An Operational Test Method for VSC-HVDC Valves Based on Modular Multi-level Converters

为给基于模块化多电平换流器（modular multi-levelconverter,MMC）的电压源换流器高压直流输电（voltagesourced converter HVDC,VSC-HVDC）换流阀提供有效的检验手段,以验证其设计的正确性及其运行可靠性,对换流阀的运行特性和关键应力进行分析,提出基于原理等效的MMC阀运行试验方法,设计试验电路并阐明其运行机理。搭建的PSCAD电磁暂态仿真模型和实际的试验验证证明了试验方法的正确性和有效性。

一种风电场经VSC-HVDC并网的VSG变参数负荷频率控制策略

风电的大规模并网导致系统等效惯量下降、不确定性增加,给电力系统的负荷频率控制(loadfrequency control,LFC)带来新的挑战。考虑到柔性直流输电系统(voltage source converter based high voltage DC,VSC-HVDC)具有的潜在调频能力,对此展开研究,针对风电场经VSC-HVDC并网的情形提出了一种虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)变参数负荷频率控制策略。首先,在风电场经VSC-HVDC并网的LFC模型及拓扑结构分析基础上,为了提高VSC-HVDC的可控性,对换流器的控制环节进行了VSG控制方法的设计;然后,对VSG控制参数与频率变化的关联性进行分析,并基于分数阶梯度下降法(fractional-order gradient descent method,FOGDM),利用频率的分数阶导数提取频率深层变化特征,以优化VSG控制参数;在此基础上,考虑到系统的不确定性,设计触发机制对VSG变参数优化模式进行调整,以降低VSG参数的变换频次,提高系统频率控制的针对性。仿真结果表明:所提控制方法能有效改善电网负荷频率控制效果,具有良好的适应性。

提高系统暂态稳定性的VSC-HVDC有功无功联合附加控制策略

依据基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)对系统暂态稳定性的影响机理,提出一种提高系统暂态稳定性的VSC-HVDC有功无功联合附加控制策略。从VSC-HVDC功率特性与系统等值功角的关系出发,建立含VSC-HVDC有功无功附加量的交直流混联系统暂态稳定分析数学模型。针对数学模型的非线性,采用精确反馈线性化进行坐标变换,并采用滑模控制利用反映系统暂态特征的等值功角变化速度与加速度设计切换面,结合设计的有功无功配合方式,确定了VSC-HVDC有功无功附加量随系统暂态特征量实时调节的控制律,其参数设计与计算过程简便。仿真结果表明所提控制策略充分利用了换流站的功率调节能力,有效降低了系统等值功角首摆幅度,加快系统恢复稳定。

中小容量VSC-HVDC在解决电力系统电磁环网问题的应用

电磁环网可以提高电网供电可靠性,但也会造成故障后短路电流增加、线路过载等问题。南方电网公司目前主要采取解环运行和方式预控的措施来降低电磁环网运行风险,但解环不适用于所有场景,方式预控又可能造成电源出力受限。因此提出将中小容量柔性直流输电系统(VSC-HVDC)应用于含电磁环网的低压电网,利用其灵活可控的特点来降低电磁环网运行风险。首先综合考虑《电力系统安全稳定导则》要求以及经济性确定VSC-HVDC在电磁环网中的接入位置和容量,随后给出了VSC-HVDC直流电压、拓扑结构以及参数的确定原则。其次,设计了VSC-HVDC在电磁环网中的控制策略,该控制策略可以降低网损,提高电磁环网稳定性。最后通过实例仿真验证了提出的中小容量柔性直流方案在降低电磁环网运行风险方面的有效性。

基于VSC-HVDC的海上风电柔性直流输电系统并网控制

由于现有的控制方法并网点处的直流和交流电压较低,控制效果不佳,为此基于VSC-HVDC,针对海上风电柔性直流输电系统并网控制方法展开研究。首先,根据VSC-HVDC系统结构建立海上风电柔性并网模型,在换流侧通过换流设备将交流电源转换为直流电,并将转换后的直流电能输送到直流输电线路上;然后,运用PI控制器根据电流偏差进行调节,调整换流器的输出电流与实际电流误差,限制幅度环节输出控制系统并网有功功率信息,实现内环网并网控制;最后,运用PI控制器对交流电进行跟踪,调整无功分量来改变交流电压,实现外环网并网控制,完成针对海上风电柔性直流输电系统并网控制方法的设计。实验结果表明,经该方法控制后,交流电压维持在约0.7 p.u.的水平,直流电压被成功地限制在0.5~1 p.u.以内,控制效果较好。

Research of Damping System Characteristics for HVDC Converter Valves

直流换流阀阻尼系统由饱和电抗器铁心电阻和晶闸管级阻尼电阻2部分组成。该文提出了饱和电抗器动态电感和铁心电阻分析计算方法,建立了铁心电阻与磁通密度的函数关系及饱和电抗器等值电路模型。通过对高频电压源激励下端口伏安特性理论计算结果与试验测试结果对比,验证了模型的正确性。提出了阻尼系统抑制振荡电流性能分析方法,给出了晶闸管第1个电流波谷值处于局部极限值的阻尼系统配置方案;分析了阻尼系统冲击电压下辅助限制过电压性能;提出了阻尼系统损耗计算方法,研究了换流阀不同运行状态下的损耗性能。

