Recent developments in HVDC transmission systems to support renewable energy integration

The demands for massive renewable energy integration, passive network power supply, and global energy interconnection have all gradually increased, posing new challenges for high voltage direct current(HVDC) power transmission systems, including more complex topology and increased diversity of bipolar HVDC transmission. This study proposes that these two factors have led to new requirements for HVDC control strategies. Moreover, due to the diverse applications of HVDC transmission technology, each station in the system has different requirements. Furthermore, the topology of the AC-DC converter is being continuously developed, revealing a trend towards hybrid converter stations.

Research on the Long-distance Transmission

In view of the imbalanced distribution of power load and resources, including the status of “electric shortage” in some cities in our country, the article discusses the long-distance transmission technology. It mainly analyzed two ways of the long-distance transmission: UHV AC transmission and UHV DC transmission. The fractional frequency transmission technology and half wavelength AC transmission technology of AC transmission are introduced. Some key technologies of long-distance transmission are described. It has a guess for long-distance transmission future direction.

高压直流输电保护定值整定依据及配合关系探讨

在中国30余年的高压直流输电工程实践中形成了一套高压直流输电保护系统定值体系。文中结合近年来在应用中出现的复杂案例,对以下保护的定值整定依据开展了进一步探讨:阀短路保护启动定值需避开与换流阀并联的阻容回路的充电电流;换流器过流保护过负荷段定值整定依据是直流控制系统失控造成直流运行电流超过控制的过负荷目标值,以及控制目标电流超过所设定的运行时间;直流低电压保护阈值及延时定值的整定需兼顾保护的后备功能,不确保与换相失败保护双桥原理长延时段配合。另外,深入探讨了交直流系统间、金属回线运行方式下直流保护间,以及高压线路再启动与低压再启动间的定值配合问题。最后,提出了高压直流输电保护系统的定值及定值间的配合应有一定的规范性和适度的灵活性的建议。

断路器选相投切系统在换流站中的应用研究

在换流站滤波器组及换流变压器配置断路器选相投切系统,可改善断路器开合暂态过程,在取消合闸电阻工况下仍可避免对电力设备及系统造成冲击。基于多个换流站选相投切工程实施及调试经验,进行了换流站选相投切系统应用的调查。介绍了选相投切系统构成、选相投切要求、断路器配套及预测试方法等。重点针对滤波器组、换流变压器的选相投切应用,总结了控制策略、选相投切系统带电冲击试验,及工程使用中需重点关注的问题、设备运维要求等,为相关技术人员提供参考。试点工程在特高压断路器中创新性地采用取消合闸电阻、增设选相合闸的专项改造方案。断路器选相投切系统总体运行效果良好,为技术的推广积累了工程运行经验。

基于IGCT抑制换相失败的关键控制策略

针对基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统因以晶闸管作为换流器件而存在的换相失败问题,以集成门极换流晶闸管(IGCT)在中国某背靠背高压直流工程中的应用为基础,首先介绍了IGCT型高压直流的拓扑及基本运行原理。接着,从兼顾换相失败抵御效果和IGCT阀的关断应力角度,提出了适应IGCT阀的关断策略。在此基础上,研究了不同类型交流故障对故障电流峰值的影响,提出了利用故障扰动系数动态调整电流控制器参数的策略,实现故障电流抑制和故障期间直流功率的稳定输送。最后,通过实时数字仿真(RTDS)验证了所提策略的正确性和有效性。

基于暂态电流行波突变的LCC-MMC混合双极直流输电纵联方向保护

在直流线路中行波保护作为主保护应用广泛,但行波保护作为单端量的保护具有误动性较高且耐过渡电阻能力较差的缺点。在分析了行波在直流输电系统中传播特性的基础上,根据区内和区外故障时暂态电流行波变化方向的不同提出了一种基于暂态电流行波突变的LCC-MMC混合双极直流输电系统纵联方向保护。若故障时两侧暂态电流行波突变方向相同,则为区内故障,否则为区外故障。通过PSCAD和MATLAB的仿真结果表明,该保护能快速准确地识别故障,并且不受故障类型、过渡电阻以及故障发生位置距离的影响,因此具有一定的实用性。

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。

励磁绕组与阻尼绕组耦合效应对大型同步调相机转子暂态电流特性的影响

针对大型同步调相机暂态分析时模型精度较低的问题,提出一种考虑励磁绕组与阻尼绕组耦合效应的同步调相机暂态分析精确模型。首先,通过引入特征电抗建立同步调相机考虑励磁绕组与阻尼绕组耦合效应的暂态分析精确模型,并基于励磁电流拟合对特征电抗进行求解。然后,通过三相短路与BC相间短路故障仿真,对比同步调相机传统模型与精确模型的转子暂态电流特性。最后,建立同步调相机机-网暂态仿真模型,分析系统送端交流母线电压波动时同步调相机精确模型的暂态运行特性。研究表明,考虑励磁绕组与阻尼绕组耦合效应时同步调相机转子暂态电流特性的精度更高。三相短路与BC相间短路故障后3个周期内,同步调相机暂态分析精确模型励磁电流峰值平均值的精度分别提高了27.27%和61.53%。

