模块化高压大容量DC/DC变换器综述

随着新能源发电占比增加和电网规模的不断扩大,直流输电系统的容量不断提升,含有不同电压等级的直流电网是未来发展的必然趋势。在此背景下,DC/DC变换器作为直流电网关键设备,在多电压等级互联场景中发挥着重要作用。文中首先对已有的模块化高压大容量DC/DC变换器进行归纳、分类和比较,然后阐述了目前模块化高压大容量DC/DC变换器的拓扑结构、工作原理与特点,并针对其特点提出了不同变换器的适用场景,最后对未来的研究方向提出了建议。

基于限流电抗器两侧特定频段暂态能量比的MTDC电网单端量保护方案

柔性直流输电技术有利于未来大量分布式能源接入电网,而配置快速、可靠的保护方案是柔性直流技术发展的关键。基于直流电网等效模型,提出一种基于限流电抗器两侧电压特定频段暂态能量比差异性的单端量故障区域识别方法。该方法依据贝瑞隆等效模型计算出限流电抗器两侧电压比,通过广义S变换提取限流电抗器两侧特定频段电压,根据故障时正负极限流电抗器的电压幅值差的差异性实现故障选极。最后在PSCAD/EMTDC平台搭建仿真模型,分析出发生区内外故障时差异性明显,具备较强的耐过渡电阻与抗噪声干扰能力。

基于CRS-LMD和SVD的MMC-HVDC线路故障测距方法

直流输电线路故障行波波速不确定、波头提取困难以及噪声干扰等因素制约了直流电网中故障测距技术的应用。为了降低上述因素对定位准确性的影响,提出一种基于局部特征有理样条插值均值分解(LMD based on characteristic rational spline,CRS-LMD)和奇异值分解(singular value decomposition,SVD)的故障测距方法。首先,利用特征尺度选取最优极点系数,结合有理样条插值调节拟合曲线的松紧程度,实现对故障电压行波的局部均值分解。其次,采用奇异值分解对故障行波波头进行准确提取。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了张北±500 kV柔性直流电网的仿真模型,模拟各种故障情况并输出故障数据,利用Matlab对故障数据进行处理并验证定位算法。最后,仿真结果表明,所提故障测距算法在不同故障距离和故障类型下均能实现故障测距,且在叠加噪声和过渡电阻的情况下也能保障较高的精确性。

Analysis of DC Grid Prospects in China

随着化石能源的日益枯竭，中国已将发展可再生能源提升至重要地位，并逐步实现能源结构的战略性调整。分析可再生能源发电的间歇性与不稳定性特点，以及可再生能源发电集中并网带来的稳定性问题，提出通过建设广域覆盖的直流电网以有效解决可再生能源集中并网的有功波动问题。建设全国性的直流骨干输电网，不仅可更有效地利用可再生能源，也将积极推动坚强智能电网的建设。与交流系统相比，直流电网在未来城市配电、微网等领域也有较大的优势。根据中国国情，对直流电网在中国建设的可行性进行了具体分析，并提出中国直流电网主干结构设想图，指出了直流电网建设的一些关键技术问题，为中国直流电网建设提供参考。

直流故障下MMC-HVDC的两段式限流保护策略

如何对直流故障电流进行有效抑制是实现柔性直流电网大规模发展的关键。为此,研究模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的控制方法,提出一种针对半桥型MMC的两段式限流保护策略,通过减少子模块的投入数目来降低换流站直流出口电压,达到限制短路电流的目的。首先,介绍MMC的拓扑结构及基于MMC的高压直流输电(MMC based high voltage direct current,MMC-HVDC)系统控制策略;其次,分析两段式限流保护策略的原理与直流故障电流特性,介绍MMC-HVDC系统的直流故障保护策略;最后,通过双端MMC-HVDC系统仿真实验,对所提限流保护策略的有效性进行验证。仿真结果表明,两段式限流保护策略可以有效降低断路器开断电流和吸收能量,节约成本。

