LCC-C-MMC混合高压直流系统直流低电压穿越控制策略

现有传统混合高压直流(HVDC)存在3个关键问题:直流侧故障的自清除问题、电压源型换流器(VSC)输送容量难以与电网换相型换流器(LCC)相媲拟、整流侧交流故障引起的直流低电压穿越问题。为此,提出了一种新型的LCC-C-MMC混合高压直流方案,逆变侧由C-MMC改进型拓扑串并联组合构成。研究了混合直流稳态运行控制特性,分析了整流侧故障引起输送功率中断的原因。提出了带投旁通的后备定电压控制策略,分析了投旁通对过程中系统的等值电路和桥臂充电特性。通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所提控制策略的可行性。仿真结果表明:引入的3次谐波注入调制和无功功率动态调整策略扩展了系统的稳态和暂态调节范围,使得系统在交流电压跌落10%时运行特性良好;当故障严重时(如测试算例中交流电压跌落50%),旁通对快速旁路高位端的换流单元使系统进入半压运行模式,剩余健全的换流单元可维持功率的持续输送;投旁通对过程中,箝位二极管所串联的电阻可以有效抑制充电电流,减少处于闭锁状态的桥臂电容的上升幅值。

特高压混合三端直流输电系统定功率MMC交流故障穿越策略

送端采用电网换相换流器(LCC),受端采用模块化多电平换流器(MMC)的特高压混合直流输电系统是直流输电技术重要的发展方向之一。在该系统中,各换流站每极均由高、低两个阀组直流侧串联而成。当其受端MMC发生网侧故障时,现有穿越策略或将引起定有功功率MMC阀间均压环节失效,从而导致子模块电容过压的问题。针对该现象,首先梳理了系统在故障工况下面临的主要问题和矛盾;接着,重点针对阀间均压环节失效的内部机理进行了研究,并提出了一种基于有功功率限幅值的站间协调穿越策略,此外,为使其能够较好地适用于不对称故障,采用了一种零序电压注入的方法,以平衡不对称故障下相单元间的桥臂电流直流分量;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了相关模型,通过仿真对比,验证了本文策略能够兼顾不同受端站的桥臂过流和子模块过压风险,实现交流故障的可靠穿越,并尽可能地提升了故障期间的功率传输能力。

混合级联特高压直流输电线路纵联差动保护适应性分析

为探究现有高压直流输电线路纵联差动保护对混合级联特高压直流输电系统的适应性,结合混合级联特高压直流输电系统的运行方式,理论分析和仿真分析3种特殊运行方式下直流系统不同位置故障的故障特性和保护适应性。理论分析发现纵联差动保护适应性较好。仿真分析发现直流线路分布电容和逆变侧模块化多电平型换流器(modular multilevelconverter,MMC)控制特性影响在直流线路故障时直流线路电流延时自减值长时间处于波动状态,导致纵联差动保护长时间处于闭锁状态,此时,系统长时间承受MMC超大故障电流冲击。直流线路区外故障时整流侧与逆变侧直流电流差值的绝对值数值较大且长时间处于波动变化状态,纵联差动保护存在误动的风险。

大规模风电接入的特高压混合级联直流系统送端频率控制策略

针对特高压混合直流系统的送端电网由于高比例风电接入带来的频率易越限的问题,提出了风电与混合直流系统协调参与的送端电网频率控制策略。首先,介绍了混合直流系统的拓扑,其中送、受端均采用电网换相换流器串联模块化多电平换流器的结构;其次,分别在风机和传统直流换流站中引入考虑一次调频特性与惯性特性的附加频率控制策略,在柔性直流换流站中引入虚拟惯性控制策略;设计了风电与混合直流系统各站协调参与送端电网调频的时序动作规则与各换流站之间的电压协调策略;同时,基于风电与直流并网系统的频率响应模型,定性分析了风电与混合直流系统参与调频的机理,提出了相关控制参数的设计方法;最后,通过PSCAD/EMTDC中建立模型进行仿真验证。仿真结果表明所提频率协调控制策略可以提高送端系统的惯量与一次调频能力,有效改善交流系统在不同运行工况下的频率稳定问题。

