柔性直流配电网控制保护系统设计与策略研究

随着多端柔性直流技术以及直流断路器技术趋向成熟,直流配电网受到越来越多国家的关注。柔性直流配电网内换流站的控制保护系统需要满足多端柔直变电站间协调控制、直流配电线路故障检测与保护、故障动作后的系统快速恢复运行等新要求。直流配电网及其工程化应用研究目前还较少,国内外均处于起步阶段,还存在大量的理论与技术问题有待解决。文章在传统交流配电网控制保护系统设计的基础上,提出柔性直流配电网换流站控制保护系统设计方案以及实现多换流站间协调控制策略和保护分区方案;通过站内直流线路保护,实现直流线路故障快速隔离及恢复。提出的柔性直流配电网控制保护系统整体技术方案,可为同类工程提供借鉴。     

基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方案

直流故障的快速可靠识别是多端柔性直流电网亟须突破的关键技术之一。基于线路边界元件直流电抗器的特征,提出了一种新型的多端柔性直流电网线路边界保护方案。利用故障线路和非故障线路直流电抗器电压大小和方向的不同,实现故障线路的快速识别;利用故障线路正、负极直流电抗器电压大小的差异进行故障类型和故障极的判别。该方案仅通过单端直流电抗器的电压即可实现对故障的快速检测、识别,不仅能够满足直流电网对保护的要求,而且保护方案简单易实现,对硬件要求较低,无需通信。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建三端柔性直流电网模型,仿真结果验证了该保护方案在不同直流故障和运行情况下的有效性。     

多端柔性直流电网保护关键技术

多端柔性直流电网直流故障后故障电流快速上升、无自然过零点等特点使得直流线路保护和故障处理技术成为柔性直流电网发展的关键技术难点。理论分析了多端柔性直流电网线路保护的特殊性,借鉴传统直流输电线路保护原理和点对点式柔性直流输电线路保护原理的研究现状,对多端柔性直流电网线路保护的发展方向进行了探讨。同时,全面分析了各类直流故障隔离方法的基本原理,从故障隔离能力、经济性、控制保护耦合影响等多个方面阐述了其进一步的发展趋势。最后,考虑到架空线路输电的应用前景,设计提出了一种适用于点对点式柔性直流输电系统、具有低电流危害的新型故障重合闸判断方法,较现有重合闸策略而言,该方法重合于永久性故障时能够彻底避免对系统的二次过电流冲击。在此基础上,讨论了多端柔性直流电网对重合闸策略的性能要求。     

柔性直流电网故障电流主动控制典型方案综述

柔性直流电网网架结构与运行方式多样,多种电力电子设备之间存在强耦合关系,其故障特性复杂,协调控制困难,对故障电流进行积极主动的控制仍然面临着很大的挑战。文中基于柔性直流电网故障电流发展机理,对交直流电网故障特性做了对比和总结,说明了柔性直流电网故障电流主动控制的必要性和可能性;确定了柔性直流电网故障电流主动控制方案的基本原则;总结了国内外研究成果,根据选择性原则和抑制原理对主动控制方案进行了分类;以几种典型方案为例,分析了不同类型主动控制方案的特性,并在PSCAD/EMTDC中进行了仿真验证,对不同主动控制方案的特性进行了对比和总结。结果表明,通过源侧和网侧设备协同配合进行故障电流的主动控制,能够快速隔离故障,节约线路投资成本,具有快速恢复能力。     

风电场柔性直流并网与传统直流外送的源网协调控制策略

针对西部高原地区风电场采用柔性直流并网与传统直流外送导致送端电网频率变化敏感的问题,提出传统直流、柔性直流、风电场参与送端电网频率调节的源网协调控制策略。首先,在传统直流和风机中引入一次调频特性和惯性控制环节的变功率附加控制,在柔性直流电网侧换流站引入变电压附加控制,风电场侧换流站引入变频和直流电压偏差附加控制;其次,协调了发电机、传统直流、柔性直流、风电场参与送端电网频率调节的时序;最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型。仿真结果表明:该源网协调控制策略能增加送端电网的惯量,提高系统频率稳定性;能有效减小送端电网故障期间柔性直流的直流电压波动幅度。     

