具备故障限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器拓扑与控制策略

为解决直流电网中直流故障快速清除的技术难题,提出了一种同时具备限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器,并设计了启动、限流后开断线路和限流后复位3种控制策略。所提拓扑结构通过限流电路实现断路时刻电流值的大幅下降,通过电感旁路电路实现故障清除所需时间的缩短;所提控制策略通过复用拓扑部分回路实现直流电网对断路器电容的预充电,通过初步故障判断与二次确认方式来优化断路器的动作时序,实现断路时刻电流值的进一步下降。在PSCAD/EMTDC中搭建了三端直流电网仿真模型,对断路器的各种工况进行了仿真验证。结果表明该多端口直流断路器在各工况下均可实现多条直流线路的保护、减小断路时刻电流值和减小故障切除所需时间。

大规模海上风电接入的受端电网频率特性

随着海上风电的快速发展并大规模接入电网,电网系统机械惯量和频率调节能力大幅下降,严重影响受端电网的频率稳定性。为了准确分析大规模海上风电接入的受端电网频率稳定问题,提出一种包含直流频率限制控制器(frequency limiting controller,FLC)和风力发电机(wind turbine generator,WTG)参与调频的频率响应聚合(frequency response aggregation,FRA)模型。以我国南部某省为例,采用所提出的FRA模型,分析WTG接入形式、直流FLC、直流闭锁容量和WTG参与调频对受端电网频率响应过程的影响。通过理论和仿真分析得到系统惯性、调频容量和直流FLC容量与频率响应曲线中频率最低点、准稳态频率等指标的相关性,并给出大规模海上风电接入的受端电网维持频率稳定的有关建议。分析结果表明:我国南部某省风电渗透率在10%~40%区间;风电辅助调频容量达到装机容量的5%时,系统最低频率可以维持在49.5 Hz以上。因此,使海上风电机组具备调频能力,可以有效改善大规模海上风电接入系统的频率稳定问题。

双碳目标驱动的新型低压配电系统技术展望

新能源分布式应用是支撑中国实现“碳达峰·碳中和”战略目标的重要方式,势必对低压配电系统形成革命性的冲击,对传统的规划、运行、维护等方式提出了全新的挑战。首先,分析了中国低压配电系统的元素与形态变化,介绍各个环节的发展现状与面临的问题。其次,从透明化、低碳化、互动化、灵活化、多元化5个维度分析了新型低压配电系统的典型特征,并提出了其特征显著度定量评价指标。最后,从电能质量、可靠性、经济性和安全性4个关键问题出发,探讨了支撑新型低压配电系统的四大关键技术并展望了其未来发展方向。

适用于远距离大容量架空线路的LCC-MMC串联混合型直流输电系统

提出了一种适用于远距离大容量架空线路的基于电网换相换流器和模块化多电平换流器(line commutated converter-modular multilevel converter,LCC-MMC)的串联混合型直流输电系统。该系统能够灵活控制有功功率和无功功率,且能够依靠LCC和MMC的协同控制应对交直流故障。首先提出了稳态下系统的控制方式;进一步地提出了交流故障下系统的控制策略,以使整流侧交流故障下系统不发生断流和逆变侧交流故障下系统仍能保持一定的功率输送能力;基于闭锁状态下MMC的输出电压特性分析,提出了直流故障下系统的控制策略。通过时域仿真验证了所述交直流故障下控制策略的有效性。

多端柔性直流输电系统的启动控制策略

为了平稳快速地启动基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC),提出了一种启动控制策略。首先,为了最大限度地降低启动过程中直流电压的跌落,给出了一种直流侧预充电的有序解锁方案。其次,从充电等值电路的二阶RLC回路出发,推导出了限流电阻选取的表达式。随后,考虑交流系统的强弱情况,推导出了交流电压跌落比与系统短路比之间的关系,并给出了相应的启动控制策略。最后,在时域仿真软件PSCAD/EMTDC下搭建了5端系统进行仿真。结果表明:直流侧预充电的有序解锁方案能够最大限度地降低解锁过程中直流电压的跌落;以电压跌落0.1倍额定值为界限,当交流系统短路比(SCR)>3.5时,此系统连接的换流站适合交流侧预充电启动,否则,应采用直流侧预充电启动。

