联接弱交流电网MMC-HVDC系统的直流功率传输能力提升方法

模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)由于具备自换相能力,尤其适用于向弱交流电网供电。交流系统强度降低时,会制约系统的直流功率传输能力,甚至导致系统失稳。针对联接弱交流电网时MMC-HVDC系统功率传输受限的问题,建立了状态空间与直流阻抗模型,从时域、频域两方面研究了交流系统强度对直流功率传输能力的影响,明确了弱交流电网工况下功率传输受限的原因。基于参与因子定位结果,提出了在定直流电压控制环节引入直流电流反馈的功率传输能力提升方法,从时域、频域两方面对控制策略的提升作用进行了机理分析,并定量得出了控制参数的可行域及功率传输能力的最大提升水平。该方法在避免稳态误差的前提下,有效提升了MMC-HVDC系统的直流功率传输能力。

连接弱交流电网的柔性直流换流站外环控制器参数解析计算及其限制因素分析

柔直换流站连接弱交流电网的交流电压动态响应速度与交流电压控制器参数、短路比、稳态点和公共耦合接入点并联等效电容有关。针对柔直换流站连接弱交流电网外环控制器参数解析计算及其限制因素分析研究欠缺问题,该文在建立整个系统详细模型的基础之上,根据外环闭环传递函数零极点分布情况,分析影响系统动态响应速度和稳定性相关特征根的关键变量及其参与程度。其次,基于交流系统准稳态模型,推导外环控制器参数解析计算表达式,并对其选择范围进行了初步分析。再次,研究外环控制器参数、电流内环带宽、锁相环参数以及短路比对稳定性的影响,结果表明,外环带宽与锁相环带宽接近并不一定是诱导系统发生谐振失稳的因素,降低交流电压控制器和锁相环参数有利于提升柔直换流站运行于逆变状态下的稳定性。最后,通过电磁暂态仿真验证了参数计算与稳定性分析的正确性。

光伏并入弱交流电网次同步振荡机理与特性分析

随着我国西北地区集中式光伏装机容量的持续增加,规模化光伏发电经长距离输电线路并入主网成为重要的外送方式,然而,大规模光伏并入弱交流电网可能面临次同步振荡的威胁。该文建立大型光伏电站的序阻抗模型,基于阻抗分析法,分析光伏并入弱交流电网次同步振荡的机理和参数特性。结果表明,在一定条件下,光伏发电系统阻抗在次同步频域可能呈容性;随着电网强度的降低以及装机容量的增加,容性光伏系统可能与感性电网发生次同步频率的电气谐振;随着光伏逆变器电流环比例增益减小,光伏发电系统次同步振荡风险增大,而增加锁相环比例增益和积分增益,可以降低这一风险。最后,基于PSCAD/EMTDC时域仿真验证上述分析结果,研究结果可为大规模光伏接入弱电网工程提供参考。

弱交流电网条件下VSC-HVDC改进矢量控制方法

当电压源换流器型直流输电(voltage source converter based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)联接弱交流电网输送功率接近交流电网静态稳定极限时,经典矢量控制方法无法保证换流器稳定运行。文中分析VSC联接于弱交流电网时的潮流特性,研究经典矢量控制外环在弱交流电网条件下的特性,通过基于小信号模型的极点分析研究导致换流器无法稳定运行的原因,基于VSC联接于弱交流电网时的失稳机理提出一种改进矢量控制方法,在矢量控制外环增加前馈支路,增加暂态无功响应速度,提高弱交流电网条件下VSC在输送功率接近交流电网静态稳定极限时的稳定性。最后,基于小信号建模的极点分析和时域仿真结果验证改进矢量控制方法的有效性。

弱交流电网下含STATCOM的LCC-HVDC系统的附加阻尼协调控制方法

通过在电网换相换流器高压直流输电（line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC）逆变侧交流母线装设静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）,来达到抑制换相失败的目的。然而研究发现,在弱交流系统工况下,STATCOM的控制系统（特别是交流电压控制外环）与LCC锁相环之间存在相互作用,会对后者的稳定可行域造成不利影响,进而可能引发整个混合系统的小干扰失稳现象。针对此现象,该文提出一种适用于弱交流系统下含STATCOM的LCC-HVDC系统的新型附加阻尼协调控制（supplementarydampingcoordination control,SDCC）,该方法基于LCC锁相环输出频率信息,引入阻尼系数以附加分量形式反馈到STATCOM定交流电压控制器外环输入中。基于Matlab的特征根理论分析及基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真结果表明,提出的SDCC控制可以有效抑制含STATCOM的LCC-HVDC系统中LCC锁相环增益过大引起的系统小干扰失稳现象,从而提高系统的稳定裕度。

