中国科学引文数据库(CSCD)核心期刊
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ISSN 1000-7229 CN 11-2583/TM
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为了研究直流正负电晕电流时域脉冲的特性，基于实验室开发的高频电晕电流高压端测量系统，开展了不同条件下直流正负电晕的线板放电实验。基于大量实验数据，统计、对比了正、负极性电晕脉冲的幅值、上升时间、半波时间和重复频率等特征参数随导线电压及导线半径变化的规律。实验结果表明：导线电压对单个正、负脉冲波形的影响较小，主要影响脉冲的重复频率；负脉冲的上升时间平均值为20~30 ns，半波时间的平均值为90~110 ns；正脉冲的上升时间平均值为40~50 ns，半波时间的平均值为140~160 ns；随着导线电压的升高，正、负脉冲重复频率均迅速增大，但相同电压下，正脉冲的重复频率显著小于负脉冲的重复频率，负脉冲重复频率约为正脉冲的15~25倍。
高压直流输电系统的低频谐振会对系统的安全稳定性造成严重影响，为此分析了±1 100 kV特高压直流工程的回路阻抗与频率的关系及系统工频和二次谐振特性。通过PSCAD/EMTDC仿真得出直流系统回路阻抗特性曲线及其谐振点，得出了输电线路长度对谐振点频率的影响，研究了系统在可能引起二次谐振的故障下的暂态过程，并与以往特高压直流工程对比，得出了输电线路长度与低频谐振现象的关系。分析结果表明，输电线路长度是影响直流系统回路阻抗特性的重要因素，线路越长，系统谐振频率越低；2 000 km为高压直流系统易于发生低频谐振的敏感长度。
随着直流输电容量的不断提升，对阀厅金具通流容量，载流的可靠性、耐热性提出了更高的要求。在直流输电工程中，阀厅金具承担着电力设备的电气连接、机械固定及均压屏蔽的作用。其运行电流大、工作电压高、散热条件较差，因此研究容量提升后现有阀厅金具的运行可靠性十分必要。以2种阀厅典型金具为研究对象，应用等效圆柱体模拟接触电阻，以及电-热耦合方法对金具温度场进行了有限元仿真计算，同时进行了大电流温升试验，使用红外热像仪等设备测量分析了铝排、绞线的分流不均现象，以及焊接、螺栓连接处的局部过热现象。大电流温升试验及仿真分析表明：在电流为5.62 kA时，试品金具存在局部过热及分流不均的现象，仿真结果与试验吻合。
各电压等级直流输电系统的经济输电适用范围，包括输送距离和输送容量，对于实际直流输电工程中电压等级的选择具有指导作用。从投资成本、维护成本、损耗费用和输电走廊土地贬值费用这4个方面建立了直流输电系统的经济性模型，并运用现金流折现模型计算直流输电工程的综合费用。以输电距离1 000 km、输电功率5 000 MW具体输电场景为例，计算了各电压等级直流工程的综合费用，并拓展到任意输电场景，得到了各电压等级直流输电系统经济输电适用范围。最后对影响经济输电适用范围的部分参数进行了灵敏度分析。研究表明：随着输电功率和输电距离的增加，总体上高电压等级的直流输电方式更为经济；电能成本和年等效损耗时间对直流系统经济输电适用范围影响较大。
稳态运行参数计算是背靠背高压直流系统设计过程中的重要环节。首先对背靠背高压直流系统稳态运行参数计算模块中所采用的计算模型、控制策略进行总结和介绍，然后据此制定具体的计算流程；针对直流系统处于低功率运行时，需要调整稳态运行参数使换流器参与交直流系统间无功功率平衡控制的问题，在对背靠背换流站内熄弧角与其他各稳态运行参数之间函数关系进行讨论的基础上，提出采用二分法迭代求解直流系统低功率运行时，满足站内无功功率平衡约束的稳态运行参数。最后以高岭背靠背直流工程为实例，验证本文所列算法的正确性和有效性，该算法可以用于今后背靠背高压直流系统的成套设计中。
基于超高压、特高压和背靠背3种典型高压直流工程，对高压直流输电的无功功率平衡与控制方法进行了综合分析与研究。首先介绍了高压直流输电系统中与无功功率相关的电气设备及影响无功功率的主要因素。其次，整理归纳了现有工程中的无功功率控制策略，并提出了无功功率控制因子的概念。结合交流系统中电压波动和无功功率的关系，提出了将交流电压转化为无功功率，取转换后的无功功率和交流系统的无功功率的交集作为控制因子的相关简化方案。最后，对比了无功功率模型的计算结果与实际工程相关工况的运行结果。实验结果验证了采用所提方案设计的无功功率模型的有效性。
