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。

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。

连接海上风电场的基于直接功率控制的三电平VSC-HVDC

研究了连接海上风电场的基于电压源换流器的VSC-HVDC系统。多电平逆变器应用于VSC-HVDC系统提高系统传输容量并改善电能质量问题。利用基于功率控制的方法对VSC-HVDC系统进行了仿真,实现了双侧的独立控制,风电场侧由风机带换流器组成,采用基于滞环比较的功率控制,而系统侧三电平换流器采用基于直接功率控制,三个滞环控制器分别控制有功功率、无功功率和中点电压。仿真结果证实了基于此算法的VSC-HVDC系统连接大型海上风电场,可以正常稳定地运行。系统侧三电平换流器降低谐波含量并提高功率因数。

基于端口能量的含VSC-HVDC的交直流混合系统暂态稳定评估

提出一种基于端口能量的含电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)的交直流混合系统暂态稳定评估方法。将端口能量描述为端口状态变量和控制变量的函数,进而借助端口能量表征VSC-HVDC系统的暂态能量聚集效应,以避免VSC-HVDC内部复杂控制过程的建模,降低能量函数的构造难度,且可扩展到网络中任意含电力电子器件的端口;进一步,构建基于端口能量的全系统能量函数,通过迭代势能边界面法(IPEBS)进行暂态稳定评估,借助点积判据在系统失稳的转子运动轨迹上搜索势能最大值作为临界能量,确定极限切除时间,实现暂态稳定的快速判别;然后,研究VSC-HVDC接入及VSC-HVDC有功功率、无功功率传输容量对系统暂态稳定性的影响,并评估了不同故障位置对所提能量函数计算精度的影响。最后,通过对修改的IEEE-39节点系统、IEEE-68节点系统和厦门电网柔直工程算例进行仿真分析,验证该方法的准确性和有效性。

基于VSC-HVDC联网的风电场故障穿越控制策略研究

交流电网发生故障扰动时,基于VSC-HVDC联网的风电场并网系统应具有一定的故障穿越能力。本文分析了基于VSC-HVDC的风电场并网系统的稳态控制策略及运行特性,对于交流电网发生故障扰动的情况,提出了一种基于风电机组惯性支持的故障穿越方法。该方法根据VSC-HVDC直流电压的波动量,调节风电场出口的频率,使风机输入的机械功率暂时以发电机转子动能的形式储存,从而减少了风电场输出的电磁功率,提高了系统的故障穿越能力。通过对由不同类型的风电机组组成的风电场经VSC-HVDC并网的系统进行仿真分析,证明了该方法能够在电网电压跌落后快速响应,防止VSC-HVDC直流过电压,提高了系统的故障穿越能力。

采用dq0坐标的VSC-HVDC稳态模型与控制器设计

基于电压源型换流器(VSC)的新型高压直流(VSC—HVDC)输电系统具有非常广阔的应用前景,目前VSC—HVDC技术在国外处于理论研究向实验系统过渡阶段,而国内则刚刚起步,许多基础理论和相关的应用基础问题有待深入研究。文中首先介绍了VSC—HVDC的基本工作原理。随后提出了一种采用dq0坐标的稳态模型,并进行了控制方案设计。通过对该控制方法原理分析与仿真实验,证明其控制效果良好,对于各种扰动都具有很快的响应速度和很好的稳定性,在不同的工作点都具有较高的稳定精度。

VSC-HVDC系统起动过程控制及仿真

对基于电压源换流器(VSC)的直流输电(VSC-HVDC)系统的起动过程控制策略进行了研究。根据VSC起动过程的特点,设计了对VSC-HVDC系统模型起动的控制器,为避免起动过程的过电流采用了一定的限流措施。仿真结果表明所设计的控制器具有良好的控制性能。

