弱交流电网条件下VSC-HVDC改进矢量控制方法

当电压源换流器型直流输电(voltage source converter based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)联接弱交流电网输送功率接近交流电网静态稳定极限时,经典矢量控制方法无法保证换流器稳定运行。文中分析VSC联接于弱交流电网时的潮流特性,研究经典矢量控制外环在弱交流电网条件下的特性,通过基于小信号模型的极点分析研究导致换流器无法稳定运行的原因,基于VSC联接于弱交流电网时的失稳机理提出一种改进矢量控制方法,在矢量控制外环增加前馈支路,增加暂态无功响应速度,提高弱交流电网条件下VSC在输送功率接近交流电网静态稳定极限时的稳定性。最后,基于小信号建模的极点分析和时域仿真结果验证改进矢量控制方法的有效性。

模块化多电平变流器的预充电控制策略

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)启动过程需要对电容进行充电,目前主要采用不控充电,但该充电方法并不能将电容电压充到稳态运行时的电压值。为解决该问题,根据半桥子模块的3种工作状态,提出了闭锁充电过程和半闭锁充电过程,能将子模块的电容电压充到稳态运行时的电压值。3分析了交流侧和直流侧的闭锁和半闭锁充电过程,并提出了具体的实现方法。仿真结果表明了所提方法的有效性,电容能被充到稳态电压值,且充电过程中没有电流过冲。

基于大规模子模块群的MMC建模与快速仿真算法

对高压大容量模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)和基于MMC的直流输电系统进行仿真时,子模块数目众多,导致了仿真速度缓慢。针对该问题,分析了MMC桥臂的电气行为,建立了在闭锁状态和解闭锁状态时桥臂的数学模型。对该数学模型进行简化后,建立了桥臂的等效电路和等效电气关系,使之能够模拟桥臂的闭锁状态和解闭锁状态。为验证桥臂的等效电路和等效电气关系的准确性,设计了一个柔性直流输电系统,并在仿真软件中搭建了基于详细MMC模型和简化MMC模型的直流输电系统,对MMC的启动、解闭锁、稳态过程和直流故障过程进行了仿真。仿真结果表明,2种仿真模型的电气行为基本保持一致,验证了简化MMC模型的准确性。

模块化多电平变流器子模块电容的设计方法

研究模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)中桥臂的功率特性,并求得桥臂的瞬时功率解析表达式和MMC稳态运行时流过桥臂电流的直流分量。通过研究桥臂的等效充放电电路,求出充放电电流的解析表达式,并据此导出电容电压波动分量的解析表达式。根据电容电压波动分量的表达式,画出电容电压波动分量的幅值与调制比和功率因数角的关系曲线,并分析波动分量的来源及特性,求取波动分量的幅值与调制比和功率因数角的解析表达式,进而提出电容大小的设计方法。通过算例验证了电容电压波动分量的表达式和电容设计方法的正确性。

基于半控整流器的直流侧串联海上风电并网系统

根据对单相不控整流电路直流侧接电阻负载时特性的研究,该文提出了一种单相半控整流电路,其交流侧电流波形为正弦波,直流侧输出电压含直流分量和倍频分量,当构成三相半控整流电路时,输出电压中二倍频分量便相互抵消了,只剩下稳定且可调的直流分量。基于半控整流电路,文中提出一种海上风电汇集与并网系统,该系统采用变流器直流侧串联升压的方式获得直流高电压,用于风电汇集和传输,省去了笨重而昂贵的海上换流站,大大节约了建造和维护成本。仿真及分析结果显示,文中所提方法能够满足海上风电并网的需求,且稳态和故障时的性能优异。

新能源孤岛柔直送出系统耗能电阻优化配置研究

在新能源孤岛经柔直送出系统中,通过投入等容量分组交流耗能电阻可实现故障穿越期间系统盈余功率的消纳。当单组耗能电阻功率过大时,会对系统造成严重冲击。因此,提出了一种基于进制转换的非等容量交流耗能电阻优化配置方法及其投切策略。首先,分析了等容量分组交流耗能电阻的动作特性。然后,为柔直系统配置单组容量各不相同但总容量与柔直系统容量相等的多组交流耗能电阻,并对不同容量的耗能电阻进行组合,以获得不同的耗能功率。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建并网模型进行验证。仿真结果表明,采用该方法及投切策略提高了耗能电阻的投切精度,降低了对系统的冲击,缩短了故障恢复时间,实现了对故障穿越期间盈余功率的精准消纳。

