R&D and application of voltage sourced converter based high voltage direct current engineering technology in China

As a new generation of direct current(DC)transmission technology,voltage sourced converter(VSC)based high voltage direct current(HVDC)has been widely developed and applied all over the world.China has also carried out a deep technical research and engineering application in this area,and at present,it has been stepped into a fast growing period.This paper gives a general review over China’s VSC based HVDC in terms of engineering technology,application and future development.It comprehensively analyzes the technical difficulties and future development orientation on the aspects of the main configurations of VSC based HVDC system,topological structures of converters,control and protection technologies,flexible DC cables,converter valve tests,etc.It introduces the applicable fields and current status of China’s VSC based HVDC projects,and analyzes the application trends of VSC based HVDC projects both in China and all over the world according to the development characteristics and demands of future power grids.

Fault analysis method of integrated high voltage direct current transmission lines for onshore wind farm

Voltage source converter(VSC) based high voltage direct current(HVDC) transmission is most suited for the wind farm as it allows flexibility for reactive power control in multi-terminal transmission lines and transmits low power over smaller distance. In this work, a new method has been proposed to detect the fault, identify the section of faults and classify the pole of the fault in DC transmission lines fed from onshore wind farm. In the proposed scheme, voltage signal from rectifier end terminal is extracted with sampling frequency of 1 k Hz given as the input to the detection, classification and section discrimi-nation module. In this work, severe AC faults are also considered for section discrimination. Proposed method uses fuzzy inference system(FIS) to carry out all relaying task. The reach setting of the relay is 99.9% of the transmission line. Besides, the protection covers and discriminates the grounding fault with fault resistance up to 300 Ω.Considering the results of the proposed method, it can beused effectively in real power network.

VSC-HVDC系统中IGBT阀保护方案研究

针对电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)系统,首先分析正常运行情况下电压源换流器两侧交、直流电流之间满足的平衡关系。然后将换流器的5种开关模式按照桥臂导通状态分为两类工作状态,分析不同工作状态下全控型电力电子器件绝缘栅双极晶体管(IGBT)阀短路和阀开路的电流流通路径,研究故障后交流侧电流幅值和直流侧电流的变化及其相互关系。在此基础上,提出一种能够反应IGBT阀短路和阀开路的保护方案,将交流侧三相电流采样值分别与各自导通状态函数相乘并求和,并与直流侧电流采样值构成差动电流,利用该差动电流反应阀短路和阀开路故障,并给出保护的整定原则。最后,基于仿真平台搭建双端VSC-HVDC系统模型,验证了该保护方案的有效性。

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。

A Similarity Comparison Based Pilot Protection Scheme for VSC-HVDC Grids Considering Fault Current Limiting Strategy

In the voltage source converter based high-voltage direct current(VSC-HVDC)grids,fast and reliable protections are the key technologies.The traditional protection schemes are easily affected by fault resistance,line distributed capacitance,etc.Meanwhile,the influence of fault current limiting strategy(FCLS)has not been fully considered.In this paper,the fault characteristics under FCLS and the feasibility of traditional travelling wave protections are analyzed.To improve the reliability and sensibility,a similarity comparison based pilot protection scheme is proposed,which focuses on the relationship between the fault characteristics and the state of the protected transmission line,with the establishment of a precise frequencydependent transmission line model.The criteria based on the similarity comparison calculated by cross-wavelet can identify the fault effectively.Meanwhile,the protection scheme can also endure the influence of error synchronization.Finally,the protection performance is verified in the PSCAD/EMTDC under different fault conditions.

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。

基于等效仿真模型的VSC-HVDC次同步振荡阻尼特性分析

电压源换相高压直流输电(VSC-HVDC)是基于电压源换流器(VSC)的新一代高压直流输电技术。该文首先分析VSC的工作原理,在此基础上建立以交流侧受控电压源和直流侧受控电流源描述的VSC等效仿真模型。通过与VSC-HVDC电路模型的时域和频域响应对比,验证利用VSC等效仿真模型分析VSC-HVDC次同步频率范围内动态特性的有效性。利用复转矩系数法的时域实现方法——测试信号法及VSC-HVDC等效仿真模型,可计算得到连续且光滑的发电机电气阻尼De特性曲线;基于De曲线,分析VSC-HVDC采用不同控制方式及比例积分(PI)控制器中比例系数和积分时间常数,对发电机电气阻尼特性的影响。最后对加入VSC-HVDC的IEEE第一标准测试系统的仿真表明,配置次同步阻尼控制器(SSDC)的VSC,通过对其有功功率或无功功率的动态调制,均可显著增加发电机的电气阻尼,有效抑制发电机次同步振荡。

