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换相序技术对继电保护影响及换相序预测控制的研究

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换相序技术对继电保护影响及换相序预测控制的研究

作者：高琦华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着电网规模的不断扩大,电力系统一直面临着稳定性方面的挑战。为了解决系统振荡和功角失稳问题,课题组提出了一种全新的稳定控制措施——换相序技术。“换相序”会改变三相电力系统固有的连接方式,导致保护安装处测得的电气量发生变化... 详细信息

随着电网规模的不断扩大,电力系统一直面临着稳定性方面的挑战。为了解决系统振荡和功角失稳问题,课题组提出了一种全新的稳定控制措施——换相序技术。“换相序”会改变三相电力系统固有的连接方式,导致保护安装处测得的电气量发生变化,从而对电力系统原有的继电保护造成影响。此外,换相序预测控制也是换相序技术的重要研究部分,预测系统受扰轨迹可以为系统稳定性的判断、换相序策略的制定等提供依据。论文的选题具有重要的理论意义,并具有前瞻性研究的价值。围绕换相序技术这两方面的内容,主要研究成果如下:(1)详细分析了换相序装置安装在不同位置时的电气量变化过程以及对保护的影响。通过对时域方程和特征方程的求解,分析了电气量中工频分量、非工频分量的变化过程。结果表明,在换相序过程中,保护安装处的电压和电流都会发生突变,并且电压、电流还包含了各种暂态分量,这些电气量的变化都会对保护造成影响。(2)对于换相序装置,提出了安装在变压器和母线之间、并独立配置保护的设计方案,确保了对差动保护的影响很小;对于零序电流保护Ⅰ段,提出了增加小延时的对策,防止误动。在换相序过程中,距离保护Ⅰ、Ⅱ段已经进入了振荡闭锁模式,无需采取特殊措施。(3)换相序预测控制的核心是系统受扰轨迹预测,首先采用典型的三角函数法和自回归法分别建立了轨迹预测模型,然后对这两种预测模型在不同工况、不同预测步长下功角轨迹的预测效果进行了对比分析,并得出结论:自回归预测模型具有精度高、计算速度快、适应性强等特点,能够为换相序预测控制提供有力支撑。应用MATLAB/SIMULINK和PSASP对上述影响、对策及预测模型进行了仿真验证,结果显示,所采取的对策能够有效抑制换相序技术对继电保护的影响,且自回归预测模型具有良好的受扰轨迹预测效果。

关键词：换相序技术继电保护暂态稳定预测控制受扰轨迹

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换相序技术对系统的冲击及稳定裕度研究

换相序技术对系统的冲击及稳定裕度研究

作者：黄罡华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着电力网络规模的扩大,区域电网之间的稳定性问题日益突出。为了解决系统振荡和功角稳定问题,本课题组提出了一种全新的探索性解决策略——换相序稳定控制措施（简称为换相序技术）。换相序需要完成分闸、交换相序、再合闸一系列操作... 详细信息

随着电力网络规模的扩大,区域电网之间的稳定性问题日益突出。为了解决系统振荡和功角稳定问题,本课题组提出了一种全新的探索性解决策略——换相序稳定控制措施（简称为换相序技术）。换相序需要完成分闸、交换相序、再合闸一系列操作,并且属于不连续控制,在合闸过程中可能会对系统造成较大的冲击;另一方面,换相序技术能使失稳的系统重新恢复稳定,提高了系统的稳定裕度。围绕换相序技术这两方面的问题,本文作了以下研究:（1）通过理论计算得到换相序过程产生的冲击电流、冲击电磁转矩,在此基础上,确定了换相序技术应用的系统发电机类型分别为汽轮机组和水轮机组两种不同场景下,系统能承受换相序冲击的相关必要条件。结论表明:对于汽轮机组,当系统联络线电抗与发电机次暂态电抗的比值（Xs/X"d）大于1.1591时,换相序对系统造成的冲击是可承受的;对于水轮机组,则系统联络线电抗与发电机次暂态电抗的比值（Xs/X"d）应大于1.9629。最后通过仿真试验给出相应验证,为换相序技术应用的可行性奠定了理论基础。（2）提出了分相合闸控制和最优功角控制相结合的最优控制方式,达到了最大程度地减小换相序技术冲击的目的。首先对换相序合闸的暂态过程进行了分析,在理论上推导了换相序合闸冲击电流的瞬时值表达式,通过对电流的周期分量和非周期分量特征进行分析,得出结论:应用分相合闸控制方式进行换相序可以减小冲击电流的非周期分量,应用最优功角控制方式进行换相序可以减小冲击电流的周期分量。最后,通过仿真试验验证了所提出的最优控制方式的有效性。（3）换相序技术提高了系统的稳定性,同时也提高了系统的稳定裕度。基于能量函数法,在理论上计算了换相序技术消减的系统能量,进而求解了换相序稳定域。通过定义稳定裕度增益系数,定量分析了换相序操作对系统稳定裕度的提升效果。通过算例和仿真验证,得出结论:在功角150°处进行换相序操作,换相序稳定域最大,系统稳定裕度提升最为显著。