±800 kV酒泉—湖南特高压直流工程将大规模的风电功率送到具有典型输入电源特征的湖南电网，因此，无功补偿配置不仅需要考虑直流系统的无功需求，还应针对该工程送受端接入的交流电网无功电压支撑能力较弱的问题通过合理加装动态无功补偿设备优化无功配置。结合酒泉换流站接入的交流电网有大规模风电的特性，提出了在换流站站用变低压侧加装静止无功补偿器（static var compensator，SVC）无功补偿方案，并确定加装SVC后换流站的小组滤波器容量。针对湖南换流站接入的交流系统面临的低电压风险，在湖南换流站站用变低压侧配置静止同步补偿器（static synchronous compensator, STATCOM），并优化配置相应的小组滤波器容量。经分析和校核，在换流站配置动态无功补偿设备，能够提高换流站近区交流电网的电压稳定性，减小滤波器投切带来的换流母线电压波动，并降低设备投资。
针对双换流器并联直流系统开展主回路参数设计与主接线结构研究，首先介绍了换流站内2组12脉动换流器并联的直流系统主要的运行与接线方式；然后根据直流输电基本理论并结合并联换流器自身特点，考虑控制方式的变化，开展直流主回路设计，对换流变压器、换流阀等主设备进行详细的参数计算；最后针对几类典型并联接线结构，从可靠性、占地面积、工程实施难度等方面综合比选，并结合换相失败故障工况下的仿真研究，最终给出推荐的换流站电气主接线方案。
换流站交流侧暂态过电压水平直接关系到换流站设备的绝缘配合和运行安全。该文分析了换流站交流侧暂态过电压的机理以及影响过电压的因素，并依托锡盟—泰州±800 kV特高压直流输电工程，建立了EMTDC电磁暂态仿真模型，对该工程送、受端换流站交流侧的暂态过电压水平进行分析计算。结果表明，送受端500 kV交流母线若采用额定电压为396 kV的避雷器，保护水平可取761 kV，若采用额定电压为420 kV的避雷器，保护水平取858 kV。受端1 000 kV交流母线采用额定电压为828 kV避雷器，保护水平取1 460 kV。计算结果可为工程后续研究和建设提供技术参考。
为满足洲际能源互联应用要求，需要开发±1 100 kV、6 250 A的特高压超大容量直流换流阀技术。针对特高压超大容量直流换流阀研发需求，以国家电网公司重点实验室（电力系统电力电子实验室）现有试验能力为依托，完成了试验能力提升系列技术研究工作。通过搭建直流及冲击试验装置电磁分析模型，研究了装置表面电场分布特点及场强变化规律，提出了场强抑制措施，通过优化实验室屏蔽系统和改善屏蔽罩曲率半径等方法，完成了绝缘试验能力提升。针对换流阀的运行试验能力，通过优化整流变配置，提升水冷系统参数，设计新型故障电流拓扑等工作，使得运行试验直流电流试验能力提升至7 500 A，故障电流试验能力提升至60 kA，完成了运行试验能力提升。通过试验证明了±1 100 kV、6 250 A等级换流阀试验能力提升的正确性和有效性。
高端换流变阀侧电压的持续运行最大峰值（peak value of the continuous operating voltage，PCOV）是特高压直流换流站直流避雷器参数设计和绝缘配合方案评估的一个重要数据。利用RTDS的非实时运算功能，本着尊重实际工程事实的原则及突出关键点、保留关联点和等效次要点的基本方式，通过采用自定义阀元件模型、低端换流器等效为可调直流源、控制系统依运行特性最简化等建模技术，建立了一种能够模拟换相过冲暂态过程、计算高端换流变阀侧电压PCOV的数字仿真高频模型，并且以向家坝—上海SymbolqB@800 kV直流输电工程为实例，从不同运行工况和不同设备参数的角度对模型准确性和可用性进行了分析和验证。
特高压直流直接接入交流750 kV电网，对投切交流滤波器小组的断路器的耐压能力提出了严苛的要求,因此需要研究断路器的容性恢复电压水平。分析了交流滤波器小组断路器面临的各种交流故障工况，通过PSCAD软件建立了容性恢复电压的仿真计算模型，并以灵绍特高压直流工程为例计算得出了800 kV交流滤波器小组断路器的容性恢复电压最大值。仿真结果表明交流滤波器小组断路器的容性恢复电压由交流系统的短路水平和交流侧绝缘水平的影响决定，而且容性恢复电压超过了现有标准的要求，需研制适应工程需求的新型断路器。
换流阀阀控设备是直流输电二次系统中的核心元件，是连接换流阀与直流控制系统的接口设备，是实现对换流阀进行控制和保护的重要环节。依托哈郑工程，详细介绍了特高压直流控制系统与换流阀阀控系统的总体结构、直流控制系统与技术路线不同的换流阀阀控系统的接口形式和接口信号。针对哈郑工程阀控系统接口具有较大的差异性和复杂性等特点，设计了完备的阀控接口试验方案。基于阀控接口试验以及在试验过程中遇到的问题，提出了直流控制系统和阀控系统接口的优化改进建议，以降低后续工程中阀控系统接口的复杂性，便于阀控设备的标准化运行和维护。