柔性直流电网超高速保护方案研究EI北大核心CSCD

柔性直流电网发生直流短路故障时,为保障非故障线路持续正常运行,需要快速隔离故障线路。传统柔性直流输电线路保护动作时间过长,无法满足速动性要求。为此首先对柔性直流电网直流短路故障特性进行分析,得到超高速保护动作时间指标;然后借鉴常规直流超高速保护策略,考虑直流线路故障与直流母线故障的甄别方法,提出一种适用于柔直电网的超高速保护方案,采用行波保护、电压突变量保护与电流突变量保护相结合的方式实现直流短路故障的快速检测和定位,利用双端线路故障检测结果实现保护动作快速出口,能够满足直流短路故障保护的快速性要求。最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型对超高速保护方案进行了仿真验证。     

±500kV张北柔性直流电网工程系统设计

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。与前期工程相比,张北工程系统设计的主要难点在于:工程故障穿越要求高、故障发展速度快而核心设备的暂态应力水平受限;新能源孤岛接入双极直流电网存在双极协调控制困难、宽频振荡风险高以及暂时性盈余功率问题严重等问题。针对张北工程系统设计的主要难点,提出新型三次谐波注入策略、直流电网电抗器最优化配置方法、基于接地电阻的续流快速衰减方法、子模块动态平均工作电压策略、新型阀控不平衡快速保护策略、阀本体过压保护的动态定值策略等一系列方案,有效提高了核心设备的电流和电压应力水平对直流电网的适应性;提出了双极V/f下垂控制、大规模新能源场站宽频阻抗特性获取方法、基于交流耗能装置的盈余功率解决方案等,解决了大规模新能源孤岛接入直流电网的双极协调控制问题、宽频振荡问题和暂时性盈余功率问题。通过张北柔性直流电网工程实践,验证了上述策略的正确性和有效性。     

张北柔性直流电网换流阀故障穿越策略与保护定值优化

不同于以往端对端柔性直流工程,应用直流断路器的柔性直流电网要求直流线路故障时换流站可实现故障穿越。文中以张北柔性直流电网工程为背景,首先,建立了直流线路故障时换流阀暂态电流的数学模型;然后,基于传统阀控过流保护策略,分别提出了保证换流阀故障穿越能力的定值设计方法和保证换流阀安全性的定值设计方法,解决了传统的阀控过流保护策略无法兼顾直流线路故障下换流阀的故障穿越能力要求和站内故障时换流阀的安全性要求的问题;最后,提出了基于分桥臂闭锁的新型阀控过流保护策略,并设计了详细的动作时序。在PSCAD中搭建张北柔性直流电网仿真模型,验证了所建立数学模型的准确性和所提出策略的有效性。     

基于直流断路器的柔性直流电网架空线路故障隔离策略研究

柔性直流输电技术未来将向大规模柔性直流电网发展,从经济性和通用性来看使用架空线路的柔性直流电网最具发展前景,然而架空线路故障率较高,如何实现直流线路故障的快速隔离和系统恢复成为制约柔性直流电网发展的关键因素。针对该问题,文中基于张北柔性直流电网示范工程,以半桥结构的模块化多电平换流器进行了研究,提出了适用于工程应用的直流架空线路故障隔离措施和线路故障恢复策略,并基于RT-LAB实时仿真平台搭建了张北工程四端直流电网系统,对相应的隔离方法及故障恢复策略进行了仿真验证,结果表明,可降低直流线路故障对交流系统的影响,降低直流限流切除对系统稳定性和安全性的影响,为柔直电网工程的实际应用提供了依据。     