柔性直流输电接入弱交流电网时锁相环和电流内环交互作用机理解析研究

该文推导了柔性直流输电接入弱交流电网时考虑交流电网强度和锁相环（phased lock loop,PLL）影响的电流内环控制传递函数解析表达式,并基于传递函数解析表达式中开环传递函数G0的伯德图和奈奎斯特图分析了PLL与电流内环控制的交互作用,以及交流电网强度和有功功率大小对二者交互作用的影响,并给出了机理解释。阐明了弱电网下PLL和电流内环控制带宽接近时易发生失稳现象的数学和物理机理。仿真结果验证了分析的正确性。

VSC接入弱电网时外环有功控制稳定性解析

该文推导电压源换流器(voltage-sourced converter,VSC)接入弱电网时,考虑交流电网强度和锁相环(phaselocked loop,PLL)影响的外环控制多输入多输出(multi-input multi-output,MIMO)传递函数解析模型,提出将MIMO系统简化为单输入单输出(single input single output,SISO)系统分析的研究方法,将SISO传递函数解析模型中有功开环传递函数GPC0视为无穷大系统下的理想开环传递函数和一个调制函数的乘积,其中理想开环传递函数反映外环有功控制的影响,调制函数则反映电网强度、有功功率、PLL带宽、外环交流电压控制带宽的影响。分析调制函数对理想开环传递函数的影响即可揭示电网强度、有功功率、PLL、外环交流电压控制带宽等因素对弱电网下外环有功控制稳定性的影响机理。揭示弱电网下PLL和外环有功控制带宽相同或接近时易发生失稳现象的本质,总结电网强度、有功功率对外环有功控制稳定性影响规律。时域仿真结果验证了分析的正确性。

弱电网下风电有功出力对次同步振荡特性影响分析及参数调整

针对弱电网下直驱风电场有功出力对次同步振荡特性(subsynchronous oscillation,SSO)的影响问题,建立了并网系统动态数学模型,利用特征值分析法和参与因子计算,得到主导振荡模式以及主要参与的控制环节。通过分析在不同控制参数和系统结构参数下有功出力与SSO特性的关系,解释学术界和工程中关于有功出力对SSO阻尼影响存在不同观点的原因,确定影响有功出力与SSO阻尼之间关系的主导因素。同时,根据有功出力与SSO阻尼相关特性制定具有抑制SSO作用的参数调整方案,以求对实际工程起到重要的指导作用。时域仿真验证了相关特性和参数调整方案的正确性与有效性。

直驱风机经柔直送出系统多控制环节间交互机理研究

直驱风机经柔直送出互联系统的稳定分析存在建模复杂,失稳机理难以直观清晰解释的问题。为此,提出了一种能够将互联系统的高维状态空间转化为低维传递函数的建模方法,能够显式表征互联系统稳定性本质的单输入单输出传递函数模型。基于开环传递函数模型,直观分析了直驱风机控制系统与柔直送端换流站无源控制电压外环、有功功率水平及主电路参数之间的交互作用对互联系统稳定性的影响机理;揭示了直驱风机锁相环带宽固定时增大柔直电压外环控制带宽可增强互联系统稳定性的本质原因;刻画了柔直外环电压积分时间常数与柔直电流环带宽以及风机侧电流环带宽之间交互作用关系。基于Matlab时域仿真与传递函数扫频分析,验证了提出模型及机理分析的正确性。

多电压等级直流电力系统发展与挑战

随着新能源发电规模越来越大,输送距离越来越远以及大规模分布式发电和直流负荷的接入,现有的交流电力系统越来越难以满足电力系统发展的需求。由于高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)的技术优势,交流电力系统面临的这些挑战,却给直流电力系统的发展带来了新的契机。介绍了欧美各国和我国在高压直流输电系统、中压直流配电系统和低压直流供电系统等不同电压等级直流电力技术的发展现状,分别对高压直流输电技术、中压直流配电技术和低压直流供电技术的应用场景进行了说明,并针对现有交流输电技术的不足,分析了直流电力技术在新能源远距离输电和分布式电源接入等方面的优越性。最后介绍了现有技术水平下直流电力系统发展在关键设备研发、控制保护和标准制定等方面所面临的挑战。

