抑制风电场经LCC-HVDC并网系统交流过电压的无功功率分散协同控制方法

针对风电场经基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)并网系统换相失败导致的送端交流过电压问题,提出了无功功率分散协同控制方法。首先,研究了换相失败期间送端交流系统公共连接点(PCC)处电压和盈余无功功率特性。然后,从PCC处电压和无功特性出发,基于无功-电压耦合关系及交流侧潮流方程,分别确定了基于本地功率电压特征的LCC整流站触发角及风电场站无功功率参考值,通过分散控制LCC和风电场实现协同抑制PCC处过电压的目的。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了风电场经LCC-HVDC并网系统模型并进行了仿真研究,结果表明所提出的分散协同控制方法可以有效抑制换相失败后恢复期间的交流过电压水平。

联接弱交流电网MMC-HVDC系统的直流功率传输能力提升方法

模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)由于具备自换相能力,尤其适用于向弱交流电网供电。交流系统强度降低时,会制约系统的直流功率传输能力,甚至导致系统失稳。针对联接弱交流电网时MMC-HVDC系统功率传输受限的问题,建立了状态空间与直流阻抗模型,从时域、频域两方面研究了交流系统强度对直流功率传输能力的影响,明确了弱交流电网工况下功率传输受限的原因。基于参与因子定位结果,提出了在定直流电压控制环节引入直流电流反馈的功率传输能力提升方法,从时域、频域两方面对控制策略的提升作用进行了机理分析,并定量得出了控制参数的可行域及功率传输能力的最大提升水平。该方法在避免稳态误差的前提下,有效提升了MMC-HVDC系统的直流功率传输能力。

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。

风火打捆传统直流外送系统中控制环节对轴系-控制交互模式的影响机理研究

风火打捆直流外送系统中风电场和电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)控制系统可能会激发火电机组的轴系扭振。文章首先采用复转矩系数法和特征值分析法识别出LCC-HVDC定电流、风机直流电压外环控制是影响轴系-控制交互模式的关键控制环节。然后,通过推导系统传递函数,提取出反映LCC-HVDC定电流和风机直流电压外环控制对轴系-控制交互模式影响的多条关键控制路径,包括HVDC定电流控制路径、风机直流电压外环控制路径和两者间交互控制路径。进一步,定量计算每条作用路径在轴系-控制交互模式处的阻尼系数,并通过相位补偿在关键控制路径上分别设计附加阻尼控制来提高对应阻尼系数,从而抑制火电机组轴系扭振。最后,基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真,验证了理论分析的正确性及振荡抑制策略的有效性。

基于桥臂调制波调整的多端柔直系统直流过电压抑制策略

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的多端柔性直流输电系统能够实现多电源供电和多落点受电,运行方式灵活,是解决清洁能源并网和消纳问题的有效技术手段。然而当系统受端交流侧发生故障时将出现盈余功率,导致直流过电压问题。对此,提出一种基于桥臂调制波动态调整的多端柔直系统直流过电压抑制策略。所提策略通过在换流阀桥臂调制波中引入直流电压偏差控制,动态调整暂态期间桥臂调制波的直流电压参考值,从而减少桥臂投入的子模块数量,最终达到抑制直流过电压的目的。为验证所提控制策略的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了送端光水打捆经四端柔性直流输电的外送系统,给出了所提控制策略的参数设计方法。通过设置受端交流系统不同工况,对比研究了所提控制策略投入后的系统直流过电压特性,结果表明所提控制策略可以有效抑制因受端交流侧故障引起的多端柔性直流输电系统的直流过电压。

抑制风电经柔直并网系统直流过电压的晶闸管型直流耗能拓扑

针对风电通过柔直并网系统中电网电压跌落带来的功率盈余问题,提出了一种基于晶闸管的改进型直流耗能装置拓扑。首先在介绍其工作原理的基础上设计了投切控制策略,然后说明了其关键参数选取原则。通过在耗能装置中增设开通抑制电路,减小了其投入时对直流电压的冲击;利用晶闸管关断时电容的放电缓解了其退出时对直流电压的冲击。最后在PSCAD/EMTDC中对耗能装置的有效性进行了仿真验证,仿真结果表明该直流耗能装置在故障期间投入可以将直流电压稳定在安全值内。且该拓扑具有一定的经济优势。