VSC-HVDC系统宽频振荡z域阻抗判据研究

为了深入分析VSC-HVDC(基于电压源换流器的高压直流输电)系统宽频振荡失稳的机理并快速准确评估系统的稳定性,提出一种基于z域阻抗的建模方法和稳定性判据。首先,基于精确离散化的方法,分别建立了考虑锁相环、电流内环和电压前馈控制的电压源型变流器z域阻抗模型,以及交流电网在全局坐标系下的z域阻抗模型。然后,基于盖尔圆定理提出广义禁区判据,分析了锁相环和线路阻抗对系统稳定性的影响。最后,搭建VSC-HVDC仿真系统进行分析,证明了所提广义阻抗判据的有效性。

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。

VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究

风电潮流的波动会引起并网系统公共连接点(PCC)电压的波动。在基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)交直流混合风电场并网系统中,控制VSC-HVDC送端站注入到PCC点的无功功率可以抑制电压波动。本文讨论了VSC-HVDC的无功功率控制器和定电压控制器抑制电压波动的原理。基于电磁暂态软件PSCAD/EMTDC建立了并网风电场模型、VSC-HVDC模型及控制系统模型。仿真结果表明VSC-HVDC采用定电压控制器的并网系统能更好的抑制电压波动,采用无功功率控制器的系统具有较好的风电场并网性能。

VSC-HVDC系统控制体系框架

控制系统是VSC-HVDC系统的核心之一。目前虽已有许多研究者在该领域做了大量的工作,但多数成果集中在VSC-HVDC控制器的设计和控制方法的研究上,对整个VSC-HVDC系统控制体系框架的研究并不多见。本文在介绍VSC-HVDC系统结构的基础上,阐述了VSC-HVDC控制系统的基本功能,指出采用多重化配置和分层控制结构设计的必要性,具体提出建立四层结构的VSC-HVDC系统控制体系框架的观点,即直流系统控制层、换流器控制层、阀组控制层和独立控制层。文章在讲述各层配置原则的基础上,详细阐述了每个控制层次的控制功能和范围以及各层次之间的相互关系,并进一步介绍了控制系统和保护功能的协调配合问题,为VSC-HVDC控制系统的开发奠定了基础。

VSC-HVDC输电线路单端行波自动化故障定位方法研究

为保证电压源换流器型高压直流输电(voltage sourcedconverter-HVDC,VSC-HVDC)系统的可靠运行,提出一种基于分布参数模型的VSC-HVDC输电线路单端行波自动化故障定位方法。在1模故障分量网络中,电压行波具有以下2个特点:行波反射会改变极性,折射不改变极性;行波在两端直流母线处会发生全反射,在故障点处则折射大于反射。据此可以得出,测点接收到的所有电压反行波中,来自对端母线第1次反射的反行波是最强的正极性反行波。进而可以根据电压行波首次到达本端测点和对端直流母线处第1次反射的反行波到达测点的时间差实现故障定位。PSCAD下的仿真结果表明,本算法原理正确,具有较高的定位精度,最大误差不超过600 m,且理论上不受过渡电阻的影响,更重要的是无需人工识别行波波头,易于实现故障定位的自动化。

VSC-HVDC稳态特性与潮流算法的研究

该文分析了 VSC-HVDC 的稳态功率特性及控制方式;在 VSC-HVDC 稳态模型的基础上,导出了其适用于牛顿法潮流计算的数学模型,并根据 VSC-HVDC 中电压源换流器(VSC)的控制对象大多为交流侧物理量的特点,提出了一种交直流混合系统潮流的交替求解算法:算法中计及了直流变量的约束条件,当混合系统潮流求解过程中无换流器调制度越界,算法可快速收敛,否则将由于交直流系统间相互影响,致使交替求解次数的增加。算例结果验证了 VSC-HVDC 潮流模型的正确性以及交替求解算法的有效性。该算法为进一步研究含有 VSC-HVDC 的交直流电力系统的潮流控制特性奠定了基础。

多端VSC-HVDC系统交直流潮流计算

电压源换流器VSC(VoltageSourcedConverter)与传统高压直流输电(HVDC)换流器在物理模型和工作原理上有本质区别,因此传统的交直流系统潮流计算方法不能在VSC构成的多端直流输电系统VSC-MTDC(VSCMulti鄄TerminalHVDC)中直接使用。首先描述了MTDC潮流计算的数学模型,随后在综合VSC工作原理及控制方式的基础上,推导了适用于VSC-MTDC潮流计算的VSC数学模型。进而由换流器控制量M(调制度)和δ(PWM相位角)的不同组合,列出了4种运行控制方案,并针对每种控制方案给出了其交直流潮流交替求解的接口方程。最后以一含3个VSC的系统为例,对其中1个VSC的不同运行控制方案进行潮流分析,结果表明采用交替算法的潮流算法交直流接口简单清晰、程序编写方便且通用性好。

