柔性直流与直流电网仿真技术研究

模型等效性高、仿真规模大、实时化以及计算资源需求小,一直是电力系统仿真技术的发展目标。讨论了柔性直流及直流电网的特点,结合实际工程经验,从运行特性、等效建模、数值计算以及控制系统试验等方面对柔性直流和直流电网的仿真技术进行研究。在上述研究的基础上,指出柔性直流与直流电网仿真技术的发展方向是具有多时间尺度、多速率建模与变步长计算能力的数字仿真,以及具有全功能极控/阀控实验能力的功率型数模混合仿真。

提升新疆东部以及青海新能源外送能力的±800kV四端柔性直流电网方案初设

西北地区新能源资源丰富且已建成数个10GW级新能源基地。选取新疆东部、青海南部等具有代表性新能源基地,对这些地区电网的现状及存在的问题进行深入研究。基于各电网特性,提出了基于柔性直流技术的直流组网方案,并对所提直流系统建立了仿真模型,对系统的潮流分布及转移能力、故障穿越特性等进行初步仿真分析。研究结果表明所提直流系统可提升新疆东部及青海南部电网暂稳态特性、促进新能源外送,并可为解决西北地区整体面临的问题提供解决思路。

柔性直流电网故障电流抑制关键技术与展望

能源危机和变革给传统的输电模式带来了巨大的挑战。柔性直流电网以其灵活、可控、高效等特点,成为新的电力输送方式之一,但在关键技术与装备等方面仍存在较多问题有待解决。文中以柔性直流电网故障电流抑制问题为研究对象,首先分析了柔性直流电网对故障电流抑制的技术需求与国内外研究现状。在此基础上,分别从柔性直流电网故障电流分布特性与演变规律、故障限流原理与多维度协同抑制、数字物理动模仿真等方面提出亟待解决的关键技术问题与研究思路。最后,展望了柔性直流电网研究中仍需关注的重要问题。

大规模光伏电站经柔性直流并网系统故障穿越策略

大规模光伏经柔性直流并网系统采用直流架空线路是未来新能源并网的趋势之一。然而,架空线直流短路故障发生概率较大,极易导致光伏电站脱网或换流站电力电子器件损坏。本文首先根据柔性直流输电系统、光伏电站特性,建立了相应的数学模型及仿真系统模型;其次,针对大容量光伏经双极模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流功率传输系统发生直流架空线路单极短路接地故障工况,分析其故障特性;最后,提出综合考虑直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB),换流站控制方式,光伏电站功率出力控制的直流故障穿越的协调控制策略。即故障发生时利用非故障极换流站继续进行功率传输,根据换流站额定功率与光伏电站输出功率计算得到不平衡功率,充分利用光伏阵列自身功率输出特性,优化光伏电站内的直流线路电压,实现控制光伏电站输出功率减载;对直流架空线路在瞬时故障情况下的故障穿越问题,提出了光伏电站减载以及换流站功率前馈增量控制,从而维持系统功率平衡,提高系统的并网稳定性;基于PSCAD/EMTDC的建模仿真,通过故障穿越措施前后的系统参数对比,表明所提方法能够有效地维持光伏电站与柔性直流系统运行特性,平稳实现故障穿越。

基于储能的风电柔直并网系统直流故障穿越协调控制策略

采用具有明显技术和经济优势的架空线柔性直流输电是大规模可再生能源并网的理想方案。然而,架空线故障率较高且直流系统故障发展迅速,仅靠直流断路器隔离故障线路并不能完善地解决系统的故障穿越问题。为解决该问题,针对大规模风电场经柔性直流输电并网系统的直流线路故障工况,充分利用风电场中广泛配置的储能系统,提出从故障定位隔离到故障类别判断,再到储能系统与换流站、风电场之间协调控制的一套完整直流故障穿越策略,并从能量角度展开故障特性分析。与现有工程中采用的耗能电阻方式相比,所提策略调节系统不平衡功率的灵活性更高,控制效果更优,且对所储存能量可以再利用,避免能量浪费。此外,为降低对储能系统的功率及容量需求,提出风电机组转子加速控制以减少风电场出力的方案。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提方法的有效性。

