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。

多馈入直流输电系统后续换相失败安全裕度评估及抑制方法

换相失败可能引起直流输电系统(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)闭锁,严重影响电网的安全稳定运行。多馈入直流输电系统中电气耦合紧密,控制响应造成多回LCC-HVDC交互影响,使换相失败的产生机理变得更加复杂。现有后续换相失败抑制方法多以单回LCC-HVDC为对象,无法兼顾自身换相恢复和相邻直流换相失败抑制的需求。为此,提出了一种适应于多馈入直流输电系统的后续换相失败抑制方法。分析了LCC-HVDC首次换相失败恢复过程中逆变站控制系统的响应时序及条件,提出了考虑故障严重程度和LCC-HVDC控制影响的后续换相失败安全裕度评估方法,进而提出了基于电压安全裕度的后续换相失败抑制方法,并在CIGRE HVDC标准测试系统验证了所提方法的有效性。仿真结果表明,所提方法根据换流母线电压自适应地调节直流电流,能够有效降低多馈入直流输电系统中无功电压耦合影响,有效抑制相邻回LCC-HVDC发生后续换相失败。

柔性低频输电系统的主变稳态负序差动保护

为了解决常规纵差保护难以适用于低频系统的问题,通过分析低频系统的序分量抑制策略,并根据低频系统故障进入稳态后单侧有负序注入的特征,提出一种基于稳态负序分量的主变差动保护方法。为防止该差动保护在区外故障时因电流互感器饱和出现误动,通过对比分析三类制动电流计算方式的制动性能,得到了差动保护的制动方程和制动系数。为解决励磁涌流、电流互感器断线可能导致误动的问题,提出了相电压突变量的差动保护开放条件。仿真分析表明,该方法能够灵敏反映区内金属性故障及轻微故障,在区外故障伴随电流互感器饱和时有可靠的制动裕度。

海上风电低频输电系统快速母线保护

海上风电低频输电系统母线故障后,换流器型电源等效电势与阻抗因控制的切换与调整过程,不再像传统电网可视为恒定。文中理论分析了母线电流差动保护适应性,明确故障控制策略对差动保护灵敏度的影响方式。利用母线区内外故障所对应的故障等效模型不同,提出基于时域全量模型识别的母线保护。该保护原理反映被保护元件自身拓扑的变化,理论上具有不受电源特性影响的优势,同样适用于其他换流器型电网。同时,所提保护在时域中实现,不存在相量提取问题,动作速度快。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型,验证了所提母线保护的可靠性和快速性。

柔性低频输电系统的故障分量特征及保护适用性分析

柔性低频输电系统由于运行频率的改变以及柔性低频换流站的控制机理,其故障特征以及对保护原理的影响较为复杂。为了分析故障分量保护原理在柔性低频输电系统中的适用性问题,基于柔性低频换流站的控制架构,建立了以故障限流为故障控制策略的双端型低频输电模型。计及该系统线路发生三相故障的控制特性,分析了不同情况下的低频故障分量阻抗特性,并推导出低频等值阻抗的量化计算式,进而从理论上分析其对传统故障分量保护元件的影响机理。最后,在PSCAD/EMTDC平台上搭建了双端低频输电测试模型对理论分析进行仿真验证。研究结果表明:柔性低频输电系统在一定故障条件下可造成故障分量保护范围缩小,甚至使得保护元件完全失效,研究结果对于低频系统继电保护研究的开展具有一定的参考作用。

基于多电平变流器模块的直流输电系统控制

为了保证直流输电系统在发生三相短路故障时输电电压的稳定性,有效控制输电系统的运行,该文提出了基于多电平变流器模块(modular multilevel converter,MMC)的直流输电系统运行控制方法。利用反并联二极管与并联电容来设计多电平变流器模块,获得交流等效电感,保证换流站交直流量与有功功率相同,明确换流站内功率情况;将该模块与前馈解耦补偿项相结合,运用PI获得电流内环运行控制器的输入值,实现电流解耦,增强直流电压的稳定控制,提高输电系统抗扰动性能;通过修正与控制环节获得对应参考值,以及最佳运行控制结果。通过实验表明:设计的模块既能保证输电系统在正常工作状态下平稳运行,也能在发生故障时将影响控制在安全范围内,保证电力系统输电稳定。