基于虚拟阻尼指标的柔性直流电网小信号稳定性分析

近年来柔性直流电网得到了广泛关注和快速发展,柔性直流电网的稳定是保证交直流混联电力系统正常运行的重要前提。文中针对柔性直流电网,首先建立了不同控制方法下电压源型换流站和柔性直流电网的线性化模型,构建了以柔性直流电网中直流电压振荡模式为分析目标的柔性直流电网线性化互联模型。基于此,提出了一种物理意义更加明确的虚拟阻尼分析法,并对其概念和原理进行了介绍。然后,提出了能够评估电压源型换流站控制对柔性直流电网稳定性影响大小的虚拟阻尼指标,定量刻画了不同控制方法下电压源型换流站对柔性直流电网中直流电压振荡模式的影响。进一步,基于该虚拟阻尼指标,提出了适用于柔性直流电网中换流站控制参数的协调优化方法,提升了直流电网的小信号稳定性。最后,以一个三端柔性直流电网为例,详细展示了电压源型换流站虚拟阻尼的计算方法,并在包含下垂控制的复杂十端柔性直流电网中验证了多换流站参数优化方法的有效性及其相比于传统参数优化方法的优势。     

基于暂态数学模型的VSC-HVDC功率控制系统研究

介绍了VSC-HVDC系统的工作原理,在dq_0坐标下建立了VSC-HVDC的暂态数学模型,并且设计了电压源型换流器(VSC)传输功率控制系统。对于一个基于VSC的直流输电系统,为了保持系统有功功率的平衡,需有一端采用定直流电压控制。在此基础上实现了VSC-HVDC系统一端定电压控制、另一端定功率控制的运行方式,并利用仿真软件PSCAD/EMTP对所设计的控制系统进行了验证。结果表明,所设计的控制系统具有优良的控制性能,并且具有一定的暂态稳定性。     

连接海上风电场的基于直接功率控制的三电平VSC-HVDC

研究了连接海上风电场的基于电压源换流器的VSC-HVDC系统.多电平逆变器应用于VSC-HVDC系统提高系统传输容量并改善电能质量问题.利用基于功率控制的方法对VSC-HVDC系统进行了仿真,实现了双侧的独立控制,风电场侧由风机带换流器组成,采用基于滞环比较的功率控制,而系统侧三电平换流器采用基于直接功率控制,三个滞环控制器分别控制有功功率、无功功率和中点电压.仿真结果证实了基于此算法的VSC-HVDC系统连接大型海上风电场,可以正常稳定地运行.系统侧三电平换流器降低谐波含量并提高功率因数.     

VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究

风电潮流的波动会引起并网系统公共连接点(PCC)电压的波动.在基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)交直流混合风电场并网系统中,控制VSC-HVDC送端站注入到PCC点的无功功率可以抑制电压波动.本文讨论了VSC-HVDC的无功功率控制器和定电压控制器抑制电压波动的原理.基于电磁暂态软件PSCAD/EMTDC建立了并网风电场模型、VSC-HVDC模型及控制系统模型.仿真结果表明VSC-HVDC采用定电压控制器的并网系统能更好的抑制电压波动,采用无功功率控制器的系统具有较好的风电场并网性能.     

采用dq0坐标的VSC-HVDC稳态模型与控制器设计

基于电压源型换流器(VSC)的新型高压直流(VSC-HVDC)输电系统具有非常广阔的应用前景,目前VSC-HVDC技术在国外处于理论研究向实验系统过渡阶段,而国内则刚刚起步,许多基础理论和相关的应用基础问题有待深入研究.文中首先介绍了VSC-HVDC的基本工作原理.随后提出了一种采用dq0坐标的稳态模型,并进行了控制方案设计.通过对该控制方法原理分析与仿真实验,证明其控制效果良好,对于各种扰动都具有很快的响应速度和很好的稳定性,在不同的工作点都具有较高的稳定精度.     

