提升直流输电系统换相失败抵御能力的关键新技术

基于电网换相换流器的高压直流( line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)输电由于输送容量大、损耗低、经济性好等优势被广泛应用于远距离输电与区域电网异步互联,是实现我国"西电东送"能源发展战略的重要技术手段.LCC-HVDC...     

采用LCC技术的特高压直流输电

电网换相换流器(LCC)的主要换流器件为晶闸管,由交流系统提供换相电压。基于LCC的高压直流(LCC-HVDC)输电技术,通过控制直流电压的大小与方向实现功率灵活传输,广泛应用于高电压、长距离、大容量输电场合及交流电网的异步互联,是目前最为成熟的高压直流输电方式。     

混合双馈入直流输电系统的交互作用机理研究(二):小干扰稳定裕度分析

针对由电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)系统和电压源换流器型高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统构成的混合双馈入直流输电系统,基于推导建立的等值单馈入直流输电模型,采用增益裕度(gain margin,GM)指标、相位裕度(phase margin,PM)指标和灵敏度函数最大峰值指标Ms,定量评估交流系统强度、LCC-HVDC子系统的定关断角和锁相环,以及VSC-HVDC子系统的外环功率控制器、内环电流控制器和锁相环对混合双馈入直流输电系统稳定裕度的影响规律;最后,通过PSCAD/EMTDC下的详细电磁暂态详细仿真,验证所建立单馈入直流输电模型的有效性及理论分析结果的正确性。     

混合双极高压直流输电系统的特性研究

为了充分发挥电网换相换流器高压直流输电系统(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)和电压源换流器高压直流输电系统(voltagesource converter based HVDC,VSC-HVDC)的优势,针对一种新型的混合双极高压直流输电系统(hybrid bipolar basedhigh voltage direct current,HB-HVDC)进行了研究,该系统的正极是传统的12脉动LCC-HVDC系统,而负极是VSC-HVDC系统。建立了由LCC正极和VSC负极组成的混合双极高压直流输电系统的模型,推导了其在稳态时的数学模型,并设计了正负极之间的协调控制策略。在PSCAD/EMTDC环境下对HB-HVDC系统的稳态和暂态运行特性进行了研究分析。最后对HB-HVDC系统和闭锁负极VSC-HVDC后LCC-HVDC系统的运行特性进行了对比研究。结果表明:HB-HVDC系统可以更好地调节交流母线电压,减少LCC极换相失败的可能性,并且具有快速的故障恢复能力;同时也证明所设计的协调控制策略可以有效地改善HB-HVDC系统的稳态和动态特性。     

混合双馈入直流输电控制系统交互影响机理分析

针对由彼此落点接近的一条基于模块化多电平换流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)线路和一条电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)线路所构成的混合双馈入直流输电系统,基于多变量反馈控制理论建立可定量分析和评估MMC-HVDC与LCC-HVDC控制系统之间交互影响的等效独立控制通道。在此基础之上,定量分析评估LCC定关断角控制器、锁相环以及MMC锁相环、外环控制器、环流抑制器对MMC-HVDC与LCC-HVDC控制系统交互作用及小干扰稳定性的影响。最后,在PSCAD/EMTDC上搭建混合双馈入直流输电系统的电磁暂态详细仿真模型,仿真验证理论分析结果的有效性。     

混合多馈入直流输电系统相互作用关系的定量评估方法

视在短路比增加量(apparent increase in short circuit ratio,AISCR)是一种定量评估混合多馈入系统中电压源换流器型高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)对电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)运行特性影响关系的指标,该文基于AISCR指标,定量评估混合双馈入系统中当VSC-HVDC潮流方向不同时对LCC-HVDC运行特性的影响,在此基础上基于PSCAD/EMTDC对比分析VSC分别作为整流运行和逆变运行时LCC-HVDC的暂态过电压、换相失败抵御能力、故障恢复等暂态运行特性。研究当VSC-HVDC与LCC-HVDC之间存在电气距离的情况下AISCR随着电气距离的变化趋势;最后将交流系统与VSC-HVDC对LCC-HVDC视在短路比增加量的耦合作用进行了解耦,得到了不考虑VSC-HVDC所联结的交流子系统的影响,仅考虑VSC-HVDC单独作用时AISCR的变化规律,该结论可以为混合多馈入直流输电系统中VSC-HVDC容量及馈入落点的选取提供理论指导。     

