基于MMC主动限流的VSC-HVDC双极短路故障控保协同策略

直流故障保护是柔性直流输电系统发展面临的主要挑战之一,利用模块化多电平换流器(MMC)的灵活控制实现限流已成为当前研究的热点。MMC的主动限流降低了故障电流变化率和故障电流幅值,易引起故障判断以及保护选择困难。文中以对称单极接线的柔性直流系统为研究对象,采用控保协同思想,将主动限流控制与故障识别相结合,提出了基于主动限流因子的故障区域识别与区分方法实现双极短路故障的区域识别与切除。首先,通过在MMC电流内环控制器中附加故障电流目标预设控制器,在故障发生后可快速跟踪故障电流的变化,自适应地调整MMC输出的直流电压将故障电流控制在预设目标参考值附近;其次,根据不同故障位置时故障电流目标预设控制器输出的限流因子快速确定故障区域。最后,在PSCAD/EMTDC中对四端柔性直流输电系统的不同故障场景进行了仿真分析,验证了所提控保协同策略的可行性和有效性。

Research on Intelligent Control and protection of flexible HVDC

This paper introduces the working principle of HVDC control and protection system. And the paper summarizes the flexible HVDC technology features and application fields and describes the composition and software intelligent flexible HVDC control and protection system configuration. Finally, the simulation results are also given, experimental results show： HVDC flexible intelligent control and protection has a good control effect in the steady state and transient process, suitable for practical engineering application.

基于电压频率成分比值差异的MMC-HVDC保护方法

柔性直流输电系统的快速故障发展给直流保护的研究带来了巨大的挑战,严苛的速动性要求不得不使保护的研究聚焦在故障暂态量上.在高压大容量输电系统中,为更贴合实际工程,线路的频变特性以及行波传输过程是不容忽略的,因此文中以此展开了故障分析.针对单端量保护在耐过渡电阻能力上的不足,文中对保护区内外故障发生时的测量点电压频率特征进行了分析,以过渡电阻为变量观察不同故障情况下的频率比值差异变化趋势,并利用S变换设计了一种基于电压频率成分比值差异的保护方案;其次,根据噪声在S变换下的频谱特点,给出了噪声识别判据;最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了四端柔性直流输电系统模型对所提方法进行了验证.结果表明,区内外故障下的电压频率成分比值存在明显差异,所提保护方案可以准确识别线路不同位置的短路故障,并可判断故障极.与基于电压变化量和高频段能量的保护方法相比,文中方法具备更高的耐过渡电阻能力.即便是远距离高阻故障,保护方法也具备明显的区分度,可见,所提方法可以更好地适用于大容量远距离输电系统.同时,在不同信噪比的噪声环境下,保护方法仍旧可以准确识别出噪声以及故障.保护方法可以在2 ms内完成故障识别,满足柔直系统的速动性要求,可作为系统运行的主保护.

基于新能源-负荷相似性的源荷储协调调峰优化调度

合理利用可调节负荷的响应特性来实现源荷储的协调调度,可有效缓解新能源、负荷的不确定性所带来的调峰压力。基于新能源-负荷(NER-L)相似性,建立可调节负荷响应目标。基于相关系数,建立能准确刻画负荷对新能源出力跟踪匹配程度的NER-L相似性指标,并将指标引入所建源荷储协调调峰的双阶段优化调度模型。第一阶段模型以NER-L相关系数最大为目标,确定可调节负荷在各时段的响应功率并获得最优电网负荷;第二阶段模型以弃风弃光量最小、调峰运行成本最低为目标,优化火电机组及储能出力。以IEEE 30节点系统为例,对NER-L相似性、净负荷峰谷差、系统调峰运行经济性及新能源弃电功率进行计算分析,结果验证了所提模型的有效性。

基于无功功率注入的MMC-HVDC交流电网等值阻抗识别方法

交流电网等值阻抗反映了交流系统的强度,系统强度降低会给模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统的稳定运行带来不利影响。为规避高阻抗/低强度给交直流系统带来的安全运行风险,实现复杂多变电网等值阻抗的迅速准确检测,文中以包含双端模块化多电平换流器的交直流系统为研究对象,提出了一种基于无功功率扰动注入的交流电网等值阻抗在线识别方法。首先,从理论角度介绍了无功扰动注入的阻抗识别原理,分析了交流电网电阻大小以及测量表计误差对阻抗识别精度的影响,构建了基于交流母线电压信息的阻抗识别精度评价指标。然后,基于此指标提出了无功功率扰动注入量的设计原则以及基于识别精度约束的交流电网等值阻抗在线识别方法。最后,通过仿真进行验证,证明了所提方法的可行性以及阻抗识别精度的可控性。

