HVDC用电容器组对地绝缘子50%闪络问题研究

交流滤波器作为换流站的重要设备之一,运行可靠性直接影响到直流系统的安全运行,为提高高压直流输电系统用电容器组的运行可靠性,需对电容器组的框架带对地绝缘子进行50%闪络试验。本文对绝缘子的50%闪络电压值和干弧距离的计算方法进行了探讨,提出绝缘子喷涂RTV、用复合支柱绝缘子、优化伞形结构等措施可提高湿闪络电压值,设计4个试品进行50%湿闪络试验,对试验数据进行分析,总结初步结论以指导工程实践。

HVDC工程交/直流滤波器高压电容器不平衡保护的判据研究

为检测电容器内部元件的损坏故障,高压直流输电(high voltage DC transmission,HVDC)工程中交直流滤波器的高压电容器通常采用H形接线或分支接线形式,进而配置电容器不平衡保护作为反映该类故障的主保护。然而一些HVDC工程中电容器不平衡保护仍存在隐患。为此分别针对上述2种接线形式的电容器,定量推导了单个支路电容器的故障发展过程中及2个支路电容器均有电容元件击穿时的不平衡电流及相应过电压倍数。分别对2种接线的电容器不平衡保护提出了实用的判据,并探讨了相应的整定计算原则及动作策略。

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。

VSC-HVDC系统启动控制

合适的启动方式对减缓VSC-HVDC系统启动及重新启动时对自身和电网的冲击非常重要。如何把直流电容器电压快速提升到设定值,是后续控制策略正确工作的基础。针对目前应用较广泛的两电平和二极管钳位型三电平换流器拓扑结构,提出了一种简单、适用于VSC-HVDC系统的两阶段自励启动方法。在启动第一阶段,串接限流电阻器对直流侧电路充电;若在设定的时间内电容器电压不能达到设定值,启动转入第二阶段,即换流站在直流电压控制器的作用下对电容器继续充电,直至达到预设值,从而为换流器从启动控制模式切换到正常运行模式做好准备。另外,针对电网黑启动和无源网络的启动,设计了变压器和长线路启动控制策略,可以降低变压器充电过程中的励磁涌流及长距离线路合闸时引起的过电压水平。仿真表明提出的启动控制方式具有良好的控制效果。

向无源网络供电的VSC-HVDC启动控制研究

合适的启动方式对减缓VSC-HVDC系统启动过程中对自身和交流电网的冲击非常重要。该文分析了VSC-HVDC的启动特性,提出基于拉普拉斯变换的启动电阻通用设计方法,设计了有助于无源侧交直流系统平滑启动的斜坡启动控制策略。仿真表明,所提启动控制策略具有良好的控制效果。

双馈风电场经LCC-HVDC送出的次同步振荡特性研究

双馈风电场经柔性直流输电并网或经串补线路送出时均发生过次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO),而双馈风电场经电网换相高压直流输电(line-commutatedconverter based high voltage direct current,LCC-HVDC)送出时是否会出现SSO尚不明确,亟需开展相关研究。该文采用模块化建模方法建立研究系统的小信号模型,并将其与PSCAD/EMTDC中的电磁暂态模型进行阶跃响应对比,验证小信号模型的正确性。然后,通过特征值分析及参与因子分析研究双馈风电场和LCC-HVDC间的相互作用,并分析系统参数改变对稳定性的影响。结果显示,不存在双馈风电场和LCC-HVDC的状态变量共同参与的振荡模式,表明双馈风电场和LCC-HVDC间的相互作用不明显,不会由此导致SSO;当并网风电机组台数或输电线路长度增加时,发电机模式阻尼增强,锁相环-直流电压外环模式阻尼减弱。

MMC-HVDC的二阶线性自抗扰控制策略

基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)技术已得到广泛运用,但传统基于dq同步旋转坐标系的双闭环PI控制中电流内环需要依赖系统数学模型进行前馈解耦补偿,并且一阶非线性自抗扰控制器设计参数过多、整定困难。针对上述问题,提出了MMC-HVDC的二阶线性自抗扰控制策略。设计了MMCHVDC的双闭环二阶线性自抗扰控制器,实现了有功和无功功率的完全解耦控制,所设计控制器还具有响应速度快、抗扰能力强以及不依赖被控对象数学模型等优点;为了降低桥臂子模块的开关次数,改进了子模块电容电压平衡控制算法;在PSCAD/EMTDC中搭建了21电平MMC-HVDC的电磁暂态仿真模型,通过仿真验证了所设计控制器具有良好的控制性能和电容电压平衡控制算法的有效性。

