基于状态方程的高压直流换流器直流回路阻抗计算及直流谐振抑制

基于状态方程的方法建立了高压直流换流器直流回路谐波阻抗的解析计算方法,采用MATLAB和PSCAD/EMTDC软件对直流谐波阻抗进行了建模和仿真计算,验证了所提方法的正确性,得到了换流器直流谐波阻抗的典型频谱。分析了直流谐波阻抗频谱与各控制参数的耦合关系,提取了影响直流谐波阻抗的关键控制参数,形成了基于控制参数调制的直流谐波阻抗调整和直流谐振抑制的方法,提升了高压直流换流器抑制直流谐振问题的效率和灵活性。

基于谐波状态空间的高压直流输电系统SISO阻抗建模及稳定性分析

近年来,电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based on high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的稳定性问题得到广泛关注,多位专家学者建议采用谐波状态空间(harmonic state space,HSS)等线性周期时变建模方法对其分析。然而,HSS不可避免地提高了建模的复杂度与维数,在面对大规模交直流系统时具有局限性。同时,LCC-HVDC包含多类型谐波耦合,各部分耦合对稳定性的影响大小尚未得到充分论证。为此,文中以HSS为底层理论建立LCC-HVDC的耦合阻抗矩阵,揭示高压直流输电系统内部的谐波耦合机理。进一步,通过多频电路等效思想,提出三相系统多维阻抗的降维方法,将耦合阻抗矩阵无损降维成单入单出阻抗,以此分析不同次数的谐波耦合对阻抗特性与稳定性的影响。结果表明,考虑到13次谐波截断可以有效提升高压直流输电系统阻抗模型精度,但对稳定性分析结果的影响小于忽略工况变化、简化逆变侧带来的误差。

电压源换流器高压直流输电换流阀的试验方法

对柔性直流换流阀进行型式试验可保证其安全可靠运行,型式试验通常采用等效试验的方法。介绍了串联阀和模块化多电平换流器阀2种柔性直流换流阀的结构,指出阀试验方法研究应包括试验对象分析、应力分析、应力数学模型的建立、试验要求及试验内容分析、等效试验方法研究等,并针对上述2种柔性直流换流阀试验方法的各项内容进行了研究,以期为可关断器件阀等效试验的理论研究奠定基础。

电压源换流器高压直流输电装置中IGBT的过电流失效机制

为满足电压源换流器高压直流输电(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)装置可靠性及其试验方法和试验等效机制研究的需要,重点研究了该装置中绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)阀在过电流故障状态下的失效机制。介绍了VSC-HVDC系统及其阀的结构,将IGBT阀过电流故障分为3种不同的类型,分析IGBT阀在不同过电流故障状态下的电压和电流应力及其在故障应力下的内部物理过程。最终得到了IGBT阀在3种过电流故障下的失效机制。

电压源换流器高压直流输电系统的精确线性化变结构控制器设计

建立电压源换流器高压直流输电系统在同步旋转dq坐标系下的暂态非线性数学模型。为实现对这个非线性系统的控制器的直接设计,采用状态反馈精确线性化的方法,将非线性的数学模型转化成线性的形式。然后,运用变结构的控制方法,设计整流侧和逆变侧的控制器,从而实现直流侧电压恒定和有功、无功功率的独立解耦控制。最后,建立Matlab的仿真模型进行仿真分析,仿真结果表明所设计的控制器具有良好的暂态控制性能和较强的鲁棒性。

电压源换流器高压直流输电系统中换流器故障仿真分析及其诊断

电压源换流器(VSC)是电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)系统中的重要组成部分,其过压和过流能力差,容易发生各种故障,且受传输功率影响故障信号特征提取复杂、故障诊断困难。针对此问题,基于所建立的VSC-HVDC系统的PSCAD/EMTDC仿真模型,首先分析了系统在发生各种故障时所输出直流电压的基本特性,在充分考虑传输功率影响的条件下,根据直流电压故障信号幅值波动的范围,判断系统故障的性质,然后再通过小波分析方法提取特征向量,并结合人工神经网络方法实现系统故障的识别。仿真结果表明,这种方法能对VSC-HVDC的故障进行有效诊断和识别,且准确度不受传输功率的影响,具有良好的应用前景。

