大规模风电直流送出系统过电压抑制措施及控制方案优化研究

大规模风电特高压直流集中外送系统中,直流故障时由于扰动大且风电机组抗电压扰动能力差,暂态过电压问题突出,导致直流功率和新能源功率形成互相制约的矛盾关系,严重影响大规模风电特高压直流外送系统安全稳定运行和近区新能源消纳。为解决上述问题,提升大规模直流送出系统稳定水平及新能源消纳能力,分析了大规模风电直流送出系统电网暂态压升机理及影响过电压水平的因素,根据影响过电压水平的关键因素,提出利用风机过压保护差异性,允许部分风机高压保护动作脱网,利用直流FLC(Frequency limit control)功能及联切风电场电容器阻断大规模新能源连锁故障、优化风电机组无功控制特性等多项组合措施以降低过电压的思路。根据上述思路,以祁韶直流风电送出系统为研究对象,制定了直流近区新能源优化控制方案,仿真计算结果证明了文中所提思路的有效性。文中成果已经在祁韶直流运行控制中得到实际应用,有效提升了新能源消纳能力和系统稳定水平。     

大容量直流发生功率大扰动时送端风机暂态过电压快速分析方法研究

近年来,随着特高压直流与新能源发电的不断发展,当特高压大容量直流发生功率大扰动时,送端风电机组往往将感受到比较严重的暂态过电压,可能引发大面积风电脱网。针对此问题,深入分析了直流功率大扰动引起风机暂态过电压的机理,并提出了一种换流母线及风机暂态过电压的快速分析计算方法,推导了节点负荷变化引起节点电压变化的全微分灵敏度计算式。最后结合酒泉—湖南直流风电送出系统算例进行了仿真验证,结果表明所提方法可用来有效评估直流大扰动过程中风机暂态过电压,与经验计算方法相比,该方法将暂态过电压数值计算相对误差从21%降低至14%,具有较强的工程适用性。     

基于动态无功支撑的全功率变流风电机组高电压穿越改进控制

高比例新能源电网中因系统故障引发的风电机组脱网事故时有发生。增强风机故障穿越能力,降低脱网频率对电网稳定运行至关重要。该文首先通过分析变流器矢量控制原理,从理论上得出：电网暂态过电压易导致网侧变流器达到其交流电压调节上限,从而造成交直流功率耦合振荡,引发失稳或过压切机保护。然后参照相关标准要求,确立了基于功率因数调节的高电压穿越(high voltage ride through,HVRT)改进控制策略。该策略通过在故障期间向电网注入无功电流,利用滤波电感的分压作用缓冲过电压冲击,以此满足变流器电压矢量的控制要求;与此同时增加了机组的无功支撑能力,利于电网电压恢复。改进控制根据电压不同,采取分段优化设计,并通过在直流侧加装储能辅助电感分压,提升变流器无功支撑能力和穿越电压上限。最后以风电机组典型参数为依据通过数值定量计算做理论验证,并结合MATLAB/Simulink仿真平台做实验验证,理论和实验结果证明了该文基于暂态过电压故障特性分析的准确性以及对应改进策略的可行性。     

高比例新能源直流送端系统分布式调相机优化配置

高比例新能源直流送端系统故障可能引发新能源暂态过电压脱网,在新能源场站或汇集站配置分布式调相机是抑制暂态过电压脱网的有效手段。针对高比例新能源直流送端系统分布式调相机优化配置的技术需求,首先分析高比例新能源直流送端系统的暂态过电压传播特性。基于此,提出考虑节点和系统综合暂态压升严重性指标的分布式调相机候选节点筛选方法。然后,以计及运维费用的分布式调相机综合配置成本最小为优化目标,考虑多场景和多故障下的暂态电压稳定性约束,构建分布式调相机优化配置模型。最后,利用粒子群算法进行寻优得到分布式调相机优化配置方案,并构建高比例新能源直流外送试验系统。采用BPA-PYTHON-Matlab联合仿真验证所提配置方法的有效性。     

抑制直流单极闭锁引起大规模风电机组脱网的直流控制策略

直流单极闭锁故障下交流系统暂态过电压会导致直流近区域新能源机组脱网.针对这一问题,详细分析了单极闭锁对暂态过电压的影响机理并进行验证,发现交流系统大量无功盈余是引起暂态过电压骤升的根本原因;然后基于对单极闭锁故障下健全极整流器功率特性的剖析,以稳态下整流侧换流母线处无功的平衡状态为目标,推导建立了健全极直流电流指令值表达式,提出抑制暂态过电压的直流控制策略.当暂态过电压无法被完全抑制时,为避免风机脱网,提出投入合理容量的调相机进一步抑制暂态过电压的协调抑制策略.最后,基于DIgSILENT仿真平台搭建改进的CIGRE双极标准测试模型与天中直流外送系统模型进行验证.结果 表明,该策略能有效阻断暂态过电压的传递,避免风机大规模脱网.     

