Practice and Prospect of AC/DC Hybrid Power Grid in Southern China

China Southern Power Grid is a unique EHV AC/DC hybrid transmission network that operates in China. In its service area, the distribution of energy resources and the development of economy are extremely unbalanced, so long-distance and bulk power transmission are needed; besides, the geography and climate conditions are serious, rains, fogs, lightning and typhoon as well as high temperature are common all the year round. Facing these challenges, the power grid enhanced stability control, improved the equipment and strengthen the network structure. In the future, the power grid plans to optimize the disposition of power sources and build digitalized power system.

考虑VSC-HVDC作用的LCC-HVDC系统短路比实用计算

准确量化LCC-HVDC(电网换相换流器型高压直流输电)及VSC-HVDC(电压源换流器型高压直流输电)多馈入系统的传输极限和电网强度是保障新型电力系统稳定运行的关键之一。通过改进传统LCCHVDC交直流系统的电网强度量化方法,提出了量化混合直流馈入系统电网强度的短路比指标,以此分析交直流系统的传输极限。首先,根据潮流方程建立混合直流馈入系统的准稳态模型;其次,通过分析雅克比矩阵奇异性与直流馈入系统功率传输极限的关系,得到用于评估混合直流馈入系统中LCC-HVDC传输极限的短路比指标,并分析指标临界值与VSC-HVDC运行方式的灵敏度关系;最后,通过PSCAD/EMTDC及MATLAB平台验证了短路比指标的有效性。分析结果表明:VSC-HVDC在受端定电压控制方式下具有更好的电压支撑能力,同时VSC-HVDC的运行方式对LCC-HVDC传输极限的影响较小,可通过所提指标进行定量分析。

具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器

为解决柔性直流电网中混合式直流断路器成本高以及盲目重合闸的问题,提出了一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器。所提断路器能够在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器,配合电容充电回路的导通,将本应经避雷器耗散的限流电抗器能量转移到电容中,从而有效减少了故障隔离时间与避雷器能量耗散压力,并为故障性质的判别提供了能量支持。同时,该断路器通过共享主断路器的方式实现故障隔离,结合避雷器泄能需求的下降,大大降低了断路器的制造成本,在经济性方面优势明显。此外,该断路器利用故障识别电流与电容电压在永久性故障与瞬时性故障下的幅值差异来识别故障性质,实现了自适应重合闸,操作简单且易于控制。最后,利用PSCAD/EMTDC在三端MMC柔性直流系统环境下对所提方案的有效性进行了仿真验证,并通过与其他方案的对比分析,证明了所提方案的优越性。

考虑条件风险价值的交直流系统两阶段分布鲁棒低碳经济优化调度

考虑到海上风电出力的随机性以及日益突出的生态环境问题,以含柔性直流输电技术(voltagesource converter high voltage direct current,VSC-HVDC)的交直流系统为研究对象,提出了考虑条件风险价值(conditional valueatrisk,CVaR)的两阶段分布鲁棒低碳经济优化模型,构建了基于Kullback-Leibler(KL)散度的概率分布模糊集,同时利用条件风险价值量化了极端场景下的尾部风险,使得模型能够同时考虑概率分布不确定性以及处于最坏概率分布中极端场景下的尾部损失;此外,将阶梯型碳交易机制并入所提分布鲁棒模型中,通过合理利用柔性资源和储能装置,增强系统运行的灵活性,在兼顾运行风险的前提下,降低碳排放量的目标。再者,为了提高计算效率,在列和约束生成算法(column-and-constraint generation method,C&CG)和Multi-cut Benders分解算法的基础上提出了双循环分解算法。最后,在基于改进的IEEE RTS 79测试系统中验证了所提模型及算法的有效性。

构网型和跟网型电力电子装备混联系统惯量响应的匹配问题综述

构网型和跟网型电力电子装备具有异质化调频特性,导致2类装备交直流混联系统惯量响应阶段的动态交互作用机理复杂,传统的惯量参数匹配原则难以优化系统频率响应的问题。阐述了电力电子装备系统的惯量响应匹配问题,并对现有电压源型变流器的调频控制方法进行了概述。从功频响应分析方法、调频功率分配原则和频率响应特性3个方面对电力电子装备系统惯量配置问题的研究现状展开梳理。对电力电子装备混联系统的统一建模及惯量响应匹配问题提出了研究思路,旨在通过惯量支撑功率的匹配控制提升低惯量电力系统的频率稳定性,从系统层面为高比例电力电子装备友好并网提供基础理论和关键技术支撑。