Control Strategy of DC Link Voltage Flywheel Energy Storage for Non Grid Connected Wind Turbines Based on Fuzzy Control

The large-scale development of wind power is an important means to reduce greenhouse gas emissions, alleviate environmental pollution and improve the utilization rate of renewable energy. At the same time, large-scale non grid connected wind power generation theory avoids the technical difficulties of wind power integration [1]. However, due to the randomness and uncontrollability of wind energy, the output power of the wind power generation system will fluctuate accordingly [2]. Therefore, the corresponding energy storage devices are arranged in the non-grid-connected wind power generation system to ensure the power quality, and it has become the key to full utilization of renewable energy. In the case of wind speed fluctuation, the DC bus control strategy of the wind turbine is proposed in this paper. It can reduce the impact on the unit converter and the power load;this ensures safe and stable operation of non-grid connected wind turbines.

HVDC Grid Segmentation Analysis for Blackouts Reduction

Segmentation of large AC systems through DC links introduces a new concept that utilizes the advantages of direct current transmission to improve network reliability and increase power transfer capacity. Technical literature argues that the segmentation of the AC network and the introduction of DC links at these systems connection points bring benefits to system operation, once contingencies generated on one side of the DC connection point would not be reflected on the other side of DC connection, thereby reducing the likelihood of cascading shutdowns and blackouts due to load restraint on transmission lines and transformers. Amidst this scenario, this paper presents a study of the main topics regarding the use of this new network segmentation philosophy, bringing a practical point of view for the use of this concept at the electrical power system planning. The effect of DC segmentation before a contingency that would initiate major outages in an adapted electrical system model IEEE-14 bus is studied and simulations have been performed with test HVAC systems and segmented by HVDC link. The results have been compared, principally in relation to the voltage bus, reactive power generation, system losses and power flow at the lines, and demonstrated that this new concept improved the grid reliability.

直流微电网用非隔离高增益DC-DC变换器

在直流微电网中,光伏需要依靠电力电子功率变换器并网。文章提出了一种非隔离高增益DC-DC变换器,该变换器采用改进的开关电感,以提高负载的输出电压,对其连续导通模式和不连续导通模式下的稳态进行了分析,并与其它功率变换器拓扑进行了比较。最后,在Matlab仿真平台和实验样机上进行了对比,仿真和实验结果与理论分析结果基本一致。文章所提变换器与传统升压变换器相比,具有较高的电压增益,虽然该变换器使用了两个功率开关,但由于两个功率开关采用统一操作,因此控制电路简单。

远海风电DRU-HVDC送出系统构网控制与启动方法综述

随着海上风电开发的不断规模化和远海化,海上风电直流送出技术成为研究热点。针对低成本的二极管整流单元(DRU)型高压直流(HVDC)输电,重点指出了分布式DRU在均压、部分退出运行等方面的主要技术特点,论述了该技术与柔性直流送出、传统直流输电的差异。由于DRU的不可控性,海上电网的构建须由风电机组通过自身控制实现。因此,对现有研究的风电机组集中式和分散式构网控制进行详细综述,并对全构网型控制采用P-V和Q-f功率控制机理进行风电场-DRU层面以及风电机组层面的梳理解释。针对DRU单向潮流引起的启动问题,综述了辅助中压交流脐带电缆、辅助模块化多电平换流器、海上风电机组配置储能以及辅助低压直流电缆等启动方法,指出利用辅助中压交流脐带电缆是相对成熟的方案,而利用海上风电机组储能和全构网型控制具有较高的灵活性,但现有技术下仍面临风电机组塔筒内部安装空间不足、储能安全隐患等问题。最后,对海上风电经DRU-HVDC送出系统未来值得深入探索的研究方向进行了展望。

Practice and Prospect of AC/DC Hybrid Power Grid in Southern China

China Southern Power Grid is a unique EHV AC/DC hybrid transmission network that operates in China. In its service area, the distribution of energy resources and the development of economy are extremely unbalanced, so long-distance and bulk power transmission are needed; besides, the geography and climate conditions are serious, rains, fogs, lightning and typhoon as well as high temperature are common all the year round. Facing these challenges, the power grid enhanced stability control, improved the equipment and strengthen the network structure. In the future, the power grid plans to optimize the disposition of power sources and build digitalized power system.

