基于风储联合系统的受端电网黑启动技术及协调恢复策略

受端电网发生故障停电时要求送端电源具备黑启动能力，目前我国现有的黑启动电源主要为火电厂及水电厂。随着高比例风电地大量接入，电网要求风电机组具有一定的黑启动能力，但风能由于其不确定性和波动性导致风电机组很难单独参与黑启动。为使得风电机组具备较好的黑启动能力参与电网恢复，本文针对双馈风电场，提出了一种基于风储联合系统的受端电网三阶段协调恢复策略。初始阶段，通过储能装置建立交流频率和电压并实现风机顺利并网；中期阶段，切换储能装置控制模式并在风机转子侧设计虚拟同步控制为系统提供频率和电压支撑，完成部分发电机组及负荷的恢复；后期阶段，在储能侧设计了基于H2/H∞的附加鲁棒控制器抑制多机组并网的低频振荡，实现受端电网平稳恢复。最后，基于PSCAD/EMTDC搭建了风储联合系统模型，仿真分析了虚拟同步控制与常规控制在风电机组参与黑启动过程中对频率波动抑制效果的差异，通过对比频率振荡幅值验证了虚拟同步控制具有更好的频率支撑能力，更适合风电机组参与黑启动；并且黑启动各阶段系统频率及电压波动曲线均处于安全范围，从而验证了所提协调恢复策略的有效性和可行性。     

特高压混合三端直流输电系统定功率MMC交流故障穿越策略

送端采用电网换相换流器(LCC),受端采用模块化多电平换流器(MMC)的特高压混合直流输电系统是直流输电技术重要的发展方向之一。在该系统中,各换流站每极均由高、低两个阀组直流侧串联而成。当其受端MMC发生网侧故障时,现有穿越策略或将引起定有功功率MMC阀间均压环节失效,从而导致子模块电容过压的问题。针对该现象,首先梳理了系统在故障工况下面临的主要问题和矛盾;接着,重点针对阀间均压环节失效的内部机理进行了研究,并提出了一种基于有功功率限幅值的站间协调穿越策略,此外,为使其能够较好地适用于不对称故障,采用了一种零序电压注入的方法,以平衡不对称故障下相单元间的桥臂电流直流分量;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了相关模型,通过仿真对比,验证了本文策略能够兼顾不同受端站的桥臂过流和子模块过压风险,实现交流故障的可靠穿越,并尽可能地提升了故障期间的功率传输能力。     

异步电网并行协调恢复策略的优化制定方法

针对异步电网发生全网大停电后的恢复问题,提出一种并行协调恢复策略的优化制定方法。采用串并行思想,通过高压直流协调送、受端电网,并最终实现全网恢复。基于各交流子网的送、受端角色定位,分析各换流站的电源、负荷特性。建立异步电网并行协调恢复的优化模型,重点研究直流与送、受端电网的协调恢复过程。采用多种群遗传算法求解,得到最优恢复方案并确定直流的最佳启动时机。基于IEEE 39节点系统构建异步电网算例,对所提方法进行验证。结果表明,该优化方法具有可行性,适用于异步电网恢复方案的制定。     

异步电网并行协调恢复策略的优化制定方法

针对异步电网发生全网大停电后的恢复问题,提出一种并行协调恢复策略的优化制定方法。采用串并行思想,通过高压直流协调送、受端电网,并最终实现全网恢复。基于各交流子网的送、受端角色定位,分析各换流站的电源、负荷特性。建立异步电网并行协调恢复的优化模型,重点研究直流与送、受端电网的协调恢复过程。采用多种群遗传算法求解,得到最优恢复方案并确定直流的最佳启动时机。基于IEEE 39节点系统构建异步电网算例,对所提方法进行验证。结果表明,该优化方法具有可行性,适用于异步电网恢复方案的制定。     

极弱受端交流系统情况下利用STATCOM启动LCC-HVDC系统研究

传统电网换相高压直流输电(LCC-HVDC)要求交流电网提供换相支撑,因此受端交流系统要有足够的强度。当受端系统为极弱交流系统时,LCC-HVDC系统的启动和运行就十分困难。将静止同步无功补偿器(STATCOM)接入LCC-HVDC逆变侧的交流母线,组成混合直流输电系统,来启动受端是极弱交流系统的LCC-HVDC系统。首先,搭建了由STATCOM和LCC-HVDC组成的混合直流输电系统的模型,设计了STATCOM和LCC-HVDC的控制策略,提出一种混合直流输电系统的启动控制方法。采用分步启动的方式,先启动STATCOM,然后启动LCC-HVDC系统,在启动时,STATCOM串联了限流电阻,并采用了基于DQ轴解耦的控制策略。LCC-HVDC系统则采用软启动的方式,启动过程中逐渐增大电流调节器整定值至额定值,直到系统完全切换为正常运行时的控制策略,启动结束。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了该启动控制方法的可行性和有效性。     

