HVDC送端系统故障引发受端换相失败分析

高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)系统送受端存在电气耦合及控制配合关系,送端故障可通过系统控制逻辑、参数传递等影响受端系统运行,进而引发受端换相失败,但该过程送受端交互影响情况、作用机理尚不明晰。因此,该文首先从送端交流系统出发,探讨受端对送端交流故障响应的全过程,发现在故障恢复期间,受端换流器无功消耗过多导致其换流母线电压跌落是造成换相失败的主要原因。其次,在送端交流系统无功不平衡状态下,详细剖析了送端交流系统故障对换相失败风险大小的影响,分析指出,送端交流系统无功补偿不足会减小换相失败几率,而无功补偿过剩将增加换相失败几率。最后,基于CIGRE直流输电标准测试系统验证了文中结论在不同故障工况下的正确性。

弱送端HVDC系统中无功补偿装置的性能分析

针对弱送端的大容量、远距离的高压直流输电系统在发生故障时出现的无功不足和电压下降现象,需要在变电站加装适当的无功补偿装置以提高系统运行的稳定性。为此,应用PSCAD/EMTDC暂态仿真工具,搭建弱送端HVDC系统仿真电路,对送端换流站分别加装同步调相机、静止无功补偿器和静止同步补偿器无功补偿装置的HVDC系统进行大量的仿真计算。对比运行结果表明安装同步调相机可以提高送端弱交流系统的强度,提升系统故障恢复的能力,具有较好的动态性能。

送端交流不对称故障下LCC-MMC-HVDC穿越控制策略研究

混合直流输电系统将LCC-HVDC和VSC-HVDC进行优势互补,其发展面临的一个问题是:当送端交流系统发生不对称故障时,LCC-MMC混合直流输电系统将面临输送功率跌落甚至中断和直流侧二倍频波动的问题。首先阐述了LCC-MMC-HVDC的拓扑结构、数学模型和基本控制策略,在分析系统在送端交流不对称故障情况下暂态特性的基础上,提出集功率续传和二倍频波动抑制为一体的穿越控制策略:基于主动降压控制的功率续传策略通过改变逆变侧MMC运行点减小输送功率跌落幅度;三次谐波注入法增大了逆变侧直流电压的可调节范围;直流电压波动抑制策略中,逆变侧直流电压作为唯一控制变量,有效降低送端交流系统负序分量对系统逆变器及受端系统造成的影响。最后,在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型,算例仿真结果验证了所提出穿越控制策略的有效性。

LCC-HVDC送端电网等值方案研究

大规模新能源经电网换相高压直流输电(LCC-HVDC)送出时,极易引发送端电网暂态过电压。通过建立LCC-HVDC及送端等值电网电磁暂态仿真模型,可以详细分析其暂态过电压特性,进而优化其控制策略。目前,针对LCC-HVDC送端电网等值的相关研究较少。结合工程需求,给出一种适用于LCC-HVDC送端电网的等值方案。首先,根据主干网各梯级断面点节点残压大小与LCC-HVDC电气耦合强弱的关系,提出一种基于节点残压的内部系统主干网确定方法。该方法在快速确定内部系统范围的同时,可有效避免等值过程中可能因人为因素而引起的等值误差;然后,以梯级断面点为依据划分拓扑区域,以等值前后各拓扑区域电气特性一致为原则,提出内部系统中包括新能源电源在内的等值电源、负荷及变压器等元件的详细参数确定方法;最后,给出LCC-HVDC送端电网多端口戴维南等值方法,简化了外部系统。基于国内某LCC-HVDC送端电网等值方案实际算例,验证了所提等值方案的有效性。

