多光伏发电直流网及其控制策略

提出一种多光伏发电直流网拓扑结构,系统包含多光伏电池、蓄电池、直流母线以及功率因数校正、双向直流变换等电路。光伏电池因地制宜分布式配置,并通过直流变换器连接到低压直流分支母线,直流变换器依据分支母线电压变化情况,实时调节光伏电池输出功率以满足负载用电及确保分支母线电压稳定;高压主母线通过双向直流变换器连接各供电单元以及蓄电池,双向直流变换器通过主母线实时调节各分支母线电能分配,当整体发电还有剩余时为蓄电池充电,而出现功率需求缺额时由蓄电池放电补充。依据能量平衡原理,对系统母线电压进行控制。为提高供电可靠性,光伏发电系统通过功率因数校正电路与公共电网单向联系。Matlab环境下系统模型仿真证明了所提控制方法的正确性与可行性。

独立光伏发电直流网能量管理控制策略

针对目前直流母线式独立光伏发电系统的供电稳定性较差的问题,以蓄电池组作为储能单元,选取具有电气隔离的双向DC/DC变换器来实现直流母线电压的稳定。根据光伏阵列输出功率和负载功率之间的关系以及蓄电池组端电压的不同将系统分为6种工作模式。给出了系统在各个模式间切换的程序流程图,设计了单向变换器和双向变换器的控制策略。最后基于Matlab/Simulink制作了仿真模型,仿真结果表明,当系统的光照或者负载变化时,通过控制能量在蓄电池组和直流母线之间的传递以及系统工作模式之间的切换,直流母线电压的稳定性得到了有效控制。

含电压源型换流器直流电网的交直流网络潮流交替迭代方法

随着电压源型换流器(VSC)及基于VSC的并联型直流电网的不断发展,未来电网会形成含VSC的多直流母线、多直流联络线和多直流负荷的交直流网络。文中分析了VSC的稳态模型及其控制方式,详细推导了含VSC直流电网的交直流网络稳态潮流模型,研究了不同控制方式直流电网的潮流求解方法。在此基础上提出了一种通用交直流网络潮流交替迭代方法,该算法根据VSC换流站的不同控制方式在交流侧和直流侧解耦等效,先进行直流电网潮流迭代,后进行交流电网潮流迭代,二者交替计算直至直流电网、换流站和交流电网全部收敛。算法适用于不同的直流电网控制方式且考虑了直流变量约束条件和运行方式的合理调整。最后在改进的IEEE 57节点交直流电网上,验证了所提出的交替迭代方法的有效性和准确性。

含柔性直流电网的交直流网络潮流计算方法综述

为解决大规模新能源并网和消纳问题,基于柔性直流输电的直流电网技术备受关注。相比传统高压直流输电,基于电压源型换流器的直流电网运行方式更为灵活,其控制方式的多样化将使得传统潮流算法不再完全适用。总结了目前含柔性直流电网的交直流网络潮流计算的相关文献,分析了两端、多端直流输电潮流求解算法以及考虑损耗的换流站建模处理方法。梳理了换流器和直流电网不同控制方式与潮流节点类型的对应关系以及对构建潮流方程的影响,并针对不同控制方式切换带来的雅可比矩阵维数变化问题,总结了交直流网络潮流统一表达和高效求解方法。结合柔性直流电网发展方向,展望了未来潮流计算相关技术领域的研究重点并提出了相关建议。

从直流网压越上限问题引发的地铁节能思考

根据西安地铁三号线发生的直流1 500 V网压越上限频繁报警问题,本文通过系统性分析,查找出问题的根源,并由此引发制动电阻启动电压对于地铁节能影响的思考,综合论证后最终提出问题的最优解决方案,同时对城市轨道交通项目设计阶段关于制动电阻启动电压提出相应的工作建议。