AC-(LCC)DC系统的全电磁暂态数值计算方法一：数学模型

为实现大规模交直流混联电网快速、准确的全电磁暂态仿真计算,需要研究、开发新的仿真计算方法。为此,采用状态空间法及Park变换,该文第一部分首先建立了交流-电网换相换流器型高压直流输电(AC-line commutated converter high voltage direct current,AC-(LCC)DC)混联系统的全微分数学模型。在不计变压器非线性特性的情况下,推导了能够反映变压器变比、接线方式以及相移等特性的电磁暂态模型;考虑换流变压器的接线方式,将换流变-换流器-平波电抗器作为一个整体来考虑,建立了电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)输电系统的全微分电磁暂态模型;通过在发电机与出口变压器之间接入一个三相对地电容,简捷地解决了机-网接口问题。通过引入附加状态变量,将上述模型以及锁相控制器中的非线性部分转化为二次型向量,由此,建立了基于二次向量场形式的AC-(LCC)DC系统全微分计算模型,为第二部分的电磁暂态仿真计算提供基础。     

混合双馈入直流系统中LCC-HVDC对VSC-HVDC稳态运行区域的影响

混合双馈入直流输电系统中电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage directcurrent,LCC-HVDC)子系统对电压源换流器高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)子系统运行特性的影响机理有待深入研究。首先建立了基于不同LCC-HVDC子系统控制模式的混合双馈入直流输电系统数学模型,并分析归纳了VSC-HVDC子系统的安全稳定运行约束条件和判据,提出了一种确定混合双馈入直流系统中VSC-HVDC子系统稳态运行区域的计算方法。在此基础上对比分析了VSC-HVDC子系统稳态运行区域与LCC-HVDC子系统控制模式、交流系统短路比、LCC-HVDC与VSC-HVDC容量配比之间的关系。最后,基于PSCAD/EMTDC软件搭建了混合双馈入直流系统仿真模型,仿真验证了VSC-HVDC子系统稳态运行区域计算方法的有效性。     

混合双馈入直流输电系统的交互作用机理研究(一):等值单馈入直流输电模型

为了研究混合双馈入直流输电系统中电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)子系统和电压源换流器型高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)子系统的交互作用机理,通过将LCC-HVDC(或VSC-HVDC)子系统进行等值,提出并建立混合双馈入直流输电系统的等值单馈入VSC-HVDC(或LCC-HVDC)模型。在此基础之上,建立了等值单馈入直流系统的对应等效单输入–单输出控制回路,并与PSCAD/EMTDC详细电磁暂态仿真模型对比,验证所建立模型的准确性。所建立的等值单馈入模型可以用于定量评估混合双馈入直流输电系统的交互作用机理。     

并联混合直流输电系统中传统直流和柔性直流暂态无功协调控制策略研究

针对电网换相换流器的高压直流输电系统(line commutated converter high voltage direct current,LCCHVDC)易于发生换相失败的缺点及柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSCHVDC)具有的有功无功快速独立控制的优点,为了充分发挥VSC-HVDC提高LCC-HVDC抵御换相失败能力的作用,提出了适用于并联混合直流输电系统的基于逆变器关断角γ的暂态无功协调控制策略。将故障时根据γ角得出的无功功率补偿值附加至柔性直流换流器外环无功控制环节,调节柔性直流换流器发出的无功功率,在故障时降低LCC-HVDC的直流电流增加量或调节换流母线电压,达到提高LCC-HVDC换相失败抵御能力的目的。在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建了并联混合双馈入直流输电系统模型,从换相失败免疫性指标(commutation failure immunity index,CFII)的角度研究了不同强度交流系统下基于γ角的暂态无功协调控制策略对LCC-HVDC抵御换相失败能力的影响。结果表明,基于γ角的暂态无功协调控制策略可以显著提高LCC-HVDC抵御换相失败的能力。     

面对面式DC/DC互联LCC-HVDC的潮流控制

结合中国高压直流输电现状和直流电网技术的发展,提出了利用面对面式DC/DC变换器互联不同电压等级的基于电网换相换流器(LCC)的高压直流(LCC-HVDC)系统的方案,总结了互联系统的优势并提出了一种依赖通信的适用于互联系统的控制器。基于两条实际LCC-HVDC线路背景,在PSCAD/EMTDC中搭建了利用±500 kV/±800 kV,1 000 MW面对面式DC/DC互联一条±500 kV,3 000 MW线路和一条±800 kV,7 200 MW线路的仿真模型。仿真结果说明,常规LCC控制不适用于互联系统,且验证了提出的控制器的有效性。所述控制器可在对原有LCC换流站控制改动最小的前提下实现互联系统的稳定运行。     