混合型MMC接入弱交流电网稳定性分析及控制参数优化

针对桥臂由半桥子模块和全桥子模块级联构成的混合型模块化多电平换流器(MMC),首先研究了混合型MMC输电系统小信号建模方法。以一个两端系统为例,基于根轨迹分析,分析了不同控制模式的混合型MMC接入弱交流电网时小干扰稳定性约束下的最大有功功率,并基于参与因子及模式分析得到了不稳定模态的典型参与变量和振荡频率,且进行电磁暂态仿真验证。基于控制参数灵敏度及动态特性影响分析,得到有利于增强小干扰稳定性和提升最大有功传输能力的控制参数优化策略。研究表明:弱电网接入下,混合型MMC逆变运行时失稳主要与q轴控制相关,需减小内环比例控制系数和降低前馈交流电流、电压滤波截止频率;整流运行时失稳主要与d轴控制相关,需增大外环比例控制系数。

限流电抗器对接入弱交流电网的VSC-HVDC系统的小信号稳定性影响分析

小信号稳定性分析对于控制器的设计及柔性直流输电系统工程的建设具有重要作用,直流侧限流电抗器对柔性直流输电系统的小信号稳定性会产生一定的影响。首先建立了接入弱交流电网的VSC系统的小信号模型,推导了VSC系统状态空间的矩阵表达式,并绘制出了不同限流电抗器时系统的根轨迹曲线,研究了主导极点在坐标系中的变化情况。研究结果表明:弱交流电网下,VSC系统的小信号稳定性随着限流电抗器的增大而降低直至失稳。最后,在PSCAD/EMTDC环境中搭建了VSC系统的仿真模型,仿真结果验证了小信号模型的正确性,同时证明了VSC系统的小信号稳定性随限流电抗器的增大而降低这一结论。

联接弱交流电网的双馈入VSC系统小信号稳定性分析与虚拟阻抗控制策略

联接弱交流电网双馈入VSC系统的小信号稳定性会受到主电路与控制器参数等多种因素的影响。不同于联接弱交流电网单馈入VSC系统,并联VSC之间的相互影响同样会引入系统不稳定问题。首先建立了双馈入VSC系统的小信号模型,基于参与因子分析方法提出了变量参与度的评价指标,得到了影响系统稳定运行特性的相关因素;其次,采用特征值分析法分析了系统参数与小信号稳定性之间的关系;最后,提出了增强双馈入VSC系统小信号稳定性,提高功率传输极限的控制策略。所得结论为:并联VSC系统的小信号稳定性会受到控制器参数与之间电气距离的影响,通过提出的虚拟阻抗控制器能够极大地增强系统小信号稳定性,提高系统功率传输极限。在PSCAD/EMTDC中搭建了双馈入VSC系统模型,仿真结果验证了结论的正确性与控制策略的有效性。

弱交流电网下不同位置的直驱风机对次同步振荡特性影响的比较分析

针对直驱风电场并入弱交流电网的次同步振荡(Sub-Synchronous Oscillation,SSO)问题,现有研究多将整个风电场等值为单机模型进行研究。但实际风电场呈空间分布,且相距较远,而单机模型无法反映这一特性。针对这一问题,将整个风电场分为两个子风电场,分别等效成一台直驱风机,建立双机并入弱交流电网的小信号数学模型,并在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型。通过特征值分析和时域仿真,分析每台风机的风速、输出功率和输电线路电抗对系统SSO特性的影响。特征值分析和时域仿真结果表明:当风速相同时,不同位置的风机对系统SSO特性影响程度不同,汇流母线近端的风机对系统稳定性的影响大于远端风机;当整个风电场的开机数为定值,远端子风电场开机数越大,系统稳定性越好;短路比越大系统越稳定,并网距离近的等值子风电场对系统SSO特性影响更大,且当风电场外部电网阻抗和内部线路阻抗之比达到一定值时,可忽略内部线路阻抗对系统的影响。

