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。     

海上风电柔直并网系统调频控制综述

远海风电场因其风资源丰富而受到广泛关注,柔直并网是实现大规模远海风电场并网的有效措施.随着海上风电等可再生能源渗透率不断提高,电力系统面临的频率稳定问题逐渐凸显,海上风电柔直并网系统进行主动频率支撑是缓解频率稳定问题的有效手段之一.为此,针对海上风电柔直并网系统参与调频控制进行综述,从海上风电场、柔性直流系统及二者协调控制等3个层面对现有频率支撑控制策略进行阐述,分析了不同层面控制策略的原理、优缺点和发展趋势等,指出海上风电柔直并网系统参与主动频率支撑应协调海上风电场和柔性直流系统,最大化发挥二者调频能力;进一步分析了海上风电柔直并网系统参与频率调节在充分利用系统调频能力、保证系统安全运行方面面临的挑战,最后对该领域未来研究方向进行了总结和展望.对海上风电柔直并网系统参与陆上交流系统调频控制和实现双碳目标具有一定参考价值.     

海上风电–柔直并网系统自同步电压源控制与电网故障穿越

采用柔性直流输电技术送出是大规模海上风电的发展趋势。由于电流控制型的海上风电–柔直并网系统隔离了风电场的惯量,电压源控制方式成为应对新能源主导电力系统稳定运行的一种有效途径。现有海上风电–柔直并网系统的电压源控制研究多集中于控制实现与稳态特性方面,而针对该系统故障控制方面的研究十分匮乏。该文提出一种具备故障穿越能力的海上风电–柔直并网系统自同步电压源控制策略。在受端换流器中,通过子模块能量与同步发电机转子的类比及直流侧的解耦控制,兼顾了对直流母线电压的灵活控制和对电网频率的无锁相环自同步,并改善了通过直流母线电压向送端换流器传递电网频率时的抗扰性能。送端换流器从直流电压中提取电网频率并镜像到其交流侧,辅助海上风电场实现对电网的惯量响应。进一步地,设计受端换流器的电网故障穿越策略,在实现对输出电流限幅的同时,确保了受端换流器的功角稳定。最后,在PSCAD/EMTDC软件中通过仿真验证所提控制方法的有效性。     

基于谐波注入信息传递的海上风电柔直并网故障穿越方法

海上风电柔直送出系统在交流电网发生故障时应该具备故障穿越能力.然而,风电场和柔直系统中的多类型换流设备在没有高速通信的情况下,很难协同控制实现系统低电压穿越过程中的直流电压稳定.因此,提出基于谐波注入信息传递的海上风电柔直送出系统故障穿越协调控制方法.在故障期间,风电场侧换流器检测到直流电压超过阈值后降低风电场交流电压幅值,并向系统注入谐波,使得风电机组换流器根据不同谐波阈值协同限制注入电网的功率,实现无通信条件下系统多换流设备协同的故障穿越.通过与常规的只由风电场侧换流器单独降功率的方法进行比较,在电网的各种故障类型下,所提方法可以更快速地将柔直直流电压限定在允许范围之内,系统可实现安全、可靠的故障穿越.     

抑制风电-柔直外送系统次同步振荡的并联VSC型次同步阻尼控制器

风电经柔性直流输电(简称“柔直”)系统接入交流电网已经成为陆上/海上风电并网的主要方式之一,但风电与柔直系统之间存在控制相互作用引发次同步振荡的风险。为抑制此类振荡,提出一种独立于柔直系统和风电机组变流器的并联电压源变流器(VSC)型次同步阻尼控制器。该控制器使用集电线电压作为输入信号,提取信号中的振荡模态后调制其幅值、相位,然后利用并联VSC向系统注入次同步频率的电流来抑制振荡。基于复阻抗法对控制器参数进行了优化设计。仿真结果表明,所提出的控制器能在不同工况下有效抑制振荡。     