含VSC-HVDC的交直流系统电压稳定分析与控制

针对含柔性直流输电(voltage source converter-high voltage direct current,VSC-HVDC)的交直流系统电压稳定性问题,开发出一种适用于含VSC-HVDC的交直流系统连续潮流程序,以负荷裕度指标分析VSC-HVDC系统有功功率传输方向、有功功率传输容量及换流站与交流系统无功功率交换量的变化对系统电压稳定性的影响。进而利用系统电压崩溃点处雅可比矩阵,推导出系统负荷裕度对VSC-HVDC有功功率控制参数和无功功率控制参数的灵敏度,并基于该灵敏度提出一种适用于改善系统电压稳定性的VSC-HVDC调控策略。最后,将所提方法应用于修改的68节点和IEEE118节点交直流系统,仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

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。

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。

基于粒子群优化算法的VSC-HVDC系统的控制参数优化策略

建立了双端基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)系统的小信号模型;利用特征根分析法,基于线性化状态空间模型,将与系统特征根直接相关的振荡模式和衰减模式的罚函数作为目标函数;提出了基于粒子群优化算法的VSC-HVDC系统的控制参数优化策略,对整个系统的控制参数同时进行整体优化。仿真结果验证了小信号模型的正确性;优化后的系统在小扰动、大扰动、潮流反转及故障情况下均具有较高的控制精度,整个系统的稳态与暂态特性均得到较大改善。

海岛VSC-HVDC输电系统直流阻抗建模、振荡分析与抑制方法

在向海岛无源网络供电的VSC-HVDC输电系统中,由于逆变站的恒功率特性,以及整流站与逆变站间直流侧阻抗交互的影响,易使VSC-HVDC输电系统的直流侧发生振荡甚至失稳。对此,该文针对整流站提出了一种虚拟阻感性阻抗稳定性控制方法,能有效抑制VSC-HVDC输电系统的直流侧振荡,且不影响逆变站向海岛负荷供电的动态性能。基于所提控制方法,建立了海岛VSC-HVDC输电系统的小信号直流阻抗模型,其包括整流站输出阻抗模型、直流电缆阻抗模型和逆变站的输入阻抗模型。根据Nyquist判据和伯德图揭示了整流站采用传统虚拟电阻稳定性控制在抑制VSC-HVDC输电系统直流侧振荡失效的根本原因：即整流站的等效输出阻抗在电压控制带宽外恶化成负阻性,削弱了系统阻尼。所提振荡抑制方法通过阻感性阻抗的相角超前特性能校正整流站的等效输出阻抗为正阻性,可有效改善系统的稳定性。最后,仿真和实验验证了该文的分析和所提控制方法的有效性。

VSC-HVDC在电网黑启动时负荷恢复阶段提高系统频率稳定性研究

在电网黑启动的负荷恢复阶段,提高系统的频率稳定性对电网的快速恢复具有重要意义。提出基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-HVDC)作为电网大停电的黑启动电源,建立了交直流混合系统的物理模型,采用VSC-HVDC与发电机调速器协调控制方法,设计了频率作为控制量的有功功率控制器。通过PSCAD/EMTDC环境下仿真,结果表明在电网恢复时采用VSC-HVDC与调速器协调控制可以大幅度恢复负荷,且速度较快,对系统频率具有很好的稳定性。

含VSC-HVDC的交直流混合系统状态估计

针对以电压源换流器(VSC)为基础的新一代高压直流输电(HVDC),对含VSC-HVDC的交直流混合系统进行静态状态估计。介绍了VSC-HVDC的稳态模型,通过确定交直流混合系统的量测函数、状态变量和雅可比矩阵,建立了含VSC-HVDC的交直流混合系统的状态估计模型;在基本加权最小二乘状态估计算法的基础上,提出了含VSC-HVDC的交直流混合状态估计同时迭代求解法;对经过修改的IEEE 14、IEEE30、IEEE 57节点系统算例进行仿真,从算法的估计误差、迭代次数和计算速度等方面验证了算法的有效性和实用性。

VSC-HVDC送端换流器IGBT开路故障诊断方法

为了实现VSC-HVDC系统送端换流器IGBT开路故障的在线诊断,首先基于送端换流器拓扑结构得到了换流器开关函数模型,给出了基于开关函数的三相电压残差定义;然后推导了2类单桥臂IGBT开路故障和4类双桥臂IGBT开路故障下的三相电压残差计算公式,分析了IGBT开路故障的电压残差特征。基于此,通过设定电压残差阈值和IGBT故障标志,提出了基于电压残差的送端换流器IGBT开路故障诊断方法。最后,对所提诊断方法进行了半实物实验验证,实验结果表明,所提方法能够准确诊断出各类单桥臂IGBT开路和双桥臂IGBT开路故障,且具有一定的抗干扰性能。

