面向新型电力系统的柔性直流换流器统一控制架构

新型电力系统的发展对柔性直流输电技术提出了更高需求,随着异构串联型直流换流器拓扑架构的提出,柔直换流器已在拓扑层面实现结构统一。然而,在控制层面,传统柔直换流器控制虽然具备功率解耦控制能力,但交流电压、直流电压和子模块电容电压之间存在紧密耦合,难以发挥柔直换流器全控型器件运行灵活性高的优势。首先,基于现有直流换流器控制架构,提出控制自由度的概念,并引入调制比的表征方法,构建模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的多自由度控制体系;然后,通过分析MMC换流器内部的电压耦合机理及其与调制比的关系,系统地揭示了现有MMC换流器的各种控制策略之间的关联性,形成具备“功能统一、结构统一”的MMC换流器的4自由度统一控制架构。并针对柔直系统中不同控制目标的MMC换流器分析4自由度控制架构的应用及其控制潜能;最后,在单端MMC物理动模实验系统中对MMC换流器4自由度控制在典型应用场景下的性能进行实验验证。

内陆清洁能源基地±800kV/10000MW直流外送拓扑设计

大力开发大规模清洁能源基地是国家“十四五”现代能源体系规划明确的重点任务。针对藏东南地区大规模水电、光伏送出场景,计及新能源基地海拔高、输电走廊受限问题,设计了±800 kV/10000 MW多直流电压等级混合直流、多直流电压等级柔直和四端混合直流系统送出拓扑。针对沙戈荒地区风电、光伏送出场景,设计了±800 kV/10000 MW三端柔直、四端柔直和多直流电压等级混合直流系统送出拓扑。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了各拓扑方案的仿真模型,对比分析了各拓扑的技术特点。通过研究,以期为未来相关工程实践拓扑设计提供参考。

面向新型电力系统的直流输电换流器统一拓扑架构

新型电力系统对直流输电技术提出了更高需求。该文首先介绍了直流输电的发展历程,并基于新型电力系统发展带来的挑战分析了常规直流输电和柔性直流输电两类技术的优势和不足。为此,从换流器拓扑入手,突破同构串联和异构并联两种常见拓扑架构,以晶闸管换流器和模块化多电平换流器为基础,提出了面向新型电力系统的异构串联型换流器统一拓扑架构。从运行区间、无闭锁故障穿越等技术性能和经济性、易实现性等工程应用角度综合对比分析了多种结构的换流器,证明了异构串联型换流器的优越性。最后,介绍了异构串联拓扑架构的两种具体应用,指出了未来发展方向。

大规模海上风电多电压等级混合级联直流送出系统

海上风电场拥有更加丰富与稳定的风能资源,同时具备适宜大规模开发的优点,发展潜力巨大,是未来风电的主要发展趋势。文中总结分析了现有工程和理论研究中涉及的大规模海上风电直流送出拓扑,包括仅采用模块化多电平换流器的柔性直流换流站系统和二极管整流单元-模块化多电平换流器混合直流换流站系统,归纳了各方案的运行特点。为解决现有方案运行灵活性低、可行性差的问题,提出了一种多电压等级混合级联直流送出系统,从技术性和经济性两方面对方案进行了对比分析。最后,设计了多电压等级混合级联直流送出系统协调控制策略,通过PSCAD/EMTDC仿真分析对并网方案进行了可行性验证。

一种适用于大规模新能源远距离外送的分层混联输电系统

为实现内陆大规模风电等新能源的直流汇集与远距离输送,该文提出一种适用于不同规模风电基地分层接入的混合级联输电系统。首先介绍分层接入–混合级联输电系统的拓扑结构与运行特性。该系统为双层结构,高压阀组采用电网换相换流器,多个模块化多电平换流器并联作为低压阀组,可实现不同规模风电基地的分层接入。随后分析系统的数学模型,并在此基础上设计协调控制方案。针对风电基地出力波动,为系统设计阀组电压自适应控制,保障系统的稳定运行。最后在PSCAD/EMTDC中搭建分层接入–混合级联输电系统仿真模型,验证控制策略的有效性。研究结果表明,该系统可为大规模风电远距离传输提供一种新选择。

