分频输电系统研究现状、趋势与展望

分频输电又称低频输电,通过降低输电频率减轻线路电感、电容的影响,可以显著提升交流线路的输电容量与距离,是一种兼顾输电容量与工程经济性的新型输电方式,在我国新能源基地加速开发的背景下备受关注。我国“十四五”规划确立了大力开发“沙戈荒”新能源基地与深水远岸区域海上风电的新能源发展格局。“沙戈荒”新能源基地与负荷中心逆向分布,海上风电可用馈入点资源紧张,新能源大规模综合利用亟需新型高效的输电方式。近年来分频输电系统理论与技术迅速发展,该文旨在总结分频输电领域的研究成果,从基本原理与系统构建方法、系列关键装备、高电压大功率变频器与系统控制技术、系统分析与安全稳定保护技术4个角度,梳理分频输电系统理论与技术的发展现状与主要成果,并展望未来发展趋势,为分频输电系统研究起到承上启下的作用。

电力-绿证点对点交易下基于多产消者博弈均衡的分布式资源扩展规划

点对点(peer-to-peer,P2P)交易是近年来快速发展建立的配网内新型市场机制。由于投资建设周期较短,分布式资源的扩展规划将受P2P交易的显著影响。考虑多产消者间的博弈互动,该文建立基于多产消者博弈均衡的分布式资源扩展规划模型,并结合模型特征与求解需求构建基于Lp-BoxADMM的分布式求解算法。进一步通过基于IEEE标准测试系统的算例分析,验证所提模型及算法的有效性。分析P2P交易与多产消者间博弈互动行为对分布式资源扩展规划、新能源消纳、产消者成本收益的影响。

新型多频率三端口模块化多电平换流器拓扑及其控制策略

未来电网中将会存在的工频、直流与低频等多种频率,而传统换流器仅能实现交-交、交-直两种频率电气量间的能量交换。为此,提出一种新的多频率三端口模块化多电平换流器(multi-frequency triple-port modular multilevel converter,MFTP-MMC)拓扑,该拓扑结构简单对称,能够直接实现工频-低频-直流的功率变换和频率控制,不存在无功约束问题,可以输出2倍直流电压,具有直流故障自清除功能。针对MFTP-MMC拓扑建立其dq坐标下的动态数学模型,实现了系统2种交流频率分量同直流分量的解耦,在此基础上给出相应的控制策略,包括内环电流控制、环流控制、子模块均压控制以及外环功率控制,其物理概念清晰、控制性能良好。进一步,给出了桥臂无功分配系数的优化方法。同时针对其拓扑提出直流侧故障时闭锁以及故障后软起动策略。MATLAB/Simulink平台下的一系列仿真结果验证了所提MFTP-MMC拓扑和数学模型的正确性及其控制策略的有效性。

计及生产流程和电压与频率稳定性的孤立电网灾后恢复策略

用于工业园区、油气开发等的孤立电力系统广泛存在,其组网脆弱、灾后完全停产等问题严重影响了系统生产、运行效率。针对孤立电网的灾后恢复策略开展了研究。以海上油气开发为例建立了系统生产全流程模型,提出了负荷恢复度的概念并建立了产量与各类负荷关系的多元函数。针对孤立电网负荷恢复过程的电压与频率暂态稳定性进行了分析,将分析结果以构建约束条件的方式纳入优化模型。提出了用于确定负荷恢复顺序的系统灾后恢复模型并应用贪心算法进行求解。算例结果验证了所提出的模型及方法的有效性。

考虑电-气-交通耦合的城市综合能源系统规划

交通是重要的能源消费部门。随着电动汽车、天然气汽车等清洁能源车辆的快速发展,交通系统与电力系统、天然气系统等能源供给网络的耦合逐步增强。面向日渐融合的能源网和交通网,该文考虑电动汽车、天然气汽车与城市综合能源系统的耦合,提出并建立城市综合能源系统优化规划模型,协调充电站、加气站等能源设施与城市电网、天然气管网的扩建。首先基于交通流量和路网结构,对电动汽车、天然气汽车的能量补给需求进行了分析与建模,并建立了能量补给设施的建设约束。其次,以全系统投资和运行费用最低为目标,考虑电网、天然气网运行约束,构建了优化规划模型,设计了相应的求解算法。最后,以西安市交通网为基础构造算例验证了模型和方法的有效性。结果表明,统筹考虑交通系统和能源系统特性,进行协调规划是必要的,并且能够在显著降低城市综合能源系统规划成本的同时提高运行效率;忽略协同作用会导致电力和天然气网络的线路拥堵。

