基于改进型MMC的风电直流联网系统直流故障穿越协调控制策略

采用双极架空线柔性直流输电技术进行大规模风电远距离外送是其友好型并网的有效手段.针对风电直流联网系统直流故障阻断和功率盈余问题,提出了一种改进电流转移型模块化多电平换流器(M-CT-MMC),使其同时具备直流故障阻断和能量耗散的功能,从而在充分发挥耗散电阻作用的同时实现直流故障穿越.在直流故障阻断方面,通过将M-CT-MMC桥臂吸收支路的引出线互联构造三相中性点,避免了桥臂开关额外承受直流电压偏置导致的成本增加问题,并利用辅助支路间的协调配合,有效阻断了直流故障电流.在盈余功率耗散方面,针对自消纳和非自消纳工况设计了双极M-CT-MMC控制模式切换策略,在提高非故障极功率转带能力的同时自主吸收盈余功率,并基于功率耗散需求设计了耗散电阻分组投切控制策略,避免非故障极M-CT-MMC过载,从而实现不同运行工况下风电直流联网系统的直流故障穿越.最后,基于MATLAB/Simulink仿真平台验证了所提直流故障阻断及盈余功率耗散协调控制策略的有效性和可行性.     

直流电网暂态过电压机理与抑制策略

在柔性直流输电系统受扰后,当直流电网存在盈余不平衡功率时,将导致直流过电压问题,进而对IGBT、电容器等器件造成不可逆的损坏。针对直流电网故障下的直流过电压问题,首先分析了不平衡功率导致直流过电压的机理,得到了直流电压与直流电网内不平衡功率的定量关系;然后提出一种抑制直流电压上升的虚拟调制控制策略,并针对单极和双极2种故障类型采取2种不同控制策略;最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了四端柔性直流电网仿真模型,验证发生受端短路故障、受端单站闭锁故障和受端单极闭锁故障3种典型故障时所提控制策略的有效性。仿真结果表明,虚拟调制控制策略能有效地延缓直流电压上升速度,与耗能装置配合可以显著降低耗能装置的投入容量。     

风电接入真双极MMC-MTDC系统直流故障穿越协调控制策略

由于柔性直流输电系统通常采用架空线进行直流输电,其故障发生率较高。当系统发生单极短路接地故障后,通过真双极接线方式可将故障极不平衡功率转带给非故障极。根据换流站的功率裕度将不平衡功率分为自消纳和协同消纳情况,针对自消纳情况,通过送端双极换流站间的功率转带即可实现故障穿越;针对协同消纳情况,设计换流站及耗能电阻间的协调控制策略,考虑到耗能电阻投入时长有限,采用后续风机切机的方式减少直流系统内不平衡功率。最后,通过PSCAD验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明,该策略能有效避免故障范围的扩大,确保系统的安全运行。     

风电接入真双极MMC-MTDC系统直流故障穿越协调控制策略

由于柔性直流输电系统通常采用架空线进行直流输电,其故障发生率较高。当系统发生单极短路接地故障后,通过真双极接线方式可将故障极不平衡功率转带给非故障极。根据换流站的功率裕度将不平衡功率分为自消纳和协同消纳情况,针对自消纳情况,通过送端双极换流站间的功率转带即可实现故障穿越;针对协同消纳情况,设计换流站及耗能电阻间的协调控制策略,考虑到耗能电阻投入时长有限,采用后续风机切机的方式减少直流系统内不平衡功率。最后,通过PSCAD验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明,该策略能有效避免故障范围的扩大,确保系统的安全运行。     

海上风电柔性直流系统与风电机组协调控制策略

针对海上风电经MMC-HVDC并网系统岸上交流故障造成的直流过电压问题，提出一种利用海上换流站储能裕度吸收盈余功率和风电机组降低输出功率的协调控制策略。在故障期间，海上换流站采用能量控制，使其子模块电容吸收盈余功率，同时根据其当前能量的变化，抬升风电场交流电网频率，使得风电机组网侧变流器根据频率偏差协同限制注入柔性直流系统的功率，从而实现无需通信系统的直流过电压抑制。最后通过仿真验证了所提方法的有效性。     