海上风电柔直并网系统主动能量控制与交流耗能装置协同策略

针对目前海上风电柔直并网系统采用直流耗能装置存在的工程经济性差、能量浪费等问题,该文提出一种能够协同交流耗能装置运行的主动能量控制策略。首先,通过计算柔直系统能量裕度,定量地验证基于主动能量控制的盈余功率解决方案的可行性。随后,提出柔直换流器交直流电流对偶控制技术,构建换流器的电容能量控制器。进一步考虑交流耗能装置的运行特性,提出换流器能量–交流电压控制器。在此基础上,设计可充分利用柔直系统能量裕度的主动能量控制与交流耗能装置协同控制方法。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建典型海上风电柔直并网系统的仿真模型,对不同故障类型的交流故障进行仿真,验证所提主动能量控制与交流耗能装置协同策略的有效性。     

基于深度强化学习的风电柔直并网系统次同步振荡抑制方法

风电柔性直流换流站与风机交互导致的次同步振荡严重威胁电网安全稳定运行。深度强化学习算法可以有效地应对风电柔直并网系统多变的运行工况。提出了一种基于深度强化学习的振荡抑制方法。首先,基于柔直送端变流器的数学模型和机理,设计了系统的环境状态合集、可行动作集及奖励函数。为了应对所设计的环境状态合集中的电流变量及电压变量均为连续量带来的维数灾问题,继而采用深度确定性策略梯度算法进行可行动作集的动作决策探索。最后通过仿真系统在多变运行工况下对该方法的有效性和鲁棒性进行验证,仿真结果表明所提方法能够充分地适应海上风电柔直并网系统的多风速运行条件,并能在短时间内有效抑制振荡。     

提高STATCOM/BESS风电系统频率与电压支撑的智能联调优化控制方法

针对风电并网系统运行中负荷突变引起的频率波动和并网点电压的骤升/骤降问题,提出一种基于储能型静止同步补偿器(STATCOM/BESS)的频率与电压智能联调优化控制方法,该方法在具体实施过程中分为实时监测层、动态决策层和执行控制层3层,各层之间紧密联系,形成可靠闭环。首先,在实时监测层,基于风速分区与模糊控制判断风机的调频能力、系统有功需求及无功需求;其次,在动态决策层,综合考虑惯性常数和并网点电压,结合风机无功可调范围,动态优化有功、无功分配策略;最后,在执行控制层,风电机组与STATCOM/BESS对功率指令进行控制执行,STATCOM/BESS强化虚拟惯性时,考虑蓄电池(BESS)荷电状态,基于反馈动态调整其工作模式,控制结束后将相关参数及时反馈。仿真结果表明,基于STATCOM/BESS的风电系统智能联调优化控制可有效改善频率与电压的动态响应,提高频率与电压支撑能力。     

多功能直流集电器概念及其全直流海上风电系统

直流汇集与输送是未来大规模海上风电系统的主要发展方向之一。为了实现低成本、高效率和高可靠性的海上风电全直流组网与输送,该文提出一种多功能直流集电器概念及其海上风电直流组网方案。通过引入直流集电器对风机单元进行能量汇集和级联升压,所构成的全直流组网系统不仅减小了机侧换流器规模和海上换流站平台,同时消除了风机的功率波动对于风场内网电压的影响,使得各个风机均可实现最大功率追踪并维持原有的控制和保护架构。此外,直流集电器概念的提出使得海上风电系统的运行更加灵活,同时兼顾故障隔离、动态切入切出、直流耗能运行等多种模式,为远距离大容量的海上风电建设提供了一种切实可行的解决方案。最后,通过搭建基于直流集电器的全直流海上风电系统的仿真模型,验证了所提方案的正确性与有效性。     

海上风电柔性直流系统与风电机组协调控制策略

针对海上风电经MMC-HVDC并网系统岸上交流故障造成的直流过电压问题，提出一种利用海上换流站储能裕度吸收盈余功率和风电机组降低输出功率的协调控制策略。在故障期间，海上换流站采用能量控制，使其子模块电容吸收盈余功率，同时根据其当前能量的变化，抬升风电场交流电网频率，使得风电机组网侧变流器根据频率偏差协同限制注入柔性直流系统的功率，从而实现无需通信系统的直流过电压抑制。最后通过仿真验证了所提方法的有效性。     