采用扩展微分代数方程法的直流网络模块化建模

交流电网的能量主要存储于同步发电机的动能中,具有惯量大的特点,交流电网稳定性研究中通常将交流网络建模为代数方程。直流电网的能量主要存储在换流器电容和直流网络的电容、电感中。直流网络与换流器的储能能力甚至超过了发电机的储能能力。为此,直流电网稳定性研究中不宜将直流网络简化为代数方程,而应考虑直流网络的微分动态方程。为精确地对任意复杂直流网络进行建模,提出了一种采用扩展微分代数方程的模块化建模方法,该方法可以方便地消除直流网络微分动态方程中的冗余状态变量,通过子矩阵的拼接、相乘等运算可以模块化的得到直流网络的动态模型从而省却手工推导动态模型状态空间矩阵各元素值的繁冗运算。最后以一个四端口直流电网为例,通过对比文中方法建立的小信号模型与详细电磁暂态模型时域仿真结果验证了所提出建模方法的准确性。

基于电流模分量特性的多端柔性直流配电网线路纵联保护

多端柔性直流配电网因在供电可靠性方面极具优势而受到广泛的关注,然而对于直流线路保护中故障的快速、可靠识别成为其急速发展所需解决的关键问题之一。因此,设计了一种利用电流模分量特性的直流线路纵联保护方法。该方法利用故障时正极电流线模分量方向来判别区内外故障,以不同故障条件下故障点正极电流零模分量平均值的差异来构造保护判据,从而判别故障类型,形成保护策略。最后,在PSCAD/EMTDC4.5上搭建了多端柔性直流配电网模型,对保护判据及关键影响要素进行了仿真分析。结果表明,该保护方法能够有选择性地快速、可靠识别区内外故障及故障类型,且具有较好的耐过渡电阻与抗噪声能力。

基于功角轨迹灵敏度的交直流电网振荡抑制优化

高压直流线路稳态功率影响交直流互联系统功角稳定性。为抑制同步发电机功角振荡,基于功角轨迹灵敏度,提出对故障前直流功率的优化方法。建立交直流系统轨迹灵敏度解析表达,引入中间变量确定功角和稳态直流功率关系。推导潮流解对稳态直流功率的灵敏度,计算轨迹灵敏度初值。基于时域仿真中网络约束方程,推导含直流变量的不平衡项。以功角差最小为目标,提出稳态直流功率优化模型,采用内点法求解。仿真结果验证了所提算法对功角振荡的抑制效果。

基于混合储能荷电状态的光伏直流微网系统能量分配策略

针对混合储能系统在平抑光伏波动以及负荷投切时荷电状态(SOC)易越限问题,提出一种基于混合储能SOC的多模式协调控制策略。在传统低通滤波功率分配的基础上,提出一种基于超级电容荷电状态的动态功率修正策略,使超级电容出力后SOC向安全状态恢复;同时,为避免蓄电池频繁切换充放电状态,在其响应环节加入优化后的延时控制。此外,根据光伏出力情况、混合储能SOC,设计出满足直流微网系统动态平衡的六种运行模式,实时调节各储能单元出力情况。在MATLAB/Simulink中搭建了光伏直流微网混合储能系统仿真模型,仿真结果表明所提策略在各工况下均能稳定运行,有效延长了储能介质使用寿命。

基于混合型MMC的柔性直流电网故障电流阻断控制策略

柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、输送和并网的有效手段。针对基于混合型MMC的直流故障电流阻断方案会引起功率传输中断的问题,本文提出了一种混合型MMC负压控制与超高速机械开关协调配合的故障电流阻断方法,该方法能够快速阻断故障电流并维持非故障线路的功率传输。通过分析故障电流组成及关键影响因素,确定了换流站的控制目标,基于全桥子模块的电压调节自由度,提出了利用混合型MMC输出负压主动吸收故障电流的控制策略,并设计了其与超高速机械开关的协调配合方案,实现故障的可靠隔离。最后,基于RTLAB实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,仿真结果表明,本文提出的方法可快速阻断直流故障电流,缩短直流电网功率恢复时间,提高系统安全稳定性。

柔性直流电网故障暂态电压和电流特征分析方法

对柔性直流电网故障后的暂态电压和电流特征进行准确分析是设计新型故障保护方案的理论基础,现有利用首行波的故障特征分析方法未能有效反映故障点对故障行波多次折射和反射的影响,在近端故障时将产生较大的误差。利用建立的柔性直流电网故障后的等值电路图,求解得到不同位置故障点的初始故障电压、不同位置的折射和反射系数、以及故障点线模-地模耦合转化系数。提出了一种考虑行波多次折射和反射之后故障点等效故障电压的计算方法,并联合求解得到的系统中各位置故障电压和电流的传递函数,得到故障后暂态电压和电流的数值表达式。在PSCAD/EMTDC搭建环状四端柔性直流电网仿真模型模拟故障,通过仿真与理论计算的对比结果验证理论推导的正确性。