柔直电网多换流站有功功率协调控制策略研究

不同于以往的多端柔性直流工程,柔性直流电网工程送端采用交流耗能装置来解决功率盈余问题。针对柔直电网换流器故障退出导致直流电网正负极有功功率失衡的问题,提出直流电网各端换流站正负极换流器自适应有功功率控制策略。基于RTDS搭建柔直电网系统实时仿真平台,分别模拟功率送端、功率受端和调压端单换流器故障及双换流器故障。对所提出的多换流站有功功率协调控制策略进行了仿真验证,试验结果表明提出的多换流站有功功率协调控制策略正确可靠。     

应对受端交流故障的海上风电柔直并网系统主动能量控制方法EI北大核心CSCD

在海上风电柔直并网系统中,交流故障期间盈余功率的快速耗散是保证系统故障穿越性能及运行可靠性的主要技术途径。针对现有盈余功率耗散方案中存在通讯可靠性低、响应时间长、技术成本高及能量浪费等问题,提出一种基于主动能量控制的盈余功率主动回收方法。首先,通过分析不同交流故障类型下的故障电路,定量地验证利用柔直系统的能量裕度对盈余功率进行回收的可行性。随后,提出基于直流调制比的换流器解耦控制策略,并在此基础上设计能量回收方案及直流耗能装置协调控制策略。最后,通过在PSCAD/EMTDC中搭建典型海上风电柔直并网系统的仿真模型,对不同时长、不同故障类型的交流故障进行仿真,验证所提主动能量控制及能量回收方案的有效性。     

张北柔性直流电网盈余功率问题的耗能方法EI北大核心CSCD

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。新能源电场孤岛方式接入直流电网时,由于直流电网故障后电压、电流发展速度和通过交流安控装置切除新能源机组时间匹配困难,特别是在新能源孤岛满功率接入条件下,任何扰动都可能引起直流电网的盈余功率,进而引发直流电网的大面积瘫痪。针对新能源电场孤岛方式接入直流电网的2类盈余功率问题,归纳了6种备选耗能方法。以直流可控耗能电阻、交流耗能避雷器、交流可控耗能电阻为例,对耗能方法展开理论分析,通过张北柔性直流电网工程的电磁暂态仿真验证了理论分析的正确性。结果表明,交流可控耗能电阻方法可较好地解决第1类和第2类盈余功率问题,是张北柔性直流电网工程盈余功率问题较优的解决方案。     

张北柔性直流电网交流耗能装置运行特性仿真

为验证利用可控硅将大功率电阻快速投入交流系统的耗能装置能否在投运后安全可靠运行,从而解决张北柔直工程双极性接线故障状况下过负荷造成的线路和设备损毁问题,该工作通过PSCAD电磁暂态仿真软件建立了张北换流站交流耗能装置的电路模型;然后对耗能装置的运行特性进行了分析,并模拟了过剩风能与耗能装置分组投切时系统的电压电流;最后讨论了耗能装置故障状况对系统的影响。结果表明:耗能装置可以快速有效地消纳过剩功率,且当其故障时不会对系统造成威胁。可见交流耗能装置设计合理,可将其投运在柔性直流系统中。     

海上风电柔直并网系统主动能量控制与交流耗能装置协同策略

针对目前海上风电柔直并网系统采用直流耗能装置存在的工程经济性差、能量浪费等问题,该文提出一种能够协同交流耗能装置运行的主动能量控制策略。首先,通过计算柔直系统能量裕度,定量地验证基于主动能量控制的盈余功率解决方案的可行性。随后,提出柔直换流器交直流电流对偶控制技术,构建换流器的电容能量控制器。进一步考虑交流耗能装置的运行特性,提出换流器能量–交流电压控制器。在此基础上,设计可充分利用柔直系统能量裕度的主动能量控制与交流耗能装置协同控制方法。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建典型海上风电柔直并网系统的仿真模型,对不同故障类型的交流故障进行仿真,验证所提主动能量控制与交流耗能装置协同策略的有效性。     