含多类型直流的交直流混联电网潮流计算方法适用性分析

作为电网发展的新阶段,交直流混联电网呈现多类型直流参与、大规模交直流互联的特点,而关于统一迭代和交替迭代2种潮流计算方法的适用性尚未得到深入分析。为此基于含多类型直流的交直流混联电网对2种潮流计算方法的运算性能进行对比研究。推导了含常规直流、柔性直流、混合直流的交直流混联电网潮流模型,进而提出了相应的统一迭代法和交替迭代法。通过3个交直流混联电网测试系统和南方电网实际系统数据验证了潮流模型的有效性和潮流算法的准确性,结合系统负荷水平、系统强度、直流嵌入规模等因素对2种潮流计算方法的收敛性能和计算速度进行对比分析。研究结果表明,在含多类型直流的交直流混联电网中进行潮流计算时,统一迭代法的计算效率比交替迭代法高。

考虑新能源高阶不确定性的交直流混联电网静态电压稳定裕度计算

随着大量新能源场站接入交直流混联电网,系统的静态电压稳定裕度(static voltage stability margin,SVSM)水平具有很大的不确定性,需要研究考虑新能源场站高阶不确定性的交直流混联电网SVSM计算方法。针对此问题,首先建立了交直流混联电网SVSM计算模型,模型中考虑了直流换流站控制方式随负荷增长的切换;采用概率盒模型描述风速与光照强度的随机波动,提出了改进区间半不变量法以获得更准确的SVSM概率盒,该方法通过K-means++聚类算法将随机变量样本划分为多个波动范围较小的样本集,以降低半不变量的线性化计算带来的误差;并结合Gram-Charlier级数展开和概率加权和计算得到考虑新能源场站高阶不确定性的系统SVSM概率盒。通过对修改的IEEE-39节点交直流系统和南方电网两个算例的分析,并与区间半不变量法和双层蒙特卡洛法比较,验证了所提出方法获得的SVSM概率盒具有较高的计算精度和效率。

新型电力系统标准算例(一):功角稳定CSEE-RAS

含高比例新能源交直流混联电网的稳定特性已发生深刻变化,功角稳定依然是威胁系统安全运行的关键问题,相关研究对标准算例的真实性、合理性及代表性提出更高的要求。该文根据实际电网拓扑和数据,构建适用于功角稳定特性研究的功角稳定机电暂态仿真算例(Chinese society for electricalengineering-rotoranglestability,CSEE-RAS),该系统以500kV为主网架,包含2个区域、1个交流通道、1个直流通道。提供2种运行方式,分别对应动态、暂态功角稳定场景,上述场景新能源出力占比均在50%以上。考虑新能源出力占比、机组接入位置和控制策略等因素,量化不同因素对稳定水平的影响。敏感性分析结果表明,该算例较为全面地反映了机电暂态尺度下的不同功角稳定特性,且具有灵活的拓展能力,可为功角稳定分析与控制的相关研究提供基础平台,有助于不同结论的横向比较和研究人员科研效率的提升。

电流畸变时AC/DC双向功率变换器的控制策略

在交直流混合微电网中,通过电力电子接口接入的可再生能源和非线性负载会使交流母线电流发生畸变。因此,要求AC/DC双向功率变换器不仅能可靠变换功率以保证交直流子网功率平衡,而且能抑制交流母线谐波电流。该文基于Fryze-Buchholz-Depenbrock(FBD)功率理论的谐波电流检测法,提出一种可以治理交流母线谐波电流的AC/DC双向功率变换器控制策略。该控制策略在实现交直流子网功率传输及母线电压稳定的基础上,还可以通过AC/DC双向功率变换器治理交流母线谐波电流,保证微电网具有良好的电能质量。最后通过仿真和实验验证了该控制策略的有效性。

