系统扰动量一般为直流系统的正常额定直流电流的2倍以下,对逆变站附近的交流输电线路的影响较大。指出在直流快速变化工况下,对于快速保护是一个挑战,而对直流系统的慢速变化,对保护影响可不考虑。直换相失败时直流系统注入交流系统电气量对零序保护和负序保护的影响是较小的,并从“竞争”关系的角度分析了纵联变化量方向保护误动和拒动可能性,提出了相应的对策。
本文的研究工作获得了国家自然科学基金重点项目“含有多馈入直流输电系统的互联电网稳定性分析和控制”(50337010)的资助。
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