含有弱交流电网的电压源换流站直流电网分级控制策略研究

本文对含多个VSC的直流输电系统进行了讨论,对于VSC直流电网中含弱交流系统的复杂控制情况,本文提出了一种VSC直流电网协同分级控制策略。该控制策略根据交流强电网与换流站中间所隔输变电系统的数量将换流站的控制策略分级,所提控制策略在不同层级的控制中控制不同的变量。本文对不同层级间的控制变量与系统动态响应的关系进行了讨论;然后对该控制策略的设计进行了比较优化,并对连接弱电网的不同VSC换流站承担电压和功率的控制进行了比较分析;最后在该控制策略中增加了直流侧稳压控制电路,该稳压电路能够提高整个直流系统和中间弱交流系统的稳定。

连接弱交流电网的VSC-HVDC失稳机理及判据研究

为分析连接弱交流电网的柔性直流输电(VSC-HVDC)系统矢量控制环节与弱交流电网交互作用对系统稳定性的影响,分别建立了电压源换流器(VSC)不同运行方式下连接弱交流电网的VSC-HVDC系统线性化传递函数模型。通过研究线性化传递函数模型开/闭环传递函数的零极点分布,提出了系统失稳的解析判据。同时研究了VSC输出有功功率、无功功率和端电压幅值与注入电网的dq轴电流间的关系,揭示了连接弱交流电网的VSC-HVDC系统失稳机理,得出了失稳判据的物理意义。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了连接弱交流电网的VSC-HVDC系统仿真模型,对理论研究进行了仿真验证。

VSC-HVDC与弱交流电网混联系统大扰动行为机理及稳定控制

基于电压源换流器的柔性直流输电(voltagesourceconverterHVDC,VSC-HVDC),其与弱交流电网构成的混联系统的稳定问题,是当前工程界关注的重点和学术界研究的热点。该文首先建立计及限幅环节、故障穿越策略,以及保护闭锁逻辑的VSC-HVDC机电暂态仿真模型;提出VSC换流器非线性功率特性的大扰动测辨方法,分析和识别影响VSC功率特性的关键因素。在此基础上,揭示大扰动冲击下混联系统存在的不同形式的失稳现象及其行为机理,并提出稳定控制策略。VSC-HVDC与弱交流电网混联系统的大扰动时域仿真结果验证了机理分析的正确性以及控制策略的有效性。

联接弱交流电网的VSC-HVDC系统功率耦合特性及解耦策略

针对联接弱交流电网的柔性直流输电系统的功率耦合问题,通过研究整流站/逆变站输出有功、无功和端电压幅值与注入电网的d、q轴电流间的线性化关系,揭示了弱交流电网下柔性直流输电系统的功率耦合特性,并提出一种功率解耦算法。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了联接弱交流电网的柔性直流输电系统仿真模型,通过仿真验证了功率的耦合特性。同时,与静态前馈补偿解耦算法和传统矢量电流控制算法相比,所提出的动态前馈补偿解耦算法具有更好的解耦效果。

弱交流电网条件下VSC无功类控制分析与优化

针对接入弱交流电网的电压源换流器(voltage sourced converter,VSC)所采用的无功类控制器的适用性进行分析,并提出了改进的无功功率控制方法。首先针对连接到弱交流电网的VSC整流侧和逆变侧系统,分别建立了两个系统在定有功功率定无功功率控制和定有功功率定交流电压控制下的小信号模型,其次利用参与因子法分析影响主导极点的主要状态变量,基于此提出了一种改进的无功功率控制方法,分别在VSC整流侧和逆变侧系统中进行验证,并分析了参数k的选取。最后,在PSCAD/EMTDC环境下进行仿真实验,验证了建立的小信号模型正确性,同时,考虑VSC系统运行极限分析了不同无功类控制下系统的临界有功功率传输极限值。所得结论为:对于连接到弱交流电网的VSC类换流器,定交流电压控制较定无功功率控制更适用于极低短路比(short-circuit ratio,SCR)的交流系统,在选取合适的参数k的条件下,采用改进的无功功率类控制可以提高有功功率传输极限,更有效地增强系统稳定性。

利用虚拟电阻提高接入弱交流电网的MMC小信号稳定性控制方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)换流阀具有自关断能力,适用于向弱交流电网供电。该文对已有功率同步控制方法进行改进,通过在电压调制波处增加虚拟电阻控制,等效增大系统与弱交流电网之间的电阻,从而增强系统的稳定性。该方法实现简单,同时虚拟电阻并不消耗能量,不会降低换流器的传输效率。文中建立了受端弱交流电网MMC系统小信号数学模型,通过对多输入多输出系统开环传递函数矩阵进行分析,得到虚拟电阻对系统稳定运行特性的影响;同时对虚拟电阻的作用机理进行研究,分析得出虚拟电阻对系统运行极限的影响。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了101电平受端弱交流电网MMC系统仿真模型,仿真结果验证了虚拟电阻控制的有效性,同时体现了虚拟电阻对系统运行极限的影响。