不对称电网电压下MMC-HVDC换流站环流抑制策略

应用模块化多电平换流器技术的柔性直流输电系统在运行时存在桥臂环流问题。文中通过分析不对称电网电压下桥臂相单元的瞬时能量,得出桥臂环流存在2倍频正、负和零序交流分量与直流分量,且直流分量分布不相等。针对交流分量的精确控制问题,文中提出了基于期望瞬态幅值响应的交流控制器,并通过系统的开环与闭环特性分析,在理论上证明了其具有控制精度高、稳定性好等优点。进一步提出了基于此控制器的新型环流抑制策略,此策略可直接在abc三相静止坐标下对每相桥臂独立控制,无需坐标变换和锁相环,控制结构简单且可以同时消除2倍频正、负和零序环流。在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建51电平背靠背输电系统模型,验证了该环流抑制策略的正确性与有效性。

一种具有重合闸功能的限流式直流断路器

为提高柔性直流输电系统发生短路故障后高压直流断路器的故障隔离、限流及重合闸恢复能力,在现有直流断路器结构基础上提出一种具有重合闸功能的限流式直流断路器(RCL-HDCB)。RCL-HDCB方案改进了断路器的限流支路,使其能够快速重合闸,依据动作过程及原理进行了参数设计,在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的双端直流输电系统,对RCLHDCB的运行状态进行仿真验证,结果表明该设备在发生短路故障后能够快速有效开断,故障电流也得到了较好的抑制,同时重合闸运行稳定,因此该RCL-HDCB方案对柔直输电系统具有一定的指导意义。

面向新型电力系统的柔性直流换流器统一控制架构

新型电力系统的发展对柔性直流输电技术提出了更高需求,随着异构串联型直流换流器拓扑架构的提出,柔直换流器已在拓扑层面实现结构统一。然而,在控制层面,传统柔直换流器控制虽然具备功率解耦控制能力,但交流电压、直流电压和子模块电容电压之间存在紧密耦合,难以发挥柔直换流器全控型器件运行灵活性高的优势。首先,基于现有直流换流器控制架构,提出控制自由度的概念,并引入调制比的表征方法,构建模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的多自由度控制体系;然后,通过分析MMC换流器内部的电压耦合机理及其与调制比的关系,系统地揭示了现有MMC换流器的各种控制策略之间的关联性,形成具备“功能统一、结构统一”的MMC换流器的4自由度统一控制架构。并针对柔直系统中不同控制目标的MMC换流器分析4自由度控制架构的应用及其控制潜能;最后,在单端MMC物理动模实验系统中对MMC换流器4自由度控制在典型应用场景下的性能进行实验验证。

基于二极管整流器的双极型复合式海上换流站及其控制策略

为提高海上换流站的紧凑型性并降低换流站一次性投入成本,西门子公司提出了基于二极管整流器(diode rectifier,DR)的高压直流输电技术,在此基础上,国内外学者对其控制策略及各种串并联拓扑进行了研究,但仍存在结构复杂、可行性差、运行灵活性低等问题。为此,提出了基于二极管整流器的双极型复合式海上换流站拓扑,正负极分别采用模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)和DR,以充分利用MMC灵活可控和DR体积小、成本低、可靠性高的优点。为降低直流电缆输电损耗,提出了复合式换流站正负极功率平衡控制,将接地极电流控制在零附近,提高了输电效率,可将高压直流电缆所产生的损耗降低67.7%。设计了限功率控制,在发生直流非对称故障期间通过低速通信,可主动对风电场发出功率进行限制,防止了换流站过电流风险,提高了系统可靠性。最后通过PSCAD/EMTDC仿真分析对所提拓扑及其控制策略进行了可行性验证。

