提升柔性直流电网盈余功率消纳能力的协调控制策略

柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、多能互补和友好型并网的有效手段。对于大规模风电采用孤岛方式接入的直流电网,在分析其功率盈余特性的基础上,分别提出了直流线路电流越限、非故障极MMC过载以及直流电网过电压情况下的故障穿越协调控制策略。针对直流线路电流越限的情况,通过合理切换故障极MMC的控制模式,使非故障极MMC自主消纳盈余功率,可有效解决直流线路过载问题;针对非故障极MMC过载的情况,设计了风电场精确减载控制及其与耗散电阻的协调配合方案,可有效降低投入耗散电阻及切除风电机组的概率及容量,在避免MMC过载的同时提高系统恢复速度;针对直流电网过电压的情况,设计了依据本地直流电压降低风电场出力的附加控制策略及其与耗散电阻的协调配合方案,可有效抑制直流电压变化率及幅值,提高系统安全稳定运行的能力。最后,基于RTLAB OP5600实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,分别验证了不同功率盈余工况下所提协调控制策略的有效性和可行性。

张北柔性直流电网盈余功率问题的机理分析及控制方法

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。新能源电场孤岛方式接入柔性直流电网时,由于直流电网故障后电压、电流发展速度和通过交流安控装置切除新能源机组时间匹配困难,特别是在新能源孤岛满功率接入条件下,任何扰动都可能引起柔性直流电网的盈余功率,进而引发柔性直流电网的大面积瘫痪。首先分析了新能源电场孤岛接入的柔性直流电网的2类盈余功率问题的机理,进一步研究了通过控制方法解决盈余功率的方案,包括:通过附加换流站的控制策略限制流入直流电网的盈余功率、通过换流站和新能源机组协调配合速降新能源机组出力、通过交流母线分列运行防止故障极影响健全极、控制直流电网正常方式传输功率、切除可能导致系统失稳的换流器以及换流站与交流系统联网运行。通过张北柔性直流电网工程的电磁暂态仿真,对解决方案的理论分析进行测试,验证了理论分析的正确性。

张北柔性直流电网盈余功率问题的耗能方法

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。新能源电场孤岛方式接入直流电网时,由于直流电网故障后电压、电流发展速度和通过交流安控装置切除新能源机组时间匹配困难,特别是在新能源孤岛满功率接入条件下,任何扰动都可能引起直流电网的盈余功率,进而引发直流电网的大面积瘫痪。针对新能源电场孤岛方式接入直流电网的2类盈余功率问题,归纳了6种备选耗能方法。以直流可控耗能电阻、交流耗能避雷器、交流可控耗能电阻为例,对耗能方法展开理论分析,通过张北柔性直流电网工程的电磁暂态仿真验证了理论分析的正确性。结果表明,交流可控耗能电阻方法可较好地解决第1类和第2类盈余功率问题,是张北柔性直流电网工程盈余功率问题较优的解决方案。

接入新能源孤岛系统的双极柔性直流系统盈余功率耗散策略

大容量新能源电能采用孤岛方式通过双极柔性直流系统送出具有广阔的应用前景。文中对存在的非故障极过负荷和直流过电压情况下的功率盈余特性进行了分析,提出了分组交流耗能电阻方案,分别设计了送端换流器故障和直流过压下的功率盈余控制策略,通过分组交流耗能电阻的精确投切避免功率盈余引起双极柔性直流系统停运。通过四端柔性直流电网实时数字仿真器(RTDS)和EMTDC仿真系统,对提出的2种功率盈余控制策略进行验证。仿真结果表明,所提策略能够实现功率盈余工况下的故障穿越,避免故障范围扩大。

柔性直流电网基于交流母线分列运行策略的功率盈余控制方法

直流电网具有低惯性弱阻尼的特点,各种扰动引发的功率盈余问题发展迅速,可能导致电网崩溃。首先分析了通过交流母线并列转分列运行时解决功率盈余问题的机理:对于送端站单极闭锁故障,交流母线分列运行可以避免故障极承载的功率被健全极转带,保护健全极换流器;对于受端站单极闭锁故障,母线分列运行的条件下可以闭锁送端站对应极换流器,消除盈余功率。将该方案与直流耗能装置进行对比,比较了两者的优势和不足,提出了减小故障后电压波动的可行策略。在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立了4端柔性直流电网模型,通过软件仿真的方式验证了解决方案的可行性。

