Multi-terminal HVDC protections based on transient line modeling

QC 20221006

Abstract

Högspänd likström (HVDC) anses vara en de nödvändiga teknologier som kommer krävas för att existerande elkraftsystem skall klara övergången till förnybara energikällor. När flera HVDC-omriktare byggs inom samma geografiska område finns det möjligheter för optimering genom att ansluta fler än två omriktare till ett gemensamt likströmssystem, ett högspännings-likströmsnät.

För att bygga större likströmsnät så kommer det förmodligen krävas likströmsbrytare för att möjliggöra felbortkoppling utan att behöva frånkoppla samtliga omriktare vid nätfel. Skyddssystemet i likströmsnät med likströms-brytare skiljer sig från typiska HVDC överföringar eftersom skydden måste särskilja mellan olika DC-fel och därmed säkerställa att endast den minsta möjliga felbehäftade delen kopplas bort. Denna avhandling handlar om att uppnå en tillförlitlig detektering av DC-ledningsfel (d.v.s. underjordiska kablar, sjökablar eller luftledningar) i likströmsnät.

I avhandlingen presenteras det två olika detektionsmetoder. Den första metoden är enbart baserad på lokala mätningar, vilket kräver en spole i den motsatta änden för att avgränsa skyddszonen. Detektionsmetoden beräknar den infallande vandringsvågen via metoder för att representera den frekvensberoende karakteristiska admittansen utvecklade för tidsdomänsimuleringar. Genom att endast använda den infallande vandringsvågen är metoden oberoende av reflektioner vid ledningsänden. För att skilja mellan interna och externa fel i framåtriktningen används brantheten av den infallande vågfronten.

Den andra metoden, ett vandringsvågsdifferentialskydd, använder telekommunikation mellan de två sidorna av en ledning, och behöver därför inte en spole för att avgränsa skyddszonen. Metoden är baserad på en beräkning av skillnaden mellan vandringsvågor, beräknade av spänningar och strömmar på båda sidorna av ledningen tillsammans med den karakteristiska admittansen och ledningens utbredningsfunktion. I förhållande till andra telekommunikationsbaserade metoder visar det sig att metoden kan detektera fel snabbare eftersom differentialberäkningen inkluderar vågens utbredningstid. 

Vandringsvågsdifferentialskyddet använder transmissionsledningens parametrar för att beräkna och jämföra vandringsvågor i båda ändarna av en ledning. Detta medför att eventuella parameterfel kan resultera i en falsk differentialström som inte är noll under externa störningar, vilket potentiellt kan orsaka felaktig funktion och därmed minska tillförlitligheten. Av denna anledning har metodens känslighet utvärderats i en känslighetsstudie för en kabel. Studien använde en metod som automatiskt genererade olika kabelmodeller med parametervariationer för att sedan utföra simuleringar av ett externt fel. Det visade sig att utbredningstiden, som används för att synkronisera vågorna i skillnadsberäkningen, var den mest kritiska parametern. Som följd av denna slutsats utvecklades en metod för att minimera eventuella tidsförskjutningsfel, som annars skulle resultera i en falsk differentialström.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-319510