Fault Identification and Islanding in DC Grid Connected PV System

Nowadays, the DC distribution system has been suggested, as a replacement for the AC power distribution system with electric propulsion. This idea signifies a fresh approach of issuing energy for low-voltage installations. It can be used for any electrical application up to 20 MW and works at a nominal voltage of 1000 V DC. The DC distribution system is just an extension of the multiple DC links that previously available in all propulsion and thruster drives, which typically comprise more than 80% of the electrical power consumption on electric propulsion vessels. A fault detection and islanding scheme for DC grid connected PV system is presented in this paper. Unlike traditional ac distribution systems, protection has been challenging for dc systems. The goals of this paper are to classify and detect the fault in the PV system as well as DC grid and to isolate the faulted section so that the system keeps operating without disabling the entire system. The results show the measured values of power at PV panel and DC grid side under different fault condition, which indicates the type of fault that occurs in the system.

考虑VSC-HVDC作用的LCC-HVDC系统短路比实用计算

准确量化LCC-HVDC(电网换相换流器型高压直流输电)及VSC-HVDC(电压源换流器型高压直流输电)多馈入系统的传输极限和电网强度是保障新型电力系统稳定运行的关键之一。通过改进传统LCCHVDC交直流系统的电网强度量化方法,提出了量化混合直流馈入系统电网强度的短路比指标,以此分析交直流系统的传输极限。首先,根据潮流方程建立混合直流馈入系统的准稳态模型;其次,通过分析雅克比矩阵奇异性与直流馈入系统功率传输极限的关系,得到用于评估混合直流馈入系统中LCC-HVDC传输极限的短路比指标,并分析指标临界值与VSC-HVDC运行方式的灵敏度关系;最后,通过PSCAD/EMTDC及MATLAB平台验证了短路比指标的有效性。分析结果表明:VSC-HVDC在受端定电压控制方式下具有更好的电压支撑能力,同时VSC-HVDC的运行方式对LCC-HVDC传输极限的影响较小,可通过所提指标进行定量分析。

具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器

为解决柔性直流电网中混合式直流断路器成本高以及盲目重合闸的问题,提出了一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器。所提断路器能够在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器,配合电容充电回路的导通,将本应经避雷器耗散的限流电抗器能量转移到电容中,从而有效减少了故障隔离时间与避雷器能量耗散压力,并为故障性质的判别提供了能量支持。同时,该断路器通过共享主断路器的方式实现故障隔离,结合避雷器泄能需求的下降,大大降低了断路器的制造成本,在经济性方面优势明显。此外,该断路器利用故障识别电流与电容电压在永久性故障与瞬时性故障下的幅值差异来识别故障性质,实现了自适应重合闸,操作简单且易于控制。最后,利用PSCAD/EMTDC在三端MMC柔性直流系统环境下对所提方案的有效性进行了仿真验证,并通过与其他方案的对比分析,证明了所提方案的优越性。

基于混合型MMC的柔性直流电网故障电流阻断控制策略

柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、输送和并网的有效手段。针对基于混合型MMC的直流故障电流阻断方案会引起功率传输中断的问题,本文提出了一种混合型MMC负压控制与超高速机械开关协调配合的故障电流阻断方法,该方法能够快速阻断故障电流并维持非故障线路的功率传输。通过分析故障电流组成及关键影响因素,确定了换流站的控制目标,基于全桥子模块的电压调节自由度,提出了利用混合型MMC输出负压主动吸收故障电流的控制策略,并设计了其与超高速机械开关的协调配合方案,实现故障的可靠隔离。最后,基于RTLAB实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,仿真结果表明,本文提出的方法可快速阻断直流故障电流,缩短直流电网功率恢复时间,提高系统安全稳定性。