连接无源网络的LCC-FHMMC混合直流输电系统送端交流故障穿越控制策略

LCC-FHMMC型混合直流输电系统可以完全解决逆变侧换相失败问题,在向无源网络供电领域具有广阔的应用前景。建立了双端混合直流输电系统的数学模型,在分析送端交流故障机理和无源网络工作特性的基础上提出一种基于桥臂电压控制的故障穿越控制策略。通过让负荷主动参与调节换流站不平衡功率,快速恢复直流功率传输的同时有效避免切负荷,同时实现受端换流站和负荷的故障穿越。依靠全桥子模块拓扑能够输出负电平的特点扩大逆变侧直流电压的调节范围,避免子模块电容过度放电导致的换流站闭锁,有效减小了故障清除后直流冲击电流。设计了不同严重程度交流故障下相关参数的选取原则,后基于电磁暂态仿真软件搭建双端混合直流输电系统的仿真模型验证了所提控制策略的有效性。

基于MMC的柔性直流输电系统故障分析

近年来,柔性直流输电系统由于可控性强、无换相失败等优势,且占地面积小,受到了社会的广泛关注,并将其应用到远距离、大容量输电工程中。利用MMC的模块化多电平换流器的高压直流输电技术,具有输电容量大、谐波含量少等优势,以MMC为基础进行柔性直流输电系统优化与设计,对电力发展具有积极意义。为此,本文从MMC优势出发,对基于MMC的换流器数学模型、柔性直流系统控制策略以及柔性直流系统故障展开深度分析,希望通过本文研究,为相关人员提供参考。

基于PMU的特高压直流输电系统孤岛运行控制方法

受特高压(Ultra-High Voltage,UHV)直流输电系统自身运行特点的影响,孤岛运行阶段的环流难以实现快速维稳,提出基于电源管理单元(Power Management Unit,PMU)的特高压直流输电系统孤岛运行控制方法。考虑输出电压的角度会受电压源换流器(Voltage Sourced Converters,VSC)的影响发生瞬时改变,提出有功-相角下垂控制方法,逆变器通过微型PMU的同步信号,确定派克变换的参考坐标系,将特高压直流输电系统孤岛运行阶段的目标维持频率作为控制基准。以调整特高压直流输电系统中所有分布式发电装置(Distributed Generation,DG)的相角参考值处于一致状态为导向,结合微型PMU测得的公共母线电压相角参数,控制有功补偿量。在测试结果中,环流达到0值后出现的偏离情况程度稳定在10.0 VA以内,并在测试后的0.8 s内达到0稳态。

伪双极LCC-VSC型混合高压直流输电系统向无源网络供电的研究

电网换相换流器高压直流输电系统(Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)在功率传输特性、线路故障时的自防护能力、过负荷能力等方面均优于交流输电,但却无法向弱交流系统和无源网络供电。电压源换流器高压直流输电系统(Voltage Source Converter based HVDC,VSC-HVDC)可实现向无源网络供电的目的,但由于电力电子技术的局限性,VSC-HVDC系统投资成本过高。结合两者的优势,提出了一种新型混合高压直流输电系统(Hybrid High Voltage Direct Current,H-HVDC)。该系统的整流侧为两个6脉动LCC接一交流网络,逆变侧为三相二电平VSC接无源网络。在此基础上,对该H-HVDC的稳态数学模型、启动特性、稳态特性与暂态特性、单极闭锁进行了研究。仿真结果表明,该H-HVDC系统能实现向无源网络供电,且具有较高的稳定性,为混合直流的进一步发展提供了理论基础。

多端和多馈入直流输电系统中换相失败的研究

借鉴两端直流系统中换相失败的研究结果和熄弧角公式,运用数学和电路基本理论,推导常规控制方式下多端直流(MTDC)系统和多馈入直流(MIDC)系统的熄弧角模型,分析影响换相失败的各种因素,阐述复杂直流输电系统中发生换相失败的一般规律:MTDC系统中,定电压控制的逆变站的参数会对系统中所有逆变站的换相失败产生影响;受影响的逆变站由于自身运行参数、控制方式的变化,可能形成复杂的换相失败故障及故障恢复过程;MIDC系统中,一个逆变站的换相失败除了受自身参数的影响,还受与之相耦合的其他逆变站参数的影响。

