直流电网潮流分析与控制研究综述

近年来,基于电压源型换流器的直流电网技术发展迅速,成为相关领域的研究热点。潮流问题是电力系统分析中最基本的问题,对直流电网潮流分析与控制技术的研究也是直流电网研究中最重要的基础。首先归纳总结了直流电网的潮流计算和最优潮流计算的方法,并对2者的收敛性和计算效率进行了讨论;在此基础上,针对直流电网潮流控制自由度不足的问题,从系统级控制和直流潮流控制器2个方面,概述了对直流电网潮流进行控制的方法,并对控制效果和经济性做出了评述;最后,对直流电网潮流分析与控制技术的发展趋势和关键问题进行了总结与展望。     

直流电网阻抗建模与振荡机理及稳定控制方法

维持直流母线电压稳定是直流电网高效、安全、稳定运行的前提。多个电压源变换器(Voltage Source Converter,VSC)经下垂控制接入直流电网,下垂控制等效于在VSC直流端口增加虚拟电阻,实现多VSC之间的功率分配的同时增加了系统阻尼。但研究发现,采用直流电压下垂控制的VSC,其输出阻抗会在电压控制带宽外呈现负阻性,该负阻抗会与线路阻抗、负载输入电容及恒功率负载(Constant Power Load, CPL)相互作用,引起直流系统振荡。针对此问题,建立了典型的单母线直流电网系统小信号模型,分析了直流系统的稳定性。提出一种虚拟阻容性阻抗的稳定控制方法,使得VSC输出阻抗在电压控制带宽外保持较大的正阻性,抑制直流系统的振荡。同时所提方法能够增大VSC直流端口的容性阻抗,增强直流系统的惯性,提升母线电压抗负载波动的能力。最后,仿真验证了所提控制方法的正确性和有效性。     

基于状态反馈附加阻尼控制的柔性直流电网抑制低频振荡

为了提升交直流互联系统的动态稳定性,研究了利用多端柔性直流输电系统阻尼交流系统低频振荡的方法。分析了柔性直流电网接入后系统的振荡模态,研究了直流电网对交流系统稳定性的影响,并基于全维状态空间反馈设计了柔性直流系统的附加阻尼控制器。系统振荡时该附加阻尼控制器能够输出附加控制量,调节各换流站的有功功率,从而抑制系统的振荡。以含有四端柔性直流电网的新英格兰10机系统为例进行了仿真研究,仿真结果表明,引入了该控制器的柔性直流电网能够很好地抑制原系统的低频振荡,改善系统的动态性能。     

考虑光伏发电单元孤岛检测影响的直流电网稳定性分析与阻尼控制

直流电网适合大规模光伏发电的集成接入。光伏发电单元在接入直流电网运行时,需要依托孤岛检测方法,使得发电单元可以在异常断开状态下得到保护。然而,前馈孤岛检测方法会向直流电网注入扰动,影响光伏发电单元在并网运行时的性能,甚至加剧由于变换器交互作用造成的振荡失稳问题。对此,建立直流电网中光伏发电单元、交直流互联变换器的小信号阻抗模型,并综合考虑最大功率跟踪控制、前馈孤岛检测方法对光伏Buck变换器端口特性的影响,探究影响直流电网稳定性的因素。然后,在不影响孤岛检测的情况下,提出一种有源阻尼稳定控制方法,在并网运行的光伏发电单元的直流电网侧端口串入虚拟电阻,使发电单元在输出不同功率时均有较好的稳定性。最后,仿真研究验证了分析内容的准确性和所提阻尼方法的有效性。     

直流电网潮流控制与短路控制复合装置

随着高压直流输电的发展和直流电网结构的日益复杂,直流系统的潮流调节和短路故障问题日益突出。基于多端柔性直流输电系统的潮流控制和短路故障抑制技术,文中提出了一种用于直流电网的兼具直流潮流控制和短路故障切除的多功能复用装置。该装置不仅能实现潮流在线路之间的灵活控制,而且能够实现对故障电流上升速率的限制和对短路故障的切除。对一个加装了该复合装置的三端直流环网进行研究,分析该复合装置的工作原理、控制策略及运行特性。最后,在PLECS软件中搭建了仿真模型,验证了该装置及其控制策略的可行性和有效性。     