抽蓄电站和经多端柔性直流电网接入的大规模新能源间的协调互补优化控制方案

目前多端柔性直流电网多用于海上风电,但多端柔直本质上并不能抑制新能源出力波动。介绍了一种抽蓄电站和经多端柔性直流电网接入的大规模新能源间的协调互补优化控制方案。在网省调度中心设置控制主站,抽蓄电站内设置执行子站。主站担任主要数据分析、抽蓄电站有功调整指令发布等功能,并具备不同的控制模式。子站担任接收主站发布抽蓄电站有功调整指令,根据抽蓄电站内的实时运行工况,对每台机组的调速器发出实际执行指令。该系统主要用于解决跨区新能源消纳和风电光伏接入系统后对系统稳定性的影响,同时系统还具备应急功率波动控制功能,在华北电网出现大量功率缺额时提供紧急频率支援。仿真结果表明,协调互补优化控制方案能够有效地抑制新能源出力波动,降低新能源波动对华北电网的冲击,实现新能源的友好送出。     

电网电压不平衡时永磁直驱风电机组的控制策略

详细分析了电网电压不平衡条件下永磁直驱风电机组的运行情况,根据电网电压不平衡条件下风力发电机组不同的运行要求,提出基于三种可选控制目标的网侧变换器控制方案,同时采用正序电网电压定向方式简化得到网侧变换器的正、负序电流参考量。所提方案可实现在不平衡电压条件下抑制并网有功功率/直流链电压二倍频波动,抑制并网无功功率二倍频波动或抑制网侧负序电流的控制目标,进一步提高了电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行的稳定性和可靠性。通过对电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行行为进行仿真计算和对比分析,验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

基于超级电容蓄能的永磁同步海上风电低电压穿越研究

为避免电网电压跌落导致海上风电机组脱网运行,分析了直驱永磁同步海上风电系统的双PWM全功率变流器控制策略,提出了一种基于超级电容器蓄能的海上风电机组并网运行低电压穿越方案。在双向变流器的直流侧并联超级电容蓄能系统,利用超级电容来维持电网故障时的功率平衡,稳定直流侧母线电压。利用网侧变流器静止无功补偿运行模式控制无功电流输出,向电网提供无功功率支持。仿真结果表明了该方案在电网故障时,能有效抑制直流侧过电压,向电网提供无功功率,有利于电网故障恢复,提高了直驱永磁海上风电系统的低电压穿越能力。     

电网电压不平衡时永磁直驱风电机组的控制策略

详细分析了电网电压不平衡条件下永磁直驱风电机组的运行情况,根据电网电压不平衡条件下风力发电机组不同的运行要求,提出基于三种可选控制目标的网侧变换器控制方案,同时采用正序电网电压定向方式简化得到网侧变换器的正、负序电流参考量.所提方案可实现在不平衡电压条件下抑制并网有功功率/直流链电压二倍频波动,抑制并网无功功率二倍频波动或抑制网侧负序电流的控制目标,进一步提高了电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行的稳定性和可靠性.通过对电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行行为进行仿真计算和对比分析,验证了所提控制策略的正确性和有效性.     

支撑大规模风电集中接入的自律协同电压控制技术

国内多个风电汇集区域具有大规模风电汇集馈入电网薄弱环节的典型特征,由此带来了电压波动和连锁脱网等运行挑战。文中提出了自律协同的电压控制框架,利用风电场侧自律控制协调静止无功补偿器/静止无功发生器/风电机组/电容电抗器等不同时间常数的调节设备,从而抑制间歇性风电出力诱发的电压波动;在系统级实现协同控制,在正常情况下通过可自适应于风功率变化的敏捷二级电压控制减小电压波动,在脱网风险较大时利用基于安全约束最优潮流(SCOPF)的预防控制保证汇集区域正常且安全的运行状态。该架构的若干关键技术已经在国内多个风电基地和风电场应用,现场运行结果表明了其控制有效性。     

