连接无源网络的MMC-HVDC系统交流故障穿越附加控制策略

对于接入无源网络的MMC-HVDC系统,送端交流发生故障时功率传输平衡会被打破,直流电压迅速下跌,威胁换流站安全运行。首先分析了无源网络负荷特性及送端交流故障下换流站各电气量变化机理,基于与无源网络相连逆变站的常规控制,提出了一种根据直流电压变化产生d轴电压修正指令值的故障穿越附加控制。该控制策略核心思想为在送端有功功率快速缺失时,通过修正逆变站d轴电压指令值,降低故障期间逆变站输出有功功率,以维持两端换流站功率平衡,抑制直流电压跌落。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了接入无源网络的两端MMC-HVDC系统,仿真结果表明所提附加控制能够有效减小直流电压跌落幅度,降低故障清除后恢复期间送端有功功率波动,提高了MMC-HVDC系统的交流故障穿越能力。     

LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统故障穿越控制策略

送端采用电网换相换流器（LCC）、受端采用全半桥子模块混合型模块化多电平变流器（FHMMC）的LCC-FHMMC混合直流输电系统,当受端交流系统发生故障时,受端交流电压跌落,受端功率传输受阻,盈余的功率导致子模块电容过电压,甚至可能造成设备的严重损坏。为此,提出了一种基于FHMMC直流电压降压运行的受端交流系统故障穿越控制策略,使其直流电压始终低于逆变侧交流母线的电压有效值。同时,整流侧LCC保持常规的定直流电流控制,保证逆变侧的直流电流在额定值附近运行,从而实现了进入直流系统的有功功率与逆变器向受端交流系统输出的有功功率之间的平衡。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上对LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统发生的对称故障和不对称故障分别进行了仿真分析,仿真结果验证了所提控制策略能够快速有效地穿越受端交流系统故障,并抑制子模块电容过电压。     

送端交流不对称故障下LCC-MMC-HVDC穿越控制策略研究

混合直流输电系统将LCC-HVDC和VSC-HVDC进行优势互补,其发展面临的一个问题是:当送端交流系统发生不对称故障时,LCC-MMC混合直流输电系统将面临输送功率跌落甚至中断和直流侧二倍频波动的问题。首先阐述了LCC-MMC-HVDC的拓扑结构、数学模型和基本控制策略,在分析系统在送端交流不对称故障情况下暂态特性的基础上,提出集功率续传和二倍频波动抑制为一体的穿越控制策略:基于主动降压控制的功率续传策略通过改变逆变侧MMC运行点减小输送功率跌落幅度;三次谐波注入法增大了逆变侧直流电压的可调节范围;直流电压波动抑制策略中,逆变侧直流电压作为唯一控制变量,有效降低送端交流系统负序分量对系统逆变器及受端系统造成的影响。最后,在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型,算例仿真结果验证了所提出穿越控制策略的有效性。     

MMC-HVDC系统的低压限流单元

为解决MMC-HVDC直流电压控制站侧交流系统故障时直流电压失控的问题,通过加入低压限流单元对MMC的有功功率控制器进行了改进。改进后的控制器可根据直流电压的变化和预先设计的电流限幅曲线,自动调节有功功率控制站的内环有功电流指令值,以保证直流电压控制站侧交流系统故障时直流电压的稳定。仿真结果显示,在使用低压限流单元后,直流电压控制站侧交流系统故障时,直流电压上升或下降的幅度均在5%以内,直流系统可以保持连续运行,不会因直流电压异常而闭锁。证明所设计的低压限流单元可以在直流电压控制站交流侧故障情况下,保持MMC-HVDC系统直流电压的稳定,保证换流器不闭锁,并在故障清除后迅速恢复原有的有功功率,有效增强系统的故障穿越能力。     

光伏电站经柔性直流集电送出系统的低电压穿越协调控制策略

光伏电站经柔性直流集电送出系统在交流电网发生故障扰动时应该具备低电压穿越的能力。针对受端和送端交流电网发生故障扰动的情况,提出了一种不依靠通信的光伏电站与VSC-HVDC的低电压穿越协调控制策略。交流电网故障情况下,VSC-HVDC送、受端换流器可依据直流电压的变化量切换控制模式。送端换流器根据VSC-HVDC直流电压的变化量调节光伏电站出口的电压幅值,使光伏电站感受到电压变化并减小有功功率输出,从而迅速维持VSC-HVDC系统的功率传输平衡,提升系统故障穿越能力,而且可以实现直流电压的稳态无差控制。应用Matlab/Simulink仿真软件搭建了1000 MW光伏电站与VSC-HVDC系统的仿真模型,验证了所提协调控制策略的有效性。     

永磁直驱风机通过MMC-HVDC并网的故障穿越策略

当受端交流电网发生严重短路故障,经柔性直流并网的风电场必须降低出力,使直流输电系统的直流电压保持在安全范围内。针对永磁直驱风机经MMC-HVDC并网系统,提出一种提升其故障穿越能力的控制策略。该策略结合降低风电场交流电压和降低风机输出有功电流2种方式,可以实现风电场侧有功功率的快速降低。同时,为了在故障时限制永磁直驱风机直流链电压的增长,在风机中引入直流电压偏差控制。仿真结果表明:主网发生对称和不对称故障时,MMC直流电压和永磁同步风机直流链电压均可维持稳定,系统可以实现故障穿越。     

