基于CEEMDAN-GSA-LSTM和SVR的光伏功率短期区间预测

针对光伏输出功率存在间歇性和波动性的问题,提出一种光伏功率短期区间预测模型.首先,该模型采用自适应噪声完备集合经验模态分解将历史光伏出力数据分解为不同的分量并按照其与赤纬角、时角等时序特征量的相关性定义为时序分量和随机分量.其次,分别使用经过引力搜索算法优化的长短期记忆神经网络和支持向量回归模型对时序分量和随机分量进行预测.再次,叠加时序分量和随机分量的预测结果得到点预测结果.然后,对误差进行Johnson变换及正态分布建模后得到光伏功率区间预测结果.最后,利用算例验证该模型的有效性.结果表明:在不同天气情况下,上述模型比现有预测模型精度更高,具有较好的鲁棒性,能够基于预测值提供较为精准的置信区间.

张北柔性直流电网故障电流特性及抑制方法研究

张北柔性直流电网示范工程为确保换流阀在直流故障情况下可靠穿越,在直流线路配置150m H电抗器、中性线配置300m H电抗器,电抗器限制故障电流发展速度的同时也降低了故障电流衰减速度,导致极端故障情况下换流阀保护晶闸管的结温超出设备耐受水平。该文研究张北工程故障电流衰减机理,针对设备耐受能力和故障耐受要求不匹配问题,提出3种解决方案,并通过PSCAD/EMTDC仿真对3种方案的技术性能进行分析验证,通过ANYSYS仿真软件对不同技术方案换流阀晶闸管结温进行校核,验证技术方案的可行性。最后综合对比不同技术方案的优缺点,为张北工程建设提供技术支撑。

柔性直流换流站直流接地点选择探讨

为了保障人的安全和设备绝缘免于被破坏,文中通过对一种真双极柔性直流输电工程主接线存在的可能运行方式进行分析,提出了系统安全运行的接地方式,并比较了在单端接地运行方式下,设立独立的直流工作接地极和与换流站共用接地极的优缺点。最后通过计算分析得出采用共用接地极,在发生单相接地故障时,地网电位的升高对设备和人身安全的影响,提出了可靠的运行方式和接地方案。

应用于HVDC系统的高频模块化直流变压器匹配移相控制策略

高频模块化直流变压器(HMDCT)是构建直流电网的核心设备。HMDCT在传统移相(TPS)控制下的高频交流不匹配工作状态会带来较大的高频电流应力与回流功率,降低了HMDCT的传输效率,因此解决该技术瓶颈成为进一步促进HMDCT在直流电网中应用的关键。鉴于此,提出了一种基于桥臂子模块动态投切技术的HMDCT交流链匹配移相(MPS)控制策略。由分析及实验结果可知,当采用交流链MPS控制策略时,不论HMDCT两端的直流电压变比如何,HMDCT的交流链电压均能够保持在匹配工作状态;且在传输功率相同时,相比于TPS控制,交流链MPS控制具有更小的回流功率及更高的效率。通过样机实验对理论分析的正确性与有效性进行了验证。

张北柔直电网的构建与特性分析

柔性直流输电技术是继交流输电、常规直流输电之后的新一代输电技术,基于柔性直流输电技术的直流电网是未来电网的重要组成部分。研究了直流电网的定义,基于张北柔性直流电网示范工程,分析了网络拓扑结构、主接线方式和设备配置方案,研究了直流电网低惯性弱阻尼特性,多电力电子设备协调配合难题和器件支撑能力不足的问题,提出了解决方案,为我国直流电网的研究、张北工程建设提供技术支撑。

用于HVDC系统互联的高频模块化直流变压器优化控制策略

针对应用于高压直流输电(HVDC)系统互联的高频模块化直流变压器(HFMDCT),以直流电流纹波及高频环节电流应力大小为优化目标,提出了HFMDCT的直流链匹配多电平控制策略。对HFMDCT在多电平控制方法下的直流电流纹波机理进行了分析;通过采用拉格朗日因子法得到优化高频环节电流应力的直流链占空比条件,并以此为依据提出了高频变压器变比的设计原则;同时,为了在直流电压变化时仍可以保证HFMDCT的运行效率,进一步提出了基于直流链匹配多电平控制策略的直流电流纹波优化控制方法。