专栏评述：新型电力系统

“碳达峰、碳中和”背景下，能源生产、消费和利用呈现新的发展趋势。能源结构变化使电源结构产生颠覆性变化，能源能效提升使电网枢纽的资源配置方式变化，导致电力系统形态结构发生深刻变化。具有清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动等特征的新型电力系统将是新型能源体系的重要组成部分。构建新型电力系统是实现可再生能源充分利用、低碳能源发展目标的主要内容和重要支撑，现阶段仍亟待深入研究。 基于此背景，发起了新型电力系统专栏。专栏邀请了多位国内外同行撰写稿件，由期刊编辑部组织论文审稿，经严格审稿、修改等环节，第1期发表了10篇学术论文，作者来自于四川大学、西南交通大学、东北电力大学、湖南大学、华北电力大学、西华大学、太原理工大学、清华大学等单位。其中：周步祥等以电力–天然气信息物理深度耦合系统为研究对象，定量分析不同LR攻击形式对IEGS造成的经济损失，建立损失评估模型，定义新的节点综合脆弱性指标，并提出应对不同攻击的保护策略。雷霞等针对传统市场机制不能充分体现新能源发电与常规机组之间及新能源之间发电特性区别这一缺陷，提出一种适应高比例新能源参与的现货市场交易模式。文云峰等构建煤电机组对直流落点的无功支撑系数指标，形成相应的煤电机组退役策略，提出基于二分法的同步调相机配置策略，实现煤电机组退役和调相机配置的相互协调。孙银锋等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技术，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，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。高仕斌等提出一种基于模糊Petri网的“网–源–储–车”动态阈值能量管理策略，在“网–源–储–车”基本功率分配框架的基础上，设定多工况下牵引供电系统与储能系统、新能源发电系统的动态能量交互规则，可适用于不同架构的“网–源–储–车”协同供能体系。张英敏等从数学关系和物理机理的角度分析MMC环流产生的原因，并基于此得到环流中直流分量和谐波分量的等效电路，提出一种电网不平衡下基于SOGI的环流抑制策略。江琴等研究混合直流参与黑启动的技术条件与控制方法，针对两端电网换相换流器–模块化多电平换流器混合直流输电系统，提出受端电网大停电情况下基于混合直流的黑启动方法及受端电网协调恢复策略。何川等针对极端灾害对系统造成的失负荷影响，兼顾系统的经济性与安全性，提出一种考虑极端灾害下系统韧性约束的气电联合配网分布鲁棒扩展规划模型。薛屹洵、孙宏斌等以化工园区为例，提出典型园区级电–氢耦合系统架构，以实现园区整体效益最大为目标，提出考虑氢负荷响应的园区级电–氢耦合系统协同优化调度方法。延肖何等从经济学引入投资组合理论作为收益和风险的权衡工具，提出风光储场站参与日前、日内、实时市场的出力分配方法，使风光储场站获得最大化收益的同时承担最小的风险。 专栏第1期所发表的10篇论文围绕新型电力系统市场机制、稳定与控制、多能规划与优化调度等相关问题进行了研究，所提出的技术方法有较好的参考价值。新型电力系统是一个超大型系统，所涉及的问题众多且极为复杂，还有更多值得关注的研究论文，如分散能源交易互动、新能源预测等，将在本刊专栏后续出版。     

计及不同控制方式的混合直流多馈入系统电网强度评估

综合多种高压直流(HVDC)控制方式，进一步完善基于交流网络模态解耦的混合直流多馈入系统电网强度评估方法，使之适用于异构的基于电网换相换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)和基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)的混合直流多馈入系统的电压稳定分析.推导计及多种控制方式的LCC-HVDC直流侧雅克比矩阵，定性分析LCC-HVDC控制方式对电压稳定裕度的影响规律，在此基础上提出异构LCC-HVDC多馈入系统的电网强度评估方法.把握混合直流馈入系统电压稳定问题中的主要矛盾，将次要影响因素以模态摄动的形式进行近似计算，以保持电网强度评估方法的实用性和便捷性.通过数值计算和时域仿真说明所提方法的有效性.分析结果表明，LCC-HVDC的受端定熄弧角控制方式是恶化系统电压稳定性的主导控制模式，混合直流多馈入系统的电压稳定性随着直流容量减小或联络导纳增大而增强.     