LCC/VSC混合直流电网模型研究

根据我国未来电网规划发展需求,提出了一种电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和电压源换流器(voltage source converter,VSC)混合直流电网测试模型,用于研究LCC/VSC混合直流技术组网可行性及其用于可再生能源的大规模接入、电能大容量远距离输送和电网异步互联等场景的关键技术。文中详细描述了模型的设计理念、拓扑和功能,并给出了系统基本稳态参数。最后通过PSS/E程序对模型潮流进行了计算,并给出了系统在正常工况和N-1情况下的潮流结果和相关分析。     

弱交流系统下STATCOM对LCC-HVDC小干扰稳定裕度的影响研究

当电网换相换流器高压直流输电(linecommutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)逆变侧交流母线处含有静止同步补偿器(staticsynchronous compensator,STATCOM)时,LCC-HVDC与STATCOM均需要各自的锁相环(phase-locked-loop,PLL)为其控制系统提供基准。该文考虑LCC与STATCOM锁相环各自动态建立含STATCOM的LCC-HVDC系统的小干扰模型,采用经典特征根分析方法,通过对比LCC-HVDC系统与含STATCOM的LCC-HVDC系统二者之间的锁相环与控制系统参数可行域的差异,研究STATCOM对LCC-HVDC小干扰稳定裕度的影响。最后,通过理论计算,对比有无STATCOM投入时LCC-HVDC系统在不同SCR与不同PLL参数下的最大传输有功功率(maximumavailablepower,MAP)及临界短路比(critical short circuit ratio,CSCR)的变化规律。研究结果表明,当LCC-HVDC连接较弱系统时,控制系统之间的耦合作用对LCC锁相环的稳定可行域产生负面影响,可能引发由于LCC锁相环增益过大而导致的整个混合系统的小干扰失稳现象。     

混合多馈入直流系统换相失败免疫水平快速评估方法

针对目前混合多馈入直流输电系统(hybrid multiinfeed high voltage direct current,HMIDC)换相失败研究中采用仿真手段而导致计算量大的情况,提出了一种其换相失败免疫水平的快速评估方法。首先针对单馈入电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)系统,提出了计及直流系统一、二次参数影响的基于电压稳定因子(voltage stability indicator,VSI)的换相失败免疫水平快速评估方法,基于CIGRE Benchmark标准直流系统搭建了LCC-HVDC测试算例,仿真分析了所提方法的准确性和快速性;建立了HMIDC系统在LCC-HVDC换流母线处的双母线戴维南等值单馈入分析模型,然后定义了在对应LCC-HVDC换流母线处的等值单馈入电压稳定因子(equivalent voltage stability indicator,EVSI)。在分析换流器功率–电压特性和相角–电压特性的基础上,研究了EVSI的求取方法;最后提出了基于EVSI的HMIDC换相失败免疫水平快速评估方法,基于混合双馈入直流输电系统模型的仿真结果验证了所提方法的有效性。     

弱交流电网下含STATCOM的LCC-HVDC系统的附加阻尼协调控制方法

通过在电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)逆变侧交流母线装设静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM),来达到抑制换相失败的目的。然而研究发现,在弱交流系统工况下,STATCOM的控制系统(特别是交流电压控制外环)与LCC锁相环之间存在相互作用,会对后者的稳定可行域造成不利影响,进而可能引发整个混合系统的小干扰失稳现象。针对此现象,该文提出一种适用于弱交流系统下含STATCOM的LCC-HVDC系统的新型附加阻尼协调控制(supplementarydampingcoordination control,SDCC),该方法基于LCC锁相环输出频率信息,引入阻尼系数以附加分量形式反馈到STATCOM定交流电压控制器外环输入中。基于Matlab的特征根理论分析及基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真结果表明,提出的SDCC控制可以有效抑制含STATCOM的LCC-HVDC系统中LCC锁相环增益过大引起的系统小干扰失稳现象,从而提高系统的稳定裕度。     

