虚拟同步机电流受限暂态电压支撑机理与改进故障穿越控制研究

针对虚拟同步机在电网低、过电压故障下所面临的无功电压支撑不足、特性差等问题,建立考虑电流限幅特性的虚拟同步机等效电路模型,并基于拓扑同伦原理,给出不同无功电压控制在等效电路相量图上的几何表征方法。利用该方法,揭示几种常见无功电压控制下的虚拟同步机电流受限暂态电压支撑机理,并由此提出一种改进的故障穿越控制策略,有效改善电网低电压、过电压故障下的暂态电压控制能力和支撑特性,进而缓解故障期间的暂态功角稳定问题。基于PSCAD/EMTDC仿真对所提机理和故障穿越控制方法进行详细验证,最后,在3机9节点系统中对其在近、远区电网故障下的支撑特性进行仿真验证。

低压直流微电网新型主动限流器及控制策略

低压直流微电网中直流母线发生短路故障后,现有的被动式保护措施难以有效保护电力电子装置,并且当计及直流线路电感与变流器直流母线侧电容时,常规主动限流器会出现限流电感电流振荡的特性。详细分析了该电流振荡特性产生的机理,探究了系统参数变化对限流电感电流振荡峰值的影响。并提出了一种新型主动限流器拓扑结构及控制策略,该拓扑结构通过增加能量耗散支路,在限流器直流母线侧电容电压产生负压时导通,以此耗散能量,解决了电感电流振荡的问题。通过仿真与实验,验证了所提新型主动限流器对电感电流振荡特性抑制的有效性,且在不同工况下具有良好的鲁棒性。

含主动限流控制的MMC-HVDC电网直流短路故障电流解析计算

传统的MMC-HVDC电网直流短路故障电流计算一般采用等效RLC电路方法。但是该方法没有考虑主动限流控制(ACLC)对等效电路RLC参数的影响,因此无法直接用于含ACLC的MMC-HVDC电网的直流短路故障电流的解析计算问题。该文通过将ACLC的控制效果等效为虚拟阻抗产生的压降,建立了体现ACLC的控制影响的等效RLC电路,以包含电流变化率限流环节的典型ACLC算法为例,推导了直流双极短路故障条件下ACLC的控制参数与虚拟阻抗的映射关系以及相应的直流故障电流解析表达式。最后,以基于含ACLC的半桥型四端MMC-HVDC电网为例,建立PSCAD/EMTDC仿真模型,对采用ACLC的直流双极短路故障电流解析计算结果进行了验证。结果表明:故障后10ms内直流短路故障电流的PSCAD仿真结果与所提出的含ACLC的等效RLC电路解析计算结果的平均误差在8.29%以内,最大误差在10.99%。因此,使用所提出的方法具有工程实用性。

带自适应谐波补偿功能的谐波阻抗控制策略

针对工业园区高比例电力电子负荷接入带来的电能质量问题,提出一种基于APF的带自适应谐波补偿限流功能的谐波阻抗控制策略。谐波阻抗控制策略可以对系统的指令电流进行无差控制并对各谐波分量进行独立控制,自适应谐波补偿限流可以有针对性地进行谐波补偿,两者相结合后可以对选取的各谐波分量进行单独控制,使限流后的谐波补偿效果明显提高。该控制策略在系统容量不超限时在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,结果表明,该控制策略响应速度快,治理后的谐波总畸变率为2.91%,减少了27.08%,三相不平衡度为8.52%,减少了16.15%,补偿效果明显。

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。

基于钳位型断路器的柔直系统控保协同技术

柔性直流系统以其在输电领域的巨大优势而获得广泛应用.但在直流系统中,短路故障的强冲击性与电力电子器件的脆弱性之间的矛盾异常尖锐,现有保护策略难以同时满足高速动性与高可靠性的要求.本文从控保协同思想出发,基于一种电压钳位原理的直流断路器,提出一种新的故障处理模式,初步探究在柔直系统中控制与保护深度融合的可能性.当发生短路故障时,投入断路器和换流器相配合的限流功能,一方面限制电力电子器件的过流,解决其脆弱性问题;另一方面为保护提供边界,辅助实现故障的快速定位.在甄别出故障线路后,利用断路器的故障切除功能将故障隔离.此方案同时实现了故障限流、保护边界和故障切除3项功能,可有效缓减由于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)器件脆弱性所带来的一系列保护问题.在PSCAD/EMTDC中搭建四端双极柔性直流电网模型,仿真结果表明,本控保协同方案能在5 ms内准确识别并隔离故障线路,而且具有较强的耐受过渡电阻能力.

