考虑换相过程的电网换相换流器小信号阻抗建模

建立准确的数学模型对于判断电力系统稳定性具有重要意义,其中阻抗模型凭借简单有效的优势成为判断系统稳定性的常用工具。为完成考虑换相过程的电网换相换流器阻抗建模,在dq坐标系下采用了基于平均化的小信号建模方法。首先,将换相重叠过程中各物理量的非线性变化过程利用小信号法线性化,建立了物理量之间的传递函数;然后,加入了交流电源侧的交流网络简化模型,同时考虑了定电压控制方式和锁相环的建模,得到电网换相换流器直流侧和交流侧的等效阻抗模型;最后,通过对比PSCAD/EMTDC仿真结果和模型计算结果,证明了阻抗模型的准确性。

基于简化开关函数的电网换相换流器直流侧简化阻抗建模方法

研究换流器的阻抗频率特性对分析高压直流(HVDC)输电系统的稳定性具有重要意义。提出一种基于简化开关函数的电网换相换流器(LCC)直流侧简化阻抗建模方法。首先通过对LCC换相过程进行数学推导,提出了LCC简化开关函数;然后基于动态相量法,通过LCC交、直流之间谐波传递的分析和计算,得到了LCC直流侧简化阻抗;最后在PSCAD中建立了仿真模型,仿真结果验证了所提方法的有效性,且相比未简化方法提升了计算效率,计算结果更为可靠。所提方法能够降低建模复杂度,可为分析大型复杂系统稳定性提供LCC直流侧阻抗的快速计算模型。

新型可控电网换相换流器拓扑及其控制方法

为保持传统电网换相换流器(line commutated converter,LCC)低损耗、高可靠性和经济性等优点的同时,又避免换相失败故障风险,提出一种新型具有可控关断能力的电网换相换流器(controllable line commutated converter,CLCC)拓扑结构。该拓扑基于全控和半控器件混联的设计思路,首先通过全控型器件转移电流,等待晶闸管关断能力恢复后,再利用全控器件关断电流以快速完成桥臂间换相。可控电网换相换流器主要包括常规换流和可控换流2种运行模式,研究不同运行模式下换流器的工作原理及换流器内部控制策略。通过搭建特高压直流输电系统仿真模型,分析可控电网换相换流器的暂、稳态和典型故障态运行特性。仿真结果表明,在发生交流故障时,可控电网换相换流器可以主动关断桥臂电流实现强迫换相,同时提供一定的无功支撑,解决多馈入直流系统换相失败问题,有利于提高电网安全稳定运行水平,提升多直流馈入受端电网电力接纳能力。

电网换相换流器和电压源换流器串联组成的混合直流换流器控制和保护研究

基于电网换相换流器和电压源换流器串联的混合直流换流器在克服交流故障时的换相失败和直流故障时的重启动具有优势。分析了该混合直流换流器运行方式、控制策略、电压源换流器保护原理、抵御换相失败原理和直流线路重启过程,认为由该混合直流换流器组成的高压直流输电系统,可克服传统直流和柔性直流输电的主要缺点。当逆变侧的交流系统发生故障时,电压源换流器可提供电压支撑来抑制直流电流增加,缓解电网换相换流器换相失败效应。当直流线路发生故障时,逆变侧电网换相换流器可阻断电压源换流器产生的故障电流,具备直流线路故障重启能力。另外,电压源换流器还为电网换相换流器提供无功功率,从而减少换流站无功设备配置。

一种基于多频段动态相量的LCC换流器电磁暂态建模方法研究

为了提高仿真速度,在大规模交直流电网仿真中通常忽略换流器内部电力电子开关动作细节,重点关注换流器外部特性,动态相量法和频率偏移法常用来对换流器外特性进行建模。动态相量法通对信号进行时变傅里叶频率分解和移频变换,降低信号频率,能够增大仿真步长,但由于存在谐波截断误差,导致模型精度较低。频率偏移法一般适用于窄带信号,用于宽频域仿真时,无法采用大步长提高仿真速度。为了解决仿真精度和速度的矛盾。基于此该文建立换相换流器(line-commuted converter,LCC)的多频段动态相量模型,实现提高精度和增大仿真步长的目的。首先引入能够反映交流系统不对称的换流器改进开关函数模型,在此基础上,以六脉动为例推导LCC多频段动态相量耦合模型。然后,根据LCC的运行特性对上述模型进行频段解耦,得到多频段解耦模型,使其可应用于多核CPU的并行仿真。最后通过算例,验证该文多频段LCC动态相量模型的有效性。