±500kV张北柔性直流电网工程系统设计

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。与前期工程相比,张北工程系统设计的主要难点在于:工程故障穿越要求高、故障发展速度快而核心设备的暂态应力水平受限;新能源孤岛接入双极直流电网存在双极协调控制困难、宽频振荡风险高以及暂时性盈余功率问题严重等问题。针对张北工程系统设计的主要难点,提出新型三次谐波注入策略、直流电网电抗器最优化配置方法、基于接地电阻的续流快速衰减方法、子模块动态平均工作电压策略、新型阀控不平衡快速保护策略、阀本体过压保护的动态定值策略等一系列方案,有效提高了核心设备的电流和电压应力水平对直流电网的适应性;提出了双极V/f下垂控制、大规模新能源场站宽频阻抗特性获取方法、基于交流耗能装置的盈余功率解决方案等,解决了大规模新能源孤岛接入直流电网的双极协调控制问题、宽频振荡问题和暂时性盈余功率问题。通过张北柔性直流电网工程实践,验证了上述策略的正确性和有效性。

±320kV厦门双极柔性直流输电工程系统设计

为了避免采用对称单极接线柔性直流工程在可靠性、绝缘水平以及大容量换流变压器运输制造上的缺点,±320kV/1 000 MW厦门柔性直流输电工程是世界范围内第一个采用双极接线的柔性直流工程。文中以厦门工程为背景对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究。首先,通过主接线优化设计使得采用双极接线的柔性直流工程具备3种运行方式,提高了系统的可靠性。其次,高压大容量柔性直流工程中设备裕度通常较小,通过对主回路参数开展精确计算从而实现小容量可关断器件支撑工程大功率传输。最后,对比了采用对称单极接线和双极接线柔性直流工程的暂态特性,即采用双极接线的工程暂态过电压较低但暂态电流恶化。提出通过暂态电流精确解析计算方法以及优化布置等方法,确保工程可关断器件的安全性。实践表明所提设计方法是可行和有效的。

基于MMC的柔性直流系统接地方式研究

基于模块化多电平换流器的柔性直流系统当采用对称单极接线时,由于没有明显的直流中性母线提供直流侧零电位参考点从而需要附加接地方式。为了给柔性直流系统的接地方式选择提供依据,着重分析了各种接地方式的特点及适用范围,及其在多端柔性直流系统中的应用。然后,分析了不同接地方式下网侧零序电气量（例如电压和电流）向阀侧传播的机理;以及不同接地方式下阀侧零序电气量向变压器侧及直流侧传播的机理。以变压器采用Y0/Yn/Δ接线的实际柔性直流工程为例,对零序电气量传播机理进行了验证。结果表明,当交流系统发生不对称接地故障后变压器第3绕组可有效地屏蔽流入桥臂的零序电流;当桥臂上引入零序电压时变压器第3绕组对网侧绕组零序电流的屏蔽效果取决于变压器网侧通路零序阻抗和变压器第3绕组零序阻抗的比例。

三次谐波注入对MMC运行特性的影响

目前,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的传输容量主要受功率半导体器件通流容量的限制。一种可行的办法是通过三次谐波注入提高MMC的传输容量。为此,首先研究了三次谐波注入对系统稳态特性的影响,包括三次谐波注入后二倍频环流抑制控制对调制波电压以及基频电压幅值的影响,以及三次谐波注入对子模块电容电压谐波特性的影响。然后,以换流器直流侧故障为例,研究了三次谐波注入对系统暂态特性的影响。最后,在PSCAD中搭建了张北四端MMC直流电网模型,在稳态和暂态运行工况下对三次谐波注入调制策略的影响进行了仿真验证,结果表明三次谐波注入在抑制暂态故障电流以及提升传输容量方面有积极的效果,但二倍频环流抑制的投入会在一定程度上限制三次谐波注入对传输容量的提升作用。

