基于MMC的三端柔性直流输电系统建模与仿真

研究了MMC的电路拓扑结构、运行特性以及充电原理,在PSCAD仿真平台上搭建了MMC在三端柔性直流输电系统中的模型。该三端系统由两个送端一个受端组成。两个送端均采用定有功功率和定交流电压的控制方式,受端采用定直流电压和定交流电压的控制方式。系统级控制器采用直流电压偏差控制。每个换流站都采用最近电平逼近调制方法控制模块投入与切除,采用排序的平衡控制原理均衡各子模块电容电压。对直流侧单极母线进行了接地故障仿真,并分析了对系统运行的影响。仿真结果同时验证了该模型的正确性,MMC能在三端柔性直流输电系统中稳定运行,各子模块电压波动较小,有功、无功控制量均能跟随控制目标,该模型所采用的控制策略的性能良好。

含混合型MMC的多端柔性直流输电系统短路电流计算方法

多端柔性直流输电系统中存在多个换流站,换流站之间复杂的耦合关系使得直流短路电流的计算成为一个难题。针对含混合型模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的多端柔性直流系统应用场景,首先搭建了故障穿越前后混合型MMC的故障等效模型,并从混合型MMC直流故障穿越期间电路结构变化的角度出发,分析了直流故障穿越对多端柔性直流系统各支路短路电流的影响,在此基础上基于叠加定理提出直流故障穿越附加网络的概念。然后结合多端系统的近似解耦解析计算方法和直流故障穿越附加网络的概念,提出含混合型MMC的多端系统直流故障穿越期间的短路电流计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC平台的电磁暂态仿真结果表明,所提出的计算方法在故障发生6 ms内计算的短路电流值最大误差均在±6%以内,且具有良好的适用性,为含有混合型MMC的多端柔直系统的规划设计与保护整定提供了参考。

参与电网调频的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略

参与电网调频的传统下垂控制策略能够利用频率偏差和直流电压实现多端柔性直流输电系统频率之间的相互支撑。然而传统电压下垂系数固定,在分配不平衡功率时容易忽略电网的运行状态和换流站自身容量,导致换流站过载以及弱电网承担功率时频率波动较大。为解决这一问题,提出了一种参与电网调频的改进下垂控制策略。首先分析了参与电网调频的传统下垂控制策略能量调配关系。其次考虑电网的频率裕度以及换流站的自身容量重新设计电压下垂系数。在系统受到扰动后,提出的控制策略能够保证换流站不发生过载,同时实现弱电网的稳定运行。最后通过仿真软件MATLAB/SIMULINK进行仿真验证,结果表明所提控制策略提高了多端柔性直流输电系统的频率调节能力,使系统的运行水平得到有效提升。

混合三端直流输电系统受端交流故障穿越协调控制策略

以乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程为研究对象,考虑混合三端柔性直流输电系统因受端不同位置交流故障所致的直流过电压,提出相应的故障穿越协调控制策略。在受端主站发生网侧交流瞬时故障的情形下,通过设计混合型模块化多电平电压源换流器全桥子模块自适应负投入策略,实现了利用子模块电容短时过电压储能的能力来快速补偿站间直流电压的上升;短暂时延后,送端电网换相换流器通过定量调整电流指令值策略来减小子模块的不平衡充电功率。在受端主站发生阀侧交流故障的情形下,优先利用输电健全极的功率转代裕度来消纳故障极的部分不平衡功率;同时,故障极从站跟随主站半压运行,相应的高低压阀组切换至定电流及定电压模式,最终实现抑制站间过电流及减小盈余功率。仿真结果表明,2种故障条件下,所提的协调控制策略均可较快实现故障期间的功率平衡,有效抑制仅配备稳态基本协调控制策略下系统所出现的直流过电压现象,同时也基本维持了送端的总体有功传输容量。