基于分散式储能的风电柔直并网直流故障穿越协调控制

采用架空线的柔性直流输电技术是解决高渗透率、远距离可再生能源并网消纳的有效方案。然而,架空线路故障率较高,其直流故障穿越问题亟待研究。本文提出利用风场现有分散储能实现风电柔直并网直流故障穿越协调控制。首先,研究风电场接入多端柔性直流输电系统(multi-terminal HVDC based on MMC, MMC–MTDC)中MMC及风电场储能系统等主要组成部分的拓扑结构和基本工作原理;其次,针对大规模风电经柔直并网系统的直流故障,定量分析非故障极功率裕量,通过控制风电机组全功率变流器现有并联储能系统来消纳故障期间的不平衡功率;针对不同功率消纳方案,提出由储能系统、换流站、直流断路器和风电场协调配合进行故障穿越,根据直流断路器动作信号进行故障分类,改变换流站控制方式与风电场出力,从而实现不同故障类型的快速恢复。该策略能够保持系统在故障期间并网运行且不出现闭锁、过载等问题,提升系统的稳定性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建上述仿真模型,详细研究了风电场经MMC–MTDC并网系统的直流故障穿越策略,验证了本文所提出的基于储能系统的直流故障穿越策略能够维持故障期间的功率平衡,实现故障快速恢复,平稳实现直流故障穿越。本文所提故障穿越策略有望对新能源柔直并网提供必要的依据和参考。

柔性直流并入城市电网后对换流站近区短路电流的影响研究

大型城市供电电网短路电流已经接近断路器遮断容量,柔性直流接入系统后,会在故障期间提供工作电流,导致交流系统短路电流超标,柔性直流输送功率受限。从柔性直流内外环控制方式及交流系统短路电流计算原理出发,分析得出柔性直流短路电流的幅值和相位对并网点的短路电流影响均较大,其中幅值受外环电流限幅环节的影响易于控制,因此需着重对相位进行控制。基于此提出了一种降低柔性直流输电换流站两端PCC点短路电流的控制策略。以厦门柔性直流工程为例,开发了交直流混合模型,与实测波形对比验证了模型的正确性。通过对不同类型故障下、2种控制策略的PCC点短路电流进行对比,验证了所提策略的正确性,减小了PCC点短路电流。

直流输电网规划关键技术与展望

新能源的大力发展促使传统能源供给和使用模式发生了根本性变化,大型煤炭、水力、光伏以及风能等多种能源并存发电的新局面,给传统的输电技术带来了巨大的挑战和深刻的变革。以常规直流(基于电网换相换流器(LCC))和柔性直流(基于电压源换流器(VSC))为基础的直流输电网为研究对象,对直流输电网规划的研究动态进行了综述。首先,分析直流输电网的特点与优势,提出并详细阐述直流输电网规划的总体框架;接着,分别从新能源广域并网、多馈入多落点地区直流组网、多电力电子设备协同优化三个方面,提出了直流输电网应用规划的关键技术;最后对张北±500kV柔性直流电网示范工程进行了简要的说明,并展望了未来直流输电网规划研究中需要关注的问题。

柔性直流输电系统电缆护套过电压仿真

直流电缆可靠性是保障柔性直流输电的关键,电缆本体故障特性分析能够为今后直流电缆设计和柔直输电系统的保护提供依据。因此依托于厦门柔直输电示范工程,基于分布参数的π型陆缆结构,建立了RLC分布参数的γ模型,并在Matlab/Simulink平台上进行了陆缆主绝缘故障后系统故障特性的仿真。仿真结果表明:金属护套上电流和电压的故障特性与主绝缘故障位置有关,故障点距离单侧换流站越近,故障电流峰值越大,且分布在直流电缆故障端和换流站端金属护套上的感应电压越大;此外,主绝缘在距离换流站不同距离处发生故障后,护套单端接地系统与护套两端接地系统中各单元感应过电压的分布趋势大致相同,金属护套上每m感应电压介于数百V至数千V之间,由护套单端接地模型可以近似分析两端接地模型中系统的故障特性。

