海上风机与VSC–HVDC协同调频控制策略

由于海上风电场惯性低,影响系统安全稳定运行,通过类比同步电机的转子运动方程,在受端换流站控制策略中设计了直流电容惯性控制;又由于风机侧与电网侧距离甚远,无法及时对电网频率波动做出响应,通过寻找电网频率与受端换流站直流电压的数学关系,将海上风机与电网耦合,在风机的控制中引入一次调频控制,使风电场能够及时对电网频率的变化做出响应和调节,增强海上风力发电场并网时的有功功率和频率稳定性。

基于VSC-HVDC的电力系统频率稳定控制策略

针对电力系统在典型故障与扰动下表现出的“暂态失稳”现象,提出了一种基于VSC-HVDC的电力系统频率稳定控制方法。考虑某大规模发电厂通过VSC-HVDC连接至交流电网,该方法允许此发电厂向交流电网提供频率控制服务。该控制策略包含整流器对直流电压的控制以及逆变器对频率的控制,即逆变器通过交流电网频率的变化来调节直流电压的变化,而整流器通过直流电压的变化来控制发电厂有功的投放,以补偿交流电网有功的短缺,使电网在故障恢复的初始阶段更好地提高系统稳定性。通过在Power Factory Digsilent上进行仿真,验证了该控制策略能显著增强系统的稳定性。

基于VSC的功率双向交直流互联系统直流侧阻抗特性分析及重塑

基于电压源型换流器(voltage source converter,VSC)的交直流互联系统因其接入灵活、电能转换高效得到越来越广泛的研究和应用。但高比例新能源接入、高比例电力电子化的特征会带来稳定性问题,系统的不同功率流向也会造成系统直流侧稳定性的差异。为研究与提升基于VSC的交直流互联系统的直流侧稳定性,该文综合考虑功率双向流动、锁相环(phase-locked loop,PLL)、电压和电流控制环以及电网阻抗等影响因素,建立VSC的直流侧导纳模型,通过解析分析VSC直流侧导纳特性,揭示系统失稳风险来源,并提出基于二阶微分环节的直流电压前馈控制方法重塑VSC直流侧阻抗,以提升交直流互联系统的稳定性。最后,在控制硬件在环(control-hardware-in-loop,CHIL)实验平台中构建基于VSC的交直流互联系统,通过实验验证对交直流互联系统直流侧阻抗特性分析的正确性及所提出阻抗重塑策略的有效性。

VSC-MTDC输电系统的直流侧运行特性分析与稳态工作点计算

由于换流站数目、控制模式以及指令值的不同,电压源换流器型多端直流(voltage source converter based multi terminal dc,VSC-MTDC)输电系统在实际运行中具有多种运行方式,并且随着电网运行条件的变化,VSC-MTDC输电系统的运行方式也随之改变。因此,直流运行中心需要根据换流站运行特性、电网条件和系统参数等快速确定VSCMTDC输电系统运行控制模式与系统状态量,这对系统调控和安全运行具有重要意义。基于此,分析主导换流站、辅助换流站、定有功功率控制换流站和风电场换流站的直流电压–电流运行特性,推导各换流站在不同控制模式下的特性方程,给出各换流站不同控制模式下的电气量范围。接着,提出VSC-MTDC输电系统稳态工作点的计算方法,完善换流站的控制模式修正方法。最后,以典型的五端直流输电系统为例,Matlab编程验证了直流运行特性分析方法和稳态工作点计算方法的准确性;计算结果表明,该稳态分析方法能够快速准确地计算出VSC-MTDC输电系统的稳态工作点。