关键词：换相序技术冲击最优控制方式能量函数稳定裕度

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应用于换相序技术的固态断路器研究

应用于换相序技术的固态断路器研究

作者：肖欣荣华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着电力网络的规模不断扩大,区域电网之间的系统稳定问题日益突出,为了解决系统振荡和功角稳定问题,本课题组提出了换相序稳定控制技术用于抑制系统振荡和功角摆开。换相序的分闸、交换相序、再合闸这一系列操作需要在极短的时间内完成... 详细信息

随着电力网络的规模不断扩大,区域电网之间的系统稳定问题日益突出,为了解决系统振荡和功角稳定问题,本课题组提出了换相序稳定控制技术用于抑制系统振荡和功角摆开。换相序的分闸、交换相序、再合闸这一系列操作需要在极短的时间内完成,所以亟需一种可以快速开断的断路器。于是本文在换相序技术的应用背景下开展了交流固态断路器（solid state circuit breaker,SSCB）的研究。本文首先设计了一种基于绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）的新型交流固态断路器,为了改善换相序引起的串联IGBT均压问题和尖峰电压,提出了一种新型RCD均压电路,并应用PSPICE仿真软件验证了 RCD均压电路的优异性,详细阐述了固态断路器的工作原理,以此为依据设计了固态断路器的参数,搭建了固态断路器的仿真样机并且在PSPICE上对其进行了短路开断试验,验证了固态断路器的快速性和可靠性。然后分析了换相序过程的暂态特性,构造了含固态断路器的双端电源系统模型,分别针对换相序技术应用中分闸过程、分闸后和合闸过程三个阶段的电压、电流暂态特性进行理论推导,得到了换相序过程中冲击电压和冲击电流的表达式,分析得出了最佳分、合闸时刻,并通过matlab仿真验证了理论的正确性与可行性。最后根据最佳分、合闸时刻的结论提出了分相分合闸和同时分合闸两种控制方式,并且搭建了单机无穷大系统,分别将两种不同控制方式的换相序技术应用于振荡的电力系统中,比较两种控制方式的换相序技术抑制系统振荡的效果,不仅验证了换相序技术的有效性,还得到了以分相分合闸为主,同时分合闸为辅的控制方案。本文研制的交流固态断路器不但可以快速、精准且无弧地开断电路,而且不需要恢复绝缘强度的冷却时间,满足了需要进行一次或多次换相序操作的换相序技术对断路器开断速度、控制精度和短时间内可以多次分、合闸的功能要求,同时,固态断路器均压电路的优化和分相分合闸的控制方式有效降低了换相序引起的电压、电流冲击,最大化换相序技术抑制系统振荡的效果。

关键词：换相序技术系统振荡功角稳定固态断路器 IGBT 串联均压

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应用于换相序技术的临界群识别方法

应用于换相序技术的临界群识别方法

作者：张健华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着电力系统网络结构和运行方式的不断复杂化,跨区域互联电网中故障后系统动态响应往往表现出较为复杂的失稳模式。为了将换相序技术更好地应用到实际电力系统之中,本文以课题组在单机-无穷大系统模型下对换相序技术的研究成果为基础,... 详细信息