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。     

模块化多电平变流器高压直流输电系统直流故障改进控制策略

针对模块化多电平变流器高压直流(MMC-HVDC)输电系统直流故障,首先建立全桥型MMC-HVDC系统的详细数学模型,并对故障期间系统过电压或过电流的产生机理及其发展过程展开深入分析,分析结果表明:在直流双极短路和单极接地故障期间,MMC-HVDC系统正、负极直流母线电压与MMC上、下桥臂电压的直流分量不匹配,导致桥臂电容迅速放电,进而引起系统严重过电流。因而提出在直流故障期间将MMC上、下桥臂实行分离控制,并使上、下桥臂电压的直流分量跟随正、负极直流母线电压而变化,从而实现MMC-HVDC系统直流故障下的安全、稳定运行,所提控制策略实现了MMC-HVDC系统三种直流故障穿越控制的有效简化和统一。另外,为提升直流单极接地和断线故障条件下MMC-HVDC系统的经济运行能力,进一步提出了一种新型功率指令优化策略。最后基于PSCAD/EMTDC仿真证明了所提MMC-HVDC系统直流故障控制策略以及功率指令优化策略的正确性与可行性。     

无源负荷侧无功功率快速供给的VSC-MTDC系统故障穿越协调控制

考虑到无源负荷对电压变化敏感,同时交流故障期间直流电压会出现大幅波动,研究了向无源负荷供电的基于电压源型换流器的多端直流输电(VSC-MTDC)系统交流故障穿越策略,提出了一种故障穿越协调控制方法：受端站在满足无功优先的原则下,依据交流电压跌落情况直接计算电流指令,仅采用电流内环控制以实现对无源负荷侧无功功率的快速供给,为负荷侧交流电压的恢复提供无功支持;为与受端站协调,连接电网的送端站也切换至快速电流控制,故障电流指令值由直流电压变化大小和方向直接计算得到,并满足多端VSC-MTDC系统的I-V下垂特性,以优先保证VSC-MTDC系统的有功需求,快速实现系统功率平衡,减小故障期间直流电压的波动幅度。在MATLAB/Simulink中搭建了向无源负荷供电的三端VSC MTDC系统模型,仿真结果表明所提协调控制策略能够提高无源负荷的故障穿越能力,实现VSC MTDC系统的稳定运行。     

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC, MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于 PSCAD/EMTDC,建立两端 MMC-HVDC 仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。     

风电经双极混合型MMC-HVDC并网的直流故障 穿越协调控制策略

架空线MMC-HVDC是大规模风电友好型并网和可靠送出的有效手段。针对架空线故障率高的问题,采用对称双极接线方式和具备故障阻断能力的混合型MMC是其主要解决方案之一。基于此方案提出了风电经双极混合型MMC-HVDC并网的直流故障穿越协调控制策略。通过混合型MMC零直流电压控制实现了故障电流的有效阻断,并维持了故障极MMC对交流电压的支撑能力。基于对称双极接线方案运行方式灵活的特点,根据故障极功率能否被非故障极完全吸收,分别提出了自吸收和非自吸收工况下非故障极MMC的控制策略及其参数调整原则。并基于风电场频率响应能力设计了无需通信的精确减载控制策略,以实现非故障极MMC满载运行,在维持系统安全稳定运行的同时降低对受端交流系统的影响。最后,基于Matlab/Simulink搭建并网系统模型,验证了所提直流故障穿越协调控制策略的有效性。     

MMC接入的交流侧线路故障特征及故障分量方向元件的动作特性

高压大容量柔性直流系统经模块化多电平换流器（MMC）接入交流电网时,MMC的控制策略将导致其故障出力有别于传统同步发电机。基于MMC的控制策略和柔性直流系统的接地方式,研究了MMC接入的交流侧线路发生故障后的电压、电流相量特征,并分析了其对故障分量方向元件的影响。理论分析结果表明,在交流侧线路发生故障后,公共耦合点（PCC）电压相位可能发生较大变化,进而影响MMC输出正、负序电流的实际相位;零序方向元件仅适用于联接变压器采用Y0/d接线的场景,取决于柔性直流系统的接地方式;正序突变量、负序方向元件计算的阻抗角受电网故障穿越需求所决定的MMC控制系统d、q轴电流参考值的影响显著,可能导致MMC侧方向元件在正向线路故障时和电网侧方向元件在背侧系统故障时的误判。理论分析结果与典型工程PSCAD模型的仿真相吻合。     