德国海上风电VSC-HVDC技术分析

系统地总结和梳理了德国海上风电并网情况及发展特点,分析阐述了德国海上风电场群集中并网的技术特征和经验,比较分析了高压交流输电和VSC-HVDC技术在海上风电并网应用的优缺点。最后,结合德国经验和中国发展需要,提出了海上风电并网分析模型。

基于行波叠加特征分析的VSC-HVDC输电系统单端故障定位

为保障电压源换流器型直流输电(voltage source converter HVDC,VSC-HVDC)系统的可靠运行,提出了一种利用行波叠加特征的VSC-HVDC输电线路单端故障定位方法。由于VSC-HVDC输电线路两端直流母线处并联有大电容,直流线路发生单极接地故障后,1模故障分量网络中的电压行波具有"直流母线处全反射,故障点处主要为折射,反射改变电压极性,折射不改变电压极性"的特点。据此在故障分量网络中以行波首次到达本端的时刻为起点,通过计算找出沿线电压前行波和反行波的最强叠加点,该叠加点到对端的距离即是故障距离。PSCAD下的仿真结果显示该方法的故障定位误差≤0.06%,耐过渡电阻能力可达300Ω。该仿真结果表明该方法的故障定位精度高,易于实现故障定位的自动化,在VSC-HVDC输电线路中具有一定的实用价值。

基于VSC-HVDC的海上风电系统虚拟惯性控制技术

海上风电系统的惯性响应有利于增强其所在区域电网的暂态稳定性。文中首先提出适用于海上风电场并网的VSC-HVDC控制策略,并解决由风电机组组网的海上交流系统缺乏惯性的问题。其次,基于所提的VSC-HVDC控制策略,结合变速恒频风电机组的虚拟惯性控制,研究海上风电系统的虚拟转动惯量与电网频率变化的关系,实现海上风电系统对电网频率的动态支持。最后,通过对含海上风电系统的区域电网的仿真分析,验证所提控制策略能够实现海上风电系统对电网频率的快速响应。

3电平VSC-HVDC系统模型预测控制策略

为提高现有电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电系统运行性能,提出了一种3电平VSC-HVDC系统模型预测控制(model predictive control,MPC)方案。该方案采用遍历法预测所有开关状态对应的换流器未来系统状态,选择使目标函数最优的开关状态,并将该最优开关状态作用于实际换流器系统。为了减少开关损耗需要降低开关器件动作频率,为此在目标函数中引入降低开关频率目标项,在兼顾控制性能的同时有效地降低开关器件动作频率。与传统电压定向控制策略相比,所提控制策略具有动态响应迅速、处理多目标控制灵活且无需调制模块等优势,这些优势在基于Matlab/Simulink软件进行的仿真中也得以验证。

利用电流固有频率的VSC-HVDC直流输电线路故障定位

电压源换流器型直流输电(voltage source converterHVDC,VSC-HVDC)线路故障暂态过程中具有相对于交流线路更强的固有频率信号。由于VSC-HVDC直流输电线路两侧并联大电容,在高频的固有频率下系统阻抗可等效为电容阻抗,其值很小,行波在系统侧近似为全反射,因此,VSC-HVDC直流输电线路的固有频率只与故障距离和波速度有关。据此,提出通过对单端电流运用Prony算法进行频谱分析,获取其固有频率进而实现直流输电电路故障定位的方法。仿真结果表明该方法可实现VSC-HVDC直流输电线路的快速、准确定位。

向无源网络供电的VSC-HVDC控制性能实验研究

无论是正常时采用VSC-HVDC向孤立负荷供电,还是在电力系统发生大停电事故后的初期阶段利用VSC-HVDC使系统负荷快速恢复,其物理模型都可以看作是通过VSC-HVDC向无源网络供电。在给出两相同步旋转坐标系下的整流侧数学模型及控制策略和逆变侧数学模型及控制策略的基础上,建立了一套开放的具有上层控制和底层控制的向无源网络供电的VSC-HVDC物理实验系统。结合黑启动过程中过电压的抑制和需要保持电压频率的稳定两个方面,在实验系统上进行了一系列的实验,结果表明该VSC-HVDC实验系统具有良好的控制性能。

VSC-HVDC连续时间状态空间模型及其控制策略研究

在dq同步旋转坐标系下,推导出VSC-HVDC的连续时间状态空间模型,电压源型换流器(VSC)的双轴模型通过前向补偿方法得到解耦,从而实现了有功与无功、直流电压与无功的独立控制。在功率和电压控制中采用了级联控制方法。根据所得到的模型,分别提出了VSC-HVDC用于联结2个有源系统和向无源系统供电的控制策略。在无源系统控制中,采用了空间矢量的概念。基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC的数字仿真结果验证了数学模型的正确性及控制策略的有效性。