基于模块化思想的LCC-HVDC改进小信号建模及交互稳定性分析

随着电网换相型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current, LCC-HVDC)技术的广泛应用,交直流混联电力系统的交互稳定性问题日益突出。首先基于状态空间平均法建立了考虑非线性换相重叠动态过程的LCC换流器传递函数模型。为适应愈加复杂的直流输电系统建模,提出利用模块化思想分别建立LCC-HVDC各子系统小信号模型,并推导了能反映交直流系统和换流器之间电气耦合特性的接口矩阵实现子系统连接,从而模块化建立精确且易于扩展的计及控制链路延时和锁相环输出相位波动的双端LCC-HVDC系统改进小信号模型。最后分析了控制系统参数和控制链路延时对系统小干扰稳定性的影响以及失稳模态的主导因素,揭示了双端LCC-HVDC系统交直流混合谐振机理及送受端交互影响具体过程。研究结果可以为系统参数设计、谐振抑制措施提供理论基础。     

混合双馈入直流输电系统的高频振荡特征及机理研究

在混合双馈入直流输电系统中,由于电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)的存在,系统在不同的联络线长度下呈现出不同的高频振荡特征。为研究混合双馈入直流输电系统的高频振荡特征及机理,首先建立系统的状态空间模型,基于此研究系统的高频振荡特征,结果表明,由于LCC子系统的存在,在不同的联络线长度下混合双馈入直流输电系统呈现出不同的高频振荡特征。然后,建立混合双馈入直流系统的高频阻抗模型,研究LCC子系统、联络线长度、模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)控制链路延时、交流线路长度等对系统高频阻抗的影响。结果表明,对于无电气距离的混合双馈入系统,LCC滤波器的存在使其无高频振荡风险;对于有电气距离的混合双馈入系统,当LCC和MMC子系统之间的电气距离较近时,LCC交流滤波器对系统高频振荡的抑制效果随着联络线长度的增大而减弱。最后,提出混合双馈入系统无高频振荡风险的联络线临界长度确定方法,并通过理论分析和电磁暂态仿真进行有...     

计及LCC-HVDC交直流系统静态电压稳定的综合短路比强度指标

针对过往电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCCHVDC)交直流系统的强度指标缺乏严密理论基础的问题,该文研究计及LCC-HVDC交直流系统静态电压稳定的强度指标定义方法。首先,定量分析单馈入LCC-HVDC系统不同控制方式对交直流系统静态电压稳定的影响。其次,提出一种能够衡量交直流系统电压稳定裕度的综合短路比(integrated short circuit ratio,ISCR)强度指标。该指标考虑了交直流系统的实际潮流信息,能够同时应用于交直流系统的规划、设计和运行阶段;兼顾了LCC-HVDC系统的直流功率–电压动态特性,能够研究控制方式差异性对其影响;同时,基于静态电压稳定极限定义的临界综合短路比(critical integrated short circuit ratio,CISCR)指标取值恒为1,因而能够刻画互联交流电网对直流系统的临界电压支撑强度。最后,考虑额定运行工况和负荷动态变化过程的算例分析结果,及不同强度指标的对比分析,均表明了采用ISCR和CISCR指标的有效性。     

基于开关函数的LCC-HVDC换流站动态模型及小干扰稳定性

研究了电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)的控制系统参数对其小干扰稳定性的影响。基于LCC-HVDC换流站的开关函数模型,建立了LCC系统换流站、交流系统以及控制系统的小干扰动态模型,并将其与PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真结果进行对比,验证了小干扰模型的正确性。然后,采用特征值分析方法,研究了锁相环(phase-locked loop,PLL)增益系数和定关断角控制参数对LCC系统振荡模态、阻尼特性、参与因子和可行稳定运行区域的影响,该研究结果可以为LCC-HVDC换流站相关控制参数的选取提供依据。     

混合双馈入直流输电系统中LCC-HVDC对VSC-HVDC系统强度的影响

为了准确评估混合多馈入直流系统中电压源换流器型高压直流(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)的受端系统强度,对VSC-HVDC的有效短路比进行研究。第一,建立了含有VSC和LCC的混合双馈入直流输电系统的小信号模型,基于该模型提出了LCC的运行阻抗的基本概念和计算方法;第二,结合LCC的运行阻抗,提出了混合多馈入直流输电系统中VSCHVDC有效短路比的计算方法,并分析了计及LCC-HVDC影响时VSC-HVDC的功率运行极限;第三,利用建立的小信号模型,研究了VSC控制器参数对其功率运行极限的影响。通过基于PSCAD/EMTDC的仿真分析,验证了相关结论的正确性。