提升海上风电经柔直联网系统频率稳定性的协调控制策略

针对大规模海上风电经柔直联网引起的受端电网惯量降低、频率调节能力下降等问题,提出了海上风电与柔直主动支撑系统频率的协调控制策略。在惯量支撑方面,利用直流电容能量主动支撑系统惯量,并通过直流电压建立风机转速与频率的耦合关系,提出了基于差异化转子动能调节的风电场惯量支撑协调控制策略,以提升受端电网惯量水平。在频率偏差调节方面,根据本地直流电压偏差量,提出了基于风机变速控制与桨距角控制的风电场一次调频策略,并设计了基于附加桨距角控制的风电场二次调频策略,以提高系统的频率稳定性。最后,设计了多时间尺度频率支撑控制策略的协调配合流程,并基于RT-LAB OP5600实时数字仿真平台验证了所提策略可有效提升系统的频率支撑能力。     

采用二极管整流单元和模块化多电平换流器的混合型远海风电送出方案

目前基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的柔性直流输电系统是远海风电并网的典型方案，而整流站采用二极管不控整流单元（diode rectifier unit,DRU）可以进一步提升直流输电系统的经济性和可靠性。基于DRU的海上风电并网方案能否实施的关键在于海上交流系统电压的幅值和频率能否得到有效控制。为此，提出在整流侧采用DRU和MMC并联的混合型远海风电送出方案。首先，阐明了混合型远海风电送出系统的拓扑结构和运行特性，DRU承担全部海上风电功率传输任务，整流侧小容量MMC用来建立海上交流系统的交流电压幅值和频率，并为DRU提供无功功率补偿。针对这一控制目标，提出混合型远海风电送出系统协调控制和故障穿越策略，其中，整流侧MMC采用附加有功功率控制的交流电压幅值/频率控制，风电机组在海上交流系统故障时主动降低输出电流。最后，在PSCAD/EMTDC中对风速波动、海上交流系统短路故障、陆上交流电网短路故障进行电磁暂态仿真，验证所提出方案的可行性。     

风电机群对公共汇集点的电压波动贡献分析

风电机群因其采用的机型不同、与汇集点距离不同、接入形式各异等因素,对其公共汇集点处的电压影响大小也有差别.提出用敏感因子来衡量不同情况下风电机群对汇集点电压的影响程度大小,通过分析电压波动曲线和计算敏感因子等来阐述风电接入容量、机群类型、传输距离、接入网架结构、静止无功补偿器对汇集点电压的影响.对新疆某地区风电机群按不同方式组合进行了 PSASP 仿真,验证了文中结论的正确性     

直驱风机低电压穿越行为对并网点电压的影响及优化控制

随着风电渗透率的不断提高,其低电压穿越行为对电网安全稳定运行的影响越来越大。文中基于大量实测数据解析了直驱风机的低电压穿越响应特性,将低电压穿越全过程分为低电压穿越过程和恢复过程。在低电压穿越过程,探讨了风电渗透率及其功率特性对并网点电压恢复水平的影响,揭示了电压延迟恢复会导致系统损失更多的风电功率并加重频率跌落。在恢复过程,探讨了无功控制切换及无功恢复策略可能引起电压反复波动而使风机多次进出低电压穿越过程并发生脱网事故的根源。为抑制电压波动、实现快速稳定的电压恢复,提出了风机的低电压穿越优化控制策略。最后,基于PSCAD/EMTDC平台进行仿真,验证了风机低电压穿越行为对并网点电压的影响和所提出低电压穿越优化控制策略的有效性。     

柔直系统适时切换的故障穿越方法

为了实现柔性直流输电系统在网侧不对称故障时的故障穿越,同时保持稳态时的柔直阻抗稳定性,本文详细分析了柔直系统的正负序控制以及采用1/4周期延时的正、负序分解算法对柔直系统不同频率分量阻抗波动的影响,推导并建立了柔直系统的交流侧高频阻抗模型。在此基础上提出一种适时切换的故障穿越算法,利用负序电压的稳态量和突变量进行故障判断,稳态时内环采用全序电流控制,不进行正负序分解,从而降低了柔直系统阻抗的周期性波动,故障暂态时叠加负序电流控制,抑制负序故障电流,实现了故障时系统的持续运行。最后在PSCAD/EMTDC中,搭建柔直系统仿真平台进行仿真研究,验证了本文设计策略的有效性。