直流电网潮流分析与控制研究综述EI北大核心CSCD

近年来,基于电压源型换流器的直流电网技术发展迅速,成为相关领域的研究热点。潮流问题是电力系统分析中最基本的问题,对直流电网潮流分析与控制技术的研究也是直流电网研究中最重要的基础。首先归纳总结了直流电网的潮流计算和最优潮流计算的方法,并对2者的收敛性和计算效率进行了讨论;在此基础上,针对直流电网潮流控制自由度不足的问题,从系统级控制和直流潮流控制器2个方面,概述了对直流电网潮流进行控制的方法,并对控制效果和经济性做出了评述;最后,对直流电网潮流分析与控制技术的发展趋势和关键问题进行了总结与展望。     

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。     

直流电网潮流控制方法述评

直流电网是未来电网的重要组成部分。直流电网的潮流分布与潮流控制不仅关系着电力资源的配置方式,还与系统运行的安全稳定程度密切相关,是需要首先考虑的问题。文中结合直流输电技术的发展现状,对直流电网的电压控制方法和电流控制方法进行了分类和整理,明确了各种控制方法的优缺点和适用范围,为未来直流电网的潮流控制提供了思路。在电压控制方面,分别阐述了定电压控制方式、直流电压偏差控制方式,以及直流电压下垂控制方式的设计思路和实现方法,总结了各种电压控制设计的优缺点;在电流控制方面,分别阐述了电阻型、电流源型,以及电压源型直流电网潮流控制装置在拓扑结构和控制器设计上的不同,总结了各自的特点。     

直流电网模块式小信号建模方法

文中提出了一种通用的直流电网模块式小信号建模方法。该建模方法将直流电网分成交流系统、换流器和直流网络三大模块。其中换流器模块又进一步细分为交流电气、直流电气、控制方程、信号滤波器、锁相环等子模块。各模块以及换流器各子模块间通过一定的联接矩阵建立起连接从而构建出全系统的小信号模型。文章推导了换流器各子模块的小信号模型及换流器各子模块之间的联接矩阵,提出了一种采用控制标志位统一描述换流器不同控制模式的控制器建模方法,推导了直流网络与各换流器的接口方程,给出了全系统线性化状态空间模型的建模通式。最后以一个三端测试直流输电系统为例,通过对比按文中方法建立的小信号模型与详细电磁暂态模型和非线性状态空间解析模型时域仿真结果验证了所提出建模方法的准确性。文中所提的模块式小信号模型建模方法和统一控制器建模可大大简化直流电网的小信号建模。     

多端柔性直流电网公共直流电压协同控制方法

与传统交流电网相比,柔性直流电网具有较强优势,在可再生能源等多能源接入应用中引起了高度重视。为避免多端柔性直流电网中各子系统争夺电压控制权问题,提出了一种多端柔性直流电网公共直流电压协同控制方法。该方法利用柔性直流电网公共直流电压作为公共信息源,根据负载单元、可再生能源单元、储能单元和辅助供电单元的不同工况,分别由可再生能源单元、储能单元以及辅助供电单元独立地将公共直流电压控制在规定范围之内,实现电网电压稳定。通过Saber软件进行的仿真表明,所提方法能够有效控制多端柔性直流电网公共直流电压,维护系统功率平衡。     

直流电网潮流分级分区控制方法

为了解决下垂控制无法实现功率无差控制的缺陷以及方便直流电网的分区管理,设计直流电网潮流的分级分区控制。该控制包括集中控制和本地控制两部分。集中控制利用集控中心的潮流计算程序计算得到的各换流站节点的电压,以直流电压计算值修正各下垂控制站的直流电压参考值从而实现各换流站的功率无差控制。本地控制不依赖于集控中心,包括积差控制、分区控制和联络线功率紧急支援控制。积差控制利用本地监测量修正下垂控制的电压参考值实现换流站功率无差控制。分区控制用于将本区内的功率不平衡限制在本区内,防止对区外直流电网功率产生影响。联络线功率紧急控制用于调控某区内所有换流站的有功功率,为其他区域提供紧急功率支援从而将紧急功率支援任务分散到各个换流站上。所设计的控制器在一个七站两区域直流电网上得到了验证。     