适用于对称故障仿真的特高压柔性直流换流站动态相量建模

随着多项特高压柔性直流工程投运,建立高效而准确的模型用以研究特高压柔性直流换流站运行特性很有必要。为此提出了基于模块化多电平换流器的特高压柔性直流换流站的动态相量解析模型,该模型能准确描述稳态及发生对称故障时特高压柔性直流换流站的动态特性。首先通过研究高低端换流器交直流侧的相互作用关系,重新建立了多换流器与交直流系统的接口模型。然后结合考虑内部谐波特性的换流器模型,建立了特高压柔性直流换流站的动态相量解析模型。通过对已建立动态相量模型中交流侧状态空间方程的修正,进一步扩展了其在交流系统发生对称故障下的适用性。最后基于PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真模型,验证了所建模型在稳态和故障下的正确性和高效性。

分网接入方式下LCC-HVDC系统运动方程模型及交互振荡模式的阻尼特征(二):交互振荡模式研究

为研究分网接入方式下电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的交互振荡模式及阻尼特征,基于系统的状态空间模型及系列文章(一)建立的运动方程模型,提取了表征逆变侧电气与控制环节强耦合特性的多个弱阻尼交互振荡模式,研究了不同短路比工况下交互振荡模式的变化特征。在此基础上,通过复转矩系数法量化评估了整流侧/逆变侧内部自稳性路径及双极交互作用致稳性路径对主导交互振荡模式阻尼特性的贡献度。结果表明:1)不同短路比工况下交互振荡模式的阻尼比会进行重新分配;2)当逆变侧正负极短路比相差较大时,双极交互作用较弱,正负极系统的稳定性由2个交互振荡模式各自主导,且稳定性特征有所差异;3)当逆变侧正负极短路比相近时,双极间动态交互加强,交互振荡模式会同时主导参与系统两极的稳定性,正负极稳定性特征相似。

分网接入方式下LCC-HVDC系统运动方程模型及交互振荡模式的阻尼特征(一):扰动传递路径分解

与常规直流相比,永富直流逆变站存在功率全送和功率分送运行方式,而其处于分网接入方式时电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage directcurrent,LCC-HVDC)系统的交互振荡模式及特征尚不明确。针对这一特殊运行方式,采用模块化建模的思路建立可以反映系统电气/控制回路间交互耦合路径的运动方程模型。在此基础上,依据系统整流侧-逆变侧、正极-负极间的交互耦合路径分解得到影响系统主导模式稳定性的3条扰动传递路径,即整流侧内部自稳性路径、逆变侧内部自稳性路径、双极交互作用致稳性路径。最后,设置不同工况下的案例,量化评估不同作用路径提供的阻尼大小,并通过仿真验证运动方程模型及扰动传递路径分析结果的正确性,为后续研究分网接入方式下LCC-HVDC系统交互振荡模式的阻尼特征提供模型基础。

不同风光水配比下多类型电源打捆直流外送系统的功率传输能力研究

风光水打捆经电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)外送系统中,风光水配比不同会影响系统的功率传输能力。文章首先建立风光水打捆直流外送系统的稳态数学模型和状态空间模型,然后提出综合考虑稳态运行约束条件和小信号稳定性约束条件的系统功率传输能力计算方法及流程,掌握不同功率水平下系统稳定运行区域及边界的变化特征,最终得到不同水电出力下的直流外送系统功率传输范围、特定传输功率下所允许的水电出力最小值、风光配比与小信号稳定性的定量关系。通过该方法定量评估风光水配比不同时直流外送系统的功率传输能力,从而优化选取风光水配比。结果表明,水电出力较小时,系统传输功率上限受小信号稳定性制约,下限受电压偏移约束制约;水电出力较大时,系统传输功率上限受LCC-HVDC安全运行约束制约,下限受逆变侧电压偏移、系统潮流约束制约;在功率运行点不变时,风光配比平衡工况系统更加稳定。最后,通过PSCAD/EMTDC下的电磁暂态仿真,验证上述功率传输能力理论计算的正确性。

混合双馈入直流输电系统的高频振荡特征及机理研究

在混合双馈入直流输电系统中,由于电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)的存在,系统在不同的联络线长度下呈现出不同的高频振荡特征。为研究混合双馈入直流输电系统的高频振荡特征及机理,首先建立系统的状态空间模型,基于此研究系统的高频振荡特征,结果表明,由于LCC子系统的存在,在不同的联络线长度下混合双馈入直流输电系统呈现出不同的高频振荡特征。然后,建立混合双馈入直流系统的高频阻抗模型,研究LCC子系统、联络线长度、模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)控制链路延时、交流线路长度等对系统高频阻抗的影响。结果表明,对于无电气距离的混合双馈入系统,LCC滤波器的存在使其无高频振荡风险;对于有电气距离的混合双馈入系统,当LCC和MMC子系统之间的电气距离较近时,LCC交流滤波器对系统高频振荡的抑制效果随着联络线长度的增大而减弱。最后,提出混合双馈入系统无高频振荡风险的联络线临界长度确定方法,并通过理论分析和电磁暂态仿真进行有效性验证。