高压直流断路器技术发展与工程实践

发展直流电网技术需要能够快速分断电流、经济可靠的高压直流断路器解决直流故障隔离问题。通过对比直流系统故障隔离的几种技术方案,表明应用直流断路器隔离直流故障可在保障换流设备安全的同时,有效维持系统中健全部分的供电持续性,是直流故障隔离较为有效的解决方案。在分析直流电网对高压直流断路器技术性能要求的基础上,对机械式直流断路器和分别基于晶闸管和绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的2种混合式直流断路器的电流分断特点和发展现状进行了阐述。提出换流技术、杂散参数优化技术、与系统的协调配合技术和试验技术是高压直流断路器技术发展面临的主要技术挑战。最后,对高压直流断路器在舟山五端柔性直流输电工程中的应用情况和即将开展的张北直流电网工程进行了介绍。

控制技术渗透下电力系统电磁暂态仿真方法

由于分布式电源及电力电子等新型电力技术的不断发展,电力电子技术的不断渗透将成为未来电力系统的发展趋势。鉴于电力电子元件导致的网络拓扑突变以及其自身的非线性特性会对电磁暂态模型和算法提出了新要求,总结传统电力系统电磁暂态耦合算法,并在此基础上分析算法在应用中会遇到的问题和挑战。从电机模型处理和针对电力电子网络的插值方法等几方面介绍电磁暂态仿真的进展,并汇总消除数值振荡的典型算法及针对大电网的几种并行算法。

基于FPGA的直流断路器仿真建模与延时补偿算法

作为保证柔性直流系统安全可靠运行的关键设备之一,直流断路器在建立直流电网,提高电网运行灵活性和供电可靠性等方面发挥着重要的作用,对直流断路器的仿真建模研究十分有必要。为在节约计算资源的同时准确模拟断路器各部分的特性,提出了一种基于后退欧拉法的直流断路器等效简化方法。首先,在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC上验证了该等效简化方法的精确性。在此基础上,建立了基于现场可编程门阵列（field-programmable gate array,FPGA）的混合直流断路器等效模型,并在电力系统数模混合仿真平台上搭建了整套测试系统,同时采用了一种基于数据传输指数衰减的延时补偿方法,仿真结果表明此方法可以增加仿真系统的精度,并能满足电力系统数模混合多时间尺度多速率的实际仿真验证需求。

厦门柔性直流输电系统孤岛运行控制仿真研究

厦门工程是世界上首个采用双极接线的柔性直流输电工程。厦门工程的投运能有效增强厦门地区电网网架结构,消除厦门岛作为无源电网的劣势。基于厦门岛作为无源孤岛电网的情况,设计系统的启动方法,并研究双极柔性直流输电向孤岛供电的控制策略。在RT-LAB实时仿真器中搭建厦门工程实时数字模型,对孤岛控制策略进行仿真验证。结果表明,所设计的启动方法可以实现系统的正常运行,对于不同的负荷类型、负荷的变化以及双极转单极运行等暂态情况,系统均可满足安全稳定运行,证明所设计的控制器具有良好的控制性能。

厦门±320kV柔性直流输电工程等效试验技术

厦门±320 k V柔性直流输电工程是世界上电压和容量最高的柔性直流输电工程,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)阀作为其关键设备之一,运行工况复杂,承受电压电流应力高,必须通过完备的等效试验进行设计验证和运行可靠性分析。基于IEC 62501标准要求及换流阀在运行过程中的电气应力分析和运行机理研究,提出MMC阀型式试验,介绍型式试验项目和参数,并展示部分试验波形。试验结果表明,该工程换流阀顺利通过试验考核,设计合理。