基于半桥子模块的直流卸荷装置

海上风电柔性直流(柔直)送出系统所接入的陆上交流电网发生故障后,风电场持续输出的盈余功率会造成直流过电压。解决盈余功率最有效的手段是采用卸荷装置对盈余功率进行泄放。文中针对功率器件直接串联的集中式直流卸荷装置投退功率冲击大、器件同时开断难以及分布式直流卸荷装置成本高的问题,提出基于半桥子模块的集中式直流卸荷装置方案,并研究所提拓扑的参数设计方法与控制策略。该方案可以克服大规模功率器件直接串联的技术困难和风险,还可以通过子模块逐步投切降低电阻电压变化率,从而降低功率泄放对直流系统的冲击以及卸荷电阻的制造难度。与分布式直流卸荷装置相比,文中方案仅采用集中式电阻而省去了子模块中的泄放支路,大幅降低设备成本。在PSCAD平台进行海上风电柔直送出系统故障穿越仿真,结果表明所提集中式直流卸荷装置拓扑及控制方案具有良好的性能。     

轻型直流输电系统的不对称故障控制策略

基于电压源变流器(voltage source converter,VSC)的轻型直流输电(VSC-HVDC)正成为一种经济灵活的新型输电方式。但是当交流系统发生不对称故障时,系统中存在的负序分量在脉宽调制(pulse width modulation,PWM)的作用下会产生大量的非特征谐波,并严重恶化VSC- HVDC系统的控制性能。文章在换流站正序模型的基础上建立了系统的负序模型,提出一种基于精确反馈线性化理论的正负序电流非线性控制器,并针对系统故障时出现的直流过电压问题设计了2种应对策略。在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC下对上述控制策略进行了仿真验证,达到了预期的控制效果。     

机组协同-分布卸荷的风电场-柔直并网系统故障穿越方法

为降低风电场-柔性直流并网系统在交流主网发生低电压故障时的穿越成本,提出一种直流耗能装置与风电机组卸荷电路协同作用的电网故障穿越策略,在电网故障时送端换流器配合风电场快速降低直流功率输出.由于直流耗能装置仅在故障发生的前期、风电场输出功率下降前起到限制直流电压升高的作用,该策略能够显著降低直流耗能装置的体积.在此基础上,该策略将直流耗能装置中的耗能电阻分散置入到受端模块化多电平换流器中,进一步降低了卸荷成本.最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中,构建了风电场-柔性直流并网系统的仿真算例,对所提出的故障穿越方法的正确性和有效性进行了验证.     

VSC-HVDC输电系统模式切换控制策略

分析了基于电压源换流器的高压直流(VSC-HVDC)输电系统在定直流电压控制端交流电网故障下的模式切换控制策略,提出了基于滞环和本地直流电压检测的模式切换控制,并给出了该控制的实现方法。推导了正常运行时VSC-HVDC输电系统直流功率与两侧换流器直流电压的关系式,给出了定有功功率控制端的直流电压正常工作范围的计算方法,提出了模式切换控制策略中直流电压阈值和故障穿越期间直流电压参考值的确定方法。最后,PSCAD/EMTDC仿真验证了在不同故障类型和不同运行方式下VSC-HVDC输电系统模式切换控制策略的有效性;仿真结果表明,该直流电压阈值和参考值的确定方法能够为模式切换控制策略的指令值整定与配合提供可靠参考。     

张北数据港柔性变电站DC/AC变流器关键控制策略

柔性直流输电是实现新能源并网和直流电网的极具潜力的输电方式。文中在张北数据港设计构造了一台柔性直流输电系统用DC/AC变流器。所设计的变流器采用多变流器并联+z型接地变压器结构。为抑制离网下由于负荷特性而造成的输出电压不平衡与输出电压畸变问题,分别提出了变流器输出电压不平衡控制策略与输出电压谐波抑制策略,以保证设备的供电质量。为保证设备的不间断供电并提高设备的供电可靠性,提出一种主动限流控制策略,在设备离网供电模式下电力系统发生短路故障时进行主动限流。最后,搭建了2.5 MW DC/AC变流器进行实验研究。实验结果验证了所提控制策略的有效性。目前,该装置已应用于张北数据港柔性变电站。     

