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。

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。

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。

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。

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。

Theoretical analysis of the harmonic characteristics of modular multilevel converters

To understand the operation principle of the modular multilevel converter(MMC)deeply,it is necessary to study the harmonic characteristics of the MMC theoretically.Besides,the analytical harmonic formulas of the MMC are useful in designing the main circuit,reducing the losses and improving the waveform quality.Based on the average switching function and the Fourier series harmonic analysis,this paper deduces the analytical expressions for such electrical quantities as the arm voltage,the arm current,the capacitor voltage,the capacitor current and the circulating current of the MMC.Finally,a digital model of a 21-level MMC-HVDC system is realized in PSCAD/EMTDC.The results of the analytical expressions coincide with the simulation results,which verify the effectiveness and feasibility of the proposed analytical expressions.