基于有源换相换流器的交直流智能配电网控制策略

为了实现配电网潮流的优化分配和光伏、电动汽车、储能电池等直流负荷高效可靠接入城市配电网,提出了一种基于有源换相换流器(active commutated converter,ACC)的交直流智能配电网系统。提出的系统采用ACC连接交流配电网实现潮流的优化分配,采用基于有源换相换流器-电压源换流器混合的直流变换器(DC/DC converter)实现分布式直流负荷的有效并网。分析了有源换相换流器和混合直流变换器的数学模型,提出了一种适用于交直流智能配电网系统的综合控制策略,实现了系统内所有换流器的单位功率因数运行,分析了系统直流短路故障特性。在PSCAD/EMTDC和RT-LAB半实物仿真平台中搭建了基于ACC的交直流智能配电网模型。仿真和实验结果表明,在正常工况下提出的控制策略能够实现所有换流器的单位功率因数运行。当直流故障发生时,所提出的控制策略能够实现系统平稳穿越。

交直流混联电网LCC-HVDC换流器建模方法综述

交直流电网混联,大规模电力跨区输送成为我国电力系统的主要特点。电网换相换流器型直流输电(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)是我国交直流混联电网的主要组成部分,为实现交直流混联电网快速、准确仿真,该文对现有的LCC-HVDC换流器建模方法进行了分析与总结,对其优缺点进行评述,并根据作者观点,提出可进一步研究的内容:在仿真规模较大的交直流混联电网时,可用开关函数对LCC-HVDC进行建模,但模型准确度需要提升;多条LCC-HVDC输电线路的仿真可使用换流器级别模型与换流阀级别模型进行组合仿真;不同精细程度模型之间的数据接口要进行优化设计。

电网换相换流器整体化电磁暂态仿真模型及算法

现有的电磁暂态仿真算法能够准确刻画基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统的运行特性,但计算量较大。为了提高LCC-HVDC输电系统的仿真效率,对现有常用的电网换相换流器电磁暂态仿真模型进行了简化,提出电网换相换流器整体化电磁暂态仿真模型与求解算法。整体化模型包含换流变压器与换流阀,换流变压器采用简化模型,换流阀采用理想开关模型,能够对换流器的电气网络结构进行简化。该算法将换流器电气网络拓扑结构分割为主网络与副网络,首先对主网络求解,然后根据得到的结果对副网络求解,最后更新当前仿真步长各换流阀的电流和电压。在PSModel仿真软件中对整体化电磁暂态仿真模型及算法进行了编程实现,并与PSCAD/EMTDC仿真结果进行对比,验证了其高效性与准确性。

基于动态相量法的电网换相换流器谐波传递研究

在高压直流系统中,尤其是电网换相换流器(line commutated converter,LCC)中,由于电力电子器件的非线性特性而产生的丰富谐波,对交直流互联系统的稳定构成了潜在的威胁。首先,在考虑换流变压器连接方式的前提下,通过结合换相过程物理意义进行数学推导,改进电压开关函数,提出一种改进统一的电压电流开关函数,改进后的电压和电流开关函数具有相同的形式,计算时可节约一半的储存空间;然后,基于动态相量使用矩阵运算,提出LCC谐波变换定量分析计算方法,包括LCC特征谐波的计算方法,所提方法可以计算谐波的幅值及谐波的相位,简化计算过程并提高计算精度;最后,将所提方法及相关文献方法的计算结果与PSCAD仿真结果进行比较,证明所提方法有效且精度更高,可作为滤波器设计和谐波传递评估的基础。