基于定量反馈理论的电压源换流器高压直流输电系统鲁棒控制器

PI控制是基于电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)系统控制器的主流,但面对系统的不确定性时,PI控制器表现出较弱的运行性能。针对这一问题,在传统矢量控制策略的基础上,结合定量反馈理论,提出了一种新的鲁棒控制策略。该策略在设计中可以考虑相位信息,直观地权衡控制器复杂性与性能指标,设计方法简单,易于工程人员现场调节和操作。在不同的运行条件下,用PSCAD软件对控制系统进行了仿真,并与PI控制器下的系统性能进行对比。仿真结果表明,所设计的控制器具有良好的鲁棒性和动态性。

电网故障时模块化多电平换流器型高压直流输电系统的分析与控制

电网故障条件下模块化多电平换流器型高压直流输电系统的控制策略是目前亟需进行的一个研究课题。为此,基于Kirchhoff定律,给出了描述模块化多电平换流器(MMC)交流侧和直流侧动态特性的通用动态数学模型。该模型不仅适用于交流电网对称状态,而且适用于交流电网不对称故障状态,并考虑了换流变压器漏感的影响。根据对称分量法将换流器的通用动态数学模型分解为包含正序和负序分量的2个子系统,引入了换流器的正序和负序电流矢量解耦控制器以及外环功率控制器,可以实现在交流电网正常以及故障状态下对模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统的有效控制。设计了电网故障期间MMC输送功率的动态限幅控制,可以根据故障的种类和程度调节输送功率的限幅值,防止开关器件过载。指出了总直流电流在3个相单元之间的分配在交流系统对称状态下是基本均匀的,而在交流系统不对称故障状态下是不均匀的。仿真结果验证了所设计的电网故障时MMC-HVDC控制器的有效性和正确性。

电压源换流器高压直流输电的控制策略及其参数优化(英文)

提出一种电压源换流器高压直流输电(voltage source converter based on high voltage direct current,VSC-HVDC)的新型控制策略。基于VSC-HVDC的稳态模型,通过坐标变换和变量代换推导出一组功率传输方程。结合PI控制器和非线性逆系统的思想设计了相应的控制器,并推导出在该控制器下VSC-HVDC的有功功率和无功功率的传输极限。从圆特性出发,在理论上证明所设计的控制器可以实现有功功率和无功功率的完全独立控制。采用Hooke-Jeeves算法对控制器的参数进行了优化。PSCAC/EMTDC下的仿真结果表明:采用优化后的PI参数,系统性能得到很大改善;而且所设计的控制器可以实现有功功率和无功功率的独立控制,并具有快速的响应速度、良好的稳定性和较好的鲁棒性。

直流受端馈入站与近区风电场系统振荡特性分析

随着高压直流输电工程的不断投产,以及风电项目的增多,越来越多的风电场出现在电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)受端换流站近区,两者构成的系统存在振荡风险。为此,该文针对直流受端馈入站与近区风电场系统的振荡特性展开研究。首先,建立并验证系统的状态空间模型,基于该模型计算出系统特征值,确定LCC-HVDC与风电场共同参与的振荡主导模式并进行参与因子分析。进一步地,通过对比是否接入LCC-HVDC的主导模式,得到LCC-HVDC的接入会削弱系统阻尼的结论。最后,从系统额定容量、交流系统短路比、风电场并网线路长度等方面探究系统稳定性的影响因素,并分析系统的不同短路比、潮流比对风机网侧换流器(grid-side converter,GSC)外环控制和换流站定电流控制器性能的影响。