面向直流微电网的混合级联多电平逆变器阶梯波控制策略研究

级联多电平变换器将数个全桥逆变模块以级联方式进行连接并予以控制,适用于中压大功率输出场景下的直流微电网,广泛应用于能量路由器、智能电能网关、固态变压器等电力电子装置中.传统级联多电平变换器所级联的每一路逆变模块的电压相同,限制了多电平输出电压的电平数量.为解决上述问题,将传统的母线电压相等的三路级联7电平逆变器改造成母线电压为2的倍数关系(20∶21∶22)的三路混合级联15电平逆变器,通过采用阶梯波控制方法,并针对最近电平逼近法进行了改良以产生开关器件的触发信号,可有效降低开关器件的开关频率和开关损耗,并将输出电压由7电平增加到15电平,有效降低谐波.从混合级联15电平逆变器工作原理、阶梯波调制方法、输出电压谐波等角度开展了理论分析与计算,最终搭建样机进行实验,有效验证了所提出的分析和研究.

交直流混合微电网中双向AC/DC变换器模型预测控制策略

基于模型预测控制理论,提出一种应用于交直流混合微电网的双向AC/DC变换器控制策略,用来平衡交直流子网间的能量流动,使系统能够安全可靠运行。为此,建立双向AC/DC变换器的动态模型,在变换器电压空间矢量有限的条件下,根据系统离散时间模型来预测系统下一采样时刻的输出值,利用价值函数确定开关管的状态。仿真结果表明,所提出的控制策略可行、有效。

考虑双重SOC的混合储能系统功率协调控制

为了降低直流微网系统中负载变化或者多源出力变化引起的功率波动,提出一种同时考虑蓄电池和超级电容荷电状态(state of charge,SOC)的混合储能协调控制策略。首先,分析直流微网系统协调控制原理,在此基础上,通过低通滤波器对所需平抑功率进行分频,低频功率由蓄电池承担,高频功率及系统开关的高频纹波由超级电容承担,根据频率响应确定了滤波器的时间常数调整原则;然后,将超级电容和蓄电池各自的SOC实时状态作为反馈观测量,根据两者的SOC状态并结合实际功率需求,将系统划分成11个工作模式,分析了不同工作模式下的功率需求,依据不同工作模式下的功率需求进行功率调整,进而实现功率二次分配;最后,将所提策略在4种典型情况下进行仿真验证,实验结果验证了该策略的有效性。

交直流混合电网HV DC运行控制特性初探

在南方电网正在形成含有多馈入直流输电系统的交直流混合电网的背景下,对换流器模型的建模方法和适应 性进行了讨论。本文介绍实际直流工程的控制方式和功率调节方法,并介绍稳定分析中实际直流系统的建模方法,同时分 析交直流系统相互作用特性及其复杂性及提出若干亟待解决的重要问题。

基于干扰观测器的MMC-PET交直流混合微电网并网/离网切换控制策略

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)-电力电子变压器(power electronic transformers,PET)交直流混合微网在并网和离网两种模式下开关切换过程中存在瞬态过流和过压问题,从而影响输电质量并增加设备损耗,为此提出了一种基于扰动观测器(disturbance observer,DO)的并/离网切换控制策略。在该策略中,通过采用DO观测器对并离网切换引起的突变电流跟踪,并将实际电流与理论电流的差值作为等效干扰量,再将其输入到电流内环控制器进行补偿,从而可实现对突变电流的抑制。最后在Matlab/Simulink软件上搭建了MMC-PET交直流混合微网系统,并在并网-离网、离网-并网的两种切换工况下,通过把加入DO观测器与未加入DO观测器两种情况进行仿真对比,验证了所提的切换控制策略的有效性和可行性。

抑制电压不平衡交直流混合微电网互联变换器的控制策略

针对特定的交直流混合微电网,给出了抑制电压不平衡的互联变换器控制策略。该控制策略采用双同步坐标系的正负序分离方法,经过坐标变换,解耦和低通滤波器,提取电压的正负序分量;基于瞬时功率的理论,推导出含有正负序分量的有功和无功功率表达式,给出了抑制直流电压波动和实现单位功率因数控制的正负序电流给定;进而基于矢量控制结构实现互联变换器控制。根据Matlab/Simulink环境下的仿真结果,证明了所提抑制电压不平衡控制策略的正确性和有效性。

