分频输电系统研究现状、趋势与展望

分频输电又称低频输电,通过降低输电频率减轻线路电感、电容的影响,可以显著提升交流线路的输电容量与距离,是一种兼顾输电容量与工程经济性的新型输电方式,在我国新能源基地加速开发的背景下备受关注。我国“十四五”规划确立了大力开发“沙戈荒”新能源基地与深水远岸区域海上风电的新能源发展格局。“沙戈荒”新能源基地与负荷中心逆向分布,海上风电可用馈入点资源紧张,新能源大规模综合利用亟需新型高效的输电方式。近年来分频输电系统理论与技术迅速发展,该文旨在总结分频输电领域的研究成果,从基本原理与系统构建方法、系列关键装备、高电压大功率变频器与系统控制技术、系统分析与安全稳定保护技术4个角度,梳理分频输电系统理论与技术的发展现状与主要成果,并展望未来发展趋势,为分频输电系统研究起到承上启下的作用。

基于平准化度电成本的海上风电分频输电系统经济性分析

在海上风电大规模、中远化的新发展趋势下,对分频输电系统与其他输电系统的经济性进行了对比分析。基于分频输电系统全生命周期,建立了综合考虑初始资源投入、运行损耗、日常维护、废置处理和应缴税金的分频输电系统平准化度电成本经济性评估模型。以某海上风电场为例,分析了分频输电的经济区间和多场景下经济性变化趋势,结果表明:对于500 MW海上风电场,其经济区间在80~250 km,经济区间较为稳定且在多场景下经济性均优于传统输电系统。

面向分频传输系统的Y-MMC自适应反步控制策略

针对Y型模块化多电平转换器(Y-MMC)在常规比例积分(PI)控制策略下鲁棒性和适应性不高问题,提出Y-MMC的非线性自适应反步控制(ABC)策略。首先,根据Y-MMC的拓扑结构,建立Y-MMC数学模型;然后,详细论述Y-MMC的ABC控制策略的设计过程,并证明了系统的稳定性;最后,在Simulink软件平台上搭建Y-MMC仿真系统进行仿真验证,将所提ABC控制策略与无源性控制(PBC)、PI控制2种策略进行比较,验证了在3种不同工况下Y-MMC的ABC控制策略的有效性和优越性。

分频海上风电系统的技术经济分析

介绍了分频输电系统(FFTS)应用于海上风电的拓扑结构,并通过一个装机容量300 MW、离岸距离250km的算例,比较其与现有高压交流(HVAC)和高压直流(HVDC)并网方式的技术及经济优劣。FFTS通过降低输电频率(如50/3Hz),显著降低交流电缆中的充电电流,提升海底交流输电的效率与性能。结果表明,FFTS能满足算例的并网需求,且风电穿透率大于HVAC。算例中FFTS换流站的投资折算和年维护费用比HVDC少9 126万元,等年值比HVDC低7.28%。在算例的基础上,文中进一步给出了FFTS-HVDC临界经济距离—装机容量曲线,相对而言FFTS更适用于装机容量大、离岸近的风电场,对于300 MW风电场,二者的临界经济距离约为634km,远超已有和规划中的海上风电场的离岸距离。分析结果表明了分频海上风电系统所具有的应用潜力。

分频输电系统实验初探

利用电力系统动态模拟设备构成了一个简单的分频输电系统。将发电机转速降为额定转速的三分之一，发出５０／３Ｈｚ电力，将原升压变压器改接为三倍频变压器，在实验室条件下第一次实现了分频输电系统，初步验证了分频输电系统的可行性。

柔性分频输电系统可行性研究

提出了柔性分频输电系统的概念,对其构成、原理及系统的一些特性进行了初步探讨,在MATLAB Simulink环境下建立仿真模型进行仿真分析。结果显示柔性分频输电系统是分频输电技术和电力电子技术灵活、高效结合的有经济与技术优势的新型输电方案,特别在开发水电时有很好的应用前景,值得进一步深入研究。