随着电力系统网络结构和运行方式的不断复杂化,跨区域互联电网中故障后系统动态响应往往表现出较为复杂的失稳模式。为了将换相序技术更好地应用到实际电力系统之中,本文以课题组在单机-无穷大系统模型下对换相序技术的研究成果为基础,研究了多机系统下进行换相序操作的临界群识别以及应用于多机系统的换相序控制方法。围绕上述问题的研究,取得了如下的主要成果:(1)针对多机系统下简单三群失稳模式,先将多机系统按照发电机功角的大小顺序分为超前群、中间群和滞后群。然后针对中间群内的发电机,提出了应用暂态能量的分群判据公式,将中间群内的机组再分入新的超前群或者滞后群之中,等效成两群模式,并针对最终的超前群(临界群)应用换相序技术实现系统的失稳控制。(2)针对多机系统下复杂的失稳模式,采用同样的方法先分为超前群、中间群和滞后群。再以中间群内各台发电机的功角轨迹隶属度为依据,将中间群内的机组分入超前群和滞后群,得到具有模糊性质的新的超前群(初始临界群)。然后再依次对新的超前群内分群状态模糊的发电机进行再分群判断,提出了应用暂态能量的分群判据公式,依次将新的超前群内状态具有模糊性质的发电机进一步分入超前群和滞后群,直至新的超前群内所有发电机都具有确定的分群状态,即得到了最终的超前群(临界群)。(3)以识别出的临界群为基础,结合系统相轨迹的凹凸性,对系统进行换相序前后的暂态稳定性进行判断,形成了换相序技术在多机系统中“暂态稳定预测-换相序-暂态稳定判断”的控制方法,实现了换相序技术在多机系统中稳定控制的目的。在MATLAB/Simulink上对新格兰10机39节点系统进行仿真计算。仿真结果表明,所阐述的研究成果在多机系统换相序过程中不仅能够快速、正确的识别出系统中进行换相序操作的临界群,而且可以正确对系统暂态稳定性进行判断。将本文提出方法与换相序技术相结合后,极大地提高了系统稳定。

关键词：换相序技术临界群模糊函数能量函数暂态稳定

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应用于稳定控制的换相序技术研究

应用于稳定控制的换相序技术研究

作者：张文扬华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

稳定性问题是交流输电系统的最大问题。随着电网规模扩大,区域互联不断增多,系统中各种不确定性运行变量与复杂扰动因素相互干扰、相互影响,极易造成联络线功率大幅摆动,显著增加了系统发生暂态失稳的概率,给系统安全稳定运行带来了极... 详细信息

稳定性问题是交流输电系统的最大问题。随着电网规模扩大,区域互联不断增多,系统中各种不确定性运行变量与复杂扰动因素相互干扰、相互影响,极易造成联络线功率大幅摆动,显著增加了系统发生暂态失稳的概率,给系统安全稳定运行带来了极大的风险。针对这一问题,本课题组提出了一种全新的探索性解决策略——换相序稳定控制措施（简称为“换相序”技术）。该措施基本内涵为:在系统功角摆开到90°～180°之间某一合适角度时,对联络线一次侧相位进行迅速翻转,通过“错相连接（换相序）”实现功角突变120°,将原本持续增大的功角拉回到较小的状态,抑制失稳的发生。围绕“换相序”这一基本课题,本文作了以下的初步研究:（1）首先,从经典的等面积法则出发,简要阐述系统在换相序后能够稳定的原因。其次,从能量角度分析系统在换相序后的能量变化过程,并给出量化表达式。根据系统能量变化量的表达式明确了换相序“有效”的基本条件,并推导了采取换相序操作的最佳角度。最后,通过算例和仿真给出相应验证,证明了换相序操作可以极大地提升系统的稳定裕度。（2）换相序操作属于不连续控制,因此需要对操作过程中产生的冲击进行校验。本文推导了换相序操作过程中产生的冲击电流和冲击电磁转矩,并通过分析确定了系统能承受换相序冲击的相关必要条件。结论表明:当系统联系电抗与发电机的次暂态电抗的比值大于0.543（Xs/X"d＞0.543）时,换相序对系统造成的冲击是可承受的。（3）换相序操作的核心依据是功角,因此对系统功角实时测量是“换相序”技术能够实施的前提。本文分析了现有功角测量方案的局限,提出了一种基于端口电气量和PMU装置的功角测量方案,并分析了该方案的理论误差。通过仿真验证,得出结论:本文所提的功角测量方案在最佳换相序功角处,能够实现高精度测量,因此适用于“换相序”技术。