动态调整系统拓扑限制短路电流的配置方案及控制策略研究

随着电网的不断发展,短路电流超标问题逐渐突出,基于系统拓扑动态调整的短路电流限制方法,可避免常规限流措施带来的设备停运,从而降低对系统正常运行的影响。该文分析了断路器动作时序对短路电流的影响,提出考虑拓扑调整瞬态过程的短路电流分析方法,针对典型变电站分析了断路器开断电流超标工况,研究了不同拓扑调整方案下的短路电流限制效果及影响因素,最后研究了系统拓扑调整的动作策略及实现方案,分析了不同动作策略对限流效果的影响。500kV系统可主要考虑在出线布置快速断路器的方案,220kV系统可主要考虑在母线分段布置快速断路器的方案;拓扑调整控制策略可通过采集支路电流快速识别故障或通过与继电保护联动实现。

构网型VSC暂态稳定机理及改进限幅策略

针对构网型变流器(grid-forming voltage source converter,GFM-VSC)系统在大扰动下暂态稳定问题,现有研究未能充分考虑电力电子电源暂态快速响应与控制可塑的特点。为此,以GFM-VSC为对象,借助等面积法原理与相平面图法,从能量角度揭示了其暂态响应机制与传统同步机系统的差异,分析了控制塑造下GFM-VSC系统的暂态稳定机理;然后,针对大扰动下易于触发的限幅环节,分析了系统无法自主退出限幅而失稳的机制,并提出了附带电流分配系数的改进限幅策略,有效增强了系统暂态稳定性。最后,通过仿真验证了理论分析与改进方法的正确性。

电力电子组网系统中构网型换流器间的协同限流研究

新能源快速发展下带来的100%电力电子设备组网独立运行的场景逐渐增多,由于缺乏传统同步发电机的惯性和阻尼,当基于不同控制类型的构网型换流器为系统提供电压和频率支撑时,其对外部干扰较敏感,负荷大扰动情况下,系统存在明显的过流问题。针对该问题,首先对单端构网型换流器设计了一种基于电流饱和算法的过电流抑制方法,以限制端口换流器的暂态过电流。其次,在多端口换流器协同限流方面,提出了一种基于不同控制类型的构网型换流器间协同限流控制方法,解决了不同构网型换流器组网时由于扰动造成的输出过电流问题,并实现限流控制与正常工作模式间的平滑切换。同时,建立系统的小信号模型,利用根轨迹分析主要控制参数对系统稳定性的影响。最后,搭建了控制器级硬件在环测试平台,对理论分析和所提方法进行了硬件在环测试,验证了所提方法的有效性和优越性。

桥臂复用型MMC的预充电控制策略

桥臂复用型模块化多电平换流器(AM-MMC)可以有效减少换流器的体积和重量,其预充电控制策略研究亟待开展。为此,提出了分别适用于交流和直流场景的AM-MMC的预充电控制策略。在交流预充电场景下,通过分析桥臂间子模块电容电压的关系,并考虑子模块电容过压以及桥臂间子模块电容电压不均衡问题,提出一种包含不控充电阶段、可控充电阶段和阻断阶段的三阶段交流预充电控制策略,并提供了限流电阻的计算方法。在直流预充电场景下,推导冲击电流产生的原因,提出了一种基于直流电流的冲击电流抑制策略。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提预充电控制策略可有效实现AM-MMC的平稳启动。