分频输电系统运行特性与控制策略综述

在中国“碳达峰、碳中和”目标的驱动下,电力系统向着低碳清洁、高效智能的方向发展。当大规模可再生能源接入电力系统后,现有电力网络出现了传输能力不足的问题。分频输电系统采用较低频率输送电能,相比同电压等级的工频系统,其线路输送能力得到大幅度提升,目前已经在包含中远距离海上风电,“沙戈荒”偏远地区陆上风电、光伏发电和大规模水电输送等在内的可再生能源高效汇集送出领域受到广泛关注。为此,首先介绍了分频输电的基本原理并概述了核心变频设备的运行特性。在高比例可再生能源接入与高比例电力电子设备应用的“双高”背景下,进一步从系统稳态运行和故障穿越两个方面,综合阐述了“点对点”双端和多端互联分频输电系统的运行特性以及控制策略的典型设计方法。最后,就分频输电系统运行控制研究中需要进一步结合的输电频率经济性优选,小/大干扰系统稳定性分析和城市电网扩容改造等问题进行了展望。

分频输电系统的可行性研究

对分频输电系统的可行性和效率进行了研究，建立了分频输电系统的数学模型，并开发了高效率、高精度的求解算法。数字仿真结果表明分频电力方式可以大幅度提高传输功率，且具有较高的输电效率，是一种很有发展前景的输电方式。

基于永磁直驱同步风电机组的分频海上风电系统控制策略

海上风电经分频输电线路传输的研究近年来引起国内外的关注。由去除机端换流器的多台基于永磁直驱同步发电机(PMSG)的风电机组、海底电缆和交交变频器组成的分频海上风电系统,可通过线路末端的交交变频器控制PMSG的转速捕获风能,可节省初始投资和运行维护费用。考虑变压器和输电线路的影响后,推导出分频海上风电系统的准稳态模型,基于转子平均磁链定向给出多机矢量控制器的设计原理;从曲线拟合的角度,给出多机组运行频率的求解方法;以4台PMSG为例,搭建了分频海上风电系统仿真模型。结果表明采用多机矢量控制方法,在不同风速条件下,风电机组的转速均能够跟随指令值,并实现风能的最优捕获。

分频输电系统的数字仿真研究

对分频输电系统的稳态运行方式进行了理论分析和数字仿真计算，利用数字计算结果说明了分频输电及倍频变压器的工作机理。此外，还分析了倍频变压器的损耗及效率，确认了参考文献中关于倍频变压器效率可达９５％以上的论断。功角特性的仿真计算结果表明，倍频变压器可工作在反向功率情况下，即倍频变压器可用作分频变压器，从而大大扩展了分频输电方式的应用范围。

基于双级矩阵变频器的柔性分频输电系统中的变频换流技术

采用双级矩阵变频器作为倍频设备,改进柔性分频输电系统的变频换流站,将水轮发电机发出分频电力,经升压变压器和输电线路,送入双级矩阵变换器进行交-直-交变换,转变为工频电力,并入电网,或者给交流负载供电。通过分析交-直-交双级矩阵变频器的主电路拓扑结构、双空间矢量调制策略和零电流换流方法等变频换流技术,提出柔性分频输电系统新型变频换流站实现方案,充分利用双级矩阵变换器结构紧凑、能量双向传递、输出频率可控、输入功率因数可调的优点。在Matlab/Simulink环境下的模型仿真结果表明,该方案能明显提高输电系统的传输效率,充分抑制谐波分量以及有效降低系统无功功率,并通过修正逆变级调制系数,可保证在分频电力输入不对称时网侧输出平衡。

分频输电系统模块化多电平矩阵变换器谐波特性分析

模块化多电平矩阵变换器(M3C)是构建分频输电系统(FFTS)的核心装备,但是M3C在进行交-交变换时,会导致两侧不同频率交流系统电气量在M3C内直接耦合,引起系统复杂的谐波分布。为分析M3C谐波特性,首先基于M3C工作原理推导得到子模块电容纹波电压解析式,在此基础上推导9个桥臂考虑子模块电容电压全部4种频率分量耦合的桥臂谐波电流解析式,进而分析多种频率桥臂谐波电流与系统电流的关系以及影响纹波电压/谐波电流幅值的关键因素。结果表明,在稳态下,分频侧频率ω_(1)和工频侧频率ω_(2)的电流分量以正序基波电流性质流入对应系统;频率为3ω_(1)和3ω_(2)的电流分量以零序谐波电流性质流入两侧交流系统;其他频率谐波分量在变换器内部环流。文中针对M3C提出一种零序电流抑制控制策略,并在Matlab/Simulink中进行仿真,验证了谐波理论分析的准确性以及控制策略的有效性。