大规模风电接入的特高压混合级联直流系统送端无功协调控制策略

随着新能源发电占比的不断提高,特高压直流输电系统的送端电网强度变弱,送端交流系统可能存在电压质量较差的问题。为提高送端弱交流系统的电压质量,基于大规模风电接入的特高压混合级联直流系统,提出了滤波器与模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)协调参与送端电网调压的无功协调控制策略。分别分析了该级联直流系统的运行特性、滤波器的无功控制原理以及MMC在不同运行工况下影响其无功支撑能力的因素。针对MMC在过载的运行工况下对弱交流系统无功支撑能力较弱的问题,提出了一种MMC直流电压自适应控制策略,根据MMC传输的有功功率调整其直流电压,以扩大MMC的无功功率极限。仿真算例表明,所提无功协调控制策略能够有效支撑送端弱交流系统的电压,提高送端交流系统的电压质量。

伪双极LCC-VSC型混合高压直流输电系统向无源网络供电的研究

电网换相换流器高压直流输电系统(Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)在功率传输特性、线路故障时的自防护能力、过负荷能力等方面均优于交流输电,但却无法向弱交流系统和无源网络供电。电压源换流器高压直流输电系统(Voltage Source Converter based HVDC,VSC-HVDC)可实现向无源网络供电的目的,但由于电力电子技术的局限性,VSC-HVDC系统投资成本过高。结合两者的优势,提出了一种新型混合高压直流输电系统(Hybrid High Voltage Direct Current,H-HVDC)。该系统的整流侧为两个6脉动LCC接一交流网络,逆变侧为三相二电平VSC接无源网络。在此基础上,对该H-HVDC的稳态数学模型、启动特性、稳态特性与暂态特性、单极闭锁进行了研究。仿真结果表明,该H-HVDC系统能实现向无源网络供电,且具有较高的稳定性,为混合直流的进一步发展提供了理论基础。

特高压混合多端直流输电系统中串联换流阀组间的电压平衡控制策略

特高压混合多端直流输电系统结合了电网换相换流器(line commutated converter,LCC)与模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的优势,可以实现多电源供电、多落点受电的远距离大容量输送要求。针对特高压混合多端直流输电系统中同一换流站内串联换流阀组之间的电压不平衡问题,分析了电压不平衡的原因,并提出了一种基于串联换流阀组间电压–功率偏差量的电压平衡控制策略,该控制策略简单有效便于工程实现。然后基于PSCAD/EMTDC搭建了特高压多端混合直流系统的仿真模型,通过对比切除/投入电压平衡控制时系统的动态特性验证了电压平衡控制策略的有效性。为进一步分析该控制策略对系统动态性能的影响,研究了特高压混合多端系统在功率阶跃变化和交流故障情况的动态响应,结果表明所提出的控制策略简单有效,且在不同运行工况下均可以实现串联换流阀组之间的电压平衡。

高低阀串联型特高压柔性直流不控整流异步充电时分压特性及其对系统的影响

乌东德特高压多端混合直流输电工程是目前世界电压等级最高、容量最大的柔性直流输电工程,具备无闭锁直流故障穿越能力,然而该工程为全桥+半桥混连结构,不控整流异步充电时交流断路器未合闸的阀组全桥模块被动充电,阀组直流端口呈现感应电压,某些接线方式甚至出现感应电压过高而引起系统跳闸停运。针对异步充电问题,从几种主要接线方式分析了阀组异步充电的分压特性和感应充电对系统的影响,提出了通过直流短接充电隔离阀组的方法解决阀组分压的问题,并根据异步充电特性提出了缩短异步充电时间间隔的方法解决阀组分压的问题。