厦门柔性直流输电工程动模试验与数字仿真

厦门工程是目前世界上电压等级最高、容量最大的柔性直流输电工程。首先介绍依据厦门工程建设的动模系统的设计原则和整体结构,利用动模系统对工程阀基控制系统进行全功能试验,验证阀基控制系统的控制性能和通信协议。同时,通过后期试验结果和实际工程数据的对比,证明动模系统的相似性和等效性。其次,介绍基于RT-LAB平台搭建的厦门工程实时数字模型以及与极控制保护装置的联合试验系统,通过模拟不同工况下系统的暂态特性,依据工程指标校核极控制保护装置的参数。

柔性直流输电稳定性分析及控制参数整定

针对柔性直流输电的特点,将其稳定性分析分为两部分,即柔直系统直流侧稳定性分析和交直流互联的稳定性分析。对于直流侧的稳定性分析,首先建立柔直系统的简化复频域电路,然后得到等效环路增益,采用Middlebrook判据进行稳定性判断;对于柔直系统与交流互联网络,首先探讨其稳定性机理,然后通过dq旋转坐标系下的电流环控制结构框图构建换流站的等效电路,并推导出换流站的等效导纳表达式,最后通过注入非特征谐波电流法进行交流侧阻抗检测,利用交直流阻抗比的频域特性进行稳定性判断,找出稳定的控制参数域。利用PSCAD/EMTDC软件对实际工程中不同等效场景下交流侧阻抗对稳定性的影响进行仿真,证明了采用所提方法进行稳定性判断及控制参数整定的有效性。

一种混合直流输电故障检测和处理策略

混合高压直流输电技术将传统高压直流输电技术的经济性与柔性高压直流输电技术的安全性和稳定性相结合,无疑将成为未来高压直流输电技术的研究热点。VSC站直流侧故障的快速检测和隔离技术一直是混合直流电网发展的主要技术瓶颈之一。高压直流断路器是解决这一问题的重要手段,也是当前研究的热点。根据高压直流断路器的工作过程,分别对高压直流断路器的故障检测和限流控制进行了分析,提出了基于ROCOV(电压变化率)故障检测方法以及分步投入避雷器的限流策略,减少了断路器的动作时间和故障电流峰值。最后,在PSCAD/EMTDC上进行仿真分析,验证直流断路器保护方案的可靠性和快速性。

基于电压变化率故障检测的高压直流断路器保护策略

快速检测故障并准确实现故障隔离是柔性直流电网的基本运行要求。为提高直流电网运行的可靠性,以典型的4端口柔性直流输电工程为研究对象,针对工程中应用的高压直流断路器提出了一种就近检测电压变化率(rateofchange of voltage,ROCOV)的高压直流电网保护控制策略,通过对保护原理的分析提出了保护所需要的故障判据,并给出了动作阈值的整定方法。此外在目前的直流电网保护策略基础上进行了改进,针对易发生保护误动的情况具体地提出了抗扰动的方法和区分区内区外故障的控制策略,最后在PSCAD/EMTDC中搭建了4端口柔性直流输电模型,对不同的工况和故障进行仿真,验证了方法的准确性以及保护动作的选择性、可靠性和速动性,并证明了该方法具有一定的抗干扰性和抗过渡电阻的能力。

电力系统基础仿真算法对比分析研究

微分代数方程的解算方法是电力系统仿真技术的基础,不同的解算方法得到仿真模型的解算结果之间存在差异,这对模型的计算分析及评估有重要影响。基于当前较为常用的商用软件平台中使用的三种分析方法—EMTP类软件的节点分析法、用于Matlab/Simulink的状态空间法以及用于RT-LAB平台的状态空间节点法,结合各算法的特性,基于典型RLC电路模型进行仿真,通过仿真结果说明各算法之间的差异,并理论分析了结果差异产生的原因。

基于MMC的背靠背柔性直流输电系统控制策略

首先研究了基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)输电系统的基本控制策略。然后,分析了背靠背MMC-HVDC输电系统的特性,其整流侧换流器与逆变侧换流器的控制系统可共用机柜,因此能实现两侧换流器控制信号的无时延共享。在此基础上,针对背靠背柔性直流的应用需求,提出了一种适用于背靠背MMC-HVDC的控制策略。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了背靠背MMC-HVDC系统仿真模型,验证了所提控制策略的控制效果。