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。

基于一致性算法的多虚拟同步机功率振荡协调抑制

虚拟同步机控制(virtual synchronous generator,VSG)在模拟同步发电机特性以提供惯量支撑的同时,不可避免地引入了有功功率振荡的问题,特别在多个VSG交互的情形下,VSG之间较低的互阻尼加剧了振荡的波动性,这些振荡将损害系统的稳定运行和可再生能源的有效调节。目前,在采用分布式通信架构抑制多VSG并联有功振荡的方法中,未考虑有功合理出力以及非理想通信条件下算法收敛等问题。因此,为抑制系统功率振荡,提高系统之间的互阻尼,首先分析了VSG系统并联交互振荡的原理,同时利用功角构造性能评价函数,推导出一种增加互阻尼的一致性算法,使得扰动下系统内VSG的频率快速收敛达到一致。其次通过构造李雅普诺夫能量函数的方法证明了所提方法的稳定性,在此基础上,利用频域的Nyquist曲线分析互阻尼参数对系统稳定性的影响。最后,通过电磁暂态仿真证明了互阻尼的一致性算法能有效抑制并联VSG系统的功率振荡,同时在非理想通信环境下也能保证算法的有效性。

面向模块化多电平矩阵变换器双基频电气耦合特性的动态相量建模方法

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)具有复杂的拓扑结构和双基频电气耦合特性,当前对于其双基频谐波耦合机理及影响缺乏有效的建模研究方法。针对上述问题,首先,考虑到分频系统频率的独立调节特性,提出一种基于2维Fourier变换理论的双基频动态相量方法,可实现任意双基频谐波在2个基频维度上的分解。其次,基于该框架建立了M3C内、外环控制模型,进而建立了计及闭环控制系统的M3C 3阶谐波截断动态相量模型和小信号模型。最后,基于MATLAB/Simulink环境,通过频率及功率各异的3个运行点开展仿真验证。研究结果表明,所建模型具有较高的精度,误差主要来源于模型未能覆盖的更高次谐波;同时,根据所建模型的动、稳态特性分析结果,进一步验证了所提建模方法的正确性。

计及T/4延时正、负序分离算法的IIDG暂态电流特性分析

逆变型分布式电源通过并网换流器接入电网,故障电流特性与常规设备存在显著差异,为配电网的故障保护带来挑战。基于T/4延时的正、负序分离算法被广泛用于并网换流器控制系统,然而,延时环节对暂态故障电流特性的影响尚未被充分研究。为此,首先在梳理换流器故障瞬态响应链路的基础上,分别建立换流器拓扑以及含正、负序分离环节控制系统的数学模型,并通过Pade近似实现延时环节线性化;进而,建立并网换流器暂态故障电流的闭环模型,并分析延时环节对暂态故障电流特性的影响;最后,利用MATLAB/Simulink仿真验证所提计算方法和分析结果的正确性,所提暂态电流计算方法的计算误差在1%以下。研究表明,暂态电流的含量可达到额定电流的2倍以上,延时环节将使测量值与实际值之间存在测量误差,该测量误差输入到电流闭环中会带来正、负序dq轴电流振荡,低次谐波含量暂时性上升等新特征。

基于两端宽频零序电压幅值比的三芯电缆绝缘老化评估方法

工频条件下三芯电缆绝缘监测信号微弱,难以判断电缆绝缘老化水平,为实现三芯电缆的绝缘在线监测,提出基于首末端宽频零序电压幅值比的三芯电缆绝缘评估方法。该方法通过首末端零序电压幅值比计算电缆绝缘层的相对介电常数,以规避各相线芯、金属屏蔽层和护套之间的耦合影响。首先建立三芯电缆零序网络的分布式频变参数模型,推导首末端零序电压幅值比与相对介电常数的数学联系,并根据宽频量测数据,利用最小二乘法求解相对介电常数。PSCAD仿真结果表明所推导的表达式能正确反映电缆首末端零序电压幅值比随频率的变化关系,相对介电常数求解结果验证了所述方法的正确性和有效性。

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。

分频风电系统风机并网实验研究

目前分频风电系统(fractional frequency wind power system,FFWPS)作为海上风力发电系统研究的一个新潮流,已经引起国际学术界的广泛注意。国外学者对分频风电系统应用于用于海上风电的经济性、技术可行性以及关键设备可行性等方面进行了研究,这说明分频风力发电系统是一种具有竞争力的海上风力发电系统方案。该文针对分频风电系统的结构特点,提出一种适用于分频风电系统风机并网的结构和方法,该并网方法可实现分频风电系统中风机的逐台并网,具有经济和技术上的优势。介绍分频风电系统并网主电路和控制电路的设计,以及所搭建的分频风电系统多机并网实验平台,通过实验证明所提出的并网结构和方法的可行性和有效性。