VSC-HVDC三相不平衡控制策略

分析了电网三相不平衡时电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)系统的谐波传递特性,设计了一种基于瞬时对称分量法的序分量检测技术,适用于VSC-HVDC系统的正、负序双回路的双闭环控制策略。该控制策略利用瞬时对称分量变换获取电压和电流的无延迟正、负序分量,不仅在时域范围内对传统对称分量法进行了扩展,而且也解决了正、负序分解时所带来的延迟问题。另外,提出在三相不平衡电力系统的控制中增加一个不平衡指令补偿模块,改善VSC-HVDC系统在电网三相不平衡时的运行特性。最后,在仿真软件PSCAD/EMTDC的环境下建立了一个VSC-HVDC系统及相关控制策略,验证了所设计控制策略的正确性。

基于行波固有频率的VSC-HVDC直流输电线路双极短路故障保护与定位

提出了运用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)对电流进行频谱分析获取固有频率的方法,实现对VSC-HVDC直流输电线路双极短路故障的保护与定位.在高压直流输电线路双极短路故障条件下,对输电线路两端采集到的双极电流相量进行相模变换得到电流模量,从线模电流分量频谱分析结果中提取固有频率主频率和二次频率,运用输电线路两端的线模电流分量固有频率主频率差作为主保护判据,固有频率二次频率作为辅助保护判据,实现直流输电线路双极短路故障保护;利用固有频率与故障距离之间的关系,完成故障定位.通过PSCAD/EMTDC仿真和Matlab数据分析验证了该方法具有较高的可行性.

VSC-HVDC统一电磁暂态模型及其控制策略

为了更好的应用基于电压源换流器(VSC)的新型高压直流输电系统,发挥其技术优势,提出了VSC-HVDC统一电磁暂态模型并进行了其控制策略的研究。交流侧电磁暂态模型是基于d-q同步旋转坐标系下建立的;利用交流侧与直流侧瞬时有功功率相等的原理建立了直流侧电磁暂态模型,且该模型考虑了换流电抗器损耗等因素。利用前馈补偿法设计了解耦控制器以达到分别通过电流d轴和q轴分量来独立调节有功功率和无功功率的目的。利用PSCAD/EMTDC对利用VSC-HVDC连接两端的有源网络以及对无源网络的供电进行仿真试验的结果证明,提出的计算模型及控制策略准确、可靠,对于各种干扰有较好的响应速度和较高的精度。

基于VSC-HVDC的风力发电系统低电压穿越协调控制

提出一种适用于通过VSC-HVDC系统并网风电场的低电压穿越协调控制策略。建立高压直流输电线路和风电场的模型,分析电网故障期间系统的工作原理。低电压穿越期间,通过HVDC两端变流站提供无功支持,并采用基于电压控制的快速功率降低算法控制风电场馈入功率,维持直流系统功率平衡;对风电机组功率控制进行改进,提出分层控制与HVDC控制相协调,保持风电机组的电压稳定。算例仿真结果验证了该控制策略的快速性和有效性。

引入故障恢复信号的VSC-HVDC附加阻尼控制研究

基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)具有快速、灵活的有功功率和无功功率控制能力。VSCHVDC附加阻尼控制能有效地抑制交流系统的低频振荡。讨论了附加阻尼控制器的限幅环节对控制效果的影响,然后提出了引入故障恢复信号的附加阻尼控制。故障恢复信号为指数规律衰减信号,将其与附加阻尼控制器输出信号叠加,作为直流功率调制的参考信号,以减小直流功率调制前期的直流功率幅值。并在直流电压波动的允许范围内,使直流功率调制过程趋于理想的自由衰减振荡,比无故障恢复信号的附加阻尼控制衰减更快,从而显著减小限幅环节的影响。还给出了直流电压波动随直流功率波动变化的关系曲线。仿真结果验证了所提附加阻尼控制方法的有效性。