基于改进深度残差网络的柔性直流配电线路故障辨识

针对现有深度学习方法在柔性直流输电系统故障辨识方面存在抗噪性和历史样本较少时性能不足的问题,提出一种基于改进深度残差网络(ResNet)的柔性直流输电线路故障辨识方法。首先,对残差单元进行改进,将注意力机制和正则化方法融入残差单元,并从宽度和深度2方面对模型进行优化完善。然后,对故障电气量进行特征筛选,在交叉验证中执行递归特征消除(RFE),依据特征属性定义关键特征。最后,在PSCAD仿真平台上搭建张北-北京四端±500 kV柔性直流电网仿真模型,通过仿真验证了所提方法在抗噪声干扰和小样本数据情况下故障辨识的有效性。

基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位策略

作为柔性直流输电系统的核心设备,模块化多电平换流器(MMC)由于子模块数量多,发生故障的概率也较高。文中分析了基于子模块电容电压滑模观测器的MMC开关管开路故障检测及定位时间问题,通过对所有子模块电容电压进行分组形成新的观测子单元,提出了一种基于子单元电压滑模观测器与桥臂电流滑模观测器的故障交叉诊断与定位方法,实现了单子模块故障时的精确定位。在此基础上,通过对观测子单元进行重构进一步实现了多管开路故障诊断以及故障开关管的精确定位。最后,通过在MATLAB/Simulink中搭建相关仿真模型,验证了所提方法的可行性。

MMC型柔性直流输电系统的中高频振荡无源阻尼抑制策略

较长的控制链路延时会导致基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电系统阻抗在高频段出现负阻尼区间,易与交流系统分布电容相互作用引发高频振荡。现有有源阻尼抑制策略虽可有效抑制高频振荡,但会恶化中频段阻抗特性,增加中频振荡发生的风险。为有效抑制中高频振荡,提出在MMC交流侧母线处并联无源阻抗重塑装置的无源阻尼抑制策略。首先,推导出MMC简化模型并验证其准确性。其次,根据奈奎斯特稳定判据与最小功率损耗约束设计阻抗重塑装置参数,实现MMC系统阻抗重塑。最后,应用阻抗法对比分析重塑前后MMC系统阻抗特性,分析阻抗重塑装置对MMC系统阻抗的修正效果。在PSCAD/EMTDC中搭建含无源阻抗重塑装置的MMC电磁暂态仿真模型。仿真结果表明,该抑制策略在中高频段均可有效抑制MMC系统的振荡现象,对系统稳态特性影响小,且基频功率损耗低。

基于模块化级联拓扑的高压直流直挂储能装置

为了提升柔性直流输电的有功功率调节能力及惯量支持能力,研究了基于模块化级联拓扑的高压直流直挂储能技术,探索了高压直流直挂储能的工程化实施方案、控制系统架构及控制策略,提出了基于子模块电池荷电状态排序的改进型最近电平逼近调制策略,用于解决电池荷电状态及子模块开关频率整体均衡的问题。给出了高压直流直挂储能关键参数的计算方法。研制了基于磷酸铁锂电池的高压直流直挂储能模块及控制系统样机,搭建了含高压直流直挂储能的柔性直流输电系统的电磁暂态仿真模型和基于串联变流器的试验平台,通过系统仿真及样机试验验证所提高压直流直挂储能方案的可行性。

柔性直流输电系统的高频谐波保护方法与工程实践

柔性直流输电系统受电力电子设备本身特性以及控制系统影响,在多种运行工况下易出现不同频率的振荡问题。作为实现设备安全和电网稳定运行的决定因素,保护系统应实现对系统谐波的准确监测以及可靠动作。根据高频振荡时的电流能量累积作用,给出了基于反时限动作的电流类谐波保护算法。基于高频谐波电压特性,分别给出了过零点监测保护算法、谐波畸变率保护算法以及宽谐波保护算法,各保护算法相互配合,实现对不同电压振荡类型的全面保护。最后,给出了国内柔性直流工程实践中配置的高频谐波保护,结合保护原理对系统发生高频振荡后的动作特性进行分析,验证了高频谐波保护的有效性和准确性。

基于功率外环附加阻尼控制的柔性直流抑制送端火电机组次同步振荡研究

利用柔性直流控制的灵活性抑制次同步振荡被广泛研究,但是对于有功、无功控制回路的抑制效果不同的机理解释很少。针对柔直近区火电机组的次同步振荡问题,提出一种基于功率外环附加阻尼控制的柔直抑制次同步振荡策略。通过对电气阻尼曲线负阻尼频段分析,结合柔直变流器控制特点,选取附加控制的最优位置,通过基于功率外环附加阻尼控制提高火电机组电气阻尼。然后,建立复转矩系数传递函数,分析有功、无功外环附加阻尼控制效果的强弱与柔直功率外环参数相关,主要是与传输有功、无功功率大小有关,揭示柔直功率外环d轴和q轴附加阻尼控制时对电气阻尼影响差异的机理。最后,通过PSCAD时域模型仿真验证分析的正确性。