模块化多电平换流器主回路参数设计

模块化多电平换流器（MMC）将在电力系统中得到越来越广泛的应用，其主回路参数的设计直接影响系统的投资和运行性能。因此研究了MMC主回路中几种重要元件的参数设计问题，包括连接变压器、桥臂电抗器、子模块电容器、IGBT模块等。基于MMC的基本等值电路，提出了连接变压器阀侧空载额定电压的确定方法，论证了阀侧空载额定线电压的取值范围为直流侧电压的（1．00～1．05）／2倍；引入等容量放电时间常数的概念，发现电容电压波动率与等容量放电时间常数之间的关系基本不随具体工程而变，即具有跨工程的普遍适用性，因而可以一般性地给出子模块的电容参数，还分析了以往工程的对应参数，给出了等容量放电时间常数为40ms的推荐值；基于MMC的解析数学模型考察了4种极端工况下子模块功率器件所承受的电压和电流水平，发现子模块功率器件的负载水平会随运行工况的改变而发生巨大变化；引入二倍频环流谐振角频率和相单元串联谐振角频率的概念，提出了桥臂电抗器参数的取值原则，并分析了以往工程的对应参数，给出了桥臂电抗器参数普遍适用的推荐值为相单元串联谐振角频率取电网工频角频率。

新型高压直流断路器的自供能控制策略

提出了一种新型混合式高压直流断路器的拓扑结构及其自供能控制策略。该新型断路器包括超快速机械开关、负载转移开关和主断路器等部件。负载转移开关和主断路器都是由增强型半桥子模块构成。通过所设计的控制策略,可以使子模块中的电容在正常工况下带电运行,进而可以为子模块中的IGBT提供驱动所需要的能量。该新型断路器存在启动充能模式、稳态运行模式和故障处理模式3种运行模式。针对上述3种运行模式分别提出了相应的控制策略。增强型半桥子模块是新型直流断路器的核心元件,给出了其关键参数的选取方法。在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了四端直流电网模型,仿真结果验证了所提的新型高压直流断路器及其控制策略的可行性和有效性。

直流断路器的基本原理和实现方法研究

直流断路器是直流电网的核心元件,为此,深入研究了直流断路器的基本原理和实现方法。首先从理论上论述了直流电流开断的2条基本途径;其次介绍了基于故障通路串入无穷大电阻断流法的直流断路器实现方案;接着针对基于故障通路串入电容改变直流故障电流性质法提出了3种原理上可行的技术方案;最后对比分析了几种典型直流断路器的经济性。研究结果表明：（1）开断直流故障电流的基本途径主要有2条,其一是在直流故障电流通路中串入无穷大电阻实现断流,其二是在直流故障电流通路中串入电容改变直流故障电流性质实现断流;（2）目前已运用在实际工程中的直流断路器都是基于故障通路串入无穷大电阻断流法;（3）具有故障自清除能力的模块化多电平换流器是基于故障通路串入电容改变直流故障电流性质法;（4）基于串入电容的途径,提出了3种原理上可行的直流断路器,其一是由增强型半桥子模块串联构成的直流断路器,其二是包含正常通流支路的串入电容型直流断路器,其三是包含正常通流支路和主转移支路的串入电容型直流断路器;（5）在所比较的直流断路器中,包含正常通流支路和主转移支路的串入电容型直流断路器的经济性最好。该研究结果可以为直流断路器的研发与制造提供参考。

适用于二极管不控整流送出的海上风电机组无功功率同步控制策略

连接于二极管不控整流器的海上风电机组需要采用构网型控制。考虑二极管不控整流器的功率特性,提出了一种基于无功功率同步控制的风电机组构网型控制策略。该控制包含有功–电压环、无功–频率环和电压电流双内环。基于有功–电压环,可以利用风机的有功功率来控制交流电压的幅值;基于无功–频率环,可以利用风机的无功功率来控制交流电压的频率;基于电压电流双内环,可以对风机的电流进行快速调节和限幅,避免换流器产生过电流而损坏设备。研究结果表明:当海上风电机组连接于二极管整流器时,交流电压幅值与风机发出的有功功率关系密切,而交流电压频率则对风机发出的无功功率更为敏感;采用本文提出的无功功率同步控制后,风电机组在启动、功率波动、交流故障等情况下都能保持可靠的同步运行。在PSCAD/EMTDC中搭建了包含4个风电场的仿真模型,仿真结果验证了无功功率同步控制策略的可行性和有效性。