混合级联直流输电系统整流/逆变不同控制回路动态交互作用与稳定性研究

为了研究混合级联直流输电系统整流侧和逆变侧各换流器控制系统间的交互作用,文中首先建立混合级联直流输电系统的状态空间模型,并推导得到系统的多输入多输出传递函数模型。然后针对不同的研究目标,根据单通道分析设计理论建立等效单输入单输出反馈控制模型;在此基础上,分离出不同控制回路的耦合控制通道,定量评估系统强度、逆变侧交流联络线与控制参数等对控制回路间交互作用的影响。理论分析表明,当整流侧或逆变侧交流系统强度降低时,两侧控制回路间交互作用增强;当交流联络线长度缩短时,逆变侧电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和模块化多电平变换器(multilevel modular converter,MMC)控制回路间的动态交互增强,各控制环节参数之间存在相互制约关系。最后,在PSCAD/EMTDC上搭建混合级联直流输电系统的电磁暂态详细仿真模型,验证所建立单输入单输出反馈控制模型及上述理论分析结果的正确性。

抑制高压直流输电系统换相失败方法综述

电网换相换流器型高压直流输电(line-commutatedconverter based high voltage direct current,LCC-HVDC)系统存在换相失败风险,给电网的安全稳定运行带来威胁。首先分析了传统直流输电系统换相失败的机理;然后从控制保护、增加额外设备及换流器拓扑改造三个方面,综述了目前传统直流输电系统换相失败的抑制方法;最后,面对当今新能源电力系统中交直流混联错综复杂的特征,从换相失败的准确数学模型、复杂耦合机理、快速预测判断指标及新型抑制手段等方面,指出未来在换相失败抑制方面值得深入探索挖掘的研究方向。

弱交流电网下含STATCOM的LCC-HVDC系统的附加阻尼协调控制方法

通过在电网换相换流器高压直流输电（line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC）逆变侧交流母线装设静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）,来达到抑制换相失败的目的。然而研究发现,在弱交流系统工况下,STATCOM的控制系统（特别是交流电压控制外环）与LCC锁相环之间存在相互作用,会对后者的稳定可行域造成不利影响,进而可能引发整个混合系统的小干扰失稳现象。针对此现象,该文提出一种适用于弱交流系统下含STATCOM的LCC-HVDC系统的新型附加阻尼协调控制（supplementarydampingcoordination control,SDCC）,该方法基于LCC锁相环输出频率信息,引入阻尼系数以附加分量形式反馈到STATCOM定交流电压控制器外环输入中。基于Matlab的特征根理论分析及基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真结果表明,提出的SDCC控制可以有效抑制含STATCOM的LCC-HVDC系统中LCC锁相环增益过大引起的系统小干扰失稳现象,从而提高系统的稳定裕度。

一种适用于混合多馈入直流输电系统的附加虚拟电阻阻尼控制方法

针对混合双馈入直流输电系统由于交流系统强度下降而造成的系统小干扰失稳现象,提出一种附加虚拟电阻阻尼控制(supplementary virtual-resistor damping control,SVRDC)。该控制基于联络线上流过的电流和引入的虚拟电阻,将产生的附加分量反馈到电压源换流器子系统定交流母线电压外环控制器上,通过增加虚拟阻尼电阻和增强电气联系紧密度,来提高系统阻尼特性。采用特征根分析法研究交流系统强度对混合双馈入直流输电系统小干扰稳定性的影响;建立包含SVRDC控制的混合双馈入直流输电系统的小干扰动态模型,并通过与PSCAD详细电磁暂态模型仿真结果的对比,验证了小干扰动态模型的正确性。对比研究了有无SVRDC控制时对系统小干扰稳定性的影响。结果表明,SVRDC控制可以有效抑制由于交流系统强度下降而造成的系统小干扰失稳现象,在不增加系统实际损耗的前提下增强了系统的小干扰稳定运行能力。