HVDC地中直流对交流系统影响的防范措施

针对直流输电系统处于单极大地回路运行方式时对交流电网运行带来的噪声、谐波、振动等不利影响,比较全面地对各种抑制地中直流影响的措施进行了对比分析。基于地中电流的成因与流散规律分析,提出了采用直流接地极与交流变电站选址优化、无接地极运行或多极共址运行方式、合理结构型式变压器的选择等主动防范措施减小地中直流的影响。结合作者的研究成果,就国内外目前抑制变压器中性点直流采取的注入反向电流、中性点串入电容、中性点串入电阻等措施进行了对比分析。通过分析串电阻措施的关键问题,认为该方案结构简洁,长期运行可靠性高,不会产生谐振,成本低廉,建议在现场使用。该研究成果为解决交直流电网并列运行安全稳定运行提供了有益的建议。

基于准PR控制器的MMC-HVDC新型环流抑制策略研究

MMC-HVDC相间环流使得桥臂电流发生畸变,增大了桥臂电流峰值,增加了功率损耗,并严重威胁子模块电容电压平衡和电容的寿命。为此,本文首先分析MMC-HVDC的工作原理和数学模型,进一步分析了MMC相间环流产生机理,分析表明环流中只存在偶数次谐波,不存在奇数次谐波,其中,2、4、6次环流谐波含量所占比重最大。基于此提出了一种基于准PR控制器的新型环流抑制策略。该控制策略不仅克服了传统PR控制器抗电网频率偏移能力差、带宽窄的缺点,而且大大减少了准PR控制的使用数量,减小了系统设计的复杂度。仿真和实验结果验证了所提出控制策略的正确性和优越性。

基于SSPFM电容均压的MMC-HVDC系统模型预测控制策略

针对模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)系统采用双闭环PI控制参数存在整定难和动态响应慢的问题,提出了一种应用于MMC-HVDC的模型预测控制方法。但模块电容均压排序在具有大规模桥臂模块数的模型预测控制(MPC)策略中存在局限性,提出了希尔排序优化质因子算法(SSPFM)电容均压分组排序方法,通过SSPFM-MPC控制策略,使MMC-HVDC系统具有良好的动态功率响应性能,实现了子模块电容电压均衡与环流抑制之间的良好协调。在PSCAD/EMTDC中搭建了两端401电平MMC-HVDC仿真模型,通过SSPFM-MPC将电压排序的MPC模型的401种组合状态减少到了36种,且系统动态响应良好,验证了所提方法的正确性。

CCC的补偿度对HVDC系统的影响分析

利用MATLAB中的SIMULINK仿真工具对逆变器为电容换相换流器(CCC)的高压直流(HVDC)输电系统的稳态特性和暂态特性进行了仿真计算,并对仿真结果进行了详细的分析。研究了整流侧定电流、逆变侧定电压控制方式下,CCC中串联电容器补偿度对稳态运行中的HVDC输电系统的熄弧角、换流器与系统间交换的有功功率、无功功率、换流母线电压以及换流器的基波功率因数等的影响。对整流站换流母线处分别发生单相接地和相间短路两种故障形式进行了仿真计算,并研究了换流母线电压的恢复过程及电压暂降与临界补偿度的关系。研究表明考虑到稳态和暂态特性,在整流侧定电流、逆变侧定电压这种控制方式下,CCC的串连电容器补偿度的选择要兼顾防止换相失败和防止引起交流系统不稳定来考虑,并非越大越好。

HVDC技术的发展应用情况综述

HVDC(高压直流输电)技术在我国具有广阔的应用前景。本文对HVDC的特点及其发展应用情况,我国HVDC工程建设的国产化情况,HVDC在我国的应用前景,以及多端HVDC、轻型HVDC和电容换相换流器(CCC)等新型HVDC技术的发展应用情况进行综述。

基于特征谐波阻抗比值的HVDC直流滤波器高压电容器接地故障保护方案

为提高高压直流输电系统中直流滤波器高压电容器接地故障保护的灵敏度和可靠性,提出一种基于特征谐波阻抗识比值的高压电容器接地故障保护方案。高压电容器发生接地故障后,直流滤波器结构变化,调谐点和谐振点发生偏移,以此为基础,对高压电容器不同位置发生接地故障的滤波器电路拓扑进行等效,分析最小调谐角频率和并联谐振角频率对应的特征谐波阻抗比值特征发现,故障前后滤波器特征谐波阻抗比值差异巨大,以此构成高压电容器接地故障识别判据。利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建仿真模型,对所提保护方案的可靠性进行验证,仿真结果表明该保护方案可准确识别高压电容器的接地故障,且具有一定的耐过渡电阻的能力,抗噪能力强,有一定的工程应用前景。

MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制

介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电容电压平衡的原理以及子模块(sub-module,SM)电容的充放电过程。指出传统的电容电压平衡控制下,子模块投切较频繁,器件开关频率较高,会造成较大的开关损耗。针对传统方法的问题,提出一种适合MMC型直流输电系统的电容电压优化平衡控制策略,将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上。对电容电压未越限的子模块,优化策略通过引入保持因子使具有一定的保持原来投切状态的能力,以降低开关器件的开关频率。使用PSCAD/EMTDC对优化控制策略进行仿真,结果表明优化平衡控制策略与传统方法相比,可以在基本不增加电容电压波动的前提下,显著降低器件的开关频率。