接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制策略

当新能源电场孤岛接入柔性直流换流站时,需要柔性直流换流站为其提供交流电压。若双极柔性直流换流站的正、负极换流单元均采用定交流电压幅值、定频率控制（简称定U/f控制）,会由于其接入同一交流母线且控制目标相同而导致系统不稳定。因此,针对大容量新能源孤岛接入的柔性直流换流站,提出双极换流单元的交流电压、频率下垂协调控制（简称双U/f下垂控制）,并与一极采用U/f控制,另外一极采用定有功功率、定无功功率控制（简称定P/Q控制）进行了对比分析。在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立了4端柔性直流电网模型,以新能源电场出力波动、单极闭锁及受端交流系统短路故障为例对2种控制策略进行了仿真测试,验证了文中所提出控制策略的有效性。

张北柔性直流电网盈余功率问题的机理分析及控制方法

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。新能源电场孤岛方式接入柔性直流电网时,由于直流电网故障后电压、电流发展速度和通过交流安控装置切除新能源机组时间匹配困难,特别是在新能源孤岛满功率接入条件下,任何扰动都可能引起柔性直流电网的盈余功率,进而引发柔性直流电网的大面积瘫痪。首先分析了新能源电场孤岛接入的柔性直流电网的2类盈余功率问题的机理,进一步研究了通过控制方法解决盈余功率的方案,包括:通过附加换流站的控制策略限制流入直流电网的盈余功率、通过换流站和新能源机组协调配合速降新能源机组出力、通过交流母线分列运行防止故障极影响健全极、控制直流电网正常方式传输功率、切除可能导致系统失稳的换流器以及换流站与交流系统联网运行。通过张北柔性直流电网工程的电磁暂态仿真,对解决方案的理论分析进行测试,验证了理论分析的正确性。

±420 kV中国渝鄂直流背靠背联网工程系统设计

与前期工程相比,±420 kV中国渝鄂背靠背联网工程系统设计的主要难点在于工程直流电压较高、容量较大,且故障穿越、交直流保护等要求提升,但全控电力电子器件的暂态应力配置水平有限且交流电网极端运行方式恶化。针对器件暂态应力配置水平受限,文中提出了精确的换流器桥臂故障电流上升率计算方法、阀控过流保护的分桥臂闭锁策略、阀本体过压保护的动态过压定值策略,解决了弱器件能力下无法兼顾设备安全性和故障穿越能力的问题。针对极端运行方式下交流电网和柔性直流系统高频失稳和弱系统失稳问题,分别提出了失稳机理及解决失稳的工程实用方法。针对接入500 kV交流电网带来交流断路器失灵保护和直流差动保护的特殊要求,提出了相应的解决对策和建议。

对称单极接线柔直系统联结变阀侧单相接地故障分析及保护

近年来柔性直流工程正朝着高压大容量方向发展,而相关主设备的耐压、耐流水平却难以线性提升,亟须开展故障机理的解析分析并通过故障和保护的精准配合降低主设备的暂态应力要求。以联结变压器(联结变)阀侧单相接地故障为例,给出了故障发生后对称单极接线柔性直流系统典型测点位置电压、电流序分量以及电压、电流实测值的解析表达式,并给出了故障机理分析。在此基础上,指出了差动保护用于判别对称单极接线柔性直流系统联结变阀侧单相接地故障存在的问题,提出根据联结变接线形式采用联结变阀侧零序过压保护或联结变阀侧中性点过流保护作为联结变阀侧单相接地故障对应主保护的建议。通过实际柔性直流工程的电磁暂态仿真,验证了故障机理解析分析的正确性及建议保护的适应性。