主动抵御换相失败的增强型电网换相换流器控制策略

为了进一步提高增强型电网换相换流器对换相失败的防御能力,结合换相回路的阻抗分流特性和晶闸管的关断特性,提出了一种应用于基于增强型电网换相换流器的高压直流(ELCCHVDC)系统的新型协调控制策略。该策略分为辅助换相控制和主动可靠关断控制,前者加速了换相过程,提高了系统换相裕度;后者可靠关断退出导通的阀臂,保障了阀内晶闸管恢复阻断能力的物理条件。此外,分析了子模块全控器件在所提策略下的电气应力并为其设计了最佳初始电容电压。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,子模块全控器件的电气应力与理论分析相符,新型协调控制策略提高了ELCC-HVDC系统的换相失败防御能力。

增强型电网换相换流器的关断角测量控制方法

结合自定义γ角测量原理和增强型电网换相换流器(evolutional line commutated converter,ELCC)的工作状态,设计了ELCC的关断角测量方法和控制输出流程。在PSCAD/EMTDC中建立了具备关断角测量输出模块的新ELCC模型,并与CIGRE标准测试模型在暂态和稳态等不同条件下进行了仿真对比。结果表明,新ELCC模型与CIGRE标准测试模型在稳态工况下具备高度的等价性;在故障期间,新ELCC模型较CIGRE标准测试模型具备更强的交流侧单相故障抵御能力,有效地防止了换相失败的发生。验证了ELCC关断角测量输出模块的准确性,也为换流阀拓扑改造设计提供了参考。

基于全控阻容模块的电网换相换流器方案设计及机理分析

为提高电网换相换流器(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)在严重故障情况下抵御换相失败的能力,提出了一种基于全控阻容子模块(fully controlled resistance-capacitance sub-module,FCRM)的电网换相换流器拓扑方案,通过提供换相电压支撑,限制故障电流,提高了系统抵御换相失败的能力。首先提出FCRM的基本结构和工作模式,分析基于FCRM的电网换相换流器抵御换相失败的作用原理,然后研究故障态FCRM的作用机理和开关器件电气应力。通过对阻尼电阻能量耗散进行计算,提出阻尼电阻的设计原则。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,在严重故障下,FCRM电压电流应力满足器件要求,基于FCRM的电网换相换流器可以快速完成换相,增强系统的换相失败免疫能力。

兼具换相电压补偿和直流电流抑制能力的电网换相换流器拓扑

为提高传统直流输电系统抵御换相失败的能力,改善系统故障期间的动态特性,提出了一种基于晶闸管型全桥子模块(T-FBSM)的复合型电网换相换流器拓扑,在故障期间可以通过控制工作模式的切换同时实现换相电压的补偿及直流电流增长的抑制,从而提高换相失败的免疫能力。研究了T-FBSM与换流阀的协调控制策略,并设计了T-FBSM电气参数。最后,在PSCAD仿真环境中设置不同仿真案例,验证了所提新拓扑的电压、电流应力及换相失败抑制效果。仿真结果表明,所提复合式电网换相换流器拓扑协调控制策略及所设计的T-FBSM电气参数合理、有效,同时所提拓扑可以有效降低换相失败概率,并可改善系统的恢复特性。

考虑交流侧特征谐波的电网换相换流器小信号建模

电网换相换流器(Line Commutated Converter,LCC)作为技术性能优越的电力电子装置,可广泛应用于车辆、飞机、船舶、雷达站供电等军用电力系统领域。以可为军用雷达站、军事基地供电的基于电网换相换流器型高压直流输电(Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)系统为例,基于开关函数模型,推导建立了包含LCC整流站、LCC逆变站和直流线路的双端LCC-HVDC系统小信号模型,并与PSCAD/EMTDC详细电磁暂态模型进行对比,验证了所建立小信号模型的准确性;对比分析了考虑交流侧特征谐波分量与仅考虑交流侧基频分量的LCC-HVDC小信号模型的差异。所得研究成果可为向军用电力系统供电的LCC-HVDC系统的控制参数选取及小干扰稳定性分析提供模型基础。

探索高压输电-电网换相换流器

据美国能源信息管理局统计,2014年美国能源的平均零售价格为10.44美分/千瓦时,预计输配电损耗为5%。这一损耗值似乎很低,但是你必须考虑到美国的总净发电功率是4.1万亿兆瓦时。在这种情况下,5%的损耗意味着超过2000亿千瓦时和210亿美元的损失,因此努力改善电力传输方式成为了我们的优先事项。