受端电网故障下真双极柔性直流输电系统电压协同控制方法

盈余功率积累可能诱发基于模块化多电平换流器的高压柔性直流输电系统(high-voltage direct current based on the modular multilevel converter,MMC-HVDC)过压闭锁,乃至引发海上风电场机组失步或受端电网低频减载。现有降压或升频等直流电压控制方法仅针对伪双极接线,缺乏讨论不同控制模式的换流器间协同原则;且控制参考值未能自适应受端电网的故障严重程度,导致海上风电场有功功率调节过量。该文基于受端电网故障下MMC-HVDC平均值模型,解析了海上正负极换流器和风电场的功率耦合特性,提出了交流母线电压控制极换流器平衡换流站间有功功率,有功和无功功率控制极换流站抑制极间不平衡的协同原理。通过解析海上风电场在交流母线电压控制极换流器降压作用下的功率外特性,提出了恰好避免直流电压越限的临界交流母线电压计算方法。通过解析使得受端换流站有功电流受限的交流母线电压作为启动门槛,提出了受端电网故障下真双极MMC-HVDC电压协同控制方法。理论分析和仿真结果表明,所提方法令海上正负极换流器分别运行于临界交流母线电压和抑制极间不平衡的有功功率,可在避免直流电压越限的前提下,最大限度提升MMC-HVDC在受端电网故障工况下的有功功率传输能力。

改进生成式对抗网络下多端柔性直流输电系统

针对新能源在实施并网时,多端柔性直流输电系统运行过程中并网电力数据存在的噪声过多问题,会直接影响多端柔性直流输电系统的直流输电效果,为提升系统直流输电效果,采用改进生成式对抗网络设计多端柔性直流输电系统。根据直流输电系统结构建立系统整体框架,并对框架中的模块设计具体功能;通过基于改进生成式对抗网络去噪模块滤除系统直流输电时产生的噪声,提升系统直流输电时的输电效果;根据系统硬件模块功能设计结果,设计多端柔性直流输电系统模块控制器以及系统整体控制器,通过控制器的稳定控制,完成多端柔性直流输电系统的安全直流输出,实现系统的软件设计。实验结果表明,利用所设计系统在开展电力直流输电时,控制效果较好,电流在0 kA附近波动,电压最终控制为500 kV。

计及系统状态的多端柔性直流输电系统可靠性评估及灵敏度分析

多端柔性直流输电技术正在迅速发展,而对其进行可靠性分析是保证直流输电系统安全稳定运行的前提。由于目前缺乏对多端直流输电系统可靠性的定性与定量评估以及提升方法的研究,本文提出了一种基于状态空间法和分步组合模型的多端柔性直流输电系统可靠性建模方法。该方法考虑到多端柔性直流输电工程的多种实际运行状态,分别建立了直流线路和换流站子系统的状态转移模型,通过求解供电可用率、年等效停运时间等可靠性指标验证了该方法的正确性与可行性。最后采用分层等值法建立了可靠性指标对元件故障率灵敏度的解析表达式,定量分析得到了系统可靠性最薄弱环节。研究可给实际柔直工程的可靠性评估提供一定的参考。

基于改进麻雀搜索算法的多端柔性直流输电系统有功潮流优化方法

文章提出一种基于改进麻雀搜索算法的多端柔性直流输电系统有功潮流优化方法,以最小化耗电量为目标,建立系统有功优化分配模型,减小网络损耗。通过约束有功功率,计算2条母线支架内的交流线路损耗值,得到换流系统的总损耗和系统的额定容量;计算直流功率向交流线路转移过程中所承受的冲击能力,得到在交流通道中的功率转移情况。同时,使用改进的麻雀搜索算法优化多端柔性直流输电系统的有功潮流,计算个体适应度并进行排序,选择最优的个体进行位置更新,并输出最优值,对交流网络的设备出力进行功率分配。实验结果表明,采用多端柔性直流输电系统潮流优化方法的节点电压均在0.92 p.u.以下,网络损耗量最小,具有较好的应用前景。

基于MMC的多端柔性直流输电系统异同步自动控制

为解决异同步控制过程中谐波含量高、直流电压回归稳态时间长的问题,提出基于MMC的多端柔性直流输电系统异同步自动控制。建立输电系统数学模型,描述多端柔性直流输电系统运行状态,利用MMC调节输电系统功率,完成不同状态下交流与直流异同步的输电方式,实现基于MMC的多端柔性直流输电系统异同步自动控制。实验证明,设计方法应用下输电系统谐波含量均下降至5%,系统直流电压回归稳态时间最快为0.36 s,具有良好的控制效果。