VSC-HVDC在电网黑启动时负荷恢复阶段提高系统频率稳定性研究

在电网黑启动的负荷恢复阶段,提高系统的频率稳定性对电网的快速恢复具有重要意义。提出基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-HVDC)作为电网大停电的黑启动电源,建立了交直流混合系统的物理模型,采用VSC-HVDC与发电机调速器协调控制方法,设计了频率作为控制量的有功功率控制器。通过PSCAD/EMTDC环境下仿真,结果表明在电网恢复时采用VSC-HVDC与调速器协调控制可以大幅度恢复负荷,且速度较快,对系统频率具有很好的稳定性。     

连接VSC-HVDC的弱电网低频振荡研究

电压源换流器型的高压直流输电连接弱电网时,逆变站采用虚拟转动惯性控制方式,将VSC-HVDC的逆变站模拟为同步发电机以增加受端交流系统的转动惯量,为受端电网提供动态频率支持。受端电网可能会因为电力系统的负阻尼作用产生低频振荡现象而造成系统不能正常稳定运行。理论分析了VSC-HVDC连接弱电网的低频振荡问题,提出采用增大逆变站阻尼系数的方法抑制弱电网的低频振荡。利用PSCAD/EMTDC软件进行仿真,结果表明所采用的方法能够较好抑制此情况下弱电网的低频振荡。     

直驱型风电并网系统建模及关键参数变化影响研究

以直驱永磁同步风力发电机为研究对象,分别建立了风力机、永磁同步发电机、换流器等环节的数学模型,并采用加权等值的方法对多台直驱型风电机组进行了等值。在并网系统的控制方面,基于矢量控制方法设计并实现了风机系统背靠背换流环节以及基于电压源换流器的高压直流输电(Voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)并网环节的控制策略,并从理论上分析了受端换流器的直流电压控制参数及受端所联电网强度对系统动态特性的影响。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件对直驱型风电并网系统的运行特性进行了仿真分析,重点研究了风电系统接入不同强度的受端电网及并网侧换流器关键控制参数的不同取值对直驱型风电并网系统动态特性的影响,仿真结果验证了理论分析结果的正确性和合理性。     

电网不平衡下基于SOGI的MMC环流抑制策略

模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的设计和分析通常是在电网平衡下进行，但在实际运行中交流电网是不平衡。电网不平衡将导致MMC桥臂环流的直流分量不再相等，含有2倍频的正序、负序和零序分量，使系统损耗增加，影响系统性能。首先，本文根据MMC的数学模型和相单元的瞬时功率分析环流的产生机理，得到电网不平衡时环流各分量的等效电路。然后，提出一种电网不平衡下基于二阶广义积分器（second order generalized integrator，SOGI）的环流抑制策略，该策略将三相环流中2次谐波分量与不相等的直流分量分离后单独抑制，采用比例积分（proportional integral，PI）控制经SOGI提取桥臂环流的正序、负序2倍频分量，采用准比例谐振（proportional resonant，PR）控制环流的零序2倍频分量。最后，在PSCAD/EMTDC平台中搭建217电平的MMC系统模型，将本文所提环流抑制策略与传统环流抑制策略、采用准比例谐振器控制环流抑制策略和采用比例积分谐振（proportional integral resonant，PIR）控制环流抑制策略进行仿真实验对比。实验结果表明：在单相非金属接地故障时，与其他3种环流抑制策略作对比，本文策略能将环流的2倍频分量抑制到0.000 6 kA，将谐波畸变率降低到0.03%，表明所提策略的优越性；同时在两相非金属接地故障时，本文策略能将环流的2倍频分量抑制到0.003 9 kA，谐波畸变率降低到0.22%。仿真实验结果验证了本文方法的有效性。     

局部阴影条件下基于MMC换流器的光伏并网

提出了局部阴影条件下基于模块化多电平(MMC)的光伏并网系统,并设计了该系统的控制策略。光伏阵列经DC-DC变换电路调节后并入电压源型换流器,构成子模块PSM,子模块PSM和电抗器串联组成MMC。控制系统包括启停控制、最大功率点控制以及并网控制。启停控制,在能量反馈阶段采用直流电压控制策略,在电容放电阶段采用三相同时放电策略;最大功率点跟踪控制采用扰动观测法。利用Matlab/Simulink对光伏并网系统进行仿真,仿真结果表明:该系统能提高太阳能利用率,降低并网输出波形的谐波含量,实现功率独立控制。     

