直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统稳定性分析及振荡抑制

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电HVDC(high voltage direct current transmission)因具有无源网络支撑等优势而被广泛应用于大容量新能源外送消纳。受电力电子设备交互作用等因素影响,送端系统易发生振荡失稳现象。首先,建立了直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统的小扰动线性化模型,分析了风场有功输出对系统稳定性的影响。然后,建立了MMC及风机并网变流器交流侧dq阻抗模型,从阻抗角度揭示了送端系统振荡失稳机理。进一步,提出了基于MMC交流电压控制外环q轴附加阻尼的振荡抑制策略,可满足系统满功率范围内的运行稳定性要求。最后,基于全比例模型的仿真结果验证了所提振荡抑制策略的有效性。

MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流计算方法

为研究基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统直流侧短路电流的工程实用计算方法,基于金属性短路故障电流通用解析式,分析了MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障时换流站放电电流的相互抑制作用以及放电回路的耦合机理,并基于所推导的解析表达式提出了故障电流的解耦计算方法。基于PSCAD/EMTDC对MMC-HVDC系统发生非金属性短路故障工况进行仿真分析,将仿真结果与解析计算值进行对比验证。搭建数字-物理混合仿真实验模型,在数字端和物理端分别设置短路故障,对比实验值与解析计算值。验证结果表明,所提故障电流计算方法能准确地表征MMC-HVDC系统直流侧非金属性短路故障电流的演变趋势。

附带STATCOM的HVDC系统改进参考电压控制法

在弱交流系统下对于附带有STATCOM的电网换相换流器高压直流输电(Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current, LCC-HVDC)系统,存在着LCC逆变站与STATCOM之间耦合导致LCC-HVDC系统的稳定裕度下降问题,这会减弱LCC-HVDC抑制换相失败的能力。此外,HVDC控制环节之中的电压指令电流控制(voltage dependent current order limiter, VDCOL)环节的输出电流指令大幅剧烈波动还有几率会导致HVDC系统在首次换相失败之后发生后续换相失败。针对上述问题提出了一种“改进参考电压”的思想,对STATCOM和VDCOL的参考电压与输入电压分别进行修正。首先在STATCOM原本的参考电压经过一个“虚拟电抗”之后得到一个新的参考电压,通过这个改进参考电压弱化了STATCOM电压外环控制模块与LCC逆变站的耦合,减小了交流系统等效阻抗的大小,提升了系统对干扰的抵抗能力。然后对VDCOL的输入电压进行改进,新的改进输入电压改善了故障后VDCOL输出电流指令的大幅剧烈波动情况。最后通过三个层次的对照试验,验证了所提方法的有效性。

不同锁相环对LCC-HVDC控制回路稳定性的影响

该文研究了电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)系统逆变侧采用不同锁相环时,锁相环控制回路比例–积分(proportional integral,PI)参数变化对直流控制回路稳定性的影响。首先,分别建立了逆变侧锁相环采用滑动平均滤波(mo ving average filter,MAF)和级联延时消去滤波(cascaded delayed signal cancellation,CDSC)的LCC-HVDC小干扰动态模型,并通过电磁暂态仿真验证了该模型的正确性。其次,基于拉普拉斯变换获得系统定电压控制回路的传递函数,利用奈奎斯特稳定判据以及稳定裕度指标分析不同锁相环对定电压控制回路稳定性的影响,并进行了机理分析,同时在PSCAD/EMTDC的电磁暂态模型上进行了验证。最后,进一步在LCC-HVDC工程模型上对该文所得结论的普适性进行了仿真验证。