分址建设直流输电系统拓扑方案与运行特性研究

针对我国西部地区大规模可再生能源跨区输送场景,提出一种适用于不同地理位置新能源基地接入的分址建设特高压直流输电系统。首先,介绍该系统在常规直流与柔性直流换流器两种可行方案下的拓扑结构与控制方式。考虑分址建设场景下电网强度和地理距离对系统的影响,研究系统在交直流故障下的暂态响应与故障穿越方案。然后,根据两种方案的暂稳态运行特性,从经济性、技术性的角度对方案进行对比,并给出改进措施与推荐方案。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建分址建设特高压直流输电系统模型,仿真验证系统暂稳态下的运行特性。

适应多能源基地远距离输送电能的混合四端直流输电系统控制策略研究

为将大规模可再生能源远距离输送到不同的负荷中心,提出一种适用于多个能源基地远距离输电的混合四端直流输电系统。系统采用电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)作为送端,两个MMC换流站作为受端。介绍系统的拓扑结构和数学模型,设计协调控制方案,分析混合直流输电系统的启动过程。利用换流站控制与直流侧开关的配合,设计混合四端电网的直流故障无闭锁穿越策略。在PSCAD/EMTDC中搭建四端电网仿真模型,验证该系统在启动、直流故障及无闭锁穿越等工况下的运行特性。研究结果表明,该系统可为新能源的大规模送出提供一种新选择。

混合三端直流输电系统线路故障特性及故障电流抑制策略

文中研究了混合三端直流输电系统的直流故障特性及故障电流抑制策略。此系统送端为电网换相换流器(line commutated converter)、受端为混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multilevel converter)。首先介绍了混合三端直流输电系统拓扑以及控制策略,随后针对不同故障点,不同过渡电阻以及不同故障类型的直流侧线路故障特性进行了仿真分析。同时,分析了直流故障下混合三端直流系统中混合型MMC故障过电流的产生机理,基于混合型换流器的优越控制性能针对系统故障暂态下过电流问题,设计了LCC和MMC的附加控制,抑制各换流器向故障点处馈入的故障电流;最后对混合输电系统不同区间下的架空线极对地故障进行了仿真分析,仿真结果表明,改进的控制策略能有效地抑制直流侧换流器馈入的故障电流。

高压直流输电系统接入下的交流系统不对称故障下序网等值及短路电流算法

随着高压直流输电技术的日益发展,交直流混联系统的相互影响已成为高压直流输电领域的研究重点。针对含高压直流输电系统接入的交流系统,文章研究了其在不对称故障下的故障分析方法,提出了LCC-HVDC在交流侧的复合序网等值模型以及短路电流计算方法。搭建了基于不对称工况下的LCC-HVDC开关函数模型,根据开关函数模型建立了相应的LCC相量模型,并推导了LCC交流侧复合序网的计算方法。将LCC复合序网模型与交流系统不对称故障的边界条件结合,提出了适用于求解含高压直流输电系统接入的交流系统不对称故障短路电压电流的迭代算法,并进行了仿真验证。仿真结果表明,文中提出的故障电流算法均可以满足工程计算要求。

适用于孤岛风电外送的LCC-DR混合型直流输电系统

为实现沙漠、戈壁、荒漠地区孤岛风电的大规模汇集与远距离输送,提出了一种兼顾直流故障穿越与经济性的基于电网换相换流器-二极管整流器(line commutated converter-diode rectifier,LCC-DR)的混合型输电系统。文章首先介绍了混合型输电系统的拓扑结构,该系统送端采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC)与二极管整流器(diode rectifier,DR)串联,从而接入大规模风电基地。随后建立了系统数学模型,并设计了协调控制方案。针对直流故障与交流故障,分析了故障期间系统的运行情况并为系统设计了故障穿越策略,保障系统的稳定运行。为验证控制策略的有效性,在PSCAD/EMTDC中建立了LCC-DR混合型输电系统模型并开展稳态与暂态运行特性仿真。研究结果表明,该系统可有效实现沙戈荒地区新能源的大规模远距离输送。