大规模光伏经柔性直流送出系统交流侧故障穿越特性分析及参数优化

为研究大规模光伏经柔性直流送出系统交流侧故障对系统故障穿越期间直流电压、有功功率等的影响,提出了基于等效受控电流源模型的建模分析方法。首先,定性分析了大规模光伏经柔性直流送出系统交流故障穿越特性,将送端交流侧故障对柔性直流系统直流电压的影响间接转化为系统有功功率特性研究。然后,基于故障期间光伏侧逆变器和送端换流站运行控制特性建立了全系统等效受控电流源模型,探究了光伏侧逆变器电流设定值和送端换流站电流限幅值对有功功率传输特性的影响,进而提出了故障期间光伏侧逆变器和送端换流站电流参数的优化设计方法。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提方法的有效性。     

100%新能源电源经柔性直流送出系统的机电暂态建模仿真研究

100%新能源电源经柔性直流送出系统是一种新能源基地送出的重要形式,目前常用的机电暂态仿真软件尚无对应算法与模型可对其进行建模仿真。为此,分析100%新能源电源经柔性直流送出系统的基本控制原理,提出无同步机情况下“新能源+柔性直流系统”的机电暂态仿真一般结构,建立此系统中柔性直流输电系统的电压-频率(Vf)控制模型,柔性直流采用电压源模型接入,以解决电流源模型接入时易产生的数值振荡问题。基于DSP软件建立仿真模型,构建直驱风电机组、光伏发电经柔性直流送出系统的仿真案例,将所建立模型与PSCAD电磁暂态模型进行仿真结果比对,同时开展所建立模型在新能源功率波动和系统短路故障等不同扰动情况下的响应分析,仿真结果验证了所提建模方法的有效性。     

描述直流孤岛送电系统的3个指标

送端电网采用直流孤岛运行方式,能有效解决大容量直流双极闭锁后大规模潮流转移导致的交流主网暂态稳定问题,但缺陷是送端系统自身的短路比和等效惯性常数较联网时显著减小,承受扰动能力较弱,因此,定量评估这类直流孤岛送电系统的强弱对直流工程的规划与运行具有重要指导意义。基于直流孤岛送电系统等效模型,考虑发电机电压调节器的作用,详细阐述了不同时间尺度下送端交流系统的戴维南等效电压源与等效阻抗的取值原则,并在PSCAD/EMTDC中搭建简化系统验证其正确性。在此基础上,提出了交流系统暂态阻抗、交流系统稳态阻抗以及等效惯性常数3个指标,分别用来描述直流孤岛送电系统的暂态过电压水平、直流功率输送能力以及频率暂态性能。3个指标可以直观体现直流孤岛送电系统的一些运行特性,从而实现对直流孤岛送电系统强弱的定量评估。     

孤岛新能源场站接入柔性直流高频振荡机理及抑制策略

大规模新能源孤岛经柔性直流送出系统的高频振荡问题在近期工程中日渐突出。文中建立了考虑一次主电路设备内部动态过程、控制链路延时、序分量分离环节、内外环控制环节的不同频率耦合特性的柔性直流换流器阻抗数学模型，并对数学模型进行简化，确定孤岛新能源场站接入柔性直流换流器的高频振荡机理为控制链路延时与内环电流反馈、电压前馈环节共同形成了柔性直流系统高频负阻尼，进一步得到了影响柔性直流换流器高频阻抗特性的关键因素。针对关键影响因素设计了孤岛新能源场站接入柔性直流系统的高频振荡抑制方案。相应解决方案在PSCAD模型中得到验证，同时解决了中国张北、如东新能源经柔性直流送出工程现场的高频振荡问题。     

大型光伏电站并网暂态特性研究

为了准确研究光伏系统故障暂态特性,根据光伏发电系统具有随机性和间歇性的特点,研究了光伏系统送出线上发生不同故障类型的暂态过程。针对电网电压对称跌落和不对称跌落情况,提出了不同情况下的控制策略,得到了相应的控制目标。基于提出的控制策略和搭建的光伏模型,针对不同故障类型,模拟了光伏电站馈出的功率、电压和电流的暂态过程。仿真结果表明,光伏系统的故障暂态特性主要受控制策略影响,与传统发电机模型有较大区别,对光伏并网以及送出线保护具有重要的现实意义和理论意义。     

级联式光伏电站直流并网拓扑及其控制策略

为解决光伏电站远距离输送并网问题,同时提高光伏电站并网系统稳定性,将光伏电站与电压源型高压直流(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电系统相结合,设计了一种光伏电站通过级联直流变换器经VSC-HVDC输电线路并网拓扑方案。研究了光伏发电模块均压特性,分析了光伏发电模块控制策略和VSC换流站直流电压控制策略,提出了改进的直流电压-功率偏差斜率控制策略。在PSCAD/EMDTC电磁暂态软件下进行了不同光照强度仿真分析。仿真结果验证了系统可行性,表明了所提出控制策略有效保持光伏电站系统电压稳定性。     