改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制改善风电场低电压穿越能力

经VSC-HVDC并网风电系统在风电场侧故障时,风电机组出口母线电压过低,极易引起风力机脱网。而双馈风力发电机(DFIG)传统的Crowbar技术在故障时将转子侧变流器(RSC)短接,使发电机定子侧失去了为电网提供无功的能力,风力机的低电压穿越能力较低。提出一种改进的DFIG模型,加入了主动式DC-Chopper,与传统的Crowbar相配合,降低Crowbar动作的概率,使得DFIG转子侧变流器可以控制定子侧在故障时期继续提供无功功率。并利用此改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制,改善风电场侧母线电压水平。通过算例仿真表明,在严重故障时采用改进式DFIG的Crowbar仍未动作。从而大大降低Crowbar动作的概率,双馈风电机组RSC故障期间可以继续投入运行并为电网提供无功支持。完成故障期间DFIG两侧变流器与VSC-HVDC风电场侧变流器(WFVSC)之间的无功协调,使风电场具有更好的低电压穿越能力(Low Voltage Ride Though,LVRT)。

利用模量模型识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护新原理

电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电控制系统复杂,故障承受能力差,线路保护装置动作正确率不高。文中提出了一种利用模量模型识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护新原理。该原理将区外故障等效为正的电容模型,差动电流和差动电压导数相关系数为1;将区内故障等效为负的电容模型,差动电流和差动电压导数相关系数为-1。通过判别相关系数的正负,即可区分区内、区外故障。在实际运行中,VSC-HVDC输电系统多为双极运行,为降低极间电磁耦合的影响,采用了1模和0模量构成判据。理论分析和PSCAD仿真实验表明,新原理无需补偿输电线路电容电流,原理简单、易于整定,不受过渡电阻和控制特性的影响,在各种工况下均能快速可靠地区分区内、区外故障。

包含VDCCOL的VSC-HVDC改进控制策略

在交流系统故障或者甩负荷等暂态过程中,由于有功功率不平衡,电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电系统直流侧会出现过电压或者欠电压现象,危及换流阀、直流电容器和直流电缆等设备的安全。为了限制暂态过程中直流电压波动幅度,提出了一种改进的控制策略,即在外环有功功率控制器中增加了一个依赖于直流电压的电流指令限制单元(VDCCOL),它通过内环电流控制器有功电流指令的变化来反映直流电压的变化。当直流电压异常时,VDCCOL根据预设的特性迅速修正外环功率控制器输出的有功电流指令值,减缓有功功率的不平衡,从而达到限制直流过电压/欠电压的发展、保护设备安全运行和避免频繁切机等目的。仿真研究表明,文中提出的控制策略能有效地抑制故障条件下直流电压波动幅度,提高系统的运行特性。

直流电抗器对VSC-MTDC输电系统稳定性的影响分析

直流电抗器可以限制多端柔性直流输电系统中直流故障电流的上升率,但大容量的直流电抗器又会对系统稳定性产生一定的影响。提出了含有直流电抗器的多端柔性直流输电系统稳定性模型,推导出含交流侧参数、换流站参数以及带直流电抗器的输电线路分布参数的多输入–多输出状态空间矩阵表达式,绘制出不同直流电抗器情况下系统的根轨迹曲线,分析了主导极点的变化情况,确定了不同接收功率下保证系统稳定运行的直流电抗器临界值,为直流电抗器参数的选取提供了理论依据。利用PSCAD/EMTDC软件搭建了三端柔性直流输电系统模型,验证了该理论方法的正确性。

含VSC-HVDC的交直流系统多目标最优潮流

已有的多目标潮流优化模型和算法对含电压源换流器的高压直流输电(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)不再适用。针对VSC-HVDC的特点,提出了以有功网损最小、电压水平最好(即电压的偏移量最小)、系统的静态电压稳定裕度最大及供电能力最大同时作为优化目标,从而构建了含VSC-HVDC的交直流系统多目标最优潮流模型;针对此模型连续变量和离散变量共存的特点,提出了内点法和NSGA2算法相结合的交替求解算法,可获得多个Pareto最优解,并具有较高的计算效率。最后通过仿真算例验证了所提方法的有效性和高效性。

含直流电压二次调节的VSC-MTDC互联系统频率稳定控制

多端柔性直流输电(VSC-MTDC)可用于在多个异步互联的交流电网之间提供灵活受控的功率支援。实现上述功能的众多方法中,在下垂控制的基础上附加频率调节是一种典型的方法,由于其不依赖于站间通信,在灵活性和可靠性上均有突出的优势。然而,这种方法存在直流电压偏离额定值、严重时可能影响多端直流(MTDC)系统正常运行的不足。提出一种含直流电压二次调节的频率稳定控制策略,可以在保证频率调节效果的基础上,缓慢调整直流电压直至恢复额定值,提高了MTDC系统运行的稳定性。通过一个三端柔性直流系统的仿真验证了所提方法的有效性。