多端柔性直流输电系统功率协调仿真研究

运用PSCAD软件建立了三端柔性直流输电系统模型,给出了系统控制策略,探讨了无电压下降控制、两端电压下降控制和三端电压下降控制三种模式下在稳态运行、系统功率变化和交流电网接地故障时功率分配和协调控制问题。通过仿真计算给出了有功和直流电压变化曲线,分析了不同控制模式的效果,结果表明三端均采用电压下降控制时具有变化量小、动态时间短等优点,适合多端系统的运行和控制。

基于三端柔性直流的光热储能站与新能源场站功率协同控制策略

新能源基地大多经传统交流方式接入高压交流或直流外送通道,为解决大规模新能源经交流接入方式下并网容量小、损耗大,以及功率波动对电网稳定性影响等问题,构建了一个基于柔性直流输电并网的风电和光伏、光热储能及电网三端柔性直流系统。基于直流电压-有功功率特性,提出一种适用于该系统的站间协调控制策略,根据柔性直流输电系统的直流电压波动情况,调整光热储能机组的出力,以平抑风、光功率波动,降低其对电网的影响。针对光热储能侧换流站,采用直流电压裕度下垂混合控制策略,通过控制器参数配置,抑制控制模式切换过程中的暂态过电压,提高系统响应速度。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建三端柔性直流系统仿真模型,验证所提控制策略的有效性。

舟山多端柔性直流输电控制保护系统

对多端柔性直流输电控制及保护系统的分层设计及其功能配置进行了描述。介绍了多端柔性直流输电系统中多站之间的协调控制功能,即当直流电压控制站失去直流电压控制功能后,通过设计的基于站间通信和直流电压偏差检测的自适应策略,可以实现其余功率站的直流电压无偏差接管。介绍了工程采用的快速负序控制、直流侧主动充电以及在线联网转孤岛运行等控制功能设计。最后给出的部分现场试验结果证明了多端柔性直流输电控制保护系统可以很好地满足舟山五端柔性直流输电工程的需求。

含多端柔性直流输电系统的交直流电网动态特性分析

根据半桥式模块化多电平换流器(MMC)的数学模型和控制策略,搭建出基于PSCAD/EMTDC的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)仿真模型。设计了适合于交直流耦合电网的MMC-MTDC多级控制系统,包括阀组级控制器、换流站级控制器和系统级控制器,并进行了交直流电网暂态稳定分析。在建立的仿真系统中模拟交流电网事故、直流线路故障、冲击负荷等多种苛刻运行条件,以校验MMC-MTDC接入交流电网后的动态响应特性。仿真结果表明:各级控制器间的相互配合使得所构建的MMC-MTDC在交流电网故障情况下具备送端转移的能力;系统在任意一端换流站故障退出后仍具备稳定运行的能力;在MMC-MTDC发生直流线路故障退出运行后,交流电网仍能保持稳定运行。

多端柔性直流输电系统小信号建模

小信号模型是动态系统稳定性分析及控制器设计的基础。通过理论分析和推导,对现有多端柔性直流输电系统小信号模型存在的不足之处加以修正和完善。首先根据换流站所连交流系统类型,灵活选择同步旋转坐标系,以避免交流系统短路容量引起的误差;然后根据换流器PWM调制原理,分析暂态情况下换流器交直流侧耦合机理并对换流器线性化方程加以完善,分别构建控制器和直流网络的线性化方程;最后形成适用于多种应用场景混合及任意拓扑结构的多端柔性直流输电系统通用小信号模型。通过电磁暂态模型与小信号模型的仿真对比,验证了该小信号模型较现有模型具备更好的准确性,对多端柔性直流输电系统稳定性分析、耦合机理研究及控制器设计具有很好的参考价值。

参与电网调频的多端柔性直流输电系统自适应下垂控制策略

针对连接大型海上风电场的多端柔性直流(VSC-MTDC)输电系统,推导了传统直流电压下垂控制的功率分配机理,并分析了该控制策略对受端电网频率可能产生的不利影响。利用VSCMTDC系统的直流电容储能,将受端电网频率和VSC-MTDC系统直流电压耦合,提出了可参与交流电网频率调整的自适应下垂控制方法。该方法根据交流系统的频率偏差,实时调整直流电压下垂系数,使各换流站在无需站间通信的前提下,快速调整各自的输出功率,保证交流系统频率稳定在合理范围内。最后,基于DIgSILENT/PowerFactory仿真软件搭建了五端VSC-MTDC系统,通过3个算例验证了所提方法的有效性。

