换流器型电网的理念与探索

新型电力系统的发展将带来电网形态本质性的变化。电源通过换流器接入电网使电力电子设备的比例不断升高。当换流器型电源取代同步机型电源实现电网频率/电压构建时,则形成了换流器型电网(converter-based grid,CBG)。旨在对该电网形态的理念、构成、运行等基本问题进行探讨,首先论述了构成CBG的源、荷、储的基本特征与控制方式,探讨了电网可采用的拓扑方式;分析了换流器的频率/电压形成机制及多换流器协调控制方法;基于CBG的暂态行为,讨论了换流器故障特征及其保护策略,分析了换流器面临的稳定性问题的基本特征;结合工程实例,通过分析典型电网场景的运行特征,探讨了CBG的可行性;最后指出了新型电网形态尚待解决的关键技术问题,并对未来电网发展前景做出展望。

晶闸管器件型模块化级联式新型换流器拓扑及其协调控制策略

为彻底解决电网换相换流器型高压直流输电的换相失败问题,提出输出电压可控、换相期间阻抗可调的晶闸管换流模块,并由其级联构建能彻底抵御换相失败的新型换流器拓扑结构;给出无需额外故障检测、换流模块根据系统运行状态自动切换工作模式的晶闸管固定触发时序,提出可强迫关断换相电流的模块与阀臂间的协调控制策略和换流模块内元件的参数设计方法;最后,在PSCAD/EMTDC中进行分析验证。结果表明,所提出的新型换流器不仅可以彻底解决换相失败问题,而且故障期间仍然具有一定的功率传输能力;所提参数设计方法合理,换流模块元件应力均在设计允许范围内。

高比例非同步机电源电网面临的三大技术挑战

对未来电网的动态特性进行了探讨。从交流电网运行的基本原理出发,描述了高比例非同步机电源电网面临的三大技术挑战。包括:同步稳定性的新形态-广义同步稳定性问题;机电暂态分析方法的不适用性与电磁暂态分析方法的全面替代问题;以及由电力电子装置负电阻引起的宽频谐振不稳定问题及其分析方法与解决方案。指出了非同步机电源必须依靠控制手段来实现与电网中其他电源的同步,其决定性因素是锁相环PLL,PLL失锁就意味着该电源与电网中其他电源失步,从而提出了广义同步稳定性的概念。阐述了基于正序基波相量的机电暂态分析方法难以对PLL特性进行准确模拟,从而提出了采用电磁暂态分析方法研究高比例非同步机电源电网广义同步稳定性的对策。阐明了由电力电子装置负电阻引起的宽频谐振不稳定问题的本质是电网遭受扰动后其电压、电流响应中以固有谐振频率振荡的自由分量的衰减特性,并提出了研究该问题的s域节点导纳矩阵法。

弱受端场景下角型链式STATCOM接入HVDC系统的阻抗建模及稳定性分析

为抑制电网换相换流器型高压直流输电(line-commutated converter based high-voltage direct-current,LCC-HVDC)换相失败的发生,静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)在受端系统得到应用。然而随着LCC-HVDC系统的发展及新型电力系统的构建,受端电网呈现弱电网的特征。在弱电网条件下,LCC-HVDC系统、STATCOM与弱受端电网交互作用容易引发谐波振荡。该文采用阻抗分析法分析了含角型链式STATCOM的LCC-HVDC系统与受端电网的交互稳定性问题。首先提出一种改进的LCC交流电流和直流电压计算方式,以避免LCC复杂的换相开关函数的线性化。然后基于谐波状态空间(harmonic state space,HSS)理论,分别推导了LCC-HVDC系统以及角型链式STATCOM的多输入多输出(multi-input multi-output,MIMO)阻抗模型。此外,为了便于阻抗测量和稳定性分析,将MIMO阻抗模型等效转化为单输入单输出(single-input single-output,SISO)阻抗模型,并分析了角型链式STATCOM未接入和接入LCC-HVDC系统下的阻抗特性,揭示了含角型链式STATCOM的LCC-HVDC系统在弱受端电网下振荡的机理。分析表明:LCC-HVDC系统单独运行时受端系统容易在中低频段出现正序谐波振荡,而角型链式STATCOM接入后受端系统容易在中低频段内出现负序谐波振荡。最后,通过仿真验证了分析的正确性。