直驱风电场并网对直流输电引起的火电机组轴系扭振影响机理分析

火电机组与电网换相换流器高压直流输电(LCC-HVDC)间的次同步交互作用会引发火电机组轴系扭振(SSTI),而直驱风电场(DDWF)接入LCC-HVDC送端对SSTI阻尼特性的影响与机理尚未明确,相关研究有待开展。针对上述问题,该文基于DDWF与火电打捆经LCCHVDC送出系统,采用模块化建模法建立了小信号模型,使用特征值法分析了DDWF的接入与参数变化对LCC-HVDC引起的火电机组SSTI阻尼的影响;同时,针对特征值分析结果进行了机理分析。研究结果表明,DDWF会与火电机组共同承担LCC-HVDC的功率波动,削弱火电机组与LCC-HVDC间的次同步交互作用,从而增大SSTI阻尼,降低SSTI风险;当DDWF的容量增大、风速提升时,SSTI阻尼增大;当DDWF与LCC-HVDC整流站间电气距离增大时,SSTI阻尼降低;当LCC-HVDC整流侧由定电流控制转为定功率控制,或逆变侧由定电压控制转为定关断角控制时,SSTI阻尼降低。基于PSCAD/EMTDC平台进行了时域仿真,验证了特征值分析与机理分析的正确性。

混合直流系统中直流侧故障暂态电流的解析表达与故障特性的研究

由基于线性换流器高压直流输电系统(LCC-HVDC)和基于电压源换流器高压直流输电系统(VSC-HVDC)共同构成的混合直流输电系统,其故障特性与传统直流输电系统不同。针对此问题,对混合直流输电系统中直流侧故障暂态电流特性进行了研究。首先建立了送端电网采用LCC型换流站、受端电网采用VSC型换流站的两端混合直流输电系统,利用拉普拉斯变换定理推导了直流侧故障时的等效电路,解析了LCC侧和VSC侧直流故障电流简易表达式。其次,在简易表达式的基础上,充分考虑送端LCC侧换流站的触发角动态变化过程和受端VSC侧换流站交流电流的馈入,进一步解析了两侧精确的故障电流表达式。然后,从故障电流幅值、谐波等方面对比分析了三种高压直流系统中直流侧故障电流的变化特征。最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提故障电流解析表达式的正确性。

基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置及其协调控制策略

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)高压直流输电技术(high voltage direct current,HVDC)受端交流系统故障引起的直流过电压问题,文中提出一种基于晶闸管的模块化组合式直流泄能装置拓扑及协调控制方法。该直流泄能拓扑包括模块化分布式泄能部分、限流电抗器和集中式泄能电阻3部分,对子模块工作模式进行设计,提出可避免直流泄能装置反复投切的弹性调节泄能的协调控制策略,推导直流泄能装置功率控制及其内部电气耦合关系,给出泄能装置元件参数的设计方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建MMC-HVDC及所提出的直流泄能装置模型,研究单相和三相接地故障下直流泄能装置的特性及直流过电压抑制效果。结果表明,所提直流泄能装置在协调控制策略下能够分阶段弹性调节泄能功率,有效抑制直流过电压,并有利于故障后的快速恢复。

传统直流换流阀动态关断模型及对换相失败评估准确性的影响

传统高压直流输电系统逆变侧发生交流故障时,换流阀晶闸管的关断特性会随正向电流、电流过零点下降率和结温等外部条件的改变而动态变化,而现有研究多将晶闸管视为理想器件或仅保留一定的关断裕度,很可能会导致换相失败判别结果不准确等问题。为掌握晶闸管关断特性的动态变化对换相失败评估准确性的影响,首先从理论上分析晶闸管关断特性影响换相过程的机理;然后考虑多维因素综合作用下的晶闸管关断特性,提出并建立换流阀动态关断模型,通过与SABER中晶闸管详细物理模型对比验证关断模型的正确性;最后在PSCAD/EMTDC中分别对比采用换流阀动态关断模型和采用传统模型的基于电网换相换流器的高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)在单相和三相故障情况下的换相失败判别结果。结果表明,采用传统模型可能会在未发生换相失败时判断为已发生换相失败,对系统提出更高的关断要求,还可能会导致换相失败发生时刻判断不准确的问题;采用所提出的换流阀动态关断模型,能够使换相失败的判别结果更加准确。