新能源基地经LCC-HVDC送出系统振荡机理分析与抑制策略(二):阻抗特性与振荡机理分析

该文基于系列文章1建立的电网换相换流器型高压直流(line commutated converter-based high voltage direct current,LCC-HVDC)阻抗模型,开展新能源基地经LCC-HVDC送出系统阻抗特性和振荡机理分析。首先,研究LCC-HVDC送端交流端口阻抗与阀本体交流阻抗、交流滤波器阻抗间的构成关系,分析直流线路、受端换流站、受端电网强度对送端换流站阀本体交流阻抗的主导影响;然后,研究送端换流站直流电流环对阀本体交流阻抗的重叠效应,分析送端换流站交流端口阻抗次/超同步频段负阻尼特性形成机理,并论述受端换流站和受端电网强度对送端交流端口阻抗特性的交互影响;接下来,建立新能源基地经LCC-HVDC送出系统等值模型,研究送端系统振荡边界条件,阐明LCC-HVDC对新能源并网点阻抗特性影响的变化规律,揭示直驱风机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)、双馈风机(doubly-fed induction generator,DFIG)、光伏(photovoltaic,PV)不同类型新能源基地经LCC-HVDC送出系统次/超同步振荡机理;最后,不同类型新能源基地经LCC-HVDC送出系统仿真结果验证了该文提出的次/超同步振荡机理的正确性和通用性。

分网接入方式下LCC-HVDC系统运动方程模型及交互振荡模式的阻尼特征(一):扰动传递路径分解

与常规直流相比,永富直流逆变站存在功率全送和功率分送运行方式,而其处于分网接入方式时电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage directcurrent,LCC-HVDC)系统的交互振荡模式及特征尚不明确。针对这一特殊运行方式,采用模块化建模的思路建立可以反映系统电气/控制回路间交互耦合路径的运动方程模型。在此基础上,依据系统整流侧-逆变侧、正极-负极间的交互耦合路径分解得到影响系统主导模式稳定性的3条扰动传递路径,即整流侧内部自稳性路径、逆变侧内部自稳性路径、双极交互作用致稳性路径。最后,设置不同工况下的案例,量化评估不同作用路径提供的阻尼大小,并通过仿真验证运动方程模型及扰动传递路径分析结果的正确性,为后续研究分网接入方式下LCC-HVDC系统交互振荡模式的阻尼特征提供模型基础。

分网接入方式下LCC-HVDC系统运动方程模型及交互振荡模式的阻尼特征(二):交互振荡模式研究

为研究分网接入方式下电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的交互振荡模式及阻尼特征,基于系统的状态空间模型及系列文章(一)建立的运动方程模型,提取了表征逆变侧电气与控制环节强耦合特性的多个弱阻尼交互振荡模式,研究了不同短路比工况下交互振荡模式的变化特征。在此基础上,通过复转矩系数法量化评估了整流侧/逆变侧内部自稳性路径及双极交互作用致稳性路径对主导交互振荡模式阻尼特性的贡献度。结果表明:1)不同短路比工况下交互振荡模式的阻尼比会进行重新分配;2)当逆变侧正负极短路比相差较大时,双极交互作用较弱,正负极系统的稳定性由2个交互振荡模式各自主导,且稳定性特征有所差异;3)当逆变侧正负极短路比相近时,双极间动态交互加强,交互振荡模式会同时主导参与系统两极的稳定性,正负极稳定性特征相似。

Simulation on DC Current Distribution in AC Power Grid under HVDC Ground-Return-Mode

This paper focus on the Modeling and Calculation of DC current distribution in AC power grid induced under HVDC Ground-Return-Mode. Applying complex image method and boundary element method, a new field-circuit coupling model was set up. Based on the calculation result with complex image method, this paper derived the modification factor for induced earth potential from practical measurement, which increased the accuracy of calculation. The modification method is helpful for evaluation on the effect of means used for blocking the dc-bias current in transformer neutral and also useful for the forecast of the DC current distribution when the power grid is in different line connection mode. The DC distribution character in Guangdong power grid is shown and suggestion is proposed that the mitigation of dc-bias should start from those substations whose earth-potential is highest.