考虑制氢效率优化的氢-储-风直流微网功率协调控制

利用风电等新能源制氢是提高新能源消纳能力的一种有效技术手段。为适应风电及负荷功率的波动性并确保制氢电解槽高效运行,提出一种考虑制氢效率优化运行需求的氢-储-风直流微网功率协调控制方法。根据制氢电解槽优化运行区间和直流母线电压波动范围,将直流微网划分为正常运行模式(即制氢电解槽优化运行)和极端运行模式(即制氢电解槽非优化运行)。在正常运行模式下,通过电解槽的自适应下垂控制和电池储能含虚拟电容的变系数下垂控制,将电解槽运行点维持在优化运行区间内,保证电解槽高效安全运行;在极端运行模式下,通过氢/储控制策略灵活切换以确保直流微网电压安全。所提协调控制方法不但可快速抑制风电及负荷功率波动所引发的直流母线电压波动,而且可维持制氢效率处于较高水平。最后,通过PSCAD/EMTDC的仿真算例分析验证了所提方法的有效性和优越性。

柔性直流电网故障电流复合抑制策略

柔性直流电网在直流侧发生短路故障后,故障电流迅速达到较大峰值,严重时会危及整个系统电气设备的安全运行。为了在故障发生后的短时间内限制故障电流影响,提出一种不利用附加装置的电流抑制策略。首先,分析了直流电网结构与故障初期电流上升规律。然后,根据所得规律提出一种包含两个环节的电流复合抑制策略,给出电流抑制参数选取的原则,并分析了抑制策略下短路电流的发展规律。最后,在PSCAD/EMTDC平台搭建四端柔性直流电网模型进行仿真验证。结果表明,所提电流抑制策略可以有效减小直流线路过流倍数,降低换流器闭锁的概率,且故障切除后恢复阶段电流平衡度更好。

计及多重差异的交直流混合多能微网多时间尺度优化调度

近年来,可再生能源发电、热电联产、储能和电力电子变压器(PET)等技术发展迅速,有利于构建多能互补、清洁高效的交直流混合多能微网(MEMG),但不成熟的PET模型和复杂的不确定性为系统的优化调度带来了挑战。为此,首先构建了一种基于三级式PET的交直流混合MEMG结构,建立了包括PET在内的设备模型和不确定性模型;其次,提出了计及多重差异的MEMG多时间尺度优化调度策略,明确了日前-日内-实时三时间尺度调度的协调机制,其中,多重差异包含需求响应资源、系统调度目标和源荷预测精度在时间尺度上的差异,以及不同能量的响应特性差异;再次,建立了对应的多时间尺度优化调度模型,包括日前鲁棒机会约束优化模型、日内随机优化模型和实时分层滚动修正模型,并在日前调度中,改进了传统储能和电热耦合设备的备用模型,设计了基于PET的交直流系统备用共享机制,将调度模型转换为混合整数线性规划模型,给出了利用CPLEX求解器求解多时间尺度调度模型的步骤;最后,通过算例分析表明,所提调度策略可以通过逐级修正调度计划应对不确定性,且所设计备用方案兼具可靠性和灵活性。

交直流微网群系统运行模式划分及协同互助调控策略

面向包含柔性多状态开关的交直流混合微网系统的多模式运行与切换场景,提出了系统运行多模式划分方法及协同互助调控策略。首先,按照通讯方式、拓扑结构、负荷状态3个模式特点将系统划分为320种运行模式;然后,针对系统的不同运行模式深入分析对应模式下的功率传输平衡关系和内在切换逻辑,应用调控策略得到多模式运行下的电压源换流器(voltage source converter,VSC)有功功率调控指令,实现了系统多模式稳定运行和自由切换、馈线负荷均衡以及主变重载自动调控。最后,通过仿真验证了所提调控策略的可靠性,并分析了通信延迟对分布式控制的影响。仿真结果表明:所提调控策略能够保障交直流微网群系统在不同运行模式下稳定运行并灵活切换。