关键词：暂态稳定换相序技术能量函数换相序冲击功角测量

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基于交直流变换的换相序稳定控制研究

基于交直流变换的换相序稳定控制研究

作者：刘洋华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

改革开放以来,由于电力系统规模的日益增加与新能源并网规模的逐步增长,电力系统的安全稳定问题越来越受到人们的重视,怎样使电力系统能够在更加经济的情况下安全稳定运行已经越来越重要,因此电力系统的稳定性分析已经成为了现在人们研... 详细信息

改革开放以来,由于电力系统规模的日益增加与新能源并网规模的逐步增长,电力系统的安全稳定问题越来越受到人们的重视,怎样使电力系统能够在更加经济的情况下安全稳定运行已经越来越重要,因此电力系统的稳定性分析已经成为了现在人们研究的重要热点。在等效双电源系统中,若系统受到某些扰动发生振荡,系统两侧等效电动势的夹角δ（功角）可能会在0°到360°内发生变化,这时系统将会处于不稳定状态。在δ摆开到90°以后的某一角度时,若我们用电力电子控制电路将联络线开关的一次相位迅速翻转,通过“相序交换”实现功角突变120°,将原本持续增大的功角拉回到较小的状态,抑制失步的发生,这种新的提高系统稳定性的方法称为换相序稳定控制措施。由于系统联络线上的传输功率与功角有关,当利用换相序技术将系统功角突变120°时,这一瞬间联络线上传输功率将发生变化,因此,本文通过研究直流功率调制作用对电力系统的影响,提出了一种将模块化多电平换流器直流输电与交流换相序功能相组合的电路,即利用交直流变换来实现换相序稳定控制。本文主要包括以下几个方面内容:（1）分别对交流换相序稳定控制与基于交直流变换的换相序稳定控制的基本概念与原理进行分析,解释什么是换相序技术,换相序技术如何提升系统的稳定性。提出了一种将模块化多电平换流器直流输电与交流换相序功能相组合的电路拓扑并对此电路拓扑的各种运行状态、状态之间的互相切换与此电路拓扑如何将直流输电与交流换相序功能组合进行研究。（2）在研究基于交直流变换的换相序稳定控制过程中,对直流线路的过载能力、稳态运行初始功角、故障切除角和线路的传输功率分配对系统暂态稳定性提升效果的影响进行分析并通过对比交直流并联系统中直流系统的功率调制作用分析了所设计电路对系统功率的调制,再通过对输送功率极限与短路比的关系和交流系统强度与有效惯性常数的关系进行分析提高直流输电系统的功率输送能力。（3）在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证,通过对同一单机对无穷大系统加入不同直流输电系统组成的换相序电路后发生三相短路故障的暂态仿真结果进行分析,研究基于交直流变换的换相序稳定控制对系统发生故障后的控制效果以及所设计电路拓扑的优点。

关键词：电力系统稳定换相序技术交直流电力系统模块化多电平换流器直流输电

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基于MMC的换相序稳定控制研究

基于MMC的换相序稳定控制研究

作者：徐泰来华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

在电力系统失稳过程中,当功角摆到设定的角度（如120度）时,利用电力电子开关设备进行换相序操作,将两端电源的电动势功角差拉回到较小角度,使系统重新恢复稳定,这种方法称为换相序技术。本文利用直流在电力系统中调制功率较为灵活的特... 详细信息