海上风电接入多端柔性直流输电系统中换流站退出运行时直流功率再分配策略

大容量海上风电场通过多端柔性直流输电系统接入主网是未来极具前景的并网方式。研究了岸上换流站故障退出运行后,基于电压源型换流器的多端直流输电系统(voltage source converter based multi-terminal HVDC,VSC-MTDC)直流功率的优化再分配策略。岸上健全换流站间的功率再分配可分为自消纳情景与无法自消纳情景。首先,针对自消纳情景,以减小潮流重分配对交流电网频率稳定影响为优化目标,合理地重新配置各受端换流站的控制器,使转移功率完全被故障端换流站所在交流电网消纳;其次,针对无法自消纳情景,保持故障端换流站所在交流电网内的其余健全换流站满发,并利用源侧风电场的桨距角控制以及虚拟惯量控制减小换流站退出功率冲击对岸上电网频率稳定影响。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建改造的39节点系统,所设计的直流功率再分配策略对系统频率稳定提升得到了验证。

基于电容电压波动的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

针对模块化多电平换流器(MMC)的子模块电容电压均衡问题,为了在较低的开关频率下抑制电容电压波动,提出了一种标记排序电容电压均衡策略。标记排序均衡策略能够根据设定的电容电压波动率边界与每个子模块的投切状态和电容电压,将同一桥臂内的子模块标记为两种类型,分别进行排序与投切控制。其中电容电压波动率边界可以根据系统运行的不同条件进行调整。提出了用于评价电容电压均衡控制策略性能的两个通用性指标,分别为器件平均开关频率和桥臂的电容电压波动率。在PSCAD/EMTDC中搭建了一个21电平MMC的测试系统,将标记排序均衡策略的控制性能和已有的两种电容电压均衡策略进行了仿真对比,并计算了不同均衡策略下MMC的损耗分布。仿真结果证明了标记排序均衡策略的有效性。最后,对电容电压波动率边界取不同值时的情况进行了仿真测试,给出了电容电压波动率边界的选取建议。

基于双队列的模块化多电平换流器子模块调制方法

模块化多电平换流器的子模块调制技术是该拓扑的主要技术难点之一。传统策略中,需实时检测桥臂所有子模块的电容电压,并进行全排序。若子模块数量较多,会对控制器性能产生较高要求,并产生控制延时,影响换流器安全稳定运行。为此,提出了一种基于双队列的模块化多电平换流器调制方法。在初始时刻建立桥臂的投入队列和切除队列,电平变化时根据当前时刻桥臂电流的方向及桥臂子模块的最大电压偏差,对上一时刻的投入队列和切除队列进行调整。该方法无需对子模块电容电压进行排序,在保持较低开关频率的基础上大大降低了系统运算时间。在PSCAD/EMTDC中搭建了相应的仿真模型,仿真结果证明了该策略的可行性和有效性。

多回MMC-HVDC馈入极弱交流系统的控制策略

随着模块化多电平换流器型直流输电(MMC-HVDC)工程数量的增多及容量的增大,未来区域电网必将形成多回MMC-HVDC馈入弱交流系统的场景。本文深入研究了这类场景下的控制策略。为了使MMC换流站具有同步发电机一样的特性,提出了一种模拟同步发电机的控制方法。该控制方法包含3个控制环,分别为有功功率-频率环、无功功率-电压环和电流内环。其中,利用有功功率-频率环来模拟同步发电机的摇摆过程,利用无功功率-电压环来模拟同步发电机的励磁系统,并采用电流内环来限制故障电流和提高MMC响应速度。针对多MMC-HVDC馈入系统,提出了动态功率分配控制。该控制不仅能够在换流站间精确分配功率,而且可以起到二次调频的作用。在PSCAD/EM TDC软件中搭建了改进的3机9节点模型,验证了本文所提控制策略的有效性。

城区电网直流互联系统交流短路后电能质量优化策略

为了提高城市输电走廊容量,增强城市电网灵活性,在难以对原有交流电网进行进一步扩建改造的前提下,将交流线路转换为直流线路可能是一种可行方案。为了促进城市中直流系统的改造,首先提出了城区负荷直流互联改造方案;接着针对直流系统中普遍存在的逆变器短路故障后过电压问题进行了理论分析,阐明了过电压产生的控制学原理;然后为了解决逆变器短路故障后过电压问题,遏制故障后电能质量的恶化,提出了过电压抑制策略,对逆变器内部PI环节进行控制,以期实现抑制过电压、优化电能质量的目的;最后结合实际电力系统中一处小型配电网的数据,建立了直流-交流互联系统模型进行仿真验证,仿真结果证实了过电压抑制策略的有效性。所提出的过电压抑制策略不仅可以降低短路故障切除后过电压水平,而且还可以缩短故障后恢复时间,优化电能质量,一定程度上可以促进直流系统的应用。