舟山多端柔性直流输电工程系统设计

为了解决舟山群岛供电、海上风电送出等问题,规划设计了舟山5端柔性直流工程。舟山多端柔性直流输电重大科技示范工程是目前世界上在建的端数最多的柔性直流工程。为了满足柔性直流换流站启动、运行与控制、检修的需要,研究提出了柔性直流换流站的主接线方案。开展了柔性直流系统主回路参数研究,确定了换流站主设备和直流电缆的选型及主要技术参数、换流站运行功率范围。通过交、直流过电压研究提出了换流站过电压保护及绝缘配合方案。提出的柔性直流换流站主回路参数确定方法、绝缘配合方案、运行控制策略等形成了完整的柔性直流系统整体技术方案。提出了柔性直流系统设计的完整技术思路、设计方法及工具,为我国多端柔性直流技术发展及工程应用提供了有力支撑。

舟山多端柔性直流输电工程直流系统放电特性

为研究五端运行方式下换流站闭锁并打开交流进线开关后直流系统的放电特性,首先研究了舟山工程主接线、运行方式及设备参数,然后在此基础上对直流系统放电回路和放电过程进行分析,并计算出各种工况下直流系统的放电时间。同时,在PSCAD/EMTDC中建立了简化的五端柔直系统仿真模型,并对应理论计算工况进行仿真研究,得到各种工况下直流系统放电时间的仿真值,进而与特定情况下的现场数据进行对比。最后,综合理论分析和仿真结果,确定了换流站闭锁后直流系统放电至安全电压的时间约15 min。该计算方法也可用在其他的柔直工程中。

基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电控制系统设计

为了设计并搭建基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电(MMC-MTDC)控制系统。首先分析了模块化多电平换流器的基本原理,并基于此基本原理设计了阀组级控制器以及采用矢量控制的换流站级控制器。接着,设计了适用于MMC-MTDC的直流偏差控制器;最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中对所设计的控制系统进行仿真分析。仿真结果表明:控制系统实现了换流站的功率控制与交流电压控制,并且使得换流站具备了孤岛供电能力;在定直流电压换流站故障退出运行后,后备定直流电压换流站能够自动实现直流电压的偏差控制;各级控制器间的相互配合使得所构建的MMC-MTDC系统稳定、可靠地运行。

交流电网互联的双端柔性直流输电系统小信号建模

小信号模型是稳定性分析及控制器设计的基础。对交流系统异步互联的双端柔性直流输电(voltage source converter based high-voltage dc,VSC-HVDC)系统小信号模型展开研究。通过同步旋转坐标系的灵活选择与转换,构建逆变器及所连交流系统、整流器及所连交流系统、控制器及直流线路的线性化方程,结合状态空间法,建立不受交流系统强度约束的双端柔性直流输电系统小信号模型。通过仿真对比,证明无论交流系统强弱,该小信号模型都能精确反映双端柔性直流输电系统的小干扰情况,具有普遍适用性。

多端柔性直流输电系统数字物理混合仿真技术

为解决功率接口所引起的稳定性下降问题,提出一种基于阻尼阻抗功率接口算法的多端柔性直流输电系统数字物理混合仿真方法。根据阻尼阻抗法开环传递函数特性,得出阻尼阻抗与物理仿真系统等效阻抗匹配原则。分类讨论并计算不同工况下物理仿真系统的等效阻抗,实现对阻尼阻抗的实时匹配,进而提升数字物理混合仿真系统的稳定性与精确性。提出了一种针对直流电压接口的延时补偿方法,解决功率接口延时补偿问题,降低接口延时带来的仿真误差。搭建了四端柔性直流电网数字物理混合仿真平台验证所提出的接口算法,对混合系统进行不同工况下的仿真试验,结果表明,所提出的数字物理混合仿真方法可以对接口延时进行高效补偿,在传输功率变化、换流站闭锁等情况下可以保证系统稳定运行。