新能源采用柔直电网送出功率盈余问题解决方案

张北柔性直流电网工程采用真双极接线,在单极故障后,非故障极转带故障极部分或全部损失的功率时,可能造成功率盈余问题。经比较后,推荐在送端换流站装设交流耗能装置,通过投入交流耗能装置消耗盈余功率,使非故障极正常工作,再有序切除风机,确保孤岛方式下的交流侧电网平衡,保障柔直电网的安全稳定运行。

基于桥臂调制波调整的多端柔直系统直流过电压抑制策略

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的多端柔性直流输电系统能够实现多电源供电和多落点受电,运行方式灵活,是解决清洁能源并网和消纳问题的有效技术手段。然而当系统受端交流侧发生故障时将出现盈余功率,导致直流过电压问题。对此,提出一种基于桥臂调制波动态调整的多端柔直系统直流过电压抑制策略。所提策略通过在换流阀桥臂调制波中引入直流电压偏差控制,动态调整暂态期间桥臂调制波的直流电压参考值,从而减少桥臂投入的子模块数量,最终达到抑制直流过电压的目的。为验证所提控制策略的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了送端光水打捆经四端柔性直流输电的外送系统,给出了所提控制策略的参数设计方法。通过设置受端交流系统不同工况,对比研究了所提控制策略投入后的系统直流过电压特性,结果表明所提控制策略可以有效抑制因受端交流侧故障引起的多端柔性直流输电系统的直流过电压。

新能源孤岛柔直送出系统耗能电阻优化配置研究

在新能源孤岛经柔直送出系统中,通过投入等容量分组交流耗能电阻可实现故障穿越期间系统盈余功率的消纳。当单组耗能电阻功率过大时,会对系统造成严重冲击。因此,提出了一种基于进制转换的非等容量交流耗能电阻优化配置方法及其投切策略。首先,分析了等容量分组交流耗能电阻的动作特性。然后,为柔直系统配置单组容量各不相同但总容量与柔直系统容量相等的多组交流耗能电阻,并对不同容量的耗能电阻进行组合,以获得不同的耗能功率。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建并网模型进行验证。仿真结果表明,采用该方法及投切策略提高了耗能电阻的投切精度,降低了对系统的冲击,缩短了故障恢复时间,实现了对故障穿越期间盈余功率的精准消纳。

应对受端交流故障的海上风电柔直并网系统主动能量控制方法

在海上风电柔直并网系统中,交流故障期间盈余功率的快速耗散是保证系统故障穿越性能及运行可靠性的主要技术途径。针对现有盈余功率耗散方案中存在通讯可靠性低、响应时间长、技术成本高及能量浪费等问题,提出一种基于主动能量控制的盈余功率主动回收方法。首先,通过分析不同交流故障类型下的故障电路,定量地验证利用柔直系统的能量裕度对盈余功率进行回收的可行性。随后,提出基于直流调制比的换流器解耦控制策略,并在此基础上设计能量回收方案及直流耗能装置协调控制策略。最后,通过在PSCAD/EMTDC中搭建典型海上风电柔直并网系统的仿真模型,对不同时长、不同故障类型的交流故障进行仿真,验证所提主动能量控制及能量回收方案的有效性。

海上风电柔性直流系统与风电机组协调控制策略

针对海上风电经MMC-HVDC并网系统岸上交流故障造成的直流过电压问题,提出一种利用海上换流站储能裕度吸收盈余功率和风电机组降低输出功率的协调控制策略。在故障期间,海上换流站采用能量控制,使其子模块电容吸收盈余功率,同时根据其当前能量的变化,抬升风电场交流电网频率,使得风电机组网侧变流器根据频率偏差协同限制注入柔性直流系统的功率,从而实现无需通信系统的直流过电压抑制。最后通过仿真验证了所提方法的有效性。