异步互联系统准同步运行的HVDC附加控制建模及稳定性分析

异步互联系统调频资源和备用容量的分割使得频率稳定问题突出,利用高压直流输电系统的附加频率控制(AFC)可以实现异步互联系统调频备用共享,参与系统频率调控。文中以改善异步互联系统整体的调频性能和频率质量为目标,研究基于直流两侧电网频率差进行无差控制实现异步互联系统准同步运行的直流AFC对两侧电网频率稳定性的影响。利用换流站交直流系统的功率平衡关系建立较为精确的高压直流输电系统线性化模型,得到异步互联两区域系统的负荷频率控制模型,以此进行特征分析指导AFC参数设计。多场景仿真结果表明,准同步运行的直流AFC在使两侧电网趋于同频运行的同时,能够适应两侧电网的容量自动调节直流功率,有效改善全系统的频率稳定特性。

Numerical Simulation of Self-excited Oscillation Switching Current in HVDC MRTB

This paper presents a numerical study of the current self-excited oscillations during the opening of high voltage direct current(HVDC) metallic return transfer breaker(MRTB).The switching arc is simulated using the magneto-hydrodynamics(MHD) theory coupled with the electric circuit variation.The simulation is proved accurate in simulating the current oscillation and the commutation process in MRTB by the good agreement between the calculated results and the experimental results,which are obtained on a MRTB prototype designed to break about 5 kA of DC current.Both kinds of the results show that the current oscillation starts at about 16.5 ms and the total arc time is about 24 ms with a commutation capacitor bank of 72 μF and an inductor of 173 μH.With a further analyze on how circuit parameters influence arc current oscillations,this study helps to improve the current interruption capability of MRTB.

Current–phase relations of a ring-trapped Bose–Einstein condensate with a weak link

The current–phase relations of a ring-trapped Bose–Einstein condensate interrupted by a rotating rectangular barrier are extensively investigated with an analytical solution. A current–phase diagram, single and multi-valued relation, is presented with a rescaled barrier height and width. Our results show that the finite size makes the current–phase relation deviate a little bit from the cosine form for the soliton solution in the limit of a vanishing barrier, and the periodic boundary condition selects only the plane wave solution in the case of high barrier. The reason for multi-valued current–phase relation is given by investigating the behavior of soliton solution.

Study on influencing factors of ion current density measurement in corona discharge of HVDC transmission lines

The ground level ion current density produced by corona discharge in high voltage direct current(HVDC)transmission lines can reflect the operation status of the lines,but the distorted electric field at the edge of the Wilson plate seriously affects the measurement results of ion current density.In order to measure the ground level ion current density accurately and directly,a new reduced scale wire-plate experimental device in which the Wilson plate is flush with the grounding plate is designed.The influence of protective annulus width and the height of the Wilson plate from the grounding plate on ground level ion current density are studied.In addition,the differences between the micro-current galvanometer method and the sampling resistance method in the measurement of ion current density are compared.Finally,the ground level ion current density distributions of unipolar and bipolar HVDC transmission lines are measured.The results show that the edge effect of the Wilson plate can be neglected when the width of protective annulus is less than 2 mm,and the ion current density is nonlinear with the height of the Wilson plate from the grounding plate.Moreover,the internal resistance of the digital voltmeter seriously affects the measurement results and it is necessary to correct the results.Finally,at the same applied voltage,the ground level ion current density in the negative conductor region is higher than that in the positive conductor region.

基于选相投旁通对的LCC-HVDC系统逆变侧换流变故障性涌流主动抑制策略

当高压直流输电系统换流变阀侧发生单相接地故障,由于换流阀的单向导通性,阀侧故障电流中含有较大的直流分量,流入换流变可能导致换流变饱和并产生“故障性涌流”。与传统三大涌流不同,故障性涌流由阀侧单相接地故障诱发并受直流控制与保护系统的影响。计及直流控保系统的影响,分析了逆变侧换流变发生阀侧单相接地故障时,换流变故障性涌流的产生机理及其对换流变差动保护的影响。针对换流变保护区内阀侧单相接地故障场景下,故障性涌流可能导致差动保护误闭锁的问题,提出了一种基于选相投旁通对的故障性涌流主动抑制策略,可以从根本上避免差动保护误闭锁问题。基于PSCAD/EMTDC的仿真实验验证了所提方案的有效性。