柔性直流电网直流侧极间短路电流初始阶段的量化评估指标

随着高压领域模块化多电平换流器(MMC)型的柔性直流电网大规模建设应用,若直流侧出现短路故障,短路电流在故障初期呈现上升速率快、峰值大等特点,限制了柔性直流电网的进一步发展。为了对短路故障情况下的直流侧电流值进行定量评估,本文从MMC型柔性直流电网固有特性的角度,建立了故障节点处产生的电流响应初始阶段量化评价指标,指导柔性直流电网的规划与运行。首先,提出了一种以MMC输入输出特性为基础的故障电流求解方法,为后续的短路电流量化评价奠定基础。其次,解耦分析柔性直流电网间的短路电流,并从系统固有特性的角度建立了短路电流初始阶段的量化评价指标。最后,在配置特征和架构组成存在差异的各类柔性直流电网上,对所提出的解耦短路电流求解方法和定量指标进行验证。结果表明,所提出的指标能够在不计算短路电流的情况下量化评价柔性直流电网的短路电流,并为柔性直流电网的网络结构设计、运行模式以及参数选择提供技术支持。

多变流器互联交直流微网集群一致性功率协同控制

为增强多变流器互联交直流微网集群系统运行稳定性、可靠性及控制灵活性,本文提出一种一致性功率协同控制策略。控制系统包含互联变流器(DC-DC、DC-AC)柔性控制和交、直流微电网下垂控制等。互联DC-AC和DC-DC均采用双环控制,外环将一致性耦合控制和功率分配环节相结合,内环分别采用虚拟同步控制和移相控制。本文所提控制方法,系统仅基于就地量测频率或直流电压等信息,可同时实现子系统间功率协同互济、多互联变流器功率分配及多运行模式自适应平滑切换等目标。最后通过PSCAD/EMTDC仿真模型对所提方法的有效性进行了验证。

区域互联多电压等级直流电网运行控制系统

为了提高直流电网运行控制能力,设计了区域互联多电压等级直流电网运行控制系统。分析电网的单级接线和双极接线的运行状态,通过搭建换流器和逆变器完成系统硬件设计。在软件设计中,设定功率调制功能、定电流控制功能、定电压控制功能,通过确定两个地区间的交流功率变化实现功率调节,根据定电流控制原理得到传感器输出数值,以此实现定电流控制,结合直流输入功率实现定电压控制,达到直流电网运行控制的目标。实验结果表明,设计系统的控制结果与标准要求吻合度在95%以上,具有极强的控制能力。

考虑瞬时功率特性的高压直流电网双极短路故障识别技术

高压直流电网运行过程中,由于受到负载特性和电压波动等因素影响,电容电流及谐波等瞬时功率特性较为复杂,增加了对电网系统故障的识别难度。为此,提出考虑瞬时功率特性的高压直流电网双极短路故障识别技术。通过建立高压直流电网拓扑结构模型,分析高压直流电网的双极短路故障;结合高压直流电网端点的瞬时功率特性判断出双极短路故障发生区域。利用双端故障电流最大值定位法获取双极短路故障定位,完成对高压直流电网双极短路的故障识别。实验结果表明,所提方法对高压直流电网双极短路故障定位识别精度较高,提升了故障识别效率。

高压直流断路器在张北柔性直流电网中的应用

高压直流断路器是柔性直流换流站构成直流电网的核心设备,但±500 kV电压等级的高压直流断路器尚无应用经验。为了验证±500 kV高压直流断路器在实际应用中的开断特性,介绍了机械式、耦合负压式、混合式3种不同技术路线的高压直流断路器的拓扑结构,在张北柔性直流电网中通过现场实际短路接地故障,验证了±500 kV高压直流断路器能够在3 ms内可靠切断故障电流,最后对3种不同技术路线的高压直流断路器工作特性进行对比分析,指出了不同技术路线的高压直流断路器在分合闸过程中存在的问题,为大容量高压直流断路器的研制与应用提供一定参考。