基于半桥子模块的混合式直流耗能装置正弦调制补偿策略

混合式直流耗能装置是用于远海风电经柔性直流送出系统的关键故障穿越设备。为了解决系统盈余功率较大时耗能阀正弦调制电压出现负值,进而导致半桥子模块不再适用的问题,提出了一种耗能阀正弦调制电压的交直流分量补偿策略,在保证调制电压非负性的前提下,通过增大耗能支路电流反向时的子模块电容对外放电功率来弥补子模块电容电压反向放电过程的缺失,通过延长单位周期内耗能电阻消耗最大功率时长来保证其峰值功率受限时平均功率仍能与系统盈余功率相当。分别基于盈余功率模拟系统和海上风电经柔性直流送出系统开展了仿真验证,结果表明正弦调制电压的交直流分量补偿策略可有效限制混合式直流耗能装置的功率器件数量,使基于半桥子模块的混合式直流耗能装置实现全系列盈余功率工况下的功率平衡控制,保证柔性直流系统在受端交流故障下的平稳穿越。

风电直流外送系统受端换流站过电压抑制策略

风电经直流外送系统受端故障必然在系统内产生盈余功率,由其导致的换流器过电压难题须被攻克。首先分析了换流器的过电压机理;其次,在受端换流站中设计了晶闸管旁路支路,保证在换流站承受过电压前将其旁路;再次,对送端换流站设计了耗能子模块拓扑结构,防止风电盈余功率致使送端换流站产生过电压;最后构建了数字物理混合实验平台,数字侧包括25台风电机组,物理侧为双端柔性直流输电系统实验样机,采用混合实验的方式对风电直流外送系统受端交流故障抑制策略的工程适用性进行了验证。

海上风电经柔性直流联网系统受端交流故障穿越协调控制策略

针对海上风电经柔性直流联网系统受端交流故障导致的直流过电压问题,提出了直流过电压协调抑制策略。针对单极直流过电压,通过合理切换双极MMC控制模式,可使故障极MMC主动维持直流电压稳定。并设计了风电场精确减载控制策略,以保证非故障极MMC满载运行,从而降低单极MMC退出对受端交流电网的影响。针对双极直流过电压,设计了一种基于本地直流电压测量信息的风电场减载控制策略,即根据直流电压变化率及偏差量主动降低风电场有功出力,以抑制直流电压上升率及幅值。并提出了附加桨距角控制及其参数选取原则,使风电场与各换流站内电容共同维持直流电压稳定,提高系统故障穿越能力。最后,基于RTLAB OP5600实时数字仿真平台搭建了系统仿真模型。不同受端交流故障情况下的仿真结果表明,所提直流过电压协调抑制策略可保证直流电压在安全运行范围,维持系统安全稳定运行。

装载机新型机械传动系统方案设计及节能分析

针对目前液力机械式装载机在循环作业下存在发动机能量利用率低,刹车频率高,造成能量损失严重以及制动系统零件寿命低等问题,提出了一种基于单排双行星轮行星机构传动并可进行制动能量回收与再利用的节能结构方案。以某型号轮式装载机为研究基础,主要对装载机铲掘及制动时的节能潜力进行分析计算,并利用Simulation X软件建立装载机传动系的模型并进行仿真,研究在这些过程中发动机盈余能量及制动能量的回收情况。最后得到了装载机在相应工作状态时的能量回收效率,验证了方案的有效性。

海上风电柔直并网系统主动能量控制与交流耗能装置协同策略

针对目前海上风电柔直并网系统采用直流耗能装置存在的工程经济性差、能量浪费等问题,该文提出一种能够协同交流耗能装置运行的主动能量控制策略。首先,通过计算柔直系统能量裕度,定量地验证基于主动能量控制的盈余功率解决方案的可行性。随后,提出柔直换流器交直流电流对偶控制技术,构建换流器的电容能量控制器。进一步考虑交流耗能装置的运行特性,提出换流器能量–交流电压控制器。在此基础上,设计可充分利用柔直系统能量裕度的主动能量控制与交流耗能装置协同控制方法。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建典型海上风电柔直并网系统的仿真模型,对不同故障类型的交流故障进行仿真,验证所提主动能量控制与交流耗能装置协同策略的有效性。

实现转子转速保护的双馈异步发电机有功输出速降新方案

当电网发生输电阻塞、直流闭锁、短路故障等异常状况时,迅速降低风电机组有功输出可有效减小系统发生安全稳定事故的风险。风电机组的变流器能够快速准确地控制有功输出,然而,由于桨距角动作缓慢,风力机捕获的机械功率难以及时调整以匹配速降后的有功输出,所累积的盈余能量易造成转子过转速,损害风力机机械系统。为此,提出一种通过协调控制直流卸荷电路与风力机桨距角实现转子转速保护的双馈异步发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)有功输出速降方案。在通过转子侧变流器将有功输出迅速降至指令值后,即投入卸荷电阻消耗不平衡能量来及时抑制过转速,同时尽快调整桨距角从根本上消除盈余能量,切出卸荷电阻,在更长时间尺度下维持初始转速。分别在执行上级有功速降指令与低电压穿越两种场景下,通过与现有仅依赖桨距角或能量装置的两种典型DFIG功率控制方案和常用撬棒保护方案的仿真对比,验证了该方案的多方面优越性。