海上风电经VSC-HVDC系统受端电网不对称故障抑制策略

海上风电经柔性直流输电技术(即基于电压源换流器的高压直流输电系统,VSC-HVDC)送出系统中受端电网故障不仅影响受端换流站交直流侧系统的运行状态,严重情况下也会阻碍送端换流站和海上风电机组的正常运行。针对这一实际问题,分析了海上风电经VSC-HVDC送出系统中受端电网发生不对称故障的传播机理,提出了一种基于Lyapunov函数方法的负序分量抑制策略。首先,建立了海上风电机组经VSC-HVDC送出系统的拓扑结构,并分析了受端电网发生不对称故障的传播机理。其次,根据受端换流站的数学模型推导出满足Lyapunov函数全局稳定性的负序开关函数,并求解出开关函数的系数,进一步设计出相应的Lyapunov函数控制器。最后,基于MATLAB/Simulink软件仿真将所提策略与传统PI控制进行对比,验证了所提策略的正确性和有效性。

提高LCC-HVDC在弱交流系统下的稳定性和动态性能的控制参数优化方法

基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)系统在逆变侧连接弱交流系统时可能出现小信号失稳以及动态性能恶化的问题,需要同时关注系统的稳定性和动态性能。而现有的控制参数优化方法所用的目标函数往往仅描述系统的稳定性或动态性能,而不能同时兼顾。针对这一问题,该文提出一种利用能够同时衡量系统稳定性和动态性能的能量衰减指标作为目标函数的LCC-HVDC控制参数优化方法。首先,建立LCC-HVDC系统的小信号模型,通过根轨迹和灵敏度分析辨识影响系统稳定性的关键控制参数;然后,通过能量衰减指标计算适用于不同工况的优化可行域,在可行域内以能量衰减指标为目标函数用蒙特卡洛算法对关键控制参数进行优化;最后,通过不同运行点下的测试,证明经过参数优化的LCC-HVDC在弱交流系统下的稳定性和动态性能有明显提升,优化后的控制参数适用于传输功率不同的工况,证明了优化方法的有效性和适用性。

LCC-HVDC系统整流–逆变交互振荡模式稳定变化特征及机理研究

LCC-HVDC系统联接弱交流系统时,整流站和逆变站之间存在强交互作用。研究发现,对于弱交流系统场景,LCC-HVDC的整流侧和逆变侧交流系统在不同短路比(short-circuit ratio,SCR)组合下,系统稳定性由整流–逆变交互振荡模式主导,且随定电流控制参数的改变呈现“单调–非单调”更迭现象。该文通过阻尼比特性曲线和参数灵敏度研究该“单调–非单调”更迭现象的产生机理,指出该现象是由两端交流系统强度相互制约下的整流–逆变强交互作用导致,体现出系统稳定性趋势的“木桶效应”,即LCC-HVDC系统的稳定性趋势由所联接交流系统强度弱的一侧换流站主导。基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真,验证整流–逆变交互振荡模式稳定变化趋势的“单调–非单调”更迭现象。该研究可为掌握实际工程交互作用振荡模式及选取合理控制参数提供理论支撑。

Aspects and Experience of Ge-Nan±500 kV HVDC Link

Gezhouba-Nanqiao ±500 kV HVDC project is the first imported HVDC transmission system with advanced technologies in China, which was build in 1989. This paper collected main faults happened in recent years, and many faults caused equipment outages have been analyzed. Existing problems are listed in this paper.

基于实际控保录波的HVDC送端区内阀短路故障定位

为高效、快速识别高压直流输电系统整流站区内4种典型阀短路故障,提出融合控保录波数据的阀短路故障定位方法。首先,基于Y桥和D桥阀短路保护动作,识别12脉动换流器出线短路;然后,根据阀短路保护动作后执行的控制逻辑引起的各桥故障电流特征差异,在考虑控制系统对故障特征影响的基础上,设计基于不同阀导通状态时各桥三相电流标幺化的阈值分类判据,以区分区内交流侧相间短路和各桥桥臂短路及换流器6脉动换流器出线短路。最后,基于RTDS与实际控保系统的闭环仿真平台,验证了本文所提阀短路故障定位方法的有效性。