面向新型电力系统的直流输电换流器统一拓扑架构

新型电力系统对直流输电技术提出了更高需求。该文首先介绍了直流输电的发展历程,并基于新型电力系统发展带来的挑战分析了常规直流输电和柔性直流输电两类技术的优势和不足。为此,从换流器拓扑入手,突破同构串联和异构并联两种常见拓扑架构,以晶闸管换流器和模块化多电平换流器为基础,提出了面向新型电力系统的异构串联型换流器统一拓扑架构。从运行区间、无闭锁故障穿越等技术性能和经济性、易实现性等工程应用角度综合对比分析了多种结构的换流器,证明了异构串联型换流器的优越性。最后,介绍了异构串联拓扑架构的两种具体应用,指出了未来发展方向。

新型IGCT直流输电换流阀运行试验研究及其等效性评估

换相失败问题(commutation failure,CF)是电网换相换流高压直流输电技术(line commutated converter high voltage directcurrent,LCC-HVDC)面临的固有难题。为了解决该问题,已有文献主要从拓扑结构、控制策略等方面着手,鲜见抵御换相失败的新型换流阀研制及试验研究。该文开展基于大功率逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate commutated thyristor,RB-IGCT)的新型换流阀试验研究及试验等效性分析。首先,阐释新型换流阀抵御换相失败的原理,并针对新型换流阀不同的工作模式,提出对新型电力电子器件的需求。然后,利用现有的型式试验合成回路平台开展适用于传统晶闸管换流阀的运行试验,并分析试验结果,得出大部分试验项目等效性较好而小熄弧角试验和关断试验等效性较差的结论。最后,针对这两项特殊试验提出新的试验方法和试验电路,可为新型换流阀的研发和应用提供一定的技术基础。

抑制风电场经LCC-HVDC并网系统交流过电压的无功功率分散协同控制方法

针对风电场经基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)并网系统换相失败导致的送端交流过电压问题,提出了无功功率分散协同控制方法。首先,研究了换相失败期间送端交流系统公共连接点(PCC)处电压和盈余无功功率特性。然后,从PCC处电压和无功特性出发,基于无功-电压耦合关系及交流侧潮流方程,分别确定了基于本地功率电压特征的LCC整流站触发角及风电场站无功功率参考值,通过分散控制LCC和风电场实现协同抑制PCC处过电压的目的。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了风电场经LCC-HVDC并网系统模型并进行了仿真研究,结果表明所提出的分散协同控制方法可以有效抑制换相失败后恢复期间的交流过电压水平。

多直流馈入受端电网的最大受电能力估计方法

为保证多直流馈入受端电网稳定运行,提出一种静态稳定约束下多直流馈入受端电网的最大受电能力估计方法。首先,基于奇异值理论推导出多直流馈入受端电网静态电压稳定约束;然后,在考虑静态电压稳定性约束的情况下,建立多直流馈入受端电网优化调度模型;接着,给出一种计及静态电压稳定约束的优化调度模型分段线性求解方法,并基于该方法给出最大受电能力估计方法;最后,通过修改的IEEE39节点系统验证本文所提方法的有效性。

适用于高压直流输电的组合型基频开关主动换相换流器功率因数控制策略研究

采用可自关断功率的功率半导体器件主动换相换流器(ACC)相对于传统的电网换相换流器(LCC)能够抑制换相失败的风险,相对于电压源型的模块化多电平换流器(MMC)拓扑简单,无需大量的储能元件,体积小、重量轻,因此,ACC在高压直流输电场合有广泛的应用前景。本文针对由两台ACC直流侧串联、交流侧并联组成的组合型ACC,提出一种开关频率为50 Hz的基频开关高功率因数运行方法。与LCC不同,基频开关ACC的触发时刻不受外部电路条件约束,具备触发角超前和触发角滞后两种工作模式,使得组合型基频开关ACC具备调节有功功率和无功功率的能力,能够工作在高功率因数运行状态。此外,本文分析了基于电网电压定向时ACC的功率传输特性,在此基础上,为了进一步提高网侧功率因数,引入功率因数补偿角对基频开关ACC的触发角进行调整,使组合型基频开关ACC的网侧运行在单位功率因数附近。仿真和实验结果均验证了本文理论分析及所提出的功率因数控制方法的正确性和有效性。