新型双馈入直流输电系统无功调节特性分析

针对多馈入直流输电（MIDC）系统的稳定性问题,将电压源型高压直流输电（VSC-HVDC）引入MIDC系统组成一种新型双馈入直流输电（DIDC）系统。在基于 dq同步旋转坐标下,提出VSC-HVDC的基于有功、无功独立解耦控制策略,实现了DIDC的协调控制。充分利用VSC-HVDC对无功快速调节的能力,将其与常规无功补偿装置进行配合运行,提高系统稳定运行的能力。在PSCAD/EMTDC仿真环境下实验结果表明,在系统发生扰动的情况下,DIDC系统能够更有效地维持逆变侧母线电压的稳定,防止无功补偿装置振荡性投切,减少HVDC换相失败的概率,提高HVDC系统运行的可靠性。     

向无源网络供电的VSC-HVDC控制性能实验研究

无论是正常时采用VSC-HVDC向孤立负荷供电,还是在电力系统发生大停电事故后的初期阶段利用VSC-HVDC使系统负荷快速恢复,其物理模型都可以看作是通过VSC-HVDC向无源网络供电.在给出两相同步旋转坐标系下的整流侧数学模型及控制策略和逆变侧数学模型及控制策略的基础上,建立了一套开放的具有上层控制和底层控制的向无源网络供电的VSC-HVDC物理实验系统.结合黑启动过程中过电压的抑制和需要保持电压频率的稳定两个方面,在实验系统上进行了一系列的实验,结果表明该VSC-HVDC实验系统具有良好的控制性能.     

多端VSC-HVDC系统交直流潮流计算

电压源换流器VSC(Voltage Sourced Converter)与传统高压直流输电(HVDC)换流器在物理模型和工作原理上有本质区别．因此传统的交直流系统潮流计算方法不能在VSC构成的多端直流输电系统VSC—MTDC(VSC Multi—Terminal HVDC)中直接使用。首先描述了MTDC潮流计算的数学模型。随后在综合VSC工作原理及控制方式的基础上,推导了适用于VSC—MTDC潮流计算的VSC数学模型。进而由换流器控制量M(调制度)和6(PWM相位角)的不同组合,列出了4种运行控制方案。并针对每种控制方案给出了其交直流潮流交替求解的接151方程。最后以一含3个VSC的系统为例,对其中1个VSC的不同运行控制方案进行潮流分析,结果表明采用交替算法的潮流算法交直流接口简单清晰、程序编写方便且通用性好。     

电网安全及战略防御的新措施—直流分段

2003年美加大停电事故发生至今.通过美加大停电事故的记录和连锁过程发展的分析才使人们更清楚地认识了大型同步电网中直流环节的强大防卫作用.提出了应用先进的VSC-HVDC等技术在东部联合电网中进行电网"分段"的改造设想.综述了对此设想的仿真验证、经济评价和工程开始实施的简况,并对其在我国交流电网的可能应用提出了建议.     

VSC-HVDC系统控制体系框架

控制系统是VSC-HVDC系统的核心之一.目前虽已有许多研究者在该领域做了大量的工作,但多数成果集中在VSC-HVDC控制器的设计和控制方法的研究上,对整个VSC-HVDC系统控制体系框架的研究并不多见.本文在介绍VSC-HVDC系统结构的基础上,阐述了VSC-HVDC控制系统的基本功能,指出采用多重化配置和分层控制结构设计的必要性,具体提出建立四层结构的VSC-HVDC系统控制体系框架的观点,即直流系统控制层、换流器控制层、阀组控制层和独立控制层.文章在讲述各层配置原则的基础上,详细阐述了每个控制层次的控制功能和范围以及各层次之间的相互关系,并进一步介绍了控制系统和保护功能的协调配合问题,为VSC-HVDC控制系统的开发奠定了基础.     

含VSC- HVDC的交直流混合系统状态估计

针对以电压源换流器(VSC)为基础的新一代高压直流输电(HVDC),对含VSC-HVDC的交直流混合系统进行静态状态估计.介绍了VSC-HVDC的稳态模型.通过确定交直流混合系统的量测函数、状态变量和雅可比矩阵,建立了含VSC-HVDC的交直流混合系统的状态估计模型;在基本加权最小二乘状态估计算法的基础上,提出了含VSC-HVDC的交直流混合状态估计同时迭代求解法:对经过修改的IEEE 14、IEEE30、IEEE 57节点系统算例进行仿真,从算法的估计误差、迭代次数和计算速度等方面验证了算法的有效性和实用性.