基于云边协同的交直流混联电网线路过负荷协调控制方法

针对交直流混联电网线路过负荷影响因素较多导致线路运行特征难捕捉、难以实现精准控制的问题,提出基于云边协同的过负荷协调控制方法。建立过负荷状态数学模型,采用解耦算法求解不同程度过负荷情况下电力参数增量值并进行特征提取,将其作为云边协同算法的云计算参照值,获得同时符合功率最佳、能耗最小以及避免切负荷要求的协调控制参数,实现协调控制。实验结果表明:云边协同方法在盲区约束下可以准确检测盲区以外的所有节点,未出现漏检现象;光伏、风电出力的节点功率变化明显高于正常节点,节点过负荷控制效果较好。

机理-数据融合驱动的互联变流系统故障诊断方法

三电平中点钳位型互联变流器,因其大容量、高电能质量等优势,已逐渐成为交直流混联配电网系统的主流能量变换装备。但其长期工作于大功率、时变负载、有限散热等恶劣工况,功率器件开路故障率高。同时,现有故障诊断方法多为单一机理或数据依赖,无法克服系统模型结构复杂、运行工况多变的难题,诊断准确性与快速性较差。为此,提出了一种机理-数据融合驱动的互联变流系统故障诊断方法。首先,基于三电平变流系统的机理模型,结合神经网络观测器,构建机理-数据融合模型以提高故障诊断精度。随后,分析了电流残差量在不同器件开路故障后的变化轨迹,总结出电流残差故障特征表进行开路故障诊断。最后,实验与硬件在环测试结果验证了所提方法的有效性。

电气化公路交直流混合供电系统最优潮流分析

针对传统粒子群算法在求解电气化公路供电系统最优潮流问题时易陷入局部最优解等问题,为提高算法的全局搜索能力,采用牛顿拉夫逊法对交直流混合潮流交替迭代求解,得出供电系统潮流分布,提出以最小系统损耗为目标的交直流混合最优潮流模型,设计了一种改进的线性递减惯性权重自适应学习因子粒子群算法(改进LDW-PSO算法).仿真结果显示,与传统粒子群算法和线性递减权重算法相比,改进算法收敛速度更快,计算精度更高,为电气化公路供电系统的最优潮流计算提供了理论支撑和技术参考.

基于ICEEMDAN与BiLSTM的交直流混联电网故障识别

针对交直流混联电网故障特征提取困难与故障类型识别准确率低的问题,提出了一种基于改进的完全自适应噪声集合经验模态分解(ICEEMDAN)和蜜獾算法优化双向长短时记忆神经网络(BiLSTM)超参数的交直流混联电网故障类型辨识方法。首先,利用ICEEMDAN对线路故障电压电流进行分解;然后,基于方差贡献率与相关系数联合特征指标选择模态分量并求其峰峰值,以选出的模态分量的峰峰值作为特征向量输入至蜜獾算法优化后的双向长短时记忆网络进行故障类型辨识。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了交直流混联电网模型对所提方法进行验证。实验结果表明,所提算法故障辨识准确率达到99.5%,受不同故障线路、故障过渡电阻、故障位置、数据丢失影响较小,并且对10 dB噪声干扰下的含噪声信号的故障辨识准确率达到95.9%,具有较强的适应性。

基于无闭锁直流自耦变压器的LCC-HVDC与VSC-HVDC互联系统

为了满足未来不同电压等级、不同类型的直流电网互联的需要,研究了一种通过无闭锁直流自耦变压器(DC AUTO)连接基于电网换向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)的互联系统。该互联系统可以充分利用两种高压直流技术各自的优势,实现灵活的双向有功功率传输,并且可以在不闭锁任何器件的同时有效穿越直流故障。首先,提出该互联系统的拓扑并简要分析其基本优势,然后分别为VSC-HVDC、无闭锁DC AUTO、LCC-HVDC设计可行的控制策略以确保系统在正常工况和故障状态下的稳定运行,最后在PSCAD/EMTDC平台下搭建了该互联系统仿真模型,并通过仿真结果证明了该互联系统的可行性与所提控制方案的有效性。