柔性分频输电系统的构建规划及关键设备技术综述

传统工频交流输电方式受长距离海缆充电无功功率的限制,直流输电方式又受到海上换流站建设与维护成本的制约。柔性分频输电系统通过降低输电频率,极大提升了传输容量与输电距离,在海上风电高效输送领域具有竞争力。文中首先全面论述了柔性分频输电系统的优势。其次,详细阐述了以频率优选为决策变量的构建规划技术以及具有异频交互特性的稳定性分析方法。然后,分析了频率变化对关键分频设备特性的影响,并重点对比了铁磁型交交变频装置和电力电子型变频器。最后,就柔性分频输电系统需要进一步突破的静动态特性和电磁暂态特性分析、样机研制与系统验证等技术难题进行了展望。

水电机组并网功率振荡分析和暂态过程验证

针对浙江省内某水电机组准同期并网后的大幅度有功功率振荡事件,进行了振荡特性的理论分析和验证。结合机组同期并网暂态过程及并网功率振荡的理论,分析了并网电压差、相角差、频差的影响,并在实际电网中进行了试验验证。试验表明机组准同期并网后功率振荡主要是由频差造成,有功功率振荡的峰峰值和并网频差存在较为显著的比例特征。最后,在PSCAD中验证了频差并网后功率振荡的暂态过程机理。

计及紧急直流功率支援的扰动后稳态频率预测算法

提出了一种计及紧急直流功率支援情况下,能同时考虑直流两侧电网频率响应的扰动后稳态频率预测算法。该算法对系统发电机调速器方程、负荷静态模型方程、直流输电系统传输功率方程和系统网络方程进行了线性化处理,同时考虑紧急直流功率支援,推导了两区域交直流系统扰动后稳态频率预测方程,可以直接快速地计算出扰动后各区域的稳态频率和使其中一个区域稳态频率恢复到设定值时的直流功率支援量。对一个典型的两区域交直流并联系统进行了仿真分析,仿真结果表明所提算法具有较高的精度和较快的计算速度,证明了算法的适用性和有效性,具有与紧急频率控制相配合并在线应用的前景。

含风电的电力系统动态频率分析

研究了风电接入某实际电力系统对系统动态频率产生的影响。通过建立直驱式永磁同步风电机组动态模型和含风电的实际电力系统模型,对含风电的电力系统动态频率进行了仿真分析。研究了风速扰动对系统动态频率的影响、风电渗透率上升对系统频率调节能力的影响以及风机脱网故障对系统动态频率的影响。在风机增加了基于虚拟惯性的频率控制系统,研究了具有调频系统的风电机组对系统动态频率的影响。研究结果表明大规模风电场的风速扰动将导致系统频率出现显著波动;随着系统风电渗透率的增加,系统的调频能力将明显下降;风电场在故障下的风机脱网事故将对系统动态频率造成严重影响。增加频率控制系统使风电机组具备了一定的调频能力,有效地抑制了扰动情况下的系统频率波动。

柔性低频交流输电技术研究综述

柔性低频交流输电技术是采用可关断电力电子器件和模块化多电平拓扑的新型输电技术。因兼具工频交流输电和柔性直流输电的优点,该技术在远距离输电、海上风电送出及城市电网相关领域得到了广泛关注。在详细介绍柔性低频交流输电的基本工作原理和系统结构的基础上,对其技术特点及相关领域的应用研究现状进行了梳理总结。最后,就柔性低频交流输电需重点研究的系统接入技术、变频器主电路拓扑、控制与保护系统、谐波与电能质量分析、主设备低频适应性等关键技术进行了展望。

基于模块化多电平矩阵式换流器的分频输电系统低频侧阻抗建模及稳定性判别

针对风电机组经分频输电并网系统低频侧稳定性判别的问题,该文采用阻抗分析方法,结合基于阻抗矩阵k-范数的稳定判据,实现了并网系统低频侧稳定性的快速判别。首先,基于模块化多电平矩阵式换流器(modular multilevel matrix converter,M3C)的数学模型,针对M3C低频侧接风电机组并网这一典型场景设计了相应的无源控制器和对应的滤波电路,并对风电机组的模型进行了简化。其次,推导了M3C低频侧和风电机组的dq轴阻抗模型并利用扫频法验证了该文阻抗建模的正确性。然后,针对该系统低频侧稳定性设计了基于系统阻抗矩阵范数的快速判稳方法。最后,利用MATLAB对风电机组经分频输电并网系统低频侧的稳定性进行了判别并基于PSCAD仿真验证了该方法的有效性。

基于深度置信网络的电力系统扰动后频率曲线预测

为快速、准确地预测扰动后电力系统的动态频率,该文基于深度置信网络(deep belief networks,DBN)提出一种预测扰动后电力系统频率曲线的方法。该方法以发电机的电磁功率、机械功率、同步发电机最大出力限制、各发电机对动态频率的影响因子等在内的22维数据作为深度置信网络的输入特征值,输出为系统的动态频率。该文采用新英格兰10机39节点系统和美国南卡罗来纳州的90机500母线系统作为仿真研究算例,通过与PSS/E中的仿真结果相对比,证明使用深度置信网络可以快速准确地对扰动后系统的动态频率进行预测。该方法适用于频率的在线稳定分析,可为后续制定频率稳定控制措施提供依据,对防止系统频率崩溃具有重要意义。

海上风电分频送出系统可靠性评估模型及方法

分频输电是解决大规模、深远海海上风电送出难题的新兴技术,但海上风电分频送出系统的可靠性尚未有充分的研究。基于海上风电场、长距离输电海缆、变频站三方面对海上风电系统进行可靠性分析。首先,对集电系统建立了保护区模型及枚举计算流程,进行风电场级的可靠性分析。其次,通过电磁热耦合仿真对分频电缆的老化进行研究,提出了计及运行状态的长距离输电海缆可靠性评估方法。同时,采用模块化分层方法对变频站进行可靠性建模,得到变频站系统的可靠性参数。综合风电场、变频站、输电海缆的可靠性分析结果,构建算例分频系统的停运表及并网出力分布。最终,分析了系统的可靠性薄弱环节及提升可靠性的措施,并提出了两个可靠性参考指标。评估结果显示,建立的可靠性模型及方法有效可行,适合海上风电分频系统的可靠性评估。

柔性低频输电高频谐振风险评估及抑制方法研究

电压源型换流器在控制链路延时较长的情况下会在高频段呈现出负阻尼效应,并可能与交流系统发生高频谐振。柔性低频交流输电系统采用M3C(模块化多电平矩阵变换器)作为核心设备,其高频谐振风险有待评估。以实际工程为例,建立了M3C的高频阻抗模型,通过阻抗分析法评估了柔性低频交流输电系统在多种运行方式下的高频谐振风险,得到了谐振风险较大的运行工况,并分析了高频谐振产生机理。在此基础上,针对实际工程提出了在M3C电压前馈环节中附加低通滤波器的高频谐振抑制策略。电磁暂态仿真验证了分析结果的准确性以及所提高频谐振抑制策略的有效性。