分频输电应用于深远海风电并网的技术经济性分析

全球海上风电发展呈现大规模化、集群化及深远海化的特点。离岸距离大于100 km的大规模深远海风电的输电与并网方式成为海上风电发展和研究的热点方向。通过分析电缆等电气设备的传输极限和损耗,采用等年值法,综合考虑设备投资成本、维护成本、损耗费用及电缆选型,建立了系统的比较各种并网方式的技术经济评价方法。以某400 MW海上风电场为例,对高压交流输电技术、高压直流输电技术和分频输电系统3种并网方式进行技术经济分析。论证说明分频输电技术通过降低频率,既可提高电缆载流量,又显著降低了交流电缆中的充电电流,因此传输距离显著增加,表明分频输电技术在远距离、大规模深远海风电并网方面具有技术经济优势。

考虑集电系统的风电场可靠性评估

考虑集电系统的风电场可靠性评估是风电场优化规划的基础,而当前少有研究对其进行定量计算。针对现有评估方法在频率指标计算中的困难和在闭环结构中应用的不足,提出一种基于保护区和等值风机模型的风电场集电系统可靠性建模与评估方法。该方法能有效减少系统故障状态数,对系统进行等效解环、化简,通过全概率公式得到系统停运表与概率、频率指标。采用中国西北某实际风电场为例验证方法的可行性,并分析拓扑结构、开关配置策略、馈线容量和馈线与断路器可靠性等因素对集电系统可靠性的影响。

基于定子电压定向的分频风电系统多机控制

为提高中远距离风电传输的经济性,提出一种新型分频多机控制策略。该系统通过一台交交变频控制多台同步风力发电机运行,并实现风电变频、并网。由于系统内各机组具有相同的定子电压,而其转子磁链方向不同,所以采用基于定子电压定向的控制方法。此外,提出一种改进的多机频率寻优方法和一种基于瞬时无功原理的数字锁相技术。前者可提高分频系统风能捕捉率和运行的稳定性,后者可解决分频系统中电压锁相不准的问题。最后,利用PSCAD搭建了由4台同步风电机构成的分频多机系统,验证了上述控制方法的可行性。

含LCC-HVDC的交直流混联电网统一谐波状态估计方法

基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统的大量应用使交直流混联电网谐波与谐振问题日益突出。谐波状态估计是电网谐波治理的前提,但是现有研究主要着眼于交流电网,即使考虑直流系统,也仅将其视为谐波电流源,不能实现计及交直流系统间谐波相互作用的统一谐波状态估计。为此,基于广域宽频同步监测系统,首先将含LCC-HVDC的交直流混联电网视为一有机整体,建立其统一谐波状态估计模型,有效地反映交直流系统间的谐波相互耦合关系;其次,提出计及经济性、冗余度和鲁棒性的宽频同步相量测量单元综合优化配置模型及其分阶段求解方法,提高了优化配置的科学性和计算效率;再次,采用抗差最小二乘法,求解含LCC-HVDC的交直流混联电网的统一谐波状态估计值;最后,基于PSCAD/EMTDC建立了交直流混联电网仿真模型,仿真结果验证了所提方法的有效性和准确性。

非理想通信环境下主动配电网多源协同调控策略

为保证非理想通信环境下主动配电网的安全经济运行,应用多智能体系统一致性协同理论,提出了基于一致性变量信息交互的具有自主控制能力和高拓展性与可靠性的多源分布式协同调控策略。该策略为改善非理想通信环境下一致性算法收敛性能,引入调整增益函数,利用熵权法调整状态转移矩阵;为精准跟踪配电网联络线功率指令值,在联络线功率补偿控制信号中引入了积分控制项;针对分布式电源节点通信故障的情况,提出了结合集中式通信的变结构通信策略。最后,通过算例仿真验证了该策略的有效性。

面向城市电网扩容改造的双端型柔性分频输电系统M^(3)C换流站建模与控制研究

通过在线路两端设置变频装置,利用既有线路构建点对点的双端型分频输电系统,可以提升线路容量和输电效率、降低潮流变化引起的母线电压波动,是缓解城市电网容量不足的有效方法。围绕该场景下柔性分频输电系统M^(3)C(模块化多电平矩阵变换器)换流站的建模与控制开展研究,建立双αβ0坐标系下M^(3)C的数学模型,提出基于双环结构的M^(3)C换流站控制系统总体架构及各个环节的控制策略,以及送端、受端变频站的协同控制方法。最后,通过仿真算例验证了所提控制策略的正确性和有效性。