基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护

电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电线路两端并联有大电容,在故障发生瞬间,大电容迅速向故障点放电,对高频故障分量系统侧可等效为并联大电容。根据VSC-HVDC这种特有的系统结构,提出了一种基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护新原理。该保护原理采用时域算法,通过识别VSC-HVDC输电线路两侧的电容值来区分区内、区外故障。当直流输电线路发生区内故障时,能同时准确识别出线路两端的电容值;当直流输电线路发生区外故障时,不能同时准确识别出线路两端电容值。根据此特征,构造纵联保护判据。理论分析和仿真结果表明,该原理不受过渡电阻、故障类型、故障位置、控制方式和线路类型的影响,在各种工况下均能快速可靠地区分区内、区外故障,而且该方法计算简单,易于实现,具有一定的实用价值。

提高VSC-HVDC系统供电无源网络的传输容量的控制方法

根据电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)系统整流站和逆变站的外部伏安特性,建立VSC-HVDC系统的直流网络等效电路,进而推导出VSC-HVDC系统的小信号模型,通过小信号稳定性分析,获得了VSC-HVDC供电无源网络的传输容量与直流电压、直流侧电容和线路参数之间的关系。并在整流站引入前馈控制以等效增大线路电阻,从而提高系统传输容量。最后,利用PSCAD/EMTDC软件进行了仿真验证,仿真结果表明,在基于电压源换流器的高压直流输电中,直流电压、直流电容值及直流输电线路的阻抗均会对VSC-HVDC供电无源网络的传输容量产生影响,通过引入前馈控制可大幅提高系统的传输容量。

大型风电场经VSC-HVDC交直流并联系统并网的运行控制策略

基于电压源换流器高压直流输电(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)的直流系统存在与交流线路并联运行的情况。交直流系统之间相互切换的运行工况复杂,且切换过程存在切换依据难以确定、切换冲击大以及通信延时等问题。为解决该问题,在分析VSC-HVDC工作原理、数学模型及其控制策略的基础上,提出了一种大型风电场经VSC-HVDC交直流并联系统并网的运行控制策略,该策略在不改变换流站控制方式的情况下,可实现交直流并联系统运行方式的无缝切换。基于MATLAB/Simulink仿真软件,建立了系统仿真模型,对交直流并联系统稳态运行及动态切换过程进行了仿真分析。仿真结果表明,所提出的控制策略能够较好地实现交直流并联系统有功功率的精确分配和运行方式的无缝切换,算法简单,可靠性高。

MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制

介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电容电压平衡的原理以及子模块(sub-module,SM)电容的充放电过程。指出传统的电容电压平衡控制下,子模块投切较频繁,器件开关频率较高,会造成较大的开关损耗。针对传统方法的问题,提出一种适合MMC型直流输电系统的电容电压优化平衡控制策略,将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上。对电容电压未越限的子模块,优化策略通过引入保持因子使具有一定的保持原来投切状态的能力,以降低开关器件的开关频率。使用PSCAD/EMTDC对优化控制策略进行仿真,结果表明优化平衡控制策略与传统方法相比,可以在基本不增加电容电压波动的前提下,显著降低器件的开关频率。

VSC-HVDC主电路拓扑及其调制策略分析与比较

立足电压源换流器(VSC)-高压直流(HVDC)输电工程实际,旨在解决选用何种VSC拓扑方能使VSC-HVDC输电达到最佳性能,即找出相对最优的VSC拓扑及其调制策略。结合相应衡量指标,首先比较研究了两电平VSC采用不同调制策略时的特性,此比较研究较好平衡了两电平VSC谐波特性与开关频率这一对矛盾体;接着,对此比较研究中得出的相对最优拓扑与两电平12脉动、三电平二极管钳位及模块化多电平VSC间的特性进行分析;最后,得出结论:基于特定次谐波消除脉宽调制的两电平VSC与模块化多电平VSC为切实可行的2种换流器拓扑,其具有各自不同的应用场合特征。另外,结合实际VSC-HVDC输电工程建设的要求,给出了选型的基本方法和经验,并通过仿真加以了验证。

含VSC-HVDC的交直流混合发输电系统可靠性评估

建立了含柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)的交直流混合发输电系统的可靠性分析模型,该模型既考虑了VSC-HVDC的稳态功率特性,还计及了发输电网络的故障率和输电线路的有功限制,采用非序惯蒙特卡罗仿真实现;在满足系统安全约束的前提条件下,对系统进行模拟调度,重点评价了与发输电网络连接的VSC-HVDC对电网可靠性的影响,给出系统和节点的风险指标,为VSC-HVDC规划和运行提供参考依据,最后算例分析证明了该算法的可行性和合理性。