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。     

光伏电站经柔性直流集电送出系统的低电压穿越协调控制策略

光伏电站经柔性直流集电送出系统在交流电网发生故障扰动时应该具备低电压穿越的能力。针对受端和送端交流电网发生故障扰动的情况,提出了一种不依靠通信的光伏电站与VSC-HVDC的低电压穿越协调控制策略。交流电网故障情况下,VSC-HVDC送、受端换流器可依据直流电压的变化量切换控制模式。送端换流器根据VSC-HVDC直流电压的变化量调节光伏电站出口的电压幅值,使光伏电站感受到电压变化并减小有功功率输出,从而迅速维持VSC-HVDC系统的功率传输平衡,提升系统故障穿越能力,而且可以实现直流电压的稳态无差控制。应用Matlab/Simulink仿真软件搭建了1000 MW光伏电站与VSC-HVDC系统的仿真模型,验证了所提协调控制策略的有效性。     

大容量柔性直流输电系统接入对电网暂态稳定性影响分析

结合厦门柔性直流输电科技示范工程,分析大容量柔性直流输电系统接入对电网暂态稳定性影响机理,利用PSD-BPA暂态稳定仿真程序对大容量柔性直流输电系统接入电网后暂态稳定进行仿真分析。结果表明:柔性直流输电系统接入对交流电网单一故障暂态稳定影响不明显;柔性直流输送功率大小及短路比对暂态过程电压有影响。随着柔性直流输电系统向交流电网输送功率增大,电压稳定水平将提高,短路比越小,效果越明显。针对交直流混联电网安全稳定问题,提出相应的措施建议。     

水电孤岛高压直流送出协调控制策略

高压直流输电送端处于孤岛模式时,系统稳定性较差.由于送端与交流主网没有电气联系,在遭受故障的情况下,功率的不平衡可能导致发电机超速.针对水电孤岛高压直流送出系统提出了一种协调控制策略.基于高压直流功率调制机制和水轮机调速系统的研究,在提升高压直流输送功率的基础上,通过注入一个经 PI 环节优化的输送功率减少量,对原有的闭环控制策略进行了修改.在 PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真环境下搭建了水电孤岛高压直流送出的模型,并通过仿真验证了所提出的协调控制策略的有效性     

光伏经多端柔性直流输电并网的控制研究

为解决大规模光伏电站远距离输电问题,采用光伏电站接入基于直流电压-有功功率-交流电压控制的多端柔性直流输电系统的并网方案。利用Matlab/Simulink仿真软件构建了一个包含两座光伏电站和一个无源网络的五端柔性直流输电系统模型,并对该系统的运行特性进行了详细的仿真分析。仿真结果表明,当光伏电站的输出功率发生波动时,五端柔直系统传输的有功功率可实现自动平衡;当电网发生三相短路故障时,光伏电站依然能够稳定运行,具有较好的故障穿越能力。     

V/f控制下柔性直流换流器阻抗建模及中高频谐振特性分析

为研究交流侧电压控制,即V/f控制下柔性直流输电系统的中高频谐振问题,考虑正负序交流电压和电流内外环、电压前馈以及系统调制与控制链路延时等环节的作用,采用谐波线性化的方法建立了柔性直流换流器的交流侧正负序等效阻抗模型;分析了交流电压控制方式、电压前馈控制方式、控制系统参数、链路延时大小等因素对V/f控制下柔性直流换流器中高频阻抗特性的影响;通过对控制系统结构和参数进行优化,提出了柔性直流换流器中高频等效阻抗的改善措施,抑制换流器负阻尼。以66 kV交流汇集的海上风电柔性直流送出系统为例,分析了柔性直流换流器对系统中高频谐振特性的影响。最后,分别通过阻抗扫描和电磁暂态仿真验证了等效阻抗模型的正确性和阻抗改善措施的有效性。     

多端柔性直流配电网接地方式设计

多端柔性直流配电网是柔性直流输电技术与配电网相结合的新型应用形式,该配网技术采用多端电压源换流器构建跨台区低压直流互联系统,利用优化下垂控制实现台区间基于配电变容比(容量比例)的自适应潮流转供。针对所采用的电压源换流器,推导出其稳态零序等效电路,并得出零序入地电流的计算式。通过分析电压源变流器直流侧不同接地方式下稳态零序入地电流、交流侧滤波器不同接地方式下滤波效率及交流滤波器共模电压,提出直流侧不接地、交流滤波器直接接地具有较优的稳态运行特性。基于PSCAD/EMTDC建立了4台区等值配电网的多端柔性直流配电网电磁暂态模型,以交流阀侧单相接地故障及直流侧单极接地故障为典型暂态故障场景,对比分析了不同接地方式下的交/直流侧故障电流水平、直流母线电压波动及故障电压恢复特性等暂态特性,结论验证了所选接地方式同时具有优越的暂态故障特性。     

多端口分布式光伏接入直流配电系统整体故障穿越协调控制

因新能源渗透率高,多端口光伏分布式接入直流配电系统在并网换流器交流送出线路发生故障时应具备故障穿越的能力.然而,并网换流器与光伏直流变压器的容量、控制方式不同,即使两者在故障穿越期间可以相互高速通信协调,但是由于不同换流设备功率调节响应存在差异,直流母线电压容易发生较大波动,进而导致整个系统脱网.为此,提出了基于光伏端口电压调节的变功率控制方式,对直流配电系统有功功率进行动态补偿,可使直流母线电压快速恢复至额定运行点,解决交流故障导致的直流母线电压大范围波动问题,并给出了调节系数的整定与电压触发阈值的选取方式,从而实现可靠的故障穿越.PSCAD仿真结果表明,与传统控制策略相比,所提方法在不同故障程度、系统在交流故障前运行在不同有功功率的情况下,光伏电站均能有效且快速调节有功功率,避免了直流配电系统中换流器闭锁,保障了并网换流器故障穿越的实现.     