LCC-MMC混合高压直流输电系统直流线路故障保护方案研究

该文提出一种适用于LCC-MMC(line commutated converter and modular multilevel converters)混合高压直流系统的直流线路故障保护方案,其中系统整流端为常规线控换流器(line commutated converter,LCC),逆变端为基于半桥子模块的模块化多电平换流器(half-bridge modular multilevel converters,HB-MMC)。文中根据LCC侧与MMC侧的故障等效电路,对两侧故障电流进行数学分析,得出通过控制LCC触发角和MMC子模块闭锁可限制故障电流的方法。为保证完全清除故障,提出一种改进的混合直流断路器模型,利用反并联晶闸管串联电容支路,进行电流的转移和能量的吸收,减小主开关关断压力。改进后的直流断路器模型成本低、损耗小,且故障清除能力强,适用于LCC-MMC系统单极接地和双极短路故障的故障保护。经分析,最终形成包括基于直流电抗器电压变化率的故障检测、LCC与MMC故障保护协调控制与混合直流断路器故障清除的整体保护方案,并在PSCAD中建立仿真模型,仿真结果验证了所提方案的可行性。经方案评估分析,所提保护方案在成本与损耗方面具有一定优势。

混合双馈入高压直流系统最大传输功率控制方法

常规高压直流(LCC-HVDC)与柔性高压直流(VSC-HVDC)落点之间存在电气通路时就构成了混合双馈入高压直流系统。VSC-HVDC系统具有有功、无功功率独立可调的特点,通过调节VSC-HVDC系统输出的有功、无功功率,可以提高在同等受端电网强度下LCC-HVDC系统的功率输送能力。在建立混合双馈入高压直流系统的数学模型和仿真模型的基础上,通过给出求解混合双馈入高压直流系统临界稳定状态的数值解法,分析了混合双馈入高压直流系统在不同受端电网强度下的功率输送能力,总结出调节VSC-HVDC系统输出的有功、无功功率对LCC-HVDC系统功率输送能力的作用规律,并在此基础上根据系统状态参数随受端电网强度的变化规律提出了混合双馈入高压直流系统基于定虚拟点电压控制的最大传输功率控制方法,该控制模式能针对受端电网强度的变化自动调节系统的功率参考值,使得混合双馈入高压直流系统能始终运行在输送最大有功功率的工作状态。

特高压混合三端直流输电系统换流站电流转移抑制策略

特高压混合多端直流输电系统需要具备有效的换流站电流转移抑制策略,尤其针对阀组投退过程,应避免因过流而触发暂时性闭锁。基于特高压混合三端直流输电系统,提出了2种采用受端直流电流作为控制量的电流转移抑制策略:基于直流电流-直流电压偏差量的电流转移抑制策略控制对象为阀组的直流电压;基于直流电流-直流功率偏差量的电流转移抑制策略控制对象为交流有功功率。然后基于PSCAD/EMTDC搭建了特高压混合三端直流输电系统的仿真模型,通过对比采用策略前、后系统的动态特性验证了所提抑制策略的有效性,并对比了2种电流转移抑制策略性能的优劣。仿真结果表明,投阀时基于直流电流-直流电压偏差量策略的抑制过流性能更为优越,退阀时基于直流电流-直流功率偏差量策略的抑制效果更为优越。

计及不同控制方式的混合直流多馈入系统电网强度评估

综合多种高压直流(HVDC)控制方式,进一步完善基于交流网络模态解耦的混合直流多馈入系统电网强度评估方法,使之适用于异构的基于电网换相换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)和基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)的混合直流多馈入系统的电压稳定分析.推导计及多种控制方式的LCC-HVDC直流侧雅克比矩阵,定性分析LCC-HVDC控制方式对电压稳定裕度的影响规律,在此基础上提出异构LCC-HVDC多馈入系统的电网强度评估方法.把握混合直流馈入系统电压稳定问题中的主要矛盾,将次要影响因素以模态摄动的形式进行近似计算,以保持电网强度评估方法的实用性和便捷性.通过数值计算和时域仿真说明所提方法的有效性.分析结果表明,LCC-HVDC的受端定熄弧角控制方式是恶化系统电压稳定性的主导控制模式,混合直流多馈入系统的电压稳定性随着直流容量减小或联络导纳增大而增强.