向无源网络供电的VSC-HVDC系统控制策略

在同步旋转坐标系下,利用电压源型高压直流输电(voltage source converter based high voltage DC,VSC-HVDC)的暂态数学模型,提出了一种向无源网络供电的VSC-HVDC系统新型控制策略。基于非线性系统反馈线性化控制的逆系统方法,推导了VSC-HVDC的逆系统模型,构造了伪线性系统,实现了对VSC-HVDC系统有功功率和无功功率的解耦。采用极点配置方法对该伪线性系统进行了综合,设计了控制器,并对反馈线性化中重要的隐动态问题进行了讨论,保证了控制系统的稳定性。仿真结果表明,该控制器具有较好的动态性能。

VSC-HVDC输电系统模式切换控制策略

分析了基于电压源换流器的高压直流(VSC-HVDC)输电系统在定直流电压控制端交流电网故障下的模式切换控制策略,提出了基于滞环和本地直流电压检测的模式切换控制,并给出了该控制的实现方法。推导了正常运行时VSC-HVDC输电系统直流功率与两侧换流器直流电压的关系式,给出了定有功功率控制端的直流电压正常工作范围的计算方法,提出了模式切换控制策略中直流电压阈值和故障穿越期间直流电压参考值的确定方法。最后,PSCAD/EMTDC仿真验证了在不同故障类型和不同运行方式下VSC-HVDC输电系统模式切换控制策略的有效性;仿真结果表明,该直流电压阈值和参考值的确定方法能够为模式切换控制策略的指令值整定与配合提供可靠参考。

考虑直流断路器的VSC-MTDC系统鲁棒阻尼控制器设计

直流断路器是多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统清除直流故障的关键设备。目前大多数直流断路器系统需要串联直流电抗器以限制故障电流变化率,而大容量直流电抗器与线路串联会抑制直流系统的阻尼,降低多端直流系统的稳定性。文中建立了含直流断路器的VSC-MTDC系统的小信号数学模型,并使用模态分析方法分析了影响系统稳定性的主要因素;针对断路器系统导致的稳定性问题,设计了基于H_∞混合灵敏度理论的阻尼控制器以改善系统的弱阻尼特性。在MATLAB/Simulink中搭建了四端VSC-MTDC模型进行了仿真分析,时域仿真和特征值分析结果证明所提控制方法可以有效抑制直流系统振荡,提高系统稳定性,且相较于其他传统阻尼控制器,更适合系统存在较强扰动和不确定性的情景。

基于VSC-MTDC的风电场并网控制策略研究

针对风电具有随机性与间歇性等特点,提出适用于风电场经多端柔性直流输电系统(voltage source converter based multi-terminal HVDC,VSC-MTDC)并网时的多点直流电压自适应斜率控制策略。该控制策略将稳定直流电压的任务分配给多个具备功率调节能力的换流站,换流站之间不需要通信,根据自身的功率裕度自适应调节所承担风电功率变化量的大小,合理地利用多端系统的调节容量,同时避免换流站在按照固定直流电压-有功功率斜率运行时容易引起过载运行的情况。最后利用PSCAD/EMTDC针对该控制策略进行仿真分析,结果表明这种控制方式比较适用于潮流频繁变化的风电场VSC-MTDC系统。

基于自适应加权预测-校正内点法的含VSC-HVDC电力系统最优潮流

加权预测-校正内点法(WPC-IPM)求解含电压源型高压直流输电(VSC-HVDC)的电力系统最优潮流时,迭代中后期校正环节加权会减慢收敛速度。提出一种自适应加权预测-校正内点法(AWPC-IPM),该方法以对偶间隙的变化趋势作为加权与否的判据,对偶间隙增大时加权,以抑制校正方向错误导致的收敛性变差,对偶间隙减小时不加权,以加快收敛。算例仿真结果表明,所提方法既有效抑制了校正方向错误对预测-校正内点法(PC-IPM)的影响,又加快了迭代后期的收敛速度。