接入新能源孤岛系统的双极柔性直流系统盈余功率耗散策略

大容量新能源电能采用孤岛方式通过双极柔性直流系统送出具有广阔的应用前景。文中对存在的非故障极过负荷和直流过电压情况下的功率盈余特性进行了分析,提出了分组交流耗能电阻方案,分别设计了送端换流器故障和直流过压下的功率盈余控制策略,通过分组交流耗能电阻的精确投切避免功率盈余引起双极柔性直流系统停运。通过四端柔性直流电网实时数字仿真器(RTDS)和EMTDC仿真系统,对提出的2种功率盈余控制策略进行验证。仿真结果表明,所提策略能够实现功率盈余工况下的故障穿越,避免故障范围扩大。     

风电基地经特高压直流送出系统换相失败故障(一)：送端风电机组暂态无功电压建模

特高压直流(ultra high voltage direct current,UHVDC)受端换相失败故障引发送端交流暂态过电压,造成大规模风电机组脱网事故。为控制运行风险,亟需开展风电基地经UHVDC外送系统的暂态无功电压解析模型研究。该文分析了UHVDC受端换相失败引发送端暂态电压动态过程,建立了暂态过电压峰值解析模型;针对送端暂态电压“先低后高”特性,计及直驱风电机组(permanent magnet synchronous generator, PMSG)和双馈风电机组(doubly-fedinduction generator,DFIG)机组低电压穿越–稳态控制–高电压穿越多模式切换,分别建立了PMSG和DFIG机组的暂态无功电压响应解析模型;搭建了新能源基地经UHVDC送出系统控制硬件在环实时仿真平台,验证了UHVDC、PMSG及DFIG机组暂态响应解析模型的正确性,为系列文章第2篇揭示送端暂态无功电压作用机理及第3篇制定暂态过电压抑制措施奠定了理论基础。     

基于VSG技术的VSC-HVDC输电系统受端换流器控制策略

针对传统换流器控制策略下柔性直流（voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC）输电系统难以有效参与交流系统频率的动态调节以及交直流系统间功率传输不平衡等问题,在对虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）运行机制特性进行研究的基础上,提出了一种基于VSG技术的VSC-HVDC输电系统受端换流器控制策略。首先,基于VSC-HVDC输电系统拓扑模型,分析了换流站虚拟同步化的可行性;其次,将具有有功模糊PI下垂控制的VSG技术引入到高压直流输电系统,通过调整下垂系数,使柔性直流输电系统逆变器在稳态运行及暂态故障下可以保障系统有功功率平衡传输,使其具有协调控制交流系统频率和直流系统电压的能力;最后,在Matlab/Simulink中构建了一个三端系统用于仿真验证。结果表明：VSC-HVDC输电系统在采用VSG控制策略后,可以改善交流电网的惯性水平,使频率变化得到衰减,其调压控制功能也能在稳态和暂态下提供较好的功率支撑作用,有效提高了交直流系统的稳定性和可靠性。     

大规模新能源超远距离送出的柔性直流系统集成设计方案

沙漠、戈壁、荒漠等地区大规模新能源输送负荷中心是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要举措。介绍了基于常规直流和柔性直流的大规模新能源超远距离送出方案,从适用场景、过电压、电压与无功功率调节能力、经济性等方面对比了两种方案的优劣,柔性直流送出方案具有较好的技术经济优势。提出了适用于千万千瓦级新能源基地超远距离送出的柔性直流系统集成设计方案,包括±800 kV/10 GW四端柔性直流输电系统的电气主接线、主回路参数、协调控制策略、交直流卸荷装置配置等。研究了双极单阀组和高低阀组方案选择、送端多阀组交流电压协同控制、高低阀组直流电压平衡控制等关键技术,提出了交直流卸荷装置的配置方案及投切策略。基于电磁暂态仿真验证了所提柔性直流设计方案的有效性。     

光伏电站接入对送出线路继电保护的影响张东明;连婷;王东;贾中义;任华;王海云;1-4

针对大量光伏电站接入电网,重点从光伏电站的电源特性对现有继电保护的动作特性方面展开研究。在综合稳定程序(PSASP)中建立了光伏电站系统暂态模型以及送出线路模型,分析了光伏电站发电系统的故障电流特征。在此基础上分析了光伏电站发电系统对送出线路光伏侧继电保护动作特性的影响,并提出了相应的保护配置建议。为分析和预测在现有大系统中增加光伏发电系统后对电网的影响等提供了有力的技术支持。     

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。