适用于大型海上风电的谐振型飞跨电容式模块化升压变换器

随着海上风电发电容量的增大与离岸距离的增加,全直流型海上风电系统的优势越发明显。高压DC-DC变换器是该系统的核心部件,承担直流升压与输电的关键功能。对此,该文提出一种适用于大型海上风电的谐振型飞跨电容式模块化升压变换器,不受大功率中频高压变压器制造工艺的限制,无变压器结构使其能工作在更高频率,减少内部无源器件,实现轻量化。在高升压比应用场景中,变换器内部大部分功率器件为二极管,可节省控制单元,并降低成本。与电流连续模式相比,当内部二极管半桥工作在电流断续模式时,该变换器能在仅增加少量通态损耗的前提下实现内部功率器件的软开关。此外,该变换器采用准方波调制时,电流断续模式能避免内部串联二极管承受高dv/dt。最后,通过样机实验验证了该变换器拓扑的可行性与参数设计方法的正确性。

基于直流电容充放电双阈值判据的VSC-HVDC区域电网频率控制方法

柔性直流输电(VSC-HVDC)切断了两侧电网的频率联系,区域电网故障时参与调频的机组减少,导致频率调节能力下降,频率波动增大。当区域电网发生频率偏移时,根据变流器容量设置直流电压变化速率的允许范围,提出直流电容充放电的双阈值判据,从而维持区域电网频率稳定,避免频率振荡。针对长时间有功不平衡导致的直流电容调节能力有限的问题,提出利用直流电压升降判断区域电网频率偏移的判据,通过改变VSC-HVDC线路输送的有功,参与区域电网频率调节。仿真结果表明,直流电容的有功调节能力能够减小频率波动,主网的有功支援有效弥补了直流电容容量有限的缺陷。

基于CPS-SPWM调制方法的MMC-HVDC输电系统冗余保护策略研究

子模块故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统最常见故障之一。为保证子模块故障后MMC-HVDC系统能够稳定工作,本文首先对子模块故障后桥臂电流、桥臂间环流及直流侧电流的影响进行数学分析,确定了MMC子模块容错方案;然后将子模块冗余控制与带有电容均压控制和环流抑制控制的载波相移脉宽调制(CPS-SPWM)方法相结合,设计了基于电容电压平衡控制CPS-SPWM的冗余保护策略;最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端10电平的MMCHVDC输电系统模型。通过对模型进行稳态仿真以及子模块故障时的暂态对比仿真,验证了本文所提出的冗余保护策略的正确性和有效性。

含控制器在内电力系统元件的完整结构化模型及其简化(Ⅱ):SVC、TCSC与HVDC建模应用

现代电力系统中的各元件,如发电机与高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)、柔性交流输电等电力电子装置,均安装有控制器,当进行区域控制(或进行区域级仿真或分析)时,迫切需要含各元件控制器的完整区域模型。该文系统给出规范化建立静止无功补偿器(static var compensator,SVC)、可控串联电容补偿器(thyristor controlled series capacitor,TCSC)与HVDC元件本身模型、含元件控制器在内的元件完整模型的方法,并给出在保证微分–代数性质、保留隐动态的前提下,降低微分方程阶数与复杂性的元件简化模型,从而得到相对比较简洁的包含SVC、TCSC与HVDC等电力电子装置本身及其控制器在内的区域模型。为实时控制提供合适的区域级模型,采用的控制器(原理上)能基本覆盖当前所应用的传统的线性控制器、复杂的(可解析表达的)非线性控制器,以及神经网络逆控制那样的非解析控制器。最后还对建立的简化模型与完整模型进行仿真试验对比,验证了简化方法的有效性。

柔性直流输电用干式直流电容器工况验证试验回路研制

干式直流电容器作为柔性直流输电换流阀的核心组件,尚未开展阀组级工况试验验证。通过对目前实验室条件下换流阀组件运行情况的调研,确定采用被试阀段与陪试阀段对拖运行的拓扑,以满足验证试验回路构建的要求。通过仿真分析和系统试验,证明在满足经济性和实用性要求下,正常工作时回路各阀段至少需要5个子模块串联。考虑到该试验回路需要针对不同型号规格的电容器开展运行试验,叠层母排采用了特殊的设计,方便参数测量和电容器更换。

基于MMC-HVDC风电场联网的稳态特性的研究

基于MMC-HVDC输电方式较比传统交流和VSC-HVDC等输电方式具有输送电压等级高、输送容量大和谐波特性好等优点,提出了采用MMC-HVDC对变速恒频双馈感应风机(DFIG)与电网相连,系统设计了相应的控制策略,最后在PSCAD/EMTDC仿真环境下,对系统进行仿真分析。仿真结果表明风电场之间能够独立运行且能实现有功功率和无功功率的解耦控制;MMC-HVDC系统两端也能够独立控制且具有良好的谐波特性,因此验证了该并网方式和控制策略的正确性和有效性。