基于模块化多电平矩阵换流器的柔性低频输电系统大信号稳定性分析

为了实现“双碳”战略目标,推动我国能源转型,实现海上风电等大规模新能源的安全可靠送出成为研究关键。柔性低频输电系统通过降低输电频率来提高输送能力并节省经济成本,逐渐成为“新型电力系统”中除传统工频输电和直流输电方式之外的有益补充。但是,柔性低频输电系统的稳定性问题,尤其是大信号稳定性问题仍是工程实践中的难题。为此,采用Lyapunov直接法对基于模块化多电平矩阵换流器(modular multilevel matrix converter,M3C)的柔性低频输电系统进行了大信号稳定性分析。首先针对系统非线性状态方程阶数较高,导致难以通过经验或者线性系统Jacobian矩阵方法直接构造能量函数的难题,通过扇区非线性方法建立了模糊模型,简洁快速地构建了系统能量函数并计算了大信号稳定吸引域(large signal domain of attraction,LS-DOA)。其次引入多维空间吸引域的映射方法,从频率差异的角度更加直观地揭示了主电路和控制系统等参数对系统大信号稳定性的影响。然后结合线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)凸优化理论,分析了系统大信号不稳定的相关机理并给出了高效的镇定策略。最后通过MATLAB/Simulink建立了系统模型,实现了对理论分析的仿真验证,研究结果对柔性低频输电系统的工程实践有一定的参考作用。

分频海上风电系统的不对称故障穿越控制

该文提出分频海上风电系统的不对称故障穿越控制策略。首先,介绍分频海上风电系统的基本结构与运行方式。其次,根据关键变频设备模块化多电平矩阵式换流器(modular multi-level matrix converter,M^(3)C)的数学模型,揭示电网电压不对称时M3C的运行特性,并提出分频海上风电系统的故障穿越控制策略。该策略在M3C双αβ0坐标变换控制的基础上,改进桥臂间均压控制策略,并引入M^(3)C-风电场联合电压–频率–功率下垂控制实现风电场减出力。最后,在MATLAB/Simulink中搭建分频海上风电系统电磁暂态仿真模型,对所提出的控制策略进行验证。仿真结果表明:提出的故障穿越控制策略能够在保证M3C运行安全的同时,满足风电场功率外送需求,实现风电场对工频系统的无功支撑目标。

海上风电柔性低频送出系统无功电压协调控制策略

柔性低频交流输电在海上风电送出具有广阔的应用前景,但国内外针对海上风电柔性低频送出系统无功电压特性分析与运行控制的研究较少。为此,首先建立了低频下海上风电经电缆送出系统的无功/电压数学模型;其次,建立了以降低海缆最大电流和系统损耗的目标函数和数学模型,提出了海上风电柔性低频送出系统无功协调控制策略;最后,建立了海上风电经柔性低频送出系统算例,开展了多运行工况下的动态仿真验证,结果表明:所提无功优化控制策略具备响应快速灵活的优点,且无需额外安装无功补偿装置。研究结果证明了所提优化控制策略的有效性。

电动汽车充电负荷与调度控制策略综述

电动汽车的普及已成为一种趋势,将会对电力系统运行产生深刻影响。电动汽车充电控制将成为系统运行控制的重要手段,不仅能够限制充电负荷的不利影响,而且能够实现负荷削峰填谷,促进可再生能源吸纳,发挥负荷调度的作用。该文介绍了近年来充电负荷、充电控制领域内的研究成果,涉及充电负荷仿真分析模型、充电控制效益、充电控制策略研究等方面;同时指出了尚未解决的问题和可能的研究方向。

海上风电并网与输送方案比较

风力发电是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。大容量远距离的海上风电是未来风电发展的趋势。介绍海上风电系统的3种并网技术以及输电方式:高压交流、高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)以及分频输电技术。工频交流海上风电系统一般适用于小规模近海风电场,HVDC和分频输电适用于大规模远距离海上风电场。分频海上风电系统是一种具有自主知识产权的本土技术,在目前的技术和经济条件下,分频海上风电系统是一种具有优势和竞争力的海上风电方案。主要对这3种海上风电并网的技术可行性、经济性以及效率等方面进行讨论,最后对海上风力发电技术进行总结和展望。

分频海上风电系统的技术经济分析

介绍了分频输电系统(FFTS)应用于海上风电的拓扑结构,并通过一个装机容量300 MW、离岸距离250km的算例,比较其与现有高压交流(HVAC)和高压直流(HVDC)并网方式的技术及经济优劣。FFTS通过降低输电频率(如50/3Hz),显著降低交流电缆中的充电电流,提升海底交流输电的效率与性能。结果表明,FFTS能满足算例的并网需求,且风电穿透率大于HVAC。算例中FFTS换流站的投资折算和年维护费用比HVDC少9 126万元,等年值比HVDC低7.28%。在算例的基础上,文中进一步给出了FFTS-HVDC临界经济距离—装机容量曲线,相对而言FFTS更适用于装机容量大、离岸近的风电场,对于300 MW风电场,二者的临界经济距离约为634km,远超已有和规划中的海上风电场的离岸距离。分析结果表明了分频海上风电系统所具有的应用潜力。