海上风电经柔性直流联网系统受端交流故障穿越协调控制策略

针对海上风电经柔性直流联网系统受端交流故障导致的直流过电压问题,提出了直流过电压协调抑制策略。针对单极直流过电压,通过合理切换双极MMC控制模式,可使故障极MMC主动维持直流电压稳定。并设计了风电场精确减载控制策略,以保证非故障极MMC满载运行,从而降低单极MMC退出对受端交流电网的影响。针对双极直流过电压,设计了一种基于本地直流电压测量信息的风电场减载控制策略,即根据直流电压变化率及偏差量主动降低风电场有功出力,以抑制直流电压上升率及幅值。并提出了附加桨距角控制及其参数选取原则,使风电场与各换流站内电容共同维持直流电压稳定,提高系统故障穿越能力。最后,基于RTLAB OP5600实时数字仿真平台搭建了系统仿真模型。不同受端交流故障情况下的仿真结果表明,所提直流过电压协调抑制策略可保证直流电压在安全运行范围,维持系统安全稳定运行。     

柔性直流电网结构对单极接地故障过电压的影响

柔性直流电网的优势之一是其运行方式灵活可变,考虑到未来在检修等工况下系统可能采取不同的电网结构继续运行,而对于采用架空线的柔性直流电网,直流线路极易发生单极接地故障,因此有必要对不同电网结构下直流线路单极接地故障的过电压水平进行研究。搭建了基于环型四端柔性直流工程的过电压仿真模型,研究了柔性直流电网直流侧接地故障下的暂态过电压特性,计算分析了直流线路发生单极接地故障时,4种柔性直流电网结构下换流站内、外关键节点和设备上的过电压水平。研究表明,伪U型结构下系统的过电压水平相对较低,折线型和真U型电网结构下系统的过电压水平相对较高。不同电网结构对换流变压器阀侧对地电压和换流站母线过电压的影响规律相似。     

基于电压控制特性的电压源型多端直流/交流系统潮流求解

由于基于电压源型换流器的高压直流(VSC-HVDC)输电技术具有良好的可控性,对负荷中心供电、风电消纳、孤岛电力传输等适应能力强,电压稳定性好,因此具有良好的应用前景。当前对VSC-HVDC系统主要基于定功率控制模式进行潮流计算,而很少考虑到实际的换流器电压控制能力。为了更加精确地反映实际电网中VSC的电压控制特性,文中建立了基于VSC的电压控制模型,考虑了换流器损耗、交流滤波器、换流器容量限制等的影响,并基于电压控制特性提出了VSC多端直流/交流系统的通用潮流求解方法。对直流电网功率分布变化和N-1故障以及多端直流/交流系统的潮流算例分析表明,所提的潮流算法能够反映直流换流器的电压控制调节能力,验证了基于VSC的多端直流/交流系统在考虑换流器电压控制特性后的潮流方法的有效性、合理性以及算法的快速性。     

电网不对称故障下VSC-HVDC系统的直接功率控制

针对在电网传输线路发生不对称故障时,采用稳态的电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)系统控制算法将引起直流电压波动,交流电流畸变等问题,提出采用改进的直接功率控制(DPC)算法对VSC-HVDC系统的稳态和暂态过程进行控制。该方法以瞬时无功功率理论和dq变换为基础,通过实时控制电压源换流器(VSC)系统输入输出功率平衡,从而完成系统的交直流功率传输。对于不对称故障时直流电压出现的波动问题,通过对输入的瞬时功率进行分解,采用正序功率和相位作为控制信号对电压波动进行抑制。最后,通过PSCAD软件对所提出的控制算法进行系统仿真,从仿真的结果看出当系统故障时,改进的算法能够有效的抑制直流电压的波动,降低电流的谐波含量。同时也验证了该算法不仅能够很好的完成系统的稳态和暂态的过程控制而且能够有效隔离电网故障增强电网的稳定性。     

柔性直流输电系统的黑启动控制能力研究

柔性直流输电系统中的可关断器件具有自关断能力,能够对开通、关断时刻进行控制,可以与无源系统连接进行换流。本文针对VSC在无源逆变方式下不需要外加换相电压的快速恢复控制能力,研究了柔性直流输电系统的黑启动控制能力。设计了黑启动过程中VSC-HVDC送端换流站控制策略采用定直流电压/定无功功率控制,受端换流站控制策略采用定交流电压/定频率控制,研究了电源并网时控制策略协调优化对黑启动的作用。以Kunder四机两区域系统为例,对整个黑启动过程在PSCAD/EMDTC中进行了仿真,研究表明本文采用的控制策略具有良好的电压、频率特性,完成了黑启动的实现。