混合式制动电阻变换器的电磁暂态仿真等效建模

为了解决孤岛新能源柔性直流送出系统中混合式制动电阻变换器原始模型的巨大网络节点数严重制约电磁暂态仿真速度的问题,提出了一种基于戴维南等效及嵌套迭代的混合式制动电阻变换器电磁暂态等效建模方法,将其拆解为4类运行状态各异的子模块网络,结合子模块中主/辅开关器件的触发指令组合,得到各类子模块网络的戴维南等效电路,并将依此合成的混合式制动电阻变换器支路等效模型代入柔性直流送出系统网络求解,进而反推内部子模块电气特性,依此循环,迭代求解。并利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC开展等效模型与原始模型的一致性仿真测试及仿真速度对比分析,结果表明所提方法能高度模拟混合式制动电阻变换器的外部运行特性及内部子模块变化特性,并可大幅缩短仿真时长。

柔性直流换流站断面失电过电压机理与抑制方法研究

柔性直流换流站断面失电(section power loss,SPL)指与换流站连接的交流线路异常断开,导致换流站失去功率交换通道的情况。对于张北工程,由于换流站一级断面一般只有1~2条输电线路,二级断面线路数量也较少,柔直换流站存在一定的断面失电风险。研究了断面失电后柔直换流器的工作原理以及相应的交直流过电压产生机理,提出了断面失电后交直流过电压的解析计算方法;并在此基础上从控制策略、控制器参数两方面提出了抑制断面失电过电压的方法;此外,考虑空载长线路的电容效应,提出了交流线路末端发生断面失电后的过电压计算方法。在PSCAD/EMTDC中搭建了张北工程柔直电网模型,对上述研究结果进行验证,得到如下结论:直流系统功率盈余、柔直控制器饱和是导致断面失电过电压的主要原因;可通过协调控制、优化控制器参数降低断面失电引起的过电压;空载长线路电容效应导致线路末端断面失电后过电压更严苛。

应对岸上故障的海上风电多端柔直系统协调控制策略

针对海上风电多端柔直系统岸上交流电网故障时的盈余功率问题,提出一种采用能量控制的多个海上换流站与风电机组的协调控制策略。在故障期间,部分海上换流站先启动能量控制,根据直流电压的变化抬升能量参考值,吸收直流系统中的盈余功率。剩余海上换流站对直流电压进行预测,当直流电压预测值超过限值后,剩余海上换流站启动能量控制吸收盈余功率。海上换流站在吸收盈余功率的同时对风电机组采用降压控制,根据换流站储能的增加情况降低风机侧交流电压参考值。风电机组网侧换流器根据交流电压的变化调节d轴电流参考值,减少输送到多端柔直系统的有功功率,避免多端柔直系统的直流电压越限。最后,在PSCAD/EMTDC中对不同类型的故障进行仿真,验证了所提协调控制策略的有效性。

海风柔直陆上主网交流故障穿越协调策略

针对海上风电经柔性直流送出系统中陆上主网交流系统故障时,因柔直系统无法主动调节系统输送的有功功率、风电机组调节过慢而导致的直流侧过压问题,实际工程中采用耗能装置进行辅助调节。首先,对几种耗能系统的经济、技术上的优缺点进行了对比,并提出了直流侧集中式耗能装置的控制策略;接着,基于耗能装置在主网故障期间可协调直流电压控制的特点,设计了可充分利用耗能装置与陆上换流器的协调配合策略;然后,针对陆上换流器在主网故障期间主动采用动态无功支撑技术,以助力主网交流电压进行了研究,构建了主网故障时的直流耗能装置与陆上换流器联合控制策略;最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了海风柔直的电磁暂态模型,针对不同功率水平、不同类型故障进行了仿真,验证了所提耗能装置控制策略、陆上换流器动态无功支撑策略的有效性。