基于行波解析分析的柔性直流输电线路故障智能检测方法

故障数据匮乏是制约数据驱动故障检测方法应用的重要原因,为解决这一问题,提出一种基于行波解析分析的柔直输电线路故障智能检测方法。根据行波表达式生成训练样本,有效表达区内、外故障行波具有的主要特征。通过构造多层感知器(multi-layer perception,MLP)模型建立该行波特征与故障位置之间的映射关系,进而输出故障检测结果。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双端柔直系统模型,生成仿真样本,对训练后的智能检测模型进行测试。结果表明:该方法不依赖于大量历史故障数据,基于行波解析表达式这一继电保护领域知识提取行波特征,即可准确识别直流线路的区内外故障,并且具有较强的耐受过渡电阻能力,为解决传统模型受制于历史故障数据问题提供了一种可行思路。

大规模光伏经柔直送出系统的近工频耦合振荡机理与特性分析

针对近工频耦合振荡这类新型振荡稳定性问题,研究了其发生机理和稳定特性。建立大规模光伏经柔直送出系统的全电磁暂态模型,仿真展示了近工频耦合振荡的发生条件。通过分析设备在振荡频率下的复功率分布,阐明系统振荡源头与传播特性。基于在线阻抗分析研究振荡发生的电路机理,分析影响振荡稳定性的关键因素。结果表明,在次/超同步近工频段,光伏电站表现为电阻为负的容性元件,与柔直送端换流站、输电线路共同构成负阻尼的串联谐振电路,从而引发不稳定的近工频耦合振荡;光伏网侧换流器、柔直换流器控制参数和输电线路电抗等因素会影响系统的稳定性。

柔性直流输电用干式直流电容器工况验证试验回路研制

干式直流电容器作为柔性直流输电换流阀的核心组件,尚未开展阀组级工况试验验证。通过对目前实验室条件下换流阀组件运行情况的调研,确定采用被试阀段与陪试阀段对拖运行的拓扑,以满足验证试验回路构建的要求。通过仿真分析和系统试验,证明在满足经济性和实用性要求下,正常工作时回路各阀段至少需要5个子模块串联。考虑到该试验回路需要针对不同型号规格的电容器开展运行试验,叠层母排采用了特殊的设计,方便参数测量和电容器更换。

基于综合序分量的柔性直流交流送出线路单相接地距离保护

在柔性直流换流器故障电流相位受控特性的影响下,传统距离保护在柔性直流交流送出线路发生单相经过渡电阻接地故障后易出现不正确动作行为。文中分析了柔性直流交流送出线路单相接地故障时的电气量分布规律,利用柔性直流交流送出线路单相接地故障期间换流站侧负序电流受抑制的新特征,提出一种基于综合序分量的新型单相接地距离保护。所提保护方案从理论上消除了过渡电阻的影响,可基于单端量准确计算故障位置。此外,该保护也适用于柔性直流并网于弱系统场景。最后,通过仿真验证了所提保护方案的有效性。

新型多频率三端口模块化多电平换流器拓扑及其控制策略

未来电网中将会存在的工频、直流与低频等多种频率,而传统换流器仅能实现交-交、交-直两种频率电气量间的能量交换。为此,提出一种新的多频率三端口模块化多电平换流器(multi-frequency triple-port modular multilevel converter,MFTP-MMC)拓扑,该拓扑结构简单对称,能够直接实现工频-低频-直流的功率变换和频率控制,不存在无功约束问题,可以输出2倍直流电压,具有直流故障自清除功能。针对MFTP-MMC拓扑建立其dq坐标下的动态数学模型,实现了系统2种交流频率分量同直流分量的解耦,在此基础上给出相应的控制策略,包括内环电流控制、环流控制、子模块均压控制以及外环功率控制,其物理概念清晰、控制性能良好。进一步,给出了桥臂无功分配系数的优化方法。同时针对其拓扑提出直流侧故障时闭锁以及故障后软起动策略。MATLAB/Simulink平台下的一系列仿真结果验证了所提MFTP-MMC拓扑和数学模型的正确性及其控制策略的有效性。