张北柔性直流电网盈余功率问题的耗能方法

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。新能源电场孤岛方式接入直流电网时,由于直流电网故障后电压、电流发展速度和通过交流安控装置切除新能源机组时间匹配困难,特别是在新能源孤岛满功率接入条件下,任何扰动都可能引起直流电网的盈余功率,进而引发直流电网的大面积瘫痪。针对新能源电场孤岛方式接入直流电网的2类盈余功率问题,归纳了6种备选耗能方法。以直流可控耗能电阻、交流耗能避雷器、交流可控耗能电阻为例,对耗能方法展开理论分析,通过张北柔性直流电网工程的电磁暂态仿真验证了理论分析的正确性。结果表明,交流可控耗能电阻方法可较好地解决第1类和第2类盈余功率问题,是张北柔性直流电网工程盈余功率问题较优的解决方案。

考虑内部谐波耦合特性的MMC小信号建模及稳定性分析

提出了一种基于谐波状态空间(harmonic state-space,HSS)方程的模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)小信号建模方法。这种建模方法考虑了MMC内部谐波(子模块电容电压波动和桥臂环流)的动态特性和相互耦合作用,具有较高的建模精度。并在此模型基础上,利用特征值分析方法对MMC系统的稳定性进行评估。最后,通过与Simulink/MATLAB仿真结果的对比,验证了小信号模型的准确性。同时分析了控制器参数对MMC系统稳定性的影响,可以提高控制系统的设计效率。

采用三次谐波注入策略的模块化多电平换流器动态相量模型

采用三次谐波注入策略可有效提高模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流电压利用率,从而减小换流器的稳态和暂态电流应力,降低换流器的损耗,提高换流器的安全裕度和故障穿越能力。针对采用三次谐波注入策略的MMC,分析了子模块电容电压、桥臂电流、桥臂电压的主要谐波分量;通过将各次主要谐波分量表示为相量,最终建立了16阶MMC动态相量模型,然后将其线性化建立了小信号分析模型。所建模型可方便地与直流侧、交流侧以及控制系统进行接口,适用于采用三次谐波注入策略的MMC稳态解析分析和小信号稳定性分析。通过在PSCAD下建立电磁暂态仿真模型并对比仿真结果和解析计算结果,验证了所建立模型的精确性。

模块化多电平换流器子模块关键组部件稳态电流应力全解析化计算

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是当前柔性直流工程的主流拓扑。高压大容量柔性直流输电工程中,MMC子模块中的半导体器件,特别是绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的通流能力较弱,电流安全裕度较小,对各半导体器件的稳态电流应力进行精确解析计算对换流器器件选型、换流器损耗计算、阀冷系统设计、换流阀运行状态评估等具有决定性的作用。同时,支撑电容器也是模块的关键组部件,电流是其研发的关键指标。该文基于MMC子模块各组部件的通流条件和平均开关函数模型,推导了各组部件的电流平均值和电流有效值等关键参数的精确解析表达式,并进一步分析了MMC处于整流状态和逆变状态时各器件稳态电流应力的大小关系及特征。通过将稳态电流应力的解析计算结果与电磁暂态仿真结果进行对比,验证了该文提出的解析计算方法的精确性。最后,基于解析计算和仿真分析,揭示了各组部件电流应力分布的特征规律。

利用直流断路器实现柔直换流器直流侧在线并网

高压大容量柔性直流电网中换流器的快速可靠在线并网是目前工程中亟须解决的问题之一。由于孤岛换流站不具备交流侧启动能力,需要通过直流侧启动实现换流器并网。为了限制直流侧充电电流,可利用直流断路器对换流器进行预充电。研究通过直流断路器分级合闸实现孤岛换流站在线并网的可行性,提出分级合闸过程中直流断路器电流应力以及避雷器能量的计算方法,并通过该计算方法对张北工程直流断路器的电气应力进行计算。在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立了张北柔性直流电网模型并进行了仿真测试,验证了其在直流电网中的适用性,通过仿真结果证明了计算方法的准确性。

新能源采用柔直电网送出功率盈余问题解决方案

张北柔性直流电网工程采用真双极接线,在单极故障后,非故障极转带故障极部分或全部损失的功率时,可能造成功率盈余问题。经比较后,推荐在送端换流站装设交流耗能装置,通过投入交流耗能装置消耗盈余功率,使非故障极正常工作,再有序切除风机,确保孤岛方式下的交流侧电网平衡,保障柔直电网的安全稳定运行。