新形势下电力系统供需互动问题研究及分析

供需互动是电力市场化改革、智能电网建设、可再生能源大规模并网等电力系统新形势下的发展趋势,也是构建完善、健全、高效电力市场的必要条件,对系统安全、可靠、绿色的运行产生积极的影响。以需求侧参与市场深度为区分并结合我国实际总结了供需互动的实现形式,包括发、用电权交易,需求响应,需求侧竞价,负荷调度及含分布式电源的调度等。分析了供需互动下的电力市场特征及相关的供求、价格、风险机制,及对负荷削峰填谷,促进可再生能源消纳,丰富系统控制调节手段,提升电力市场效率等方面的效益。探讨了进一步的研究方向并对我国开展供需互动项目提出建议。

分频输电系统的实验研究

分频输电是一种非常有竞争力的远距离输电方式。该文介绍了分频输电系统实验装置的构成和初步实验结果。该实验首次利用交-交变频器作为倍频器,将50/3Hz电能转换为50Hz电能向工频系统送电,成功地实现了一种新型(FACTS)柔性交流输电装置。文中还介绍了分频系统和工频系统的并网情况,分析了分频输电系统实验的波形、效率、功率因数等相关数据。实验表明:对于一回1200km的500kV输电线路,利用分频输电系统可以使其输送能力达到2000MW,证明了这种新型FACTS装置的巨大应用潜力;分频输电在750kV及以下电压等级的实际工程中应用不存在技术上的困难。

电力市场过网费的潮流分析基础——输电设备利用份额问题

对输电设备的利用份额问题建立了数学模型，提出了潮流标注图上不存在有向回路的定理，在此基础上利用图论方法开发了适合任何复杂电力系统的高效算法。计算并分析了参考文献［２］中ＵＫ－３０节点系统输电设备利用份额问题，指出该文献的算法是错误的。

电力市场过网费的潮流分析基础——网损分摊问题

提出了两个电流分解公理，奠定了电力系统中网损分摊的基本理论基础，确立了网损按电流分摊的原则，否定了网损按电流平方分摊的原则。在此基础上建立了网损分摊的数学模型，并提出了适合任意复杂电力系统的简单、高效算法。对ＩＥＥＥ的２４节点ＲＴＳ系统的网损分摊计算结果表明，在系统内采用统一的网损率计算过网费是不公平的。

面向低碳的海上风电系统优化规划研究

为响应"低碳"经济,海上风电作为一种优质可再生能源,在当前的环境压力和未来的能源危机情况下将得到大力发展。文中对海上风电系统的结构及其优化规划方法进行了归纳。首先,介绍了海上风电场选址、集电系统结构、输电系统并网方式;然后对其可靠性评估方法进行了详细讨论。在此基础上阐述了海上风电系统优化规划的模型与算法。最后,对海上风电优化规划的研究方向提出了建议。

电力市场条件下电力系统可靠性问题

在竞争的电力市场中 ,发电机组投资的决策取决于项目的回报 ,而不是预期的备用率 ,因此 ,与发电系统有关的可靠性是由电能价格来维持的 ;在电力市场环境下 ,电力交易瞬息万变 ,电力调度既要保证公平竞争 ,又要保证安全运行 ,因而必须全面审定并研究和制订新的安全运行导则 ,并开发新的为运行服务的软件 ;辅助服务是电力市场最重要的特征之一 ,关系电力系统的安全运行与可靠性 ;现代继电保护已发展成为非常可靠的系统 ,但原有的保护原则是否适合于电力市场的运作情况则是一个值得探讨的问题。文中对电力市场条件下的上述可靠性问题进行了探讨 ,希望能为进一步研究对策和制订可靠性准则提供参考。

我国发电系统可靠性指标研究

在对我国发电系统的可靠性进行全面评估的基础上，提出了发电系统最优可靠性指标的定义和计算方法，归纳出我国综合最优发电系统可靠性指标曲线，并推荐了可靠性指标。

随机生产模拟及其应用

随机生产模拟是研究现代电力系统运营的一个重要工具 ,能够提供系统在最优运行方式下生产成本的期望值以及可靠性指标。文中在对随机生产模拟方法进行简单综述的基础上 ,重点介绍了等效电量函数法的原理与计算流程 ,并阐述了有能量限制的发电厂的模型和算法。在随机生产模拟的应用方面 ,主要讨论了与电力系统可靠性评估密切相关的问题 。

分段竞价与分时竞价的比较

就日前电力市场的竞价机制进行讨论 ,指出了当前普遍采用的分时竞价机制存在的问题。在此基础上介绍了分段竞价机制 ,并重点以包含 34台火电机组和 1 7台水电机组的实际电力系统为例 ,对这两种竞价机制进行了详细比较。计算结果说明了采用分段竞价模式的电力市场不仅符合电力运行的特点 ,使系统发电成本降低 ,而且减少了市场购电费用 。