限流型直流变压器拓扑结构及其暂态特性研究

能量路由器的核心元件为双有源桥(dual active bridge,DAB)直流变压器,针对其短路故障时电流上升速率快,峰值大,导致DAB内部电力电子器件闭锁的问题,该文提出一种具有限流型结构的直流变压器,限流装置结构为从DAB高压侧H桥连接单相整流桥,再与输出端口的限流电感相连。当直流系统发生短路故障时,限流型直流变压器采用混合控制算法进行整流,为限流电感提供钳位电压,限制故障电流的峰值,并与断路器配合实现无弧开断,该方法避免DAB中电力电子器件发生闭锁,快速实现故障限流和隔离。在仿真系统中搭建了基于10kV/750V直流变压器的限流型直流变压器的模型,仿真结果表明限流型直流变压器与断路器配合实现故障限流和隔离的有效性和可行性。

基于一致性算法的直流微电网分布式二次补偿控制

针对直流微电网中传统下垂控制不能兼顾电压质量和功率均分的问题,提出基于一致性算法的含母线电压补偿和负载电流均流精度补偿的分布式电压、电流协调控制策略。在主控制中利用下垂控制器来实现分布式电源之间的功率分配;二次控制以电压补偿的比例积分(proportion integral, PI)控制器保证电压质量,以电流补偿的PI控制确保负载均流精度。其次,为避免系统运行中一些分布式电源的变换器的输出功率超过额定容量从而导致控制故障,设计了适用于离散动态一致性算法的限流功能。最后,基于稳定性分析和MATLAB/Simulink平台验证了所提策略的有效性。

混合多端直流输电系统限流控制策略配合及限流参数全局优化

混合多端直流输电系统短路电流水平超标对其安全稳定运行造成极大威胁。现有通过控制策略限流的方法多以本站出口侧最严重的极间故障展开分析,忽略了过渡电阻对两侧系统的耦合作用,且控制参数的不合理配置会降低故障点非零电位大小,进而加剧线路过电流现象。为此,首先,阐述了混合多端直流输电系统常见控制限流策略;其次,对换流站自身的控制特性及站间交互作用对故障电流的影响机理展开分析,提出计及过渡电阻耦合作用下故障电流的计算方法;然后,在此基础上,综合考虑控制参数灵敏性、限流效果等约束,建立控制参数全局优化数学模型,通过层次分析法得到控制参数的最优解;最后,基于PSCAD/EMTDC对传统限流特性及全局优化下的限流特性进行对比分析。结果表明,所提方法能在提高限流效果及满足参数灵敏性的基础上更好地适应经过渡电阻故障的情况,降低故障时电流上升率和电流峰值,协助降低两侧换流站因增流现象加剧线路过电流情况而闭锁的概率。

基于非线性扰动补偿的超局部无模型永磁同步电机电流预测控制

在电机运转过程中,电机参数会发生变化,产生参数漂移,同时电机会受到内外部未知扰动,导致控制性能下降,抗干扰性和鲁棒性较差。为解决这些问题,提出非线性扰动补偿的超局部无模型电流预测控制方法。只利用电流环的输入和输出,建立超局部无模型电流预测控制模型,不涉及任何电机参数,解决了因参数变化导致的模型失配问题。针对系统总扰动,建立非线性扰动补偿模型,能够较为准确和稳定地估计系统总扰动,并进行前馈补偿,实时更新控制信息,仅需调节两个控制参数。为防止产生较大的电流,建立电流限幅控制,提高电机控制性能。仿真和实验结果表明,提出的控制方法对于参数变化和外部扰动,具有较强的鲁棒性、抗干扰能力,能够实现较快的动态响应,减小电流纹波,降低电流静差,获得较优的电流环动静态性能;抑制转速脉动和超调量,稳定跟踪额定转速,有利于电机的平稳运行。

带自适应谐波补偿功能的光伏并网控制策略

为了使含有源电力滤波器(active power filter,APF)功能的光伏并网逆变器在指令电流超过逆变器的限值时具有良好的谐波补偿效果,分析了传统比例式限流和指令电流跟踪方法的不足,提出了一种自适应谐波选取限流与准比例谐振(proportional resonant,PR)电流协调控制相结合的并网控制策略。自适应谐波选取限流策略可以在逆变器容量超限时针对性地选取危害大、含量高的谐波分量进行补偿,提高限流措施的有效性;准PR电流协调控制策略可以对指令电流中的各谐波分量进行单独控制,进一步提高谐波补偿的精确性。仿真结果表明,所提控制策略可以提高不同并网场景下的谐波补偿效果,验证了其可行性和有效性。