为节省线路走廊占地，直流接地极线路会部分与站外交流电源线路同塔共架或同走廊架设，2种架设方式均存在交流线路和直流接地极线路相互影响的问题。采用电磁暂态计算程序，对接地极线路与35 kV交流线路同塔共架和接地极线路与330 kV交流线路同走廊架设条件下，交流线路和直流接地极线路的相互影响进行研究。结果表明：直流接地极线路与35 kV交流线路同杆共架时，35 kV交流线路在直流接地极线路上产生的感应电动势很小，最高感应电动势小于2 kV，对直流系统不会造成影响；直流接地极线路在35 kV交流系统上产生的感应电动势远小于35 kV交流设备的绝缘水平，对35 kV交流系统的安全运行不会造成危害。直流接地极线路与330 kV交流线路同走廊架设时，330 kV交流线路在直流接地极线路上产生的最高感应电动势不大于18 kV，对直流接地极线路的安全运行不会造成危害。研究结果对保障交流线路和直流接地极线路的安全稳定运行具有重要意义。
换流阀是特高压直流输电工程重要的组成部分，其损耗计算对特高压工程的系统设计、散热器参数选择等具有重要的作用。阀损耗与电力电子器件的调制方式、器件类型等密切相关。针对精确估算阀损耗的问题，提出了利用等效热阻模型和温度迭代方法获得器件工作温度，进而求解换流阀损耗的精确计算方法。根据理论研究结论，开发了阀损耗计算软件，该计算软件能同时考虑阀损耗与运行参数的关系。并利用ABB公司提供的IGBT模块损耗计算软件进行了仿真验证。最后绘制了阀损耗与运行参数的特性曲线，为换流阀和散热器的参数设计提供了参考依据。
大力开发和利用可再生能源是我国能源可持续发展和经济可持续发展战略的重要组成部分。正在建设中的酒泉至湖南±800 kV特高压直流工程额定输送容量800万kW，是西北集风、火、太阳能电源协同外送的大型直流输电工程。如何结合送端电源外送特性和受端负荷消纳特性，达到电力输送、消纳和经济效益最优化，需要对特高压直流输送电力的功率运行曲线进行研究。该文对送端直流可能的输送方式进行了分析研究，对受端如何消纳以及经济效益进行了分析探讨，提出了研究此类问题的思路和方法，为工程运行提供了技术参考，对其他工程也有重要的参考价值。
±800 kV复奉特高压直流输电工程迄今为止已成功运行5年。总结了这5年中复奉直流的运行情况、可用性指标和影响因素。复奉直流5年来累计输送功率达939 亿kW·h，未发生双极、单极强迫停运，仅发生5次单阀组强迫停运，强迫能量不可用率仅0.036 8%，达到了世界领先水平，实践证明了直流特高压技术的安全性和经济性。运行期间暴露出的影响可用率的设备问题均已及时充分整改，且推广应用到了后续特高压直流输电工程。复奉直流5年来的成功运行对特高压直流输电工程大规模建设和快速发展起到了示范和推动作用。
针对直流系统逆变侧不同控制策略下的换相失败恢复特性开展研究，首先从原理上分析了定关断角控制与定电压控制方式下换相失败控制器的工作原理；然后基于实时数字仿真平台以及实际工程的录波数据，全面研究比较了这2种控制策略对换相失败恢复特性的影响，结果表明换相失败与直流运行功率、稳态运行时的关断角以及故障发生时刻均有关系，而与采用何种控制方式相关性不强；最后提出对低压限流功能模块 (voltage dependent current order limiter, VDCOL)电流指令参数进行优化的措施，以改善换相失败恢复特性并对其效果进行了仿真验证。
特高压直流输电工程因其输送容量大、送电距离远得到越来越广泛的应用，然而，直流系统单双极的强迫停运严重影响着其安全运行。针对直流系统潜在的风险，从主回路接线方式和控制保护策略等方面开展了特高压直流输电工程主接线方案优化、直流线路重启动策略、金属回线自动转换方案、双极中性母线差动保护动作时序和直流滤波器保护配置等研究，提出了防止特高压直流工程单双极闭锁的关键措施。通过实时数字仿真系统对提出的措施进行了仿真分析，仿真结果及工程应用验证了措施的有效性。研究结果对提高直流系统运行可靠性、提升直流工程成套设计水平具有实际指导意义。
对糯扎渡—广东特高压直流工程系统调试过程中发生的中性母线避雷器故障进行了分析，对试验过程中避雷器承受的能量应力进行了仿真计算，并与现场实测结果进行了对比分析。研究结果表明：试验过程中中性母线避雷器吸收的能量占其标称设计能量的11.9%，有较大裕度，电气能量过载不是导致避雷器损坏的原因，避雷器故障应该是个别阀片存在质量缺陷所造成的。
在超、特高压直流输电系统中，换流站投切交流滤波器用断路器在多个工程中出现内绝缘击穿、外绝缘闪络等故障，中国南方电网有限责任公司首次使用国内厂家供货的此类型断路器，在开断过程中也出现了1次断路器开断过程中灭弧室内部击穿导致瓷套爆裂的故障。对此次故障的故障过程、现场解体检查和故障原因分析进行了介绍，并提出了针对该批次断路器的反事故措施，并对后续滤波器用断路器的选型提出了建议。