考虑锁相环和换相失败的LCC-HVDC闭环动态相量仿真模型

为解决交直流混联系统暂态响应难以快速精确求解的问题,文中基于动态相量法基本原理,对电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)全系统进行详细的建模推导。首先建立含锁相环的换流器动态相量模型,通过将锁相环输出与改进开关函数相结合,准确还原换流器的工作过程,提高计算的速度和精度。随后,通过对直流线路和控制系统的精确建模,实现了系统的闭环计算。同时,针对逆变侧易出现的换相失败情况,提出复合判据和开关函数修正法对其进行快速判断和处理,拓展模型的适用性。将所建模型应用于CIGRE Benchmark标准直流系统,多故障类型下的仿真结果进一步证明了其相较于传统动态相量模型的优势。

基于谐波状态空间的高压直流输电系统SISO阻抗建模及稳定性分析

近年来,电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based on high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的稳定性问题得到广泛关注,多位专家学者建议采用谐波状态空间(harmonic state space,HSS)等线性周期时变建模方法对其分析。然而,HSS不可避免地提高了建模的复杂度与维数,在面对大规模交直流系统时具有局限性。同时,LCC-HVDC包含多类型谐波耦合,各部分耦合对稳定性的影响大小尚未得到充分论证。为此,文中以HSS为底层理论建立LCC-HVDC的耦合阻抗矩阵,揭示高压直流输电系统内部的谐波耦合机理。进一步,通过多频电路等效思想,提出三相系统多维阻抗的降维方法,将耦合阻抗矩阵无损降维成单入单出阻抗,以此分析不同次数的谐波耦合对阻抗特性与稳定性的影响。结果表明,考虑到13次谐波截断可以有效提升高压直流输电系统阻抗模型精度,但对稳定性分析结果的影响小于忽略工况变化、简化逆变侧带来的误差。

新能源基地经LCC-HVDC送出系统振荡机理分析与抑制策略(二):阻抗特性与振荡机理分析

该文基于系列文章1建立的电网换相换流器型高压直流(line commutated converter-based high voltage direct current,LCC-HVDC)阻抗模型,开展新能源基地经LCC-HVDC送出系统阻抗特性和振荡机理分析。首先,研究LCC-HVDC送端交流端口阻抗与阀本体交流阻抗、交流滤波器阻抗间的构成关系,分析直流线路、受端换流站、受端电网强度对送端换流站阀本体交流阻抗的主导影响;然后,研究送端换流站直流电流环对阀本体交流阻抗的重叠效应,分析送端换流站交流端口阻抗次/超同步频段负阻尼特性形成机理,并论述受端换流站和受端电网强度对送端交流端口阻抗特性的交互影响;接下来,建立新能源基地经LCC-HVDC送出系统等值模型,研究送端系统振荡边界条件,阐明LCC-HVDC对新能源并网点阻抗特性影响的变化规律,揭示直驱风机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)、双馈风机(doubly-fed induction generator,DFIG)、光伏(photovoltaic,PV)不同类型新能源基地经LCC-HVDC送出系统次/超同步振荡机理;最后,不同类型新能源基地经LCC-HVDC送出系统仿真结果验证了该文提出的次/超同步振荡机理的正确性和通用性。

计及频率耦合特性的LCC-HVDC送端系统阻抗建模与稳定性分析

随着双馈风电和高压直流输电(high-voltage direct-current,HVDC)在电力系统中的比例越来越大,电网换相换流器型HVDC(line-commutated converter based HVDC,LCC-HVDC)与双馈风电场、弱电网互联时会存在交互稳定问题,且振荡频率会呈现频率耦合特征。针对LCC-HVDC整流站存在的频率耦合现象,采用3-D傅里叶变换建立阻抗模型,分析LCC产生频率耦合现象的机理,进行各个影响因素对LCC频率耦合程度的敏感性分析。最后,研究频率耦合特性对LCC整流站、双馈风场、弱电网互联系统稳定性分析的影响,并通过时域仿真验证所得结论。