计及新型柔性限流器的直流系统故障暂态特性分析研究

为解决传统柔性限流装置在直流电网中存在经济性、实用性不足的问题,提出一种新型直流柔性限流装置,采用模块化限流电感结构,并提出模块化限流电感投入方案,基于该结构提出与其相适应的控制设计方案。该结构提升柔性限流装置的经济性,增强限流装置的容错率,并快速、有效抑制故障电流,实现直流线路永久性故障快速隔离,瞬时性故障无断路器动作行为的自行恢复。为进一步验证所提新型柔性限流装置的有效性,在软件平台搭建多端柔性直流仿真系统,并进行直流线路永久性与瞬时性故障仿真分析。

基于动态虚拟电抗的虚拟同步机系统有功环电压动态补偿策略

为解决新型电力系统中的虚拟同步机(Virtual synchronous generator,VSG)在电网电压跌落时出现的功角暂态失稳和过电流问题,对采用VSG控制的并网换流器暂态控制策略进行了改进。为降低故障期间有功功率的参考值进而实现VSG的功角暂态稳定控制,根据VSG的功角特性、有功功率参考值与功角稳定性之间的关系,引入电压动态补偿,并利用相图曲线理论分析了控制策略参数选取对暂态稳定的影响。为限制故障发生瞬间和故障切除瞬间的冲击电流、保证故障期间VSG系统的暂态功角稳定、实现故障限流,提出了一种以指数形式变化的虚拟电抗模型,确定了虚拟电抗的投切参数。仿真实验结果验证了改进策略的有效性。

750 kV母线短路电流研究及其抑制方法新探索

常规的750/330 kV短路电流控制措施包括热备用机组、热备用线路、电磁环网解环等,但是随着青海电网近年负荷及清洁能源的快速增长,电网结构连接日益紧密,现有750 kV母线开关遮断能力及常规抑制措施渐渐无法满足运行需求,开展抑制短路电流新技术的研究已迫在眉睫。研究750 kV母线短路电流理论计算方法,针对其分支短路电流提出适应实际运行的短路电流抑制方法和最大出线回数指导建议;提出基于快速开关的方法抑制短路电流,将短路电流贡献最大的分支线路边开关更换为快速开关,故障后20 ms内断开边开关以实现快速出串运行,可保证故障前全接线运行,无需牺牲系统可靠性来控制系统短路电流,为快速开关在750 kV电压等级电网的工程应用奠定基础。

适用于半桥型MMC附加限流控制的直流线路纵联保护方案

半桥型模块化多电平换流器的附加限流控制能有效降低对线路保护速动性的要求、增强实体限流装置的限流效果,降低了故障暂态电流的上升梯度及其幅值,因此,基于故障暂态电流信息的直流线路保护会受到限流控制器影响。提出了计及附加限流控制器影响的直流线路自适应纵联保护方案:利用极线电压及其零模电压变化率构成或逻辑来启动限流控制器;推导了限流控制器作用下的直流侧故障电流解析关系,并根据限流控制器对故障电流抑制程度和换流阀两侧的故障电流信息,建立了一种基于换流阀两侧差流的纵联保护方案。该方案仅用到各站端的本地量,通过与其对端换流站交换判别结果,其不受线路分布电容影响、无需多端数据同步,具有自适应性。大量仿真实验验证了利用限流控策略的有效性和保护方案的可靠性。

基于定向电流指令的构网变流器故障限流策略

构网控制技术可使变流器实现类似同步发电机的频率和电压支撑响应,有助于提高新型电力系统稳定性,其难点之一是在故障限流的同时提供支撑。为此,提出一种基于端口电压和内电势的压差进行电流指令定向的构网变流器故障限流策略。在该方法中,正、负序电流指令的角度分别滞后于正、负序压差90°,电流指令合成向量的最大幅值为变流器的过流能力,相当于通过控制分别产生正、负序自适应虚拟电感。该方法不需要直接计算虚拟电感值,且能够发挥变流器的最大支撑能力,实现类似同步发电机的故障电流特性。通过PSCAD/EMTDC搭建仿真系统,对所提出的故障限流策略进行验证,结果表明该策略能够在限制故障电流的同时对交流系统提供有效支撑。