基于小干扰稳定性的多端混合高压直流输电系统控制参数分析与优化方法

多端混合直流输电技术综合了电网换相换流器与模块化多电平换流器的优势,是当前直流输电的研究热点之一。采用小干扰稳定性分析方法,可以从数学层面上对多端混合高压直流系统进行参数分析。然而,由于多端混合高压直流输电系统含有多个含有复杂控制器的MMC换流站,模型更为复杂,涉及控制参数众多,缺少便捷的工具进行研究,其控制参数对系统影响分析结果尚不明晰。为此,提出了一套基于小干扰稳定性分析的多端混合高压直流输电系统参数分析与优化方法,该方法可实现基于状态空间法含控制环节的多端混合高压直流系统的快速建模、主要影响参数筛选、参数的可行域计算与可视化展示以及基于粒子群算法的多端混合高压直流系统控制参数优化。介绍了该方法的主要步骤、实现原理以及算例应用情况。应用结果表明所提方法是对多端混合高压直流输电系统控制参数分析与优化的有效工具,可为多端混合高压直流输电系统参数设计提供参考。

混合双极高压直流输电系统的特性研究

为了充分发挥电网换相换流器高压直流输电系统(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)和电压源换流器高压直流输电系统(voltagesource converter based HVDC,VSC-HVDC)的优势,针对一种新型的混合双极高压直流输电系统(hybrid bipolar basedhigh voltage direct current,HB-HVDC)进行了研究,该系统的正极是传统的12脉动LCC-HVDC系统,而负极是VSC-HVDC系统。建立了由LCC正极和VSC负极组成的混合双极高压直流输电系统的模型,推导了其在稳态时的数学模型,并设计了正负极之间的协调控制策略。在PSCAD/EMTDC环境下对HB-HVDC系统的稳态和暂态运行特性进行了研究分析。最后对HB-HVDC系统和闭锁负极VSC-HVDC后LCC-HVDC系统的运行特性进行了对比研究。结果表明:HB-HVDC系统可以更好地调节交流母线电压,减少LCC极换相失败的可能性,并且具有快速的故障恢复能力;同时也证明所设计的协调控制策略可以有效地改善HB-HVDC系统的稳态和动态特性。

特高压混合级联直流输电系统抑制逆变站后续换相失败的无功功率调控方法

特高压混合级联直流输电系统在逆变侧采用了电网换相换流器(line-commutated-converter,LCC)和模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)串联的结构,其中LCC在逆变侧交流母线发生故障时易发生换相失败。首次换相失败通常难以抑制,为了抑制后续换相失败,文中提出了一种逆变站MMC的无功功率调控方法。该方法首先获取逆变站LCC关断角变化量,将其转化为无功补偿量补偿至多个MMC的无功外环控制,增加MMC输出的无功功率来支撑交流母线电压,达到抑制后续换相失败的目的。研究了无功功率调控方法控制参数的设计原则,在PSCAD/EMTDC中搭建了相应的仿真模型,对所提出的无功功率调控方法在三相故障和单相故障以及不同短路比及故障严重程度下的有效性进行了仿真验证,仿真结果表明无功功率调控方法不仅能够有效减小特高压混合级联直流系统发生后续换相失败的概率,而且可以改善故障过程中及故障恢复期间系统的暂态特性。