分频输电系统的实验研究

分频输电是一种非常有竞争力的远距离输电方式。该文介绍了分频输电系统实验装置的构成和初步实验结果。该实验首次利用交-交变频器作为倍频器,将50/3Hz电能转换为50Hz电能向工频系统送电,成功地实现了一种新型(FACTS)柔性交流输电装置。文中还介绍了分频系统和工频系统的并网情况,分析了分频输电系统实验的波形、效率、功率因数等相关数据。实验表明:对于一回1200km的500kV输电线路,利用分频输电系统可以使其输送能力达到2000MW,证明了这种新型FACTS装置的巨大应用潜力;分频输电在750kV及以下电压等级的实际工程中应用不存在技术上的困难。

分频输电系统

提出了一种全新的分频输电系统。该系统利用降低输电频率的方式减小输电系统的电抗，从而成倍地提高输电容量达到减少输电线路的回路数和出线走廊数的目的。文中讨论了分频输电系统的原理、结构，并与常规交流输电及直流输电进行了比较。此外，还提出了与分频输电有关的研究课题。

分频输电系统的综合稳定控制研究

分频输电是为大规模、远距离输电提出的一种输电方式 ,它可以提高输电线路的输送功率。该文针对分频输电系统非线性的特点 ,基于直接大范围线性化的方法 ,提出了分频输电系统中励磁和倍频变压器原边并联补偿电容协调非线性控制器的设计方法。应用该方法设计的非线性控制器不仅可以提高分频输电系统的稳定性 ,而且减小了发电机和倍频变压器原边的电压波动 ,保证了倍频变压器工作点的稳定。计算机仿真表明 ,该种控制器与仅考虑稳定性而设计的非线性励磁控制器相比较 ,不仅有效的提高了分频输电系统的稳定性 ,而且满足了倍频变压器原边电压的控制要求。

分频输电系统的研究

总结了对新型输电方式——分频输电系统的研究情况。在理论分析、数字仿真、物理实验、经济效益比较等方面得出了有益的结论。研究表明分频输电系统易于实现，效益显著，是一种很有潜力的远距离大容量输电方式。

基于TSMC的柔性分频输电系统变频换流技术研究

将双级矩阵变换器代替传统倍频设备,采用整流级有零矢量的双空间矢量调制策略和零电流换流方法,实现柔性分频输电系统新型变频换流站。MATLAB的仿真结果表明,本方案能明显提高输电系统的传输效率,有效降低系统无功功率,抑制并网电流谐波分量。

分频输电系统的稳定控制研究

针对分频输电系统非线性的特点 ,基于非线性微分几何控制理论 ,提出了分频输电系统的非线性励磁控制器的设计方法 ,应用该方法设计的非线性励磁控制器不仅可以提高分频输电系统的稳定性 ,而且减小了发电机端电压的波动。计算机仿真表明 ,该种控制器与仅考虑稳定性而设计的非线性励磁控制器相比较 ,不仅有效地提高了分频输电系统的稳定性 ,而且提高了发电机电压的调节精度。

分频式多媒体演示系统在金工实习教学中的应用

运用多种教学媒体进行金工实习是教学方法改革的趋势,本文介绍了分频式多媒体演示系统在金工实习教学中的应用,有助于提高实践教学质量.

分频海上风电系统的不对称故障穿越控制

该文提出分频海上风电系统的不对称故障穿越控制策略。首先,介绍分频海上风电系统的基本结构与运行方式。其次,根据关键变频设备模块化多电平矩阵式换流器(modular multi-level matrix converter,M^(3)C)的数学模型,揭示电网电压不对称时M3C的运行特性,并提出分频海上风电系统的故障穿越控制策略。该策略在M3C双αβ0坐标变换控制的基础上,改进桥臂间均压控制策略,并引入M^(3)C-风电场联合电压–频率–功率下垂控制实现风电场减出力。最后,在MATLAB/Simulink中搭建分频海上风电系统电磁暂态仿真模型,对所提出的控制策略进行验证。仿真结果表明:提出的故障穿越控制策略能够在保证M3C运行安全的同时,满足风电场功率外送需求,实现风电场对工频系统的无功支撑目标。