基于虚拟同步电机技术的VSC-HVDC整流侧建模及参数设计

在传统控制方式下,柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统换流站难以有效参与电网动态调节,而虚拟同步电机技术通过合适的控制设计使得换流器单元能够为系统提供惯性支撑,已引起广泛关注。首先结合VSC-HVDC系统数学模型,分析换流站等效为同步电机的可行性,给出基于虚拟同步电机技术的换流站控制方案。其次,针对整流侧换流站,在动态过程中将逆变侧等效为一个恒功率负载,建立虚拟同步电机内环和电压外环的小信号数学模型,分析并给出一种系统化的控制参数设计方法。最后,通过仿真分析验证文中理论分析的正确性和参数设计方法的有效性。

基于VSC-HVDC的风电分散并网下垂控制策略

海上风电的大规模开发使得柔性直流(VSC-HVDC)输电技术得到了越来越广泛的关注与应用。文中通过引入交流电压下垂控制,提出了基于VSC-HVDC的适应送端交流分散模式下的风电场多端并网的协调控制策略。在柔性直流输电传统控制策略的基础上,保留配电网侧逆变器的定直流电压控制,以保证系统功率平衡;而使风电场侧整流器采用交流电压下垂控制,以代替原有的恒功率控制,从而引入下垂控制的无需通信联系和合理动态分配等优势。仿真分析表明所提控制策略不仅能保证有功出力灵活自动跟踪系统额定值,而且还具有一定的负荷波动容忍度和交直流故障隔离功能,且在风电场采用送端交流分散模式同时向多端配电网供电时,能在风电机组切出系统的情况下快速实现潮流反转,以保证系统供电可靠性,并能自动按照额定比例在各配电网间合理分配动态功率,为风电分散并网的协调运行提供了有效的解决途径。

VSC-HVDC系统风力发电结构分析与控制

针对基于电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC),提出了基于永磁同步风力发电机、不控整流和Boost电路的变速直流风力发电系统结构。首先给出先并后串的新型风电场结构;然后建立最小串联系统的简化模型,用一种基于直流电压电流乘积控制的最大风能跟踪控制算法解析出输出电压和输出功率的关系。仿真结果表明:最小串联系统中的2个机组可以互不影响地独立运行,输出电压按照输出功率的变化而变化,同时2个机组均具有较好的最大风能跟踪精度和速度。

海上风电VSC-HVDC系统的直接功率控制

为了解决传统直接功率控制存在开关频率不恒定问题,该文提出了一种适用于海上风电场并网的电压源型高压直流输电系统的改进直接功率控制。该方法在推导电压源型高压直流输电系统αβ坐标系下离散化数学模型的基础上,结合虚拟磁链定向、瞬时功率理论和空间矢量脉冲宽度调制,针对电压源型高压直流输电系统设计了相关的离散化控制器。风电场侧采用定有功功率和无功功率,电网侧采用定直流电压和无功功率,实现直流电压稳定以及有功、无功功率的解耦。在Matlab/Simulink构建的离散模型基础上,对有功、无功等工况进行了仿真分析。仿真结果验证了该方法的有效性和可行性,为海上风电场电压源型高压直流输电系统提供一种可行的控制方案。

VSC-HVDC换流阀过电流关断试验方法

过电流关断试验是柔性直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)换流阀暂态试验之一,是为了检验换流阀设计的正确性及对桥臂直通工况应力耐受性进行的试验。研究阀过电流关断试验的试验方法,分析桥臂直通工况下的应力,提出等效试验方法并设计试验电路,最后给出试验电路中阀的应力波形与实际工况下应力波形的对比,结合关键应力等效性分析,验证试验方法和试验电路的等效性。

基于改进粒子群算法的PIDNN控制器在VSC-HVDC中的应用

针对海上风电场并网柔性直流输电(voltage sourceconverter based high-voltage direct-current,VSC-HVDC)系统比例–积分–微分神经网络(PID neural network,PIDNN)控制器参数寻优过程中存在的问题,提出一种基于限制竞争小生境混沌变异的改进粒子群算法(improved niche chaoticparticle swarm optimization,INCPSO)。该算法中小生境技术引入限制竞争淘汰机制,使其具有良好的全局寻优能力(探索),配合改进的帐篷映射混沌变异算法,可获得局部精细遍历性能(发现)。在解决粒子群算法早熟收敛和搜索精度低等问题的同时,最大程度地平衡了粒子群算法在解空间内的探索和发现能力。给出了VSC-HVDC系统中PIDNN控制器参数寻优INCPSO算法步骤,并进行算例分析验证。仿真结果表明,该算法寻优效率和搜索精度高,鲁棒性好,INCPSO-PIDNN控制器可用于海上风电场柔性直流输电变流器。