基于故障安全域的混合级联直流输电系统后续换相失败抑制策略

混合级联直流输电系统兼顾了电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)的优势,具有良好的工程应用前景,但系统逆变侧LCC与MMC间复杂的交直流耦合特性增加了后续换相失败的抑制难度。为此,该文提出了一种应对混合级联系统后续换相失败的协调控制策略。首先,分析了控制器交互期间电气量波动和LCC无功需求对系统恢复产生的不利影响,并在考虑控制器作用和MMC动态无功支撑的基础上建立了多电气量耦合作用下的故障安全域;其次,通过对混合级联系统和基于电网换相换流器的高压直流输电故障安全域对比分析,提出了一种基于MMC和低压限流环节(VDCOL)的协调控制策略,以实现系统后续换相失败抑制和功率快速平稳恢复相协调;最后,基于PSCAD/EMTDC分别在不同严重程度交流故障、不同短路比和不同故障持续时间下进行仿真对比分析,验证了所提协调控制策略的有效性。

基于变下垂系数的风电全直流输电系统一次调频协调控制策略

风电场经直流汇集-直流送出的风电全直流输电系统中,直流系统的存在会解耦风电场和受端电网的频率耦合,在传统控制策略下对受端电网频率支撑能力弱。为此,提出一种针对风电全直流输电系统的一次调频变下垂协调控制策略。首先,提出基于Logistic函数的电压-频率变下垂频率传递策略,以直流系统电压为媒介,建立起电网频率与风电场功率的耦合关系。基于该频率传递策略,构建了由受端换流站的变下垂虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制、直流升压站的改进双闭环控制及风力发电机的变下垂减载控制组成的风电全直流输电系统一次调频协调控制策略,实现系统无通信传递频率并参与电网一次调频。最后,利用Matlab/Simulink软件搭建风电全直流输电系统仿真模型,在不同工况下进行仿真验证。仿真结果表明,所提控制策略能使风电场在不依赖远端通信的情况下实现对电网的一次调频,同时,有效减小了调频过程中直流电压的波动幅度。

基于FP-Growth算法的直流输电系统阀基电子设备缺陷关联性分析

换流阀控制设备作为直流输电系统的核心设备,对其阀基电子设备进行缺陷异常分析是保证直流输电系统稳定可靠运行的基础。提出一种基于FP-Growth算法的直流输电阀基电子设备缺陷关联性分析方法。首先基于阀基电子设备的基本结构与原理,采集阀基电子设备缺陷数据;接着对原始数据进行预处理,量化编码后导入FP-Growth算法,通过构建FP-Tree,计算其支持度和置信度,分析阀基电子设备的缺陷特征和影响因素以及各元件之间的关联关系。该方法能高效智能实现对直流输电系统核心设备缺陷的关联分析及故障溯源,为运维人员检修策略的制定提供了理论依据。最后以实际直流输电系统换流阀阀基电子设备缺陷数据仿真算例对所提方法的有效性进行了验证。

基于虚拟电阻的混合直流输电系统振荡抑制策略

针对混合直流输电系统在其定直流电流控制器参数增大时容易发生直流电流振荡的问题,提出一种基于虚拟电阻的振荡抑制策略。该策略基于电流振荡分量和引入的虚拟电阻,产生与扰动分量反相的附加电压,实现对直流电流振荡的抑制。首先,建立混合直流输电系统的小信号模型,分析定直流电流控制器参数对系统小信号稳定性的影响。其次,提出基于虚拟电阻的振荡抑制策略,研究虚拟电阻对系统小信号稳定性的影响,并通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的有效性。最后,分析在不同定直流电流控制参数下虚拟电阻的稳定范围。研究结果表明,所提控制策略能够有效解决直流电流振荡的问题,提高系统稳定性。

基于近似熵变化量判据的混合直流输电系统纵联保护方案

高压直流输电线路行波保护对信号采样频率要求高,保护性能受过渡电阻及噪声干扰影响较大,需配合纵联保护识别故障位置。而现有纵联差动保护易受分布电容影响,传输数据量较大,动作速度有待提升。为了解决上述问题,提出一种基于近似熵变化量判据的混合直流线路纵联保护方案。近似熵需要的计算数据量较小,且兼具高灵敏性、高可靠性优势。故障发生后,近似熵变化量呈现明显的峰值特征,基于1模电压电流近似熵变化量构建的保护判据能快速准确地识别高阻接地故障,同时能减小噪声干扰和分布电容的影响。基于乌东德±800 kV混合直流输电系统仿真模型对所提保护方案进行验证。结果表明,所提保护方案仅需5 kHz采样频率,无需严格的时间同步,且在经800Ω过渡电阻接地及10 dB信噪比场景下能够正确、快速地动作。