基于MMC闭锁与负直流电压无闭锁的综合直流故障限流策略

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网存在抗直流故障扰动能力弱的问题。为此,在无闭锁和闭锁限流的基础上,提出了一种适用于柔性直流电网的无闭锁与闭锁的综合直流故障限流策略。故障发生后,各换流站首先根据直流侧出口电流进行基于负直流电压控制的无闭锁限流,若某换流站由于无闭锁降压限流失效而发生过流,则主动将该换流站闭锁。故障消失或隔离后,无闭锁换流站第一时间恢复正常工作模式,而无须等待重启过程较长的闭锁换流站,以尽量减小系统功率损失。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提综合直流故障限流策略可快速阻断故障电流,并兼顾限流过程的安全性和快速性,最大限度保证系统功率传输,提高了直流电网的抗故障扰动能力。

二阶LADRC在风电并网逆变器网侧直流母线电压控制中的运用

为提高风电并网系统中电网侧逆变器直流母线电压的稳定性和动态响应速度,文中设计一种无对象模型辅助的二阶线性自抗扰控制技术(linear active disturbance rejection control,ADRC)以取代电压外环的PI控制器,从而形成一种新的双闭环控制结构。文中利用频域分析法分析了ADRC控制器的稳定性、跟踪性和抗扰能力;最后在3.6 MW直驱永磁同步风力发电机组的物理实验平台中验证了该控制结构的可行性,将传统PI控制和文中所提出的控制模式在不同工作条件下的控制效果进行比较。实验结果表明,该文章设计的控制方案优于传统的PI控制器,具有良好的抗干扰性和鲁棒性,大大减少直流侧母线电压波动所造成的影响。

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。

考虑氢能应用的光伏直流微电网中储能容量配置寻优方法研究

针对光伏出力的间歇性与不稳定性,使得单纯依赖蓄电池进行能量平抑和调节,难以满足微电网持续稳定运行的需求,提出考虑氢能应用的光伏直流微电网中储能容量配置寻优方法。考虑氢能在光伏直流微电网中的应用,对光伏电池、蓄电池以及电解槽—储氢罐—燃料电池建模分析。根据建模分析结果,设计功率平抑控制策略与混合储能充放电管理策略。将最大化年净利润与光伏自消纳率作为优化目标,建立储能容量配置优化模型,获得储能容量最优配置结果。实验结果表明,应用所提方法后,光伏直流微电网的功率偏移率实现了显著的降低,调峰能力得到了有效优化,并且调度后微电网的自平衡率大幅提升,表明该方法具有良好的容量配置效果。

基于单端分支系数的四端柔直环网线路保护方案

为提升直流线路保护在柔性直流环网中的速动性与可靠性,提出一种基于单端分支系数的保护方案。分析了不同故障位置下各换流阀提供的故障电流分量,并根据单端换流阀极线电流突变量构造分支系数,结果表明线路保护区内故障下的单端分支系数小于区外故障,利用该特征构造区内、外故障识别元件。在线路高阻接地致使主保护失效时,根据桥臂最大允许电流决定线路纵联后备保护的开放时限,以优化现有主、后备保护方案之间的时序配合方案,保障各种直流线路故障工况下,换流阀不间断运行。保护方案不依赖线路边界元件,算法简单,大量仿真结果表明,该方案有良好的耐受过渡电阻能力,能在换流阀闭锁前实现故障区域可靠识别。

有源前端组网的直流船舶电网高能效运行控制

直流船舶电网为航运业绿色转型提供了有效可行的解决方案。考虑到实际船舶的运行工况,本文提出一种分层协调控制策略,主要用于有源前端组网的直流船舶电网中功率单元协调运行的设备层控制系统和功率层控制系统。其中,设备层控制系统负责实现发电机组转速的无静差跟随与不同容量柴油发电机组间的动态/稳态功率共享;功率层控制系统负责提升母线电压质量,提高系统能效。最后,利用仿真与半实物仿真系统对控制策略进行验证,结果表明该控制策略可有效提高系统运行能效,最高节省约10%的燃油。