磁控溅射制备碳化硼薄膜的结构与成分分析

近年来国际上^(3)He资源的短缺造成了基于^(3)He的中子探测器高昂的成本,而以碳化硼薄膜作为中子转换层的硼基中子探测器逐渐成为了最有前景的替代方案。通过直流磁控溅射制备了Ti/B_(4)C多层膜,并使用透射电子显微镜(TEM)、飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对薄膜的结构与成分进行表征。结果表明:Ti层存在结晶情况;H、O、N元素为薄膜内部的主要杂质,且多分布于Ti层与B_(4)C-on-Ti过渡层中;更高的本底真空度能够降低碳化硼薄膜内的杂质含量,提高B含量占比;中子探测效率测试结果证明本底真空度的提高能够有效提高碳化硼中子转换层的效率。

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。

基于混频电源运行的模块化多电平矩阵式换流器阀段试验系统

模块化多电平矩阵式换流器(M^(3)C)是目前柔性低频输电系统完成频率变换的主要电力电子设备。M^(3)C包含9个桥臂,应用在高压大功率场合的串联模块数目众多,对其设备子模块的生产提出了特殊试验需求。在M^(3)C桥臂稳态电压和电流分析基础上,设计了一种应用于数个串联桥臂子模块(阀段)的对拖运行试验系统,可对其进行等效功率运行测试,以辅助M^(3)C设备的生产和出厂测试。提出了对拖试验系统的控制策略,搭建了由两组4个串联子模块构成的阀段对拖试验系统,进行了相关试验验证。试验结果表明,所提出的试验系统能够满足M^(3)C桥臂串联子模块的等效功率运行试验,并且对电源功率消耗要求不高。

含微分平坦控制的柔直输电系统稳定性分析

交流系统不对称运行时换流站控制参数不合理的取值会影响柔性直流输电系统稳定运行。为此,首先提出不对称工况下含微分平坦控制的换流站小信号模型,同时结合模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)内部特性、环流抑制器以及直流线路等各子部分的动态模型,建立两端柔性直流输电系统全局小信号模型;然后在此基础上,依据微分平坦控制器内、外环控制参数根轨迹的变化情况,分析其对系统稳定性的影响,确定其合理取值范围;最后在PSCAD/EMTDC中搭建含微分平坦控制的两端柔性直流输电测试系统,验证所提小信号模型以及结论的正确性,为实际工程中控制器参数整定提供理论依据。

直流电场下涂层对导线表面水滴电致运动及电晕放电的影响

架空输电线路上的电晕放电现象通常由导线表面凸起物造成,如雨滴、污秽等,其中雨滴产生的电晕放电现象最为普遍。当前世界各国对于直流输电线路电晕放电机理的研究仍不够深入,因此其也成为发展高压直流输电亟待解决的问题之一。通过球板试验平台研究了涂敷涂层的铝球在表面附着水滴时,涂层对直流电晕特性及铝球表面水滴电致运动特性的影响;利用仿真软件建立了水滴电致运动多相流模型,分析了涂层接触角与水滴运动形态对水滴周围场强分布的影响。结果表明:水滴半径随接触角的增大而减小,水滴长度随接触角的增大先增大后减小;超亲水性涂层表面水滴吸附效应较强,水滴的运动幅度大大降低,水滴周围的电场强度畸变程度较小,同时电晕电流脉冲有效值最低;而超疏水性涂层表面的水滴难以稳定存在,水滴周围场强畸变程度较大,在电场作用下极易发生喷射现象,水滴喷射后场强的畸变程度会降低。

基于T区中低频衰减特性构成方向元件的特高压三端混合直流输电线路单端方向保护研究

将保护装置安装在T区两侧,基于T区中低频衰减特性构成方向元件,提出一种特高压三端混合直流输电线路单端方向保护方法。分析特高压三端混合直流输电系统整流侧、T区以及线路末端逆变侧三端边界频率特性,发现T区边界对故障电流暂态信号中低频分量有一定的衰减作用、整流侧边界和线路末端逆变侧边界对故障电流暂态信号高频分量有明显衰减作用。利用小波分解,根据T区两侧线路暂态电流中低频能量差判断故障方向,并提出故障方向判据。当T区左侧发生故障时,利用线路L1末端所检测到的高频暂态电流能量与低频暂态电流能量的比值来判别整流侧区内、外故障;当T区右侧发生故障时,利用线路L2首端所检测到的高频暂态电流能量与低频暂态电流能量的比值来判别线路末端逆变侧区内、外故障;T区发生故障时,判定为线路区外故障。给出基于T区中低频衰减特性构成方向元件的特高压三端混合直流输电线路单端方向保护方案,最后在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建昆柳龙特高压三端混合直流输电系统模型并对所提保护方法进行验证,仿真表明该文所提保护方法能实现特高压三端混合直流输电线路全线速动保护。