混合级联直流输电系统换相失败抵御能力评估方法研究

混合级联直流输电系统适用于远距离、大容量、跨区域、多落点输电,但逆变侧换相换流器(linecommutated converter,LCC)交流母线发生故障时易发生换相失败,严重时甚至发生后续换相失败。为了评估混合级联直流输电系统换相失败抵御能力,首先给出混合级联直流输电系统准稳态模型,提出计及系统直流控制特性的交互作用因子计算方法,进而建立考虑模块化多电平变换器(modularmultilevel convertor,MMC)电气特性的混合级联系统逆变侧等值模型。然后,提出基于电压稳定因子(voltage stability factor,VSF)的混合级联系统换相失败抵御能力评估方法,并推导含有效短路比(effective short circuit ratio,ESCR)指标的换相失败免疫因子解析表达式,从理论角度分析交流系统强度对混合级联系统换相失败抵御能力的影响。最后,在PSCAD/EMTDC上搭建混合级联系统的电磁暂态详细仿真模型,验证交互作用因子计算方法、逆变侧等值模型、换相失败抵御能力评估方法的有效性,仿真结果表明,所提方法最大误差在5%左右。结合仿真,详细分析系统控制方式、逆变侧交流联络线等值耦合阻抗、MMC控制器参数对混合级联系统换相失败抵御能力的影响,为混合级联直流输电系统的安全稳定运行提供技术参考。

参与电网调频的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略

参与电网调频的传统下垂控制策略能够利用频率偏差和直流电压实现多端柔性直流输电系统频率之间的相互支撑。然而传统电压下垂系数固定,在分配不平衡功率时容易忽略电网的运行状态和换流站自身容量,导致换流站过载以及弱电网承担功率时频率波动较大。为解决这一问题,提出了一种参与电网调频的改进下垂控制策略。首先分析了参与电网调频的传统下垂控制策略能量调配关系。其次考虑电网的频率裕度以及换流站的自身容量重新设计电压下垂系数。在系统受到扰动后,提出的控制策略能够保证换流站不发生过载,同时实现弱电网的稳定运行。最后通过仿真软件MATLAB/SIMULINK进行仿真验证,结果表明所提控制策略提高了多端柔性直流输电系统的频率调节能力,使系统的运行水平得到有效提升。

含混合型MMC的多端柔性直流输电系统短路电流计算方法

多端柔性直流输电系统中存在多个换流站,换流站之间复杂的耦合关系使得直流短路电流的计算成为一个难题。针对含混合型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的多端柔性直流系统应用场景,首先搭建了故障穿越前后混合型MMC的故障等效模型,并从混合型MMC直流故障穿越期间电路结构变化的角度出发,分析了直流故障穿越对多端柔性直流系统各支路短路电流的影响,在此基础上基于叠加定理提出直流故障穿越附加网络的概念。然后结合多端系统的近似解耦解析计算方法和直流故障穿越附加网络的概念,提出含混合型MMC的多端系统直流故障穿越期间的短路电流计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC平台的电磁暂态仿真结果表明,所提出的计算方法在故障发生6 ms内计算的短路电流值最大误差均在±6%以内,且具有良好的适用性,为含有混合型MMC的多端柔直系统的规划设计与保护整定提供了参考。

新能源高压输电系统并网稳定性分析

当电网强度较低时,高压直流输电系统的并网系统中可能出现谐波,进而影响系统整体稳定性。本文采用阻抗分析法对新能源高压输电过程中系统的稳定性进行研究,通过建立阻抗数学模型并利用某仿真模拟软件对并网系统的谐波产生条件进行分析。经过研究发现:系统的稳定性与阻抗大小和传递函数有统计学意义,保证输入端的低阻抗运行能够避免网路系统与输入端阻抗产生交点进而产生谐波影响总体稳定性;调整整流器侧电流控制器参数是控制谐波产生的重要手段之一,其可以有效降低谐振频率内谐振的发生概率。