弱受端交流电网下VSC-HVDC系统的功率解耦控制设计

针对弱受端交流电网下,采用矢量控制的VSC-HVDC系统功率耦合效应明显的问题,揭示弱受端交流电网引起功率耦合的原因,提出相应的改进解耦控制策略。首先,推导得出VSC输出功率与d、q轴电流间的线性化关系。然后,分析得出弱受端交流电网下有功与q轴电流、无功与d轴电流之间的耦合关系,从而揭示矢量控制下的功率耦合机理。同时,基于前馈补偿的思想,对矢量控制策略进行改进,实现更有效的功率解耦。理论分析和时域仿真结果表明,弱受端交流电网下功率强耦合的主要原因是有功功率与q轴电流强耦合、无功功率与d轴电流强耦合。此外,所提出的改进矢量控制能够改善系统的解耦性能、故障响应特性和稳定性。

大规模新能源接入弱同步支撑柔直系统的送端自适应VSG控制策略

新能源汇集经柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)技术送出是促进新能源消纳的有效方式。但新能源渗透率的持续增加导致电网强度不断下降,采用传统跟网型(grid-following,GFL)换流技术已无法满足系统稳定运行需求。为提高系统弱电网适应性,满足大规模新能源接入弱同步支撑柔直系统应用场景需求,提出在柔直系统送端换流站采用VSG控制策略。首先,建立整流侧控制小信号数学模型,利用根轨迹法深入研究虚拟阻抗对系统稳定性的影响。其次,提出利用交流电压变化率及电压差值等电气量构建虚拟电抗自适应调整项的改进VSG控制算法,在保证系统等效阻抗呈感性的同时,可提高送端交流系统的等效短路比,达到改善系统整体性能的效果。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证所提控制策略的有效性。

弱并网条件下VSC的自适应型虚拟并网点规划与控制策略

电压源换流器(VSC)接入薄弱交流电网时存在系统小扰动稳定性问题,传统控制策略下VSC不得不降低输出功率以维持稳定运行。为提升弱并网VSC的小扰动稳定性,首先基于交流电压外环建立了弱并网VSC稳定性机理的通用分析模型,分析了锁相环(PLL)与VSC外环控制间的耦合特性,及其对系统小扰动稳定性的影响机理。在此基础上,提出了一种参数自适应型虚拟并网点控制策略。在PSCAD/EMTDC环境下搭建的弱并网VSC详细开关模型验证了所提控制方法的有效性。

弱电网直驱风机低电压穿越特性及其对机端暂态电压的影响

新能源常通过特高压交/直流输电系统送出,新能源汇集送端电网配套火电机组少,电网强度弱,直流闭锁或交流严重短路故障后的暂态过电压易引发风电脱网。该文基于典型电压穿越策略建立永磁直驱风机(permanent magnet synchronous generato rbased wind generator,PMSG)并网模型,研究弱电网中送出线路远端短路故障时的PMSG功率特性,揭示故障发生与清除时刻PMSG控制产生误差的原因,分析PMSG控制策略与参数对机组功率特性以及机端暂态过电压特性的影响。研究结果表明,远端短路故障清除时刻PMSG网侧电压相位一般向后跳变,由于锁相环存在时延,使暂态过程中锁相结果超前于实际相位,导致PMSG有功/无功控制不解耦,电流控制产生误差,由于锁相结果超前实际相位产生的控制误差会抑制网侧电压的快速抬升。

柔直联于弱交流系统分析和仿真试验研究

首先对柔性直流输电工程接入交流弱系统的控制性能进行了分析,然后分析了接入弱交流电网的柔直系统在不同控制方式下的性能。依托渝鄂背靠背柔性直流工程,对渝鄂柔直北通道渝侧弱系统方式进行了系统计算分析,根据系统计算分析结果,提出了构建“接入系统强度管理装置”用于保证渝侧在接入弱系统方式下能够稳定运行,提高了设备可用率和年运行可靠性、减少直流强迫停运次数,对运行维护具有重要意义。应用RTDS实时仿真装置建立了实时仿真系统,对接入弱系统方式下柔直控制保护策略进行了验证,该策略已经在渝鄂背靠背柔性直流工程得到了应用,保证了渝鄂柔直在弱系统方式下稳定运行。