基于修正开关函数的LCC-HVDC整流站直流侧阻抗建模

电网换相换流器高压直流输电凭借输送容量大、距离远等优势在国内得到广泛应用。换流站作为交直流系统连接枢纽,其精确建模具有十分重要的意义。该文提出一种将换流变压器等值漏感折算至直流侧后的开关函数修正模型,该模型从根本上计及换流站的换相过程,能够准确计算出稳态直流电压;同时基于该修正模型,建立了LCC-HVDC整流站的小信号直流侧低频阻抗模型。最后,在PSCAD/EMTDC中利用Cigre Benchmark模型,对提出的开关函数修正模型及建立的LCC整流站阻抗模型进行仿真验证,证明模型的正确性。

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。

一种实用的电压源型换流器及直流电网机电暂态建模方法

提出一种在大规模机电暂态仿真中建立电压源型换流器和直流电网模型的实用方法。阐述建立该模型的原则、各部分实现方法以及主要功能,并通过如下步骤实现所提方法。VSC换流器模型与机电暂态网络分别采用不同积分步长的模型接口;无源孤岛的频率控制方法;换相阻抗支路d、q轴电流解耦计算;考虑电磁特性的直流网络积分处理方法以及保证调节快速平稳的措施。给出完整的VSC换流器和直流电网解算流程。最后通过与PSCAD中搭建的MMC-HVDC电磁暂态模型对比等算例证明了所提方法的有效性。

基于暂态能量流的模块化多电平高压直流电网接地优化配置

对于采用架空线的基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)电网,直流侧接地短路故障发生率高,严重危害电网安全。在各类影响因素中,接地方式对故障电流演化影响明显。该文从系统的宏观能量转移与耗散的角度提出了基于暂态能量流(TEF)分析的接地参数优化方法,对接地电阻、电抗参数及接地点位置等因素对MMC-HVDC电网直流短路故障电流的演化影响进行了分析。该方法以TEF抑制率和抑制效率为优化目标,以直流电网中接地阻抗参数取值、接地点为优化变量,同时考虑了中性线电抗和故障点的影响。该文选取四端双极MMCHVDC电网中的直流单极接地故障(PTGF)算例,基于PSCAD/EMTDC搭建了仿真模型进行分析和优化。仿真结果表明该参数优化方法能有效地指导接地参数的设计,抑制直流故障电流和健全极过电压。

基于状态空间法的高压直流输电系统电磁暂态简化模型的解析算法

提出一种基于状态空间法的高压直流(HVDC)输电简化模型的解析算法,用于模拟逆变侧交流故障下直流系统的暂态响应。首先利用准稳态模型对HVDC系统的整流侧做简化;然后把不同工况下的换流器写成统一的形式,并把简化后的HVDC系统模型用一个分时段线性的非齐次微分方程组来描述;最后,通过引入辅助变量,将非齐次方程转化为齐次,从而使计算复杂度大大降低,同时简化后的系统可以用解析算法求解。控制系统用微分-代数方程组描述,用变步长数值积分法求解。在Matlab里编写相应程序实现所提简化模型的解析算法,并与PSCAD里搭建的双端电磁暂态模型进行比较,以验证所提算法的准确性。

混合双极高压直流输电系统的特性研究

为了充分发挥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)和电压源换流器高压直流输电系统(voltagesource converter based HVDC,VSC-HVDC)的优势,针对一种新型的混合双极高压直流输电系统(hybrid bipolar basedhigh voltage direct current,HB-HVDC)进行了研究,该系统的正极是传统的12脉动LCC-HVDC系统,而负极是VSC-HVDC系统。建立了由LCC正极和VSC负极组成的混合双极高压直流输电系统的模型,推导了其在稳态时的数学模型,并设计了正负极之间的协调控制策略。在PSCAD/EMTDC环境下对HB-HVDC系统的稳态和暂态运行特性进行了研究分析。最后对HB-HVDC系统和闭锁负极VSC-HVDC后LCC-HVDC系统的运行特性进行了对比研究。结果表明:HB-HVDC系统可以更好地调节交流母线电压,减少LCC极换相失败的可能性,并且具有快速的故障恢复能力;同时也证明所设计的协调控制策略可以有效地改善HB-HVDC系统的稳态和动态特性。