在电力系统失稳过程中,当功角摆到设定的角度（如120度）时,利用电力电子开关设备进行换相序操作,将两端电源的电动势功角差拉回到较小角度,使系统重新恢复稳定,这种方法称为换相序技术。本文利用直流在电力系统中调制功率较为灵活的特点,提出一种基于模块化多电平换流器（MMC）的换相序电路拓扑,并研究了提高电力系统暂态稳定控制的方法。本文主要研究成果如下:（1）提出了一种基于MMC的换相序电路拓扑,既能实现提高系统暂态稳定性的交流换相序功能,又具有减速面积灵活控制的特点,还能实现背靠背直流输电功能。（2）研究了 MMC换相序电路的各种运行状态、不同运行状态之间的切换过程,并在PSCAD中搭建了相应仿真模型。从减速面积增量、系统稳定裕度以及线路提升输送能力等角度研究了 MMC换相序电路提升系统暂态稳定性效果,分析结果表明相比于普通交流线路,加入了 MMC换相序装置的电路减速面积更大、系统稳定裕度更高、系统输送能力更强。（3）研究了 MMC换相序技术最优控制方法,在不同工况下应采用不同换相序方式,利用PSCAD平台对单机对无穷大系统加入MMC换相序电路发生三相短路故障的暂态过程进行了仿真验证,结果表明在发生故障后立即启动MMC进行换相序操作,这种方法效率更高,更有利于系统恢复稳定。对恢复稳定时间要求较为严格时优先使用120°或240°换相序,而对360°换相序不破坏系统原有结构,可有效避免因相序交换而产生的其他问题,对恢复稳定时间不那么敏感的系统该方式较好。

关键词：电力系统稳定性换相序技术稳定控制模块化多电平换流器

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提高交流固态断路器开断能力的研究

提高交流固态断路器开断能力的研究

作者：罗阳静宜华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

近年来,随着我国能源互联网建设脚步的加快和大规模新能源并网,电力系统稳定性问题愈发突出,本课题组基于系统稳定破坏和功角之间的相互关系,提出了一种全新的电力系统稳定控制方法-换相序技术。换相序技术要求断路器具有分合速度快、... 详细信息

近年来,随着我国能源互联网建设脚步的加快和大规模新能源并网,电力系统稳定性问题愈发突出,本课题组基于系统稳定破坏和功角之间的相互关系,提出了一种全新的电力系统稳定控制方法-换相序技术。换相序技术要求断路器具有分合速度快、开关时刻准确、断流能力大和耐压能力强等特点,为此,借助于电力半导体器件开关速度快、开关时刻准确的优点,本文基于绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)设计了一种新型交流固态断路器,并致力于提高断路器的开断能力和功率等级展开研究。围绕固态断路器,本文主要完成了以下工作:(1)应用并改进强迫换流技术,与固态断路器相结合,设计了一种强迫换流型交流固态断路器,有效抑制了断路器分闸过电压。为了减小IGBT硬关断感性工作电流造成的冲击电压,本文首先将直流输电中的强迫换流技术应用至固态断路器中,通过换流降低分闸过电压,但同时研究发现传统强迫换流技术缺乏合理的充、放电回路和预充电方案,并且具有导致IGBT端电压突变的缺点,为此,设计了改进型强迫换流电路,并在PSpice平台仿真验证了可行性与有效性;接着结合改进型强迫换流电路,详细介绍了新型断路器的结构和工作原理,并研究了断路器主要参数的设计原则;最后根据设计原则搭建了 110 kV/30 kA的固态断路器样机,,仿真数据表明,分闸冲击电压受到有效抑制,具有良好开关性能,可基本满足换相序技术对开关设备的性能要求。(2)详细分析了串联IGBT动态、静态不均压机理,并提出一种新型动态均压电路,解决了串联元件动态导通或关断过程中因驱动电压信号不同步导致的不均压问题。为了提高断路器耐压能力,将多个IGBT元件串联使用是简单有效的方法,而直接串联使用IGBT可能会因元件自身参数和外围电路参数不一致出现电压不均衡分配问题。为此,本文首先详细分析了串联IGBT动、静态不均压机理,并以此为基础提一种新型动态均压电路,通过降低驱动信号不同步程度提高各元件集射极电压动态一致性,并在PSpice平台上仿真验证了正确性与有效性。(3)详细分析了并联IGBT动态、静态不均流机理,并设计一种新型静态均流控制策略,解决了并联元件静态导通时因通态电阻差异导致的不均流问题。为了提高断路器通流能力,将多个IGBT元件并联使用是最为简单有效的方法,而元件自身参数和外围电路参数不一致会导致并联电流分配不均。为此,本文详细分析并联IGBT动、静态不均流机理以及相应均流技术,并提一种新型静态均流控制策略,通过调制电阻补偿各条并联支路等效通态电阻实现并联均流控制,在PSpice平台仿真验证了该策略的正确性和有效性。

关键词：换相序技术固态断路器强迫换流串联均压并联均流