特高压直流完全闭锁后的暂态压升计算方法

针对特高压直流完全闭锁引起的交流系统暂态过电压问题,得出无功盈余量、短路容量是引起暂态压升的主要因素,计及无功补偿的容升效应与交直流系统间的无功交换,得出无功盈余量的计算公式并推导出换流母线暂态压升的计算方法。根据暂态压升表达式提出两个新指标用来衡量直流完全闭锁后的暂态过电压程度,并定量分析了闭锁容量与暂态压升的关系。最后基于DIgSILENT仿真平台,分别搭建CIGRE直流输电标准测试系统与新疆天中直流送端系统,仿真验证了暂态压升计算方法的有效性与正确性。     

宁夏电网多直流送端暂态过电压机电-电磁混合仿真研究

随着宁夏三回送端直流群形成,电网交直流耦合特性进一步加强,直流故障后引起暂态电压升高,容易引起近区风电机组大规模脱网。通过利用机电-电磁混合仿真方法对宁夏电网三回直流闭锁故障后的暂态过电压进行仿真分析,并与暂态过电压定量评估方法进行对比。仿真与评估结果均表明,三回直流分别闭锁故障后,暂态电压均会显著抬升,抬升程度与闭锁容量、系统强度相关。     

考虑风机动态特性的大扰动暂态过电压机理分析

在大容量直流和高占比新能源集中接入的电网背景下,暂态过电压问题极大地制约了直流输电能力和风电并网容量,亟须进一步深入研究考虑风机动态特性的大扰动暂态过电压机理及影响因素。文中从理论推导和仿真分析2个方面开展研究,首先推导了交直流故障后换流站和风机侧暂态电压幅值的理论计算公式;然后分析了交直流故障引发暂态过电压的机理及主要影响因素;最后结合仿真分析了风机低电压穿越期间不同有功、无功特性对暂态过电压的影响,通过实际系统算例进行了仿真验证。研究结果表明,风机低电压穿越特性将使得风电场成为换流站之外另一个导致暂态过电压的"无功源",低电压穿越期间风机有功出力越小及无功出力越大将导致暂态过电压越严重。     

海上风电柔性直流输电系统故障穿越安全研究

对比国内外新能源、直流输电技术相关标准,根据现有标准情况,分析国内外在海上风电经柔性直流输电系统并网故障穿越方面的安全要求。基于电磁暂态仿真程序EMTP-RV,对欧洲某±320 kV柔性直流输电系统及其连接的海上风电进行仿真分析,研究交流系统强度、换流器控制模式、过电压特性和换流器电磁暂态模型对故障穿越的影响,由仿真结果交叉验证现有安全标准,为海上风电经柔性直流输电系统并网的安全稳定运行和相关标准更新提供参考。     

基于调相机与SVC协调的抑制高压直流送端风机脱网的控制策略

在大规模风电接入的高压直流送端电网中,针对发生直流故障后送端交流电压大幅波动导致的风机连锁脱网问题,探讨了直流故障导致风机连锁脱网的内在机理,分析了调相机和静止无功补偿器(SVC)在换相失败和闭锁过程中的动态无功响应特性;在此基础上,提出一种基于换流站侧调相机与风电场侧SVC协调的抑制高压直流送端风机脱网的控制策略:在换相失败和直流闭锁的不同时期,根据送端电压变化特点,分时发挥调相机自发无功响应能力、励磁控制能力和SVC无功调节能力,以抑制暂态压降或暂态压升的幅度超过风机脱网的保护阈值.最后,通过对测试系统和实际电网的仿真,验证了所提控制策略可有效抑制直流故障后送端暂态电压变化,降低风机连锁脱网的风险.     

新能源发电集群的改进等效短路比计算方法

短路比是衡量电源接入点并网强度的重要指标,低短路比并网的新能源电站发生振荡、电压失稳等问题的风险较高.文中首先针对新能源集群并网的场景,分析了常用的加权短路比、复合短路比以及等效短路比等计算方法的适用性及其不足,提出了一种考虑新能源无功出力、静止无功发生器、阻抗角以及初始相位角的改进的新能源集群等效短路比计算方法.然后,基于简单网络证明了所提计算方法与常规短路比的相互关系,分析了无功补偿方式对等效短路比的影响.最后,结合典型算例和实际新能源基地经特高压直流送出工程,开展了基于改进等效短路比的电网强度评估应用研究,并进一步分析了分布式调相机对于加强新能源电站并网点强度的作用.     