弱交流系统下STATCOM对LCC-HVDC小干扰稳定裕度的影响研究

当电网换相换流器高压直流输电（linecommutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC）逆变侧交流母线处含有静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）时,LCC-HVDC与STATCOM均需要各自的锁相环（phase-locked-loop,PLL）为其控制系统提供基准。该文考虑LCC与STATCOM锁相环各自动态建立含STATCOM的LCC-HVDC系统的小干扰模型,采用经典特征根分析方法,通过对比LCC-HVDC系统与含STATCOM的LCC-HVDC系统二者之间的锁相环与控制系统参数可行域的差异,研究STATCOM对LCC-HVDC小干扰稳定裕度的影响。最后,通过理论计算,对比有无STATCOM投入时LCC-HVDC系统在不同SCR与不同PLL参数下的最大传输有功功率（maximum available power,MAP）及临界短路比（critical short circuit ratio,CSCR）的变化规律。研究结果表明,当LCC-HVDC连接较弱系统时,控制系统之间的耦合作用对LCC锁相环的稳定可行域产生负面影响,可能引发由于LCC锁相环增益过大而导致的整个混合系统的小干扰失稳现象。

静止同步补偿器对高压直流输电系统运行极限的影响

为了研究静止同步补偿器(STATCOM)对高压直流(HVDC)输电系统稳定性的改善作用,分析了不同容量的STATCOM对HVDC输电系统运行极限的影响。在PSCAD/EMTDC中搭建了含有STATCOM的HVDC输电模型,分别分析了在逆变侧交流母线发生故障和连接较弱受端系统情况下,STATCOM对单馈入HVDC输电系统的影响。此外,搭建了含有STATCOM的双馈入HVDC输电系统,研究了STATCOM对多馈入HVDC输电系统运行极限的影响,以及直流子系统之间的电气距离对STATCOM改善作用的影响。仿真结果表明:接入STATCOM可以使HVDC输电系统在较低的短路比情况下稳定运行;随着STATCOM容量的增大,系统临界短路比的降幅逐渐减小;在多馈入直流系统中,随着子系统之间电气距离的增大,STATCOM对远端子系统临界短路比的改善作用降低。

混合直流输电系统的参数优化方法

混合直流输电系统结合了传统电网换相换流器(LCC)和电压源换流器(VSC)的优点,具有广泛的应用前景。文中针对整流侧为LCC换流站、逆变侧为VSC换流站的混合直流输电系统,介绍了单极型、伪双极型、双极型3种不同混合直流结构的特点及应用场合。考虑到混合直流输电系统的主电路参数和控制系统参数对系统的运行特性都有直接的影响,提出了一种可以同步优化主电路和控制系统参数的方法。首先,重点阐述了系统参数中直流平波电抗器L和直流电容器C的参数设计原则,然后基于Simplex算法对LC参数以及两侧控制器比例-积分的参数进行了优化。在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC下搭建了混合直流输电系统的模型,仿真结果表明,使用Simplex算法对系统参数进行优化后,其运行特性将得到改善,从而验证了所提出的参数设计优化方法的有效性。

新型双馈入直流输电系统供电无源网络的运行特性研究

提出由传统高压直流输电系统(HVDC)和电压源换流器高压直流输电系统(VSC-HVDC)组成的新型双馈入直流输电系统(Double-Infeed HVDC)向无源网络输送电能。建立了利用VSC-HVDC启动HVDC的详细模型,并设计了Double-Infeed HVDC的控制系统。为了研究该双馈入直流输电系统的稳态和暂态性能,分别针对VSC-HVDC启动HVDC的特性和HVDC逆变侧发生三相短路故障时的特性进行了研究。PSCAD/EMTDC下的仿真结果表明,Double-Infeed HVDC系统可以为无源网络供电,同时具有良好的动态和故障恢复性能。

LCC-MMC型混合直流输电系统小干扰动态模型

该文建立了整流侧为电网换相换流器（line commutated converter,LCC）、逆变侧为模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的LCC-MMC型混合直流输电系统的小干扰动态模型,该模型包含LCC换流站、MMC换流站、交流系统、直流系统和详细控制系统等多个子系统,设计并开发了用于连接各子系统的接口模型;通过对比小干扰动态模型计算结果与PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真结果,验证了所建立模型的准确性。然后采用特征根分析法和参与因子法,研究了交流系统强度对混合直流输电系统小干扰稳定性的影响,所提出模型可以为LCC-MMC型混合直流输电的系统设计和参数选择提供有价值的理论指导。