风电接入弱送端柔直系统次同步振荡主导模式及参与因子分析

风电接入弱送端柔直系统的场景下,电力电子设备间的相互作用有可能造成次同步振荡。文中围绕风电接入弱送端柔性直流输电系统的小信号建模和稳定性分析,开展以下工作:建立了双馈风机接入弱送端柔直系统的直流电压时间尺度模型,充分体现次同步频段内设备之间的耦合作用;研究不同物理场景下该系统次同步振荡主导模式以及各控制环路的参与因子,分析各控制环路在主导模式中的影响权重,揭示控制环路带宽对系统次同步振荡的影响规律;在MATLAB中建立时域仿真模型,对以上稳定性分析结果进行验证。研究结果表明,系统次同步振荡的主导模式与送端电网强度、运行点、控制环路带宽密切相关。

应对多直流同时换相失败的直流功率能量补偿调制方法

多条直流同时发生换相失败,短时大额功率冲击将造成送端交流系统区域断面出现大幅功率振荡,甚至解列运行。分析了多直流同时换相失败对送端交流系统稳定性的影响;以功率冲击能量作为衡量换相失败严重程度的依据,基于联络线稳定性指标对多直流同时换相失败引起的送端系统稳定性问题进行了量化分析;研究了直流送端区域差异造成送端系统稳定程度不同的原因;基于换相失败功率冲击能量提出了应对多直流换相失败的直流功率补偿调制方法,＂三华＂电网算例仿真结果验证了所提方法的有效性。该方法能够增强系统应对换相失败功率冲击的能力,减少直流送端切机容量,有助于提高交直流混联电网的运行稳定性和经济性。

区域互联多回直流换相失败对送端系统的影响

为增强直流互联大系统运行特性认识水平,针对区域电网间多回互联直流同时换相失败展开研究。分析其成因;摸索其发生后送端系统频率、电压的变化特性;剖析其对送端系统的影响范围和程度。研究结论是:虽然区域互联多回直流换相失败往往不可避免,但是直流功率由于换相失败和控制系统的作用突变时,送端近区机组出力在各种因素的作用下紧跟着变化,送端近区显现出功率相对平衡的暂态特性。多回直流同时换相失败对送端系统的影响仅局限在近区较小范围内,不会影响大系统稳定运行。

多送端直流紧急功率相互支援的评估指标

在多送端直流系统的某直流线路发生闭锁故障后,为提高安稳控制的效率,需优先选取支援效果好的直流参与紧急功率支援。为定量评估各非故障直流对故障直流紧急功率支援的效果,将距离故障直流整流站电气距离最近的机组和距离故障直流逆变站电气距离最近的机组定义为关键机组对并给出了关键机组对的辨识方法,由该特定机组间的相对运动表征故障直流两端交流系统的暂态稳定性。再根据故障初期"关键机组对"的相对加速能量评估直流功率支援的效果,建立了多条直流相互间紧急功率支援的归一化评估指标。指标计算表明,直流功率支援的效果与送端电气距离的远近没有直接联系,而是送端电气距离、受端电气距离以及直流本身的可用支援容量3方面综合影响的结果。实际电网仿真表明,实际支援效果的排序与指标评估结果相一致,验证了所提指标的有效性。

送端孤岛直流系统与火电机组配合起动方法

火电机组响应特性较慢而直流系统响应较快,因此大型火电能源基地采用孤岛方式经直流送出时,会遇到直流系统与火电机组配合起动的问题。分析和提出了超/特高压直流工程最小直流起动功率,采用实时数模混合仿真工具研究了直流系统与火电机组特性的起动配合方案和过程。对采用不同类型调速器的机组特性和直流起动的配合及参数优化取值进行了详细仿真。论证了机组起动能力与直流起动过程中的频率控制的可行性。研究结果可为大型电源基地输电工程规划、工程建设和运行等工作提供技术参考。