高比例新能源接入下送端电网直流闭锁过电压分析与抑制策略

近年来,以风电和光伏为主的可再生能源发电技术发展迅速。考虑到可再生能源资源富集区域和重负荷区域之间存在空间上的分布差异,高压直流输电被证明是一种能够有效将电力进行远距离传输以提升可再生能源消纳的技术。高压直流输电系统的直流闭锁故障,特别是直流双极闭锁故障,会导致送受端交流电网中产生过电压浪涌,进而可能导致发电机脱网运行。文中建立了直流闭锁故障下送端交流电网中过电压的数学模型,分析了可再生能源发电设备的无功功率对直流闭锁下电网过电压的影响,进而以送端电网的无功功率裕度最大为目标提出了一种最优有功出力分配策略。基于Matlab/Simulink,设计了一个案例来验证所提出的最优有功出力分配策略减少直流闭锁下电网过电压的有效性。     

直流微电网的电能路由算法

为了减少化石燃料的使用,越来越多的可再生分布式电源被应用到电网中。微电网是分布式电源的有效利用方式,但是在微电网的并网运行中,分布式电源的频率和电压波动会对主电网产生很大的影响,而直流微电网可以抑制这些波动的干扰。同时,用户终端的直流负荷日益增长,直流电网将是未来电网的发展趋势。基于此,构建了一个使用直流电的局域网络,并利用电能信息进行直流电能的分配和路由。在直流局域网中,首先将直流电源进行数字化分组,然后通过电能路由器传输分组电能及其信息,实现分布式电源和负载之间的电能供需平衡。最后给出了基于连续最短路径的电能路由算法,并对算法进行了仿真和分析。     

风电高渗透率交直流外送系统直流闭锁稳控方案研究

针对特高压直流闭锁后的交流系统暂态过电压问题,深入剖析了直流闭锁后盈余的无功功率、短路容量与交流系统暂态过电压的关系,对比分析了安控切风电与极控切滤波器时序对交流系统暂态过电压的影响。提出基于风电机组故障穿越能力的交流系统稳控方案以及相应的暂态过电压抑制措施。以DIg SILENT为平台搭建哈密电网仿真模型,对所提稳控方案及暂态过电压抑制措施的正确性和可行性进行了仿真验证。仿真结果表明,所提稳控方案及暂态过电压抑制措施可有效降低系统暂态过电压,规避风电机组连锁脱网的风险,并有利于交流系统电压恢复。     

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。     

分布式可再生能源发电系统研究

为研究太阳能、风力等可再生能源的互补发电,提出了基于直流总线的小规模分布式发电系统的实验平台。该平台由太阳能发电、风力发电、蓄电池、飞轮、公用电网并网和负载等6个单元构成。各单元仅通过直流总线联接,自主控制。发电系统可在独立和并网两种运行模式之间在线自动平滑切换。其中,风力、太阳能发电单元成功实现了最大功率点追踪控制,飞轮单元有效补偿了直流总线电压的高频波动,电池单元解决了负载和发电单元之间的电力供需矛盾,并网单元解决了负载和发电系统之间的电力供需矛盾。通过实验验证,该发电系统在两种运行模式以及在运行模式切换时均能稳定、可靠地工作,直流总线的电压稳定在325～375V之间。     

大规模新能源直流外送系统调相机配置研究

针对抑制送端电网暂态过电压的技术需求,首先分析了送端电网暂态过电压的影响因素;然后构建了直流外送试验仿真系统,基于机电暂态仿真,考虑分布式调相机及其分层分散配置的作用,分别提出了调相机集中和分散接入不同电压等级配置方案;最后通过对比各方案给出了大规模新能源直流外送系统调相机配置建议,研究结果表明在各新能源汇集站低电压等级侧分散配置小型化调相机,不仅可以全面解决送端系统的暂态过电压问题,还能进一步提高经济性。     

多模式下风电直流微网功率协调控制策略研究

直流微电网系统的功率平衡是电网安全稳定运行的重要保证。综合考虑微网的运行方式和换流站功率裕量,将含有全功率笼型异步风电机组、储能蓄电池、交直流负载的直流微电网系统分为5种运行模式,即并网运行模式、限流运行模式、短时故障运行模式、孤岛减载运行模式和孤岛降功率运行模式。针对以上5种运行模式,提出一种基于多变量的功率协调控制策略。该策略根据并网变流器电流、蓄电池荷电状态以及直流电压的变化量自动协调各端换流站的工作方式,保证各工况下微网内部的功率平衡和直流母线电压的稳定。最后,在MATLAB/Simulink仿真平台中进行了仿真实验,验证所提出功率协调控制方法的有效性和可行性。     

大规模新能源经张北柔直孤岛送出的虚拟频率研究

大规模新能源经柔性直流送出为解决新能源并网消纳提供了一种新的思路,但是在不加任何附加控制的情况下,新能源的有功波动会经过柔直全部传递到受端电网。为了解决新能源经柔直并网的有功波动问题,文中针对张家口地区的大规模新能源发电经张北柔直换流站孤岛送出系统的风电运行数据进行分析,得出该地的风电短时波动特性。同时在孤岛换流站的电压-频率(VF)控制基础上,设计换流站虚拟频率控制策略,与新能源发电一次调频(PFR)控制一起实现孤岛换流站的功率波动自主抑制功能。最后搭建大规模风电经单端柔性直流孤岛送出系统仿真平台,仿真结果证明,在风机运行状态正常的前提下设计的虚拟频率及一次调频控制方案可以,较好地实现孤岛换流站功率波动抑制。