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统高效仿真方法

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统(MMC-SCES)半导体开关器件数量众多,仿真规模庞大,给电磁暂态仿真效率带来了巨大的挑战。针对此问题,基于桥臂戴维南等效电路提出了一种高效的MMC-SCES电磁暂态仿真方法。该仿真运用嵌套快速求解方法对MMC-SCES进行建模,不仅可以大幅降低仿真耗时和保持仿真精度,还可以保留换流器的所有动态变量。搭建了双端MMC-SCES仿真系统,对所提出的高效仿真方法进行了验证。结果表明:相比于基于平均值模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法具有更高的精度,能够拟合子模块内部动态变量;相比基于详细开关模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法的仿真速度最高可提升约518倍,而仿真的绝对误差标幺化积分则控制在1%以内。

LCC-MMC混合级联型直流输电系统受端接线和控制方式

基于某规划直流工程,分析了基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和模块化多电平换流器(modular multileve converter,MMC)的混合级联型输电系统受端接线和控制方式。具体考虑因素包括接入受端交流系统的形式(集中接入或分散接入),逆变侧并联MMC的控制方式(定直流电压或定有功功率),以及多端接入条件下LCC和M M C换流站建设形式(合站建设或分站建设)。结果显示:分散接入有助于减小逆变侧交流故障下LCC和M M C在直流侧的交互影响;并联M M C均采用定直流电压控制有助于M M C交流侧故障后系统快速恢复稳定,且利用电流均衡控制策略能够消除潜在器件参数偏差导致的电流分配不对称现象;合站建设有助于减小直流故障风险,提高系统可靠性并降低投资成本。

模块化多电平换流器谐波特性解析分析

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)谐波特性的解析分析,对深入了解MMC的工作原理具有重要意义,同时对MMC主回路参数设计、降低损耗、提高电能质量具有实际应用价值.本文基于平均开关函数法和Fourier级数分析法,推导出了MMC各电气量谐波特性的解析表达式.在PSCAD/EMTDC中搭建了21电平仿真模型,通过仿真值与解析计算值的对比,验证了提出的解析计算表达式的准确性和有效性.

混合直流输电系统直流故障处理策略比较分析

基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)以及模块化多电平换流器(modular multilevel converter,M M C))的混合型高压直流输电技术是实现远距离大容量输电的有效技术手段。为了快速清除直流短路故障,主要有2种实现方法:一是逆变侧换流器采用具有直流故障自清除能力的子模块,如全桥型子模块及箝位双子模块;二是在逆变侧直流出口加装大功率二极管以切断故障后的电流流通通路。该文通过研究不同直流故障处理策略的物理机理及控制流程,对其可行性及适用性进行深入研究。通过在PSCAD/EMTDC中搭建典型模型,考察直流故障下的系统响应特性,对不同处理策略下的系统暂态特性进行综合比较。最后,对基于全桥型子模块的不闭锁穿越式直流故障处理策略进行了仿真验证,仿真结果表明此种策略不适用于真双极直流系统,无法实现直流短路故障的有效清除。

电力网络的谐振稳定性分析方法研究

随着电力系统电力电子化程度的不断加深,近年来出现了多起机理不明的新的振荡现象。提出了电力网络谐振稳定性的概念,试图将上述机理不明的振荡现象纳入到电力网络的谐振不稳定范畴,从而基于线性网络理论对众多复杂振荡现象进行分析,为借助数学上完全成熟的线性系统理论解决电力系统实际问题提供一条途径。围绕判断谐振稳定性的分析方法展开,通过引入电力网络的s域节点导纳矩阵,将电力网络的谐振稳定性问题归结为判断s域节点导纳矩阵行列式的零点在复平面上的分布问题。首先,理论证明了s域节点导纳矩阵行列式的零点就是系统的特征值。其次,给出了求解s域节点导纳矩阵行列式零点的实部-虚部交叉迭代法。接着,推导了特定谐振模式下的节点电压振型和参与因子矩阵,这2个指标可用来定位特定谐振模式发生的位置。最后,通过算例展示了所提方法在分析电力网络谐振稳定性方面的有效性。

大规模交直流电力系统并行计算数字仿真综述

论述了大规模交直流电力系统并行计算数字仿真方法。首先,介绍了4种可并行计算的电力系统数字仿真工具,对各自特点和适用性进行了分析。其次,对比研究了基于频率响应的等值方法、Ward等值方法以及基于物理等效的动态等值方法等3种电力系统等值方法,并分析了各自的优缺点。然后,从模型转换与对应、元件布局与连接以及子系统划分与分核3个方面,详细研究了基于PSCAD/EMTDC仿真工具的交直流大系统并行计算方法。同时,全面分析了基于RT-LAB的大规模交直流电力系统并行计算方法,并对系统的初始化进行了详细分析。