提高送端多直流落点系统暂态稳定性的非线性控制策略

为改善送端多直流落点系统暂态稳定性,提出了一种高压直流输电(HVDC)与发电机励磁协调的非线性控制策略。通过建立送端多直流落点系统非线性微分代数方程模型,将结构保持模型下的能量函数与广义拟Hamilton理论结合,同时兼顾发电机励磁与HVDC控制的协同作用,设计出一种HVDC与发电机励磁的综合控制规律。该方法从能量的角度出发,充分考虑电力系统的强非线性特性,而且得到的控制器结构简单,易于工程实现。仿真结果表明,该控制规律能够有效提高系统阻尼,起到功率支援的作用,改善系统的暂态稳定性。

提高送端多直流落点系统暂态稳定性的L_2增益控制

提出了一种改善送端多直流落点系统暂态稳定性的L2增益控制。首先将送端直流线路传送的有功功率简化为送端系统的正的有功负荷,构造送端多直流落点系统非线性微分代数方程模型;然后采用预置反馈的方法,得到包含多条直流线路的结构保持模型的拟哈密尔顿实现;最后基于拟哈密尔顿实现,针对系统外界干扰,通过非线性干扰抑制方法,得到高压直流与发电机励磁的控制规律,使得系统的干扰量到输出量的L2增益低于给定的水平。仿真结果表明,与传统控制器比较,所设计的控制器能够保证系统的渐进稳定性,有效抑制干扰,具有较强的鲁棒性。

大直流弱送端系统安全稳定控制策略

呼辽直流作为呼盟火电基地直流外送通道,与呼盟交流外送通道并列运行,送端交流系统相对薄弱,属于典型的大直流弱送端系统,并且在特定条件下可能转入直流孤岛运行模式。根据呼辽直流的运行特点,针对呼辽直流在交直流并联运行、联网转孤岛、孤岛运行模式3种情况下分别存在的问题及其要的控制措施展研究,分析并提出了各种运行模式下发生故障后要采取的安全稳定控制策略。

计及储能SOC恢复的孤岛直流外送AGC模型预测控制

在交直流并联运行电网中,送端孤岛直流外送系统可避免直流闭锁故障所导致的直流潮流向交流通道大范围转移的问题,但孤岛系统缺乏大电网支撑,系统惯量小,调频能力有限,大规模新能源的随机性出力会给其频率稳定带来严重的影响。针对直流送端孤岛运行状态易于建模预测的特点,提出了计及储能荷电状态(SOC)恢复的孤岛直流外送自动发电控制模型预测控制方法。依据电网等效思路将孤岛电网等效为单一机网模型用于预测电网的未来行为动态;根据多步预测计算区域控制偏差预测值,构造目标函数使得预测值较大时储能系统和火电机组共同参与调频,预测值较小时对储能系统SOC进行恢复;在PSCAD/EMTDC中进行仿真分析,验证所提控制方法的有效性。

弱送端的高压直流输电系统功率回降策略设计

当与高压直流输电系统送端相连的交流系统为弱系统时,直流系统的调制功能将发挥更加重要的作用,直流系统将是稳控系统一个重要的调制手段。在送端电网损失大电源的情况下,稳控系统需回降直流功率,由于直流系统存在最小运行功率,当需要回降的功率大于直流最大功率回降量时,即使将直流系统回降至最小运行功率,仍会出现回降量不足的情况,将导致稳控系统切除送端电网负荷。为了尽量避免送端电网事故情况下稳控切除负荷,研究并提出了直流系统双极紧急回降量不足情况下的调制策略,并对直流系统与稳控系统的接口方式和交换信息进行了设计,开发了直流控制系统程序,搭建了RTDS仿真系统,验证了该策略的实用性和可实施性,为送端电网为弱系统的直流工程提供有益的参考和借鉴价值。

计及风电高频保护的送端电网多直流协同频率控制

为解决中国能源与负荷逆向分布问题,大量高压直流输电工程正在建设或已经投运。针对送端电网中可能发生的直流闭锁导致的高频事件,计及风电机组的高频保护约束,研究了进行多回直流协同控制从而抑制电网频率偏移的方法,提出了以各健全直流总功率调制量最小为目标的多直流协同频率控制模型,通过一阶差分近似求解系统最大频率偏移相对于各受控直流功率的灵敏度,优化求解多直流协同频率控制策略。并进一步以某含高比例风电的送端电网为例,验证该方法在送端电网频率控制策略整定中的有效性。