兼顾本地与直流受端电网调峰需求的水电站群短期优化调度模型

面对巨型水电站群高压直流送端电网和受端电网日益严峻的调峰压力,建立了一种兼顾本地与直流受端电网调峰需求的梯级水电站群短期优化调度模型。模型以多电网剩余负荷最大值最小为目标,考虑常规梯级水电站群水力、电力约束,以及复杂高压直流输电线路运行约束,并引入直流线路与水电站之间耦合运行约束。在模型求解阶段,引入辅助变量将目标函数、水电运行约束、直流运行约束线性化,并采用大M法对直流线路与水电站之间双向区间耦合约束进行线性化,将原模型转换为混合整数线性规划模型。以中国西南地区某巨型水电站群冬季和夏季典型日为实例研究,结果表明:送端电网负荷峰谷差降幅高达100%,受端电网负荷峰谷差降幅分别达28.1%和31.6%。所提模型能够利用高压直流输电线路共享水电灵活性,有效实现多电网调峰,并保证直流输电线路运行在安全区间,可以为巨型梯级水电站群短期多电网调峰提供参考和借鉴。

基于对称分量法的调相机定子故障特征分析

传统同步调相机定子绕组匝间短路故障机理分析方法通常认为电机定子电流接近三相对称,并以此为基础建立同步调相机故障电流的数学表征。但是,一旦发生定子绕组匝间短路故障,同步调相机三相定子电流的对称性将遭到破坏,使得传统故障机理分析方法所建立的数学表征无法准确反映电机内部电气量的变化。文中通过引入对称分量法,建立故障后同步调相机瞬时有功/无功功率的数学模型,提出利用瞬时有功/无功功率中的2次谐波进行定子绕组匝间短路故障诊断。仿真和实验的结果表明:相较于利用定子电流3次谐波与基波幅值之比诊断故障的传统方法,文中方法在轻微故障状态下能提高至少7倍的诊断灵敏度,更易完成早期故障诊断。同时,所提方法中的故障特征量不受同步调相机工况和故障位置的影响,具有强鲁棒性。

基于三次谐波注入的桥臂交替换流器子模块电容优化方法

桥臂交替换流器(AAC)具有子模块数目少和电容小等优点,在交直流系统功率互联和柔性直流输电中具备广阔应用前景。针对AAC存在的固定调制度运行缺陷和工程应用子模块电容经济性问题,提出了一种基于三次谐波注入的AAC子模块电容优化方法和闭环控制策略。文中首先介绍了AAC的拓扑结构和运行原理,根据换流器能量平衡方程给出注入三次谐波后AAC的宽调制度运行条件,并设计了AAC的闭环控制策略;然后,基于子模块电压波动数学模型,建立了AAC的能量波动方程,能够精确生成不同调制度和功率因数角下的能量波动模型,定量分析了注入三次谐波后能够降低的能量波动峰值和子模块电容优化率,所提出的子模块电容优化方法和闭环控制策略在实现AAC宽调制度稳定运行的同时,注入的三次谐波不改变AAC能量平衡条件,最高能够降低AAC子模块电容大小为传统控制方式下的12.1%;最后,在电磁暂态仿真软件和StarSim半实物平台中搭建模型,验证了所提分析方法和控制策略的有效性。

基于三端柔性直流的光热储能站与新能源场站功率协同控制策略

新能源基地大多经传统交流方式接入高压交流或直流外送通道,为解决大规模新能源经交流接入方式下并网容量小、损耗大,以及功率波动对电网稳定性影响等问题,构建了一个基于柔性直流输电并网的风电和光伏、光热储能及电网三端柔性直流系统。基于直流电压-有功功率特性,提出一种适用于该系统的站间协调控制策略,根据柔性直流输电系统的直流电压波动情况,调整光热储能机组的出力,以平抑风、光功率波动,降低其对电网的影响。针对光热储能侧换流站,采用直流电压裕度下垂混合控制策略,通过控制器参数配置,抑制控制模式切换过程中的暂态过电压,提高系统响应速度。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建三端柔性直流系统仿真模型,验证所提控制策略的有效性。