分布式光伏无缝切换控制策略仿真与研究

为解决分布式光伏发电并网时对大电网产生的冲击,在分布式光伏发电系统中加入储能系统,形成混合发电系统,整个系统采用直流微网形式,仅使用一个双向DC/AC换流器,减少了电能损失和控制复杂度。光伏控制采用最大功率跟踪法。换流器并网时采用PQ控制,可平抑光伏功率波动,提高系统稳定性;独立运行时采用V/f控制,为交流侧提供电压和频率参考,蓄电池保证重要负荷的电源供应,实现混合系统与大电网的无缝切换。最后,通过对光伏发电系统不同运行模式转换进行建模仿真,验证了控制策略的有效性。     

基于换流器π型等效模型的交直流混合配电网潮流计算

交流配电网本身具有三相不平衡特性,并且可与直流配电网通过AC/DC换流器相连形成交直流配电网。该文针对AC/DC换流器提出一种新型的π型等效模型,并建立一组用于描述包含三相交流部分和直流部分的功率平衡方程。交流网络以及直流网络采用导纳矩阵形式描述,π型等效模型使得AC/DC换流器可以包含在节点导纳矩阵中,形成整个网络的节点导纳矩阵。结合换流器模型和网络方程,该文给出包含三相交流线路和直流线路的潮流计算方法,并采用案例进行验证。     

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的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。     

燃料电池混合动力系统输出功率跟随研究

为提高燃料电池混合动力系统功率输出的动态特性,并提高其经济性,在基于DC/DC变换器微分平坦控制的基础上提出了基于高效率功率跟随的混合能量管理策略,建立了包括燃料电池、锂电池、DC/DC变换器和负载等部件的数学模型,并进行了仿真实验。研究结果表明:基于微分平坦控制的DC/DC变换器控制方法能够改善系统的动态响应,修正后的电池的荷电状态(SOC)维持且接近期望SOC值;燃料电池的高效率功率跟随控制策略可以实现系统功率的合理分配,使得混合动力系统可以更安全、高效地运行。     

中央空调紧急控制应对受端电网直流闭锁故障研究

介绍中央空调的基本工作原理,提出中央空调主机、冷冻水进出水温度变化、风机盘管冷冻水与末端房间热量交换、室内平均温度变化以及处于开状态末端房间占比的数学模型;提出中央空调主机断电直切和柔性恢复的紧急控制策略,并分别探讨中央空调紧急控制在受端电网高压直流闭锁后响应稳控以及低频/低压切负荷信号的可行性;通过算例仿真中央空调的紧急控制特性,并模拟山东电网直流闭锁情况下中央空调参与紧急控制,当中央空调占总负荷的1%时,可提升频率0.04Hz,验证了中央空调紧急控制应对大受端电网直流闭锁故障的可行性。     

基于电压前馈补偿算法的小电容电源控制策略

针对小电容电源的控制问题,提出了一种基于电压前馈补偿算法的小电容电源新型控制策略.通过对两级电能变换电路的简化分析后得到了电源系统的动态数学模型,进而分析了直流母线电容和网侧电感引起的共振.基于锁频环算法提取了直流电压脉动的交流分量,从而基于系统简化模型设计了电压前馈补偿控制器,故最大限度地减少了直流母线电压纹波对负载电流的影响.基于5 k W直流电源试验平台开展了对比试验,试验结果验证了新型控制策略的性能.     

考虑电网支撑能力约束的煤电退役与调相机配置协调策略

为了尽可能减少煤电机组退役和大规模非同步电源馈入对受端电网安全稳定运行的影响，本文在兼顾电网支撑能力约束的基础上提出了煤电退役与调相机配置协调策略。首先，构建了煤电机组对直流落点的无功支撑系数指标，并综合考虑机组役龄、污染物排放量、煤耗率等常规因素确定受端电网煤电机组的退役优先级顺序。进而，基于预想故障下系统的最大频率变化率和极值频率偏差约束得到煤电机组可退役的最大容量，形成相应的煤电机组退役策略。然后，提出了基于二分法的同步调相机配置策略，该策略可以对投建调相机的容量和选址进行决策，通过在煤电退役路径中协调配置调相机，确保受端电网的电压支撑能力满足要求。最后，在受端电网配置调相机后，对煤电机组可退役的最大容量进行同步更新，并对煤电机组退役策略进行相应的调整，实现煤电机组退役和调相机配置的相互协调。基于改进的IEEE 39节点系统和河南电网规划系统开展了仿真分析，根据多馈入短路比和预想故障下的暂态仿真结果可知，在煤电机组退役容量相同的情况下，与传统的煤电机组退役策略相比，本文所提策略确定的煤电机组退役顺序可以有效降低机组退役对受端电网静态电压稳定性的影响，并且可以降低大扰动故障下对受端电网暂态电压稳定性的影响。