直流双极闭锁故障下送端系统暂态过电压计算方法

针对特高压直流输电系统闭锁引起的暂态过电压严重威胁系统安全运行的问题,推导建立了直流双极闭锁后换流母线暂态电压的解析表达式。在此基础上,建立了送端交流系统电力网络等值模型,推导出了直流双极闭锁后送端交流系统内任一关键节点暂态过电压的计算方法。为判断送端新能源节点面临高压穿越问题的严重程度、提前发现系统薄弱环节,提出用阻抗比来表征节点的暂态过电压程度。在直流双极闭锁后节点暂态电压压升值随着阻抗比增大而呈现线性升高的趋势。基于DIgSILENT仿真平台,搭建了CIGRE直流输电标准测试系统和吉泉±1100 kV高压直流送端系统,验证了送端系统暂态过电压计算方法及结论的正确性。

考虑大规模直流馈入稳定约束的电网优化调度模型

随着大规模直流的馈入,受端电网的安全稳定与经济运行面临较大的挑战。为此,建立了一种考虑大规模直流馈入稳定约束的电网优化调度模型,并提出了综合考虑送、受端电网清洁能源消纳与经济性的直流联络线功率优化模式。该模型可考虑送端电网直流调整能力与调整代价、受端电网风火水等多种资源的调节能力和消纳需求、直流输送功率与受端电网火电机组开机方式耦合关系的安全稳定约束。通过对直流联络线功率进行优化调整,该模型兼顾了送端电网的运行经济性、受端电网的安全稳定和清洁能源消纳需求。基于国内某电网的实际运行数据,验证了所建立模型的有效性。

考虑风电机组频率保护的送端电网有序高频切机策略

对于可再生能源占比较高且功率通过多回高压直流大量外送的送端电网,高压直流闭锁将引发高频问题,高频切机是抑制送端电网频率升高的重要控制措施。在考虑风电机组高频保护和直流闭锁后线路有功功率变化的基础上,提出了一种高频切机方案整定方法,并将其分解为首轮单次切机总量子模型和分轮次切机量优化整定子模型。综合利用线性插值法和摄动法求解各轮次切机量,并结合二元表进行灵敏度分析,优化高频切机方案。通过中国省级电网算例验证了所提高频切机方案的有效性,并校核了所提方案在不同运行方式下的适应性。

基于虚拟电阻的高压直流换相失败期间送端电网暂态过电压抑制方法

针对高压直流输电系统换相失败易引发送端电网暂态过电压的问题,提出了一种基于虚拟电阻控制的送端电网暂态过电压抑制方法。分析了高压直流系统发生换相失败期间整流站交流侧的无功动态特性及其引发送端电网暂态过压的机理。根据影响暂态过电压水平的关键直流控制变量分析并结合换相裕度边界条件,设计了基于虚拟电阻的送端暂态过压控制器。控制器可根据送端电网暂态过压水平动态调整整流站触发角,实现送端电网的暂态过电压抑制目标。仿真算例表明,所提控制方法通过虚拟电阻环节与常规定电流控制协调配合,能有效抑制换相失败期间送端电网暂态过电压水平。

换相失败引起的送端电网暂态过电压抑制措施研究

针对高压直流输电及特高压直流输电过程中暴露出来的直流换相失败引起的送端、弱送端电网暂态过电压问题,提出了3种暂态过电压抑制方案。首先基于灵州-绍兴±800 kV特高压直流工程在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建模型,然后将换流母线电压波动过程分3个阶段分析换相失败引起送端电网暂态过电压机理,最后提出3类抑制暂态过电压方案并对其有效性进行仿真验证,推荐出最具实用价值的方案。