风电经架空柔性直流输电线路并网的交直流故障穿越技术

针对永磁同步风电机组远距离大规模并网的问题,研究了采用半桥型模块化多电平换流器(MMC)和直流断路器(DCCB)进行架空直流输电的并网方案。但架空线路故障率高,在发生直流侧故障、网侧交流故障时,基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)系统保护装置会动作,导致MMC闭锁,不能不间断运行。为解决MMC-HVDC穿越交、直流故障的问题,基于DCCB和耗散电阻,提出了一种MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越方案。在故障发生后,通过设计DCCB风电场侧MMC降压协调控制策略,以及高压直流侧耗散电阻和风电场侧制动电阻间的控制策略和配合方案,实现了MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越。最后,通过PSCAD/EMTDC下的多组仿真,验证了上述交直流故障穿越方案的有效性和正确性。仿真结果表明,所设计的穿越方案能够使MMC-HVDC系统在不闭锁MMC的前提下,安全穿越故障期;在故障清除后,系统快速恢复到正常运行状态。     

风电经混合型MMC-HVDC并网的交直流故障穿越策略

为实现内陆大规模风电的可靠并网,采用高压直流输电技术和架空线路进行远距离电能传输是有效的解决方案。由于架空线易发生线路故障,采用具有故障自清除能力的换流器拓扑是主要解决途径之一。采用混合型模块化多电平换流器来进行风电并网,设计了不依赖于换流站间通信的并网系统交直流故障无闭锁穿越策略。系统无闭锁故障穿越期间并网点交流电压可控,风机可维持正常运行。考虑到故障期间风机持续并网输出功率,设计了耗散电阻和与风机内部斩波电阻相配合的策略,以耗散多余的能量。最后,通过PSCAD/EMTDC的多组仿真,验证了并网系统无闭锁穿越交直流故障及快速恢复的有效性。     

风电经混合型MMC外送的暂态能量转移机理与限流耗散策略

混合型模块化多电平换流器(MMC)具有交直流解耦控制、抑制故障电流、维持并网电压等独特优势,在基于模块化多电平换流器的风电并网系统中具有广阔的应用前景。已有基于混合型MMC的交直流故障穿越策略大多仅考虑直流电网本体,并未结合风电并网考虑暂态能量转移与耗散的问题。首先,研究了基于混合型MMC的风电并网系统在交直流故障期间的暂态发展过程,归纳出能量转移机理,分析了不同故障阶段的关键因素。然后,提出了一种具备故障识别能力的自动限流耗散方法,研究了加入限流耗散措施后的暂态能量转移变化。最后,在四端风电直流电网下验证了自动限流控制及耗散方法的有效性。     

光伏直流升压场站并网整体协同低电压穿越控制策略

光伏直流升压汇集场站中,光伏列阵经DC/DC升压后汇集,再由DC/AC换流站逆变后接入交流电网。对于多个光伏直流升压场站并网系统,并网DC/AC换流站输出无功电流大小受自身容量与端口电压跌落程度影响,在协调机制不明确情况下,无功整定困难,靠近故障的场站存在脱网风险。为此,在分析各DC/AC换流站无功出力对端口电压影响的基础上,提出了光伏直流升压场站并网系统整体协同低电压穿越控制策略。进入低穿后,DC/AC换流站检测本地端口电压,立即向电网注入无功进行支撑;总控站利用通信获知各换流站的端口电压,进而协调各换流站的无功电流输出额度。同时,在分工况细化协调机制的基础上,对DC/AC换流站无功电流输出进行通用化整定。仿真结果表明,所提控制策略在交流电网发生故障时,能有效协调各DC/AC换流站进行无功补偿,提高系统整体低电压穿越能力。     

MMC-HVDC系统中阀侧交流母线故障保护策略研究

模块化多电平换流器直流输电系统(Modular Multilevel Converter HVDC,MMC-HVDC)的阀侧交流母线与换流器直接相连,其故障对换流阀造成的危害相对于网侧交流母线故障要严重的多。对其控制保护策略进行深入的研究分析有助于提高MMC-HVDC系统电力传输的安全性和可靠性。首先对MMC基本结构及原理进行了介绍。然后对阀侧交流母线故障进行了分类,就单相接地故障对系统的影响进行了深入的研究分析,并提出了针对性的控制保护策略。最后通过对阀侧交流母线单相接地故障进行仿真,验证了故障特性分析的正确性和对应保护策略的可行性。     

向无源网络供电的LCC-MMC混合直流输电系统控制策略

电网换相换流器和模块化多电平换流器(LCC-MMC)混合直流输电系统兼顾了两种换流器的技术优势和经济优势,具有较好的应用前景。无源网络装设容性滤波装置能够起到平滑交流电压波形、提供电压支撑等作用。首先通过理论推导,建立了含容性滤波装置的模块化多电平换流器数学模型,基于dq理论,提出了模块化多电平换流器的无源解耦控制策略。针对送端电网换相换流器侧交流故障可能导致的功率中断等问题,从电网换相换流器和模块化多电平换流器的控制机理出发,分析了故障阶段及故障后的系统响应特性,并进而提出了送端交流故障穿越附加控制策略。为验证上述控制策略的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个LCC-MMC混合直流输电模型。通过受端电压频率变化和送端交流故障仿真,验证了所提控制策略的可行性和有效性。