含VSC-MTDC的交直流系统潮流算法

多端柔性直流输电系统(voltage source converter based multi-terminal direct current system,VSC-MTDC)是在两端直流输电基础上发展而来的直流输电系统,可靠性高、适用于海上风电并网等场景,相应的控制策略更加多样,其潮流模型也更加复杂。该文分析VSC换流站和MTDC的稳态模型,研究可适用于VSC-MTDC的不同拓扑和连接方式的潮流模型;研究多端直流各种控制策略潮流计算模型的不同点并推导出其方程。在此基础上,提出一种兼具统一迭代法和交替迭代法优点的含VSC-MTDC交直流系统潮流算法,给出初值和边界条件求解方法,对于不同直流拓扑和交流系统都能够进行求解。最后通过2个实际算例验证该文潮流模型的有效性和收敛性,对于不同控制方式、不同运行场景和直流拓扑都能够迅速、稳定收敛。

海上风电经VSC-MTDC并网研究

文中建立了风电场经两种拓扑结构的VSC-MTDC并入电网的模型,两种模型为串联模型和并联模型,并基于两种拓扑结构的比较结果对多端柔性直流输电控制器进行了优化。仿真模型主要包括:风电场等效聚合模型,风电场换流站控制器,直流电缆的Bergeron模型。优化方法采用单纯形算法。将两种拓扑结构的模型进行了仿真分析,仿真结果显示,在考虑到受交流系统扰动以及风电场侧切机情况下的稳定性,并联系统更加适合海上风电场经柔性直流输电并网。采用单纯形优化后的VSC-MTDC动态响应能力相对于优化改进前有了很大的提高。

含VSC-HVDC并网风电场的电力系统最优潮流计算

由于风电场出力的实际值通常在预测值附近随机波动,所以在潮流计算时还应考虑风电场出力的随机性。针对风电场通过VSC-HVDC并网的情形,为了使电网既能安全运行,又能实现经济调度,提出了一种基于场景分析的最优潮流计算模型。模型以火电机组的总成本最小为目标函数,并考虑火电机组在预测场景和误差场景有功出力的调节范围约束,采用内点法进行求解。算例结果表明,引入误差场景后,虽然火电机组的总成本增加了,但是风电场出力的随机性对火电机组快速调节出力能力的要求得到了满足,从而保障了电网的安全运行。

直流侧串联的多VSC-HVDC并联运行系统直流侧电压平衡控制方法

为提高VSC-HVDC系统传输容量,可采用直流侧串联的多VSC-HVDC并联运行系统,但需解决其直流侧电压平衡问题。笔者对其平衡控制方法进行分析,对系统存在自身参数不一致、指令功率突变、交流外部故障情况进行仿真验证。为降低器件开关频率并提高波形质量,采用了载波移相的控制方法。仿真结果证实了所提出的直流侧串联的多VSC-HVDC并联运行系统直流侧电压平衡控制以及载波移相方法用于该系统的有效性。

用于VSC-HVDC系统的模块化直串式直流耗能装置

柔性直流输电(VSC-HVDC)因其所具备的长距离输电损耗低而易于实现故障隔离与穿越、独立控制有功与无功等优势,使得其在海上风电并网领域具备极大的应用前景。为了实现海上风电VSC-HVDC系统的故障穿越,在对比分析现有耗能装置方案的基础上,提出一种经济型模块化直串式直流耗能装置拓扑。该拓扑结合了集中式耗能电阻户外散热和分布式模块自取能、软开关控制的优势,解决了拓扑中功率器件异步通断造成的子模块电压持续攀升的可控放电难题。详述了所提拓扑的详细工作状态与控制策略,并通过模块样机实验及等效最小系统实验验证了所提拓扑的可行性与子模块可控放电控制逻辑。通过RTDS实验验证了模块化直串式直流耗能装置能够实现系统的平滑故障穿越。