柔性直流与直流电网仿真技术研究

模型等效性高、仿真规模大、实时化以及计算资源需求小,一直是电力系统仿真技术的发展目标。讨论了柔性直流及直流电网的特点,结合实际工程经验,从运行特性、等效建模、数值计算以及控制系统试验等方面对柔性直流和直流电网的仿真技术进行研究。在上述研究的基础上,指出柔性直流与直流电网仿真技术的发展方向是具有多时间尺度、多速率建模与变步长计算能力的数字仿真,以及具有全功能极控/阀控实验能力的功率型数模混合仿真。     

直流电网功率控制体系构建及实现方式研究

直流电网技术优势突出,发展前景广阔。功率控制体系和控制策略设计是关系直流电网规划、运行和发展的基础性问题。分析交、直流高压电网控制在承担主体、目标、特性曲线、响应速度等方面异同,提出直流电网有功功率分层控制体系方案,明确各层功能定位：一次控制负责直流电压实时稳定;二次控制按照调度指令实时调整系统输送功率;三次控制基于预测数据计算结果,提前下达系统经济环保调度指令;四次控制承担电网故障及恢复过程中大时间尺度下功率平衡、稳定控制等任务。一次、二次和三次控制瞄准系统正常运行工况,而四次控制针对事故和系统恢复过程中系统结构变化和四种不同状态转换过程。分析各层控制策略、运行方式和实现途径,研究分层控制系统间计算结果、响应速度、参数更新周期、通信延迟等协调配合关键技术,分析系统调节容量、通信能力、交流系统强弱等关键影响因素。该方案既借鉴现有电网成熟经验,又体现直流电网技术特点,促进控制精确性和复杂性平衡,有利于提高与现有电网技术管理体系兼容性,加快推进直流电网研究和工程应用。同时,提出未来直流电网在控制体系构建标准化、控制策略设计差异化、仿真分析高效化、研究途径多样化等方面尚待深入研究。     

新型直流电网潮流控制器及其控制方法

直流潮流控制器能够有效提升环网式直流电网的潮流控制自由度,解决直流电网部分线路潮流不可控问题。针对现有直流潮流控制器应用场合的局限性,基于电容线间能量交换的思路,提出一种新型直流潮流控制器拓扑,并对其工作原理和运行特性进行了深入研究。基于新型潮流控制器的多种运行状态,设计了基于脉宽调制(PWM)的控制策略,并以其中一种运行状态为例,研究了各状态变量之间的关系。最后,在电磁暂态仿真软件中搭建等效三端直流环网模型,验证了所提出的直流电网潮流控制器拓扑方案与控制策略的可行性与有效性。     

下垂控制对直流电网动态电压稳定性的影响分析

直流电网的协调控制策略包括主从控制、直流电压裕度控制及直流电压下垂控制等。下垂控制可以实现直流电网的多点直流电压控制,但下垂系数的大小会对系统直流侧电压的稳定性产生一定的影响。以基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的直流电网为研究对象,首先建立了下垂控制作用下MMC直流电压控制系统模型及其传递函数,并在此基础上,采用劳斯判据得到了能够保持系统直流电压稳定的下垂系数取值范围。然后,分别在时域和频域中分析了在不同取值区间内选取下垂系数对系统直流侧电压控制特性和稳定性的影响。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了基于MMC的4端直流电网仿真模型,验证了理论分析的正确性,为工程应用时合理选择下垂系数提供了理论依据。     