双馈入VSC并网系统单输入单输出传递函数建模与稳定性分析

为克服多电压源型换流器(voltage-sourceconverter,VSC)并网系统阶数高、稳定机理分析复杂等问题,该文基于并网VSC系统单输入单输出(single-inputsingle-output,SISO)传递函数模型,将高阶次的多馈入VSC并网系统降阶为一维低阶系统,简化多馈入VSC并网系统建模与稳定性分析过程。以双馈入VSC并网系统为例,该文推导双馈入VSC并网系统SISO传递函数模型,分析双馈入并网系统VSC间产生耦合的原因,揭示交流电网强度与锁相环带宽影响双馈入VSC并网系统稳定性的机理。分析表明,当双馈入VSC并网系统的控制参数相同时,联络线阻抗使得并网系统VSC之间产生耦合,进而增大SISO传递函数的初始幅值,导致相同电网强度下双馈入VSC并网系统较单馈入VSC并网系统更易失稳。而当双馈入VSC并网系统控制参数不同时,锁相环动态使得并网系统VSC间通过电网阻抗产生耦合,SISO传递函数幅值裕度将随锁相环带宽向有较大锁相环带宽VSC靠近时减小,即双馈入VSC系统锁相环带宽越接近于带宽较大的一方,SISO传递函数幅值裕度越低,系统越易失稳。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型进行频域和时域仿真,验证所提出SISO传递函数模型与机理分析的正确性。

柔性直流电网直流过电压分析及控制策略研究

基于MMC的运行基本原理,研究了柔直电网功率不平衡时桥臂电容的充电过程,得到了直流电压与不平衡功率之间的表达式。针对不平衡功率引起的直流过电压问题,现有的故障穿越措施主要有紧急降低风电功率和装设耗能装置2种,该文提出了一种自适应NLM策略实现直流电压的紧急控制,可延长直流电压上升达到保护定值的时间,在换流站闭锁前实现安控有效切机。通过在PSCAD/EMTDC中搭建电磁暂态模型进行仿真分析,验证了该策略的有效性。

弱电网下VSC型电力电子设备外环增强阻尼控制策略

宽频振荡是高比例新能源电力系统中的一个重要问题,截至目前,振荡的分析和抑制仍然是研究热点。首先,基于电压源型换流器(voltage source converter,VSC)接入弱交流电网时的单输入单输出(single-inputsingleoutput,SISO)传递函数模型,分析了低频振荡频率的影响因素和振荡阻尼特性;其次,提出了一种基于积分重置控制的外环增强阻尼控制策略,通过补偿锁相环(phase-locked loop,PLL)在弱电网下引起的相位滞后来提高VSC接入弱电网时的阻尼和系统稳定性,并提出了基于灵敏度分析的参数选择方法;最后通过时域仿真和RTDS仿真验证了提出的增强阻尼控制器的有效性。

非最小相位零点对弱联接条件下电压源型变流器并网系统稳定性影响机理分析

右半平面(right half plane,RHP)零点诱发的非最小相位响应会显著恶化控制系统的动态性能。构建了电压源型换流器并网系统的单输入单输出(single-input single-output,SISO)传递函数模型,揭示了弱联接条件下并网系统在整流/逆变运行模式、电网阻抗及运行状态等对RHP零点产生机制的影响机理,探明了SISO开环传递函数RHP零点与其非最小相位动态的关联机制,分析了并网系统RHP零点对锁相环等控制带宽的作用规律。基于MATLAB/Simulink验证了分析的正确性。

直流电网暂态过电压机理与抑制策略

在柔性直流输电系统受扰后,当直流电网存在盈余不平衡功率时,将导致直流过电压问题,进而对IGBT、电容器等器件造成不可逆的损坏。针对直流电网故障下的直流过电压问题,首先分析了不平衡功率导致直流过电压的机理,得到了直流电压与直流电网内不平衡功率的定量关系;然后提出一种抑制直流电压上升的虚拟调制控制策略,并针对单极和双极2种故障类型采取2种不同控制策略;最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了四端柔性直流电网仿真模型,验证发生受端短路故障、受端单站闭锁故障和受端单极闭锁故障3种典型故障时所提控制策略的有效性。仿真结果表明,虚拟调制控制策略能有效地延缓直流电压上升速度,与耗能装置配合可以显著降低耗能装置的投入容量。