特高压混合级联直流输电系统中多MMC换流器间不平衡电流的均衡控制策略

特高压混合级联直流输电系统结合了电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的优势,具有很好的工程应用前景。该文建立整流侧为双12脉动LCC,逆变侧为一个LCC与3个并联MMC串联的特高压混合级联直流输电系统,针对其逆变站多个并联MMC站之间不平衡电流的问题进行研究,分析不平衡电流的产生机理,并提出一种基于不平衡电流进行功率补偿的电流均衡控制策略。该控制策略首先获得MMC换流站间的电流不平衡量,再转化为功率偏差量补偿至定有功功率控制MMC站的外环有功功率控制环节中,由此实现对MMC换流器间不平衡电流的均衡控制。基于PSCAD/EMTDC搭建特高压混合级联直流输电系统的仿真模型,在逆变侧LCC降压运行和交流侧故障导致LCC换相失败2种工况下,对比研究未投入/投入均衡控制策略时系统的动态响应特性,结果表明,所提出的控制策略不仅可有效均衡多个MMC换流器之间的不平衡电流,而且可显著加快系统的恢复速度,因此具有一定的工程应用价值。

特高压混合级联直流输电系统逆变侧MMC的功率返送现象及有功调控策略

特高压混合级联直流输电系统在逆变侧采用了多个模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)并联后与电网换相换流器(line commutated converter,LCC)串联的结构,其中定电压控制MMC在系统运行工况改变或发生故障时会产生功率返送现象。为了避免计划之外的功率返送现象,提出了一种简单有效的有功调控策略来改善功率返送现象,其基本原理为通过调节定功率MMC的有功指令来维持MMC换流站功率平衡。基于PSCAD/EMTDC建立了相应的电磁暂态模型,分别在不同工况下对有功调控策略的功率返送改善效果进行对比,电磁暂态仿真结果表明有功调控策略能够有效改善功率返送现象,而且也可以加快故障恢复速度,降低故障过程中及故障后系统主要电气量的波动。

4种多馈入高压直流输电子系统的仿真分析

以多馈入高压直流输电为例,分析了4种多馈入高压直流输电子系统的拓扑结构,基于PSCAD/EMTDC仿真软件建立了4种不同拓扑结构的多馈入高压直流输电子系统,通过接入受端弱交流系统,研究了4种多馈入子系统的暂态运行特性,仿真结果表明:整流侧为LCC、逆变侧为MMC的LCC-MMC HVDC系统的馈入有效地提高了LCC-HVDC的换相失败免疫力,缩短了故障恢复时间,改善了LCC-HVDC系统的暂态运行特性,提高了系统的供电可靠性。同时降低了VSC-HVDC、H-HVDC的工程造价和开关损耗,也避免了运行时换流器桥臂功率器件的动态均压问题,改善了输出波形的质量,该研究为以后工程应用中多馈入输电结构的选择提供一定的理论指导。

一种具有直流故障穿越能力的混合直流输电系统

针对一种整流侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC)、逆变侧采用LCC与模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)串联的混合直流输电拓扑结构进行研究,建立混合直流输电系统模型,推导稳态数学模型,设计系统协调控制策略,并分析其穿越直流故障的机理。在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建混合直流输电的模型,对系统的启动、稳态、交流故障及直流故障穿越特性进行研究。仿真结果表明:系统具有良好的启动和稳态特性;MMC可改善逆变侧交流系统电压稳定性,降低换相失败发生的概率;系统具有直流故障穿越与快速恢复的特性,适用于架空线路输电的场合。

基于最大调制比的LCC-MMC混合直流交流侧故障控制策略

对现有常规直流工程进行逆变站柔性化改造,是解决多馈入直流输电系统潜在级联换相失败问题的一个有效方案,改造后的混合直流系统整流站沿用电网换相换流器,逆变站新建模块化多电平换流器。首先对电网换相换流器和模块化多电平换流器(LCC-MMC)混合直流系统的拓扑结构、基本控制方法以及整流站交流侧故障时功率骤降问题进行了阐述。然后,针对上述问题,提出了基于最大调制比的交流侧故障控制策略,在整流站交流侧故障时,该策略能够通过调节逆变站模块化多电平换流器的调制比,维持直流电流的恒定,降低混合直流系统传输有功功率的跌落幅度,从而减小传输功率骤降对逆变站交流系统的冲击。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了混合直流输电系统的仿真模型,验证了所提控制策略的有效性。