LCC-VSC混合直流电网机电暂态建模方法研究EI北大核心CSCD

提出可用于大型电力系统暂态稳定分析的电网换相换流器-电压源换流器(line commutated converter-voltage source converter,LCC-VSC)混合直流电网机电暂态建模方法。首先,根据LCC、VSC换流器技术特点,建立混合直流电网的基本形态。其次,根据换流器基本数学模型和机电暂态仿真的特征,通过合理简化提出混合直流电网基本元件LCC、VSC、DC/DC换流器的机电暂态建模方法。基于Dommel算法,提出直流网络模型的求解方法。在PSASP程序中实现了各元件的模块化设计,使用户可根据需要自由搭建仿真算例。最后,基于VSC-HVDC汇集分布式可再生能源和常规能源、LCC-HVDC实现远距离大容量稳定输电的构想,设计四端混合直流电网的仿真算例,分析对比3种不同工况下的运行特性。结果表明,所提LCC-VSC混合直流电网机电暂态模型准确、可靠,可用于大型电力系统暂态稳定性分析。     

半桥MMC型柔性直流电网自适应限流控制研究

柔性直流电网直流故障短路电流具有上升速度快、峰值高等特点。当前,尚不成熟的故障电流抑制技术在一定程度上阻碍了柔性直流电网的大规模建设和发展。已有学者通过在直流电网中增加直流限流器或改进换流器拓扑的方式来抑制直流故障电流。然而上述技术方案会增加直流电网的建设成本。该文通过充分挖掘半桥型模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的控制潜力,提出一种适用于半桥型MMC的自适应限流控制策略。该控制策略通过在直流故障期间快速改变投入的子模块数量,从而快速降低换流器直流电压达到抑制故障电流的目的。首先介绍限流控制的基本原理以及控制器结构,分析并推导半桥型MMC的直流故障电流和桥臂故障电流的计算方程,进一步仿真验证限流控制作用下故障电流的计算方程,最后在基于半桥型MMC的四端柔性直流电网中对限流控制策略的有效性进行仿真验证。仿真结果表明:限流控制使得直流断路器((DC circuit breaker,DCCB)的开断电流减小4.92k A(46.95%),耗散能量减小26.1MJ(67.93%),并且减小故障期间桥臂电流的峰值,降低了换流器过流闭锁的风险。     

LCL并网变流器反馈阻尼控制方法的研究

LCL滤波器在提高并网变流器电流质量的同时,却不可避免地引入了谐振和稳定性的问题。在讨论和研究了不同侧电感电流反馈控制方法的基础上,针对并网侧电感电流反馈,提出了通过协调优化数字控制系统中的采样频率与谐振频率的比值关系,从而实现并网变流器的无阻尼控制的方法。针对并网变流器侧电感电流反馈控制方式,提出了利用改进的高通滤波器来提取谐振分量进行滤波阻尼的控制方法。这两种LCL滤波器阻尼控制方法,均不需要在主回路中增加额外的传感器,设计过程简单、可靠性高,便于工程实际应用。最后,通过实验结果验证了理论分析的正确性以及控制方法的可行性。     

柔性直流电网故障限流技术分析与探讨

故障限流技术是实现柔性直流电网保护和故障隔离的重要过渡手段。基于柔性直流电网的故障特征,结合国内外研究成果,从交流侧限流、换流器限流以及直流侧限流3个方面分析了柔性直流电网各类限流技术和方法的原理及性能,对相关限流技术和方法进行了仿真测试和比较。基于对比分析结果,提出了一种改进的电感型限流电路拓扑。所提出的限流电路能够有效抑制故障电流,在配合直流断路器开断故障的情况下,可加速故障电流衰减。最后探讨了未来直流电网故障限流技术可能的研究方向。     

含特高压直流的多馈入直流电网RTDS建模

为探索在实时数字仿真器(real time digital simulator,RTDS)下的多馈入直流电网建模方法,搭建了以2012年丰大方式BPA软件等值数据为基础、含±800 kV特高压直流的南方电网等值系统模型。介绍了实验仿真平台的硬件配置及功能,给出了RTDS系统模型搭建的基本步骤及电力系统元件模型的选择原则。利用单机无穷大系统短路实验得到发电机的动态响应曲线,比对检验了各台发电机控制系统模型的正确性。在此基础上,通过与BPA稳态运行时各状态量比较以及典型的交流故障和直流故障的仿真结果比较,验证了所建电网模型的有效性和正确性。最后,详细分析了RTDS与BPA仿真结果存在偏差的原因,并比较了两者在仿真计算中的优劣性。