电压源换流器高压直流输电不平衡控制策略研究

针对常规控制下电压源换流器(voltage source converter, VSC)对交流系统电压不平衡敏感特性,避免电网不平衡引起的直流侧电压二次脉动通过直流线路传播到相邻换流站,该文对VSC进行功率分析并研究其不平衡控制策略。在对换流站进行功率特性分析的基础上,采用了网侧与VSC侧复合功率控制策略,推导了不平衡条件下功率外环指令电流模型,设计了ab静止坐标下离散滑模内环控制器。基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立了VSC-HVDC模型及其离散化内环滑模控制器,两侧换流站分别发生电网不平衡故障,仿真结论验证了该控制策略的有效性。     

基于电压控制特性的电压源型多端直流/交流系统潮流求解

由于基于电压源型换流器的高压直流(VSC-HVDC)输电技术具有良好的可控性,对负荷中心供电、风电消纳、孤岛电力传输等适应能力强,电压稳定性好,因此具有良好的应用前景。当前对VSC-HVDC系统主要基于定功率控制模式进行潮流计算,而很少考虑到实际的换流器电压控制能力。为了更加精确地反映实际电网中VSC的电压控制特性,文中建立了基于VSC的电压控制模型,考虑了换流器损耗、交流滤波器、换流器容量限制等的影响,并基于电压控制特性提出了VSC多端直流/交流系统的通用潮流求解方法。对直流电网功率分布变化和N-1故障以及多端直流/交流系统的潮流算例分析表明,所提的潮流算法能够反映直流换流器的电压控制调节能力,验证了基于VSC的多端直流/交流系统在考虑换流器电压控制特性后的潮流方法的有效性、合理性以及算法的快速性。     

利用电流固有频率的VSC-HVDC直流输电线路故障定位

电压源换流器型直流输电（voltage source converter HVDC,VSC．HVDC）线路故障暂态过程中具有相对于交流线路更强的固有频率信号。由于VSC．HVDC直流输电线路两侧并联大电容,在高频的固有频率下系统阻抗可等效为电容阻抗,其值很小,行波在系统侧近似为全反射,因此,VSC,HVDC直流输电线路的固有频率只与故障距离和波速度有关。据此,提出通过对单端电流运用Prony算法进行频谱分析,获取其固有频率进而实现直流输电电路故障定位的方法。仿真结果表明该方法可实现VSC—HVDC直流输电线路的快速、准确定位。     

适用于大规模风电并网的多端柔性直流输电系统控制策略

提出了一种适用于区域大规模风电并网的六端柔性直流输电系统,设计了该系统的协调控制策略,即送端电压源型换流器(VSC)采用交流电压控制、受端VSC采用直流电压下垂控制。以直流网络损耗最小作为优化目标,计算了系统稳态运行点。通过在PSCAD/EMTDC平台上搭建仿真算例,验证了所提出的系统控制策略可以自动跟踪风电功率波动并协调受端功率分配。通过设计系统启动和风功率波动及交流侧故障和换流器停运的仿真算例,验证了该六端柔性直流输电系统具有良好的功率调控能力和运行灵活性。     

适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究

针对海上风电并网的需求,提出了采用VSC换流器连接海上风场和弱受端交流系统,LCC换流器连接较强交流系统的混合多端直流输电系统拓扑结构,并对一个混合5端直流输电系统进行了详细研究。分析了5个换流器的电压电流控制特性,设计了直流系统控制策略,研究了系统在风速波动、逆变侧VSC和LCC分别出现三相短路故障以及直流线路故障时系统的动态响应特性,仿真结果表明所提出的混合多端直流输电系统具有较好的运行特性,可以适应海上风电并网的需求。     

适用于多端直流输电系统的模块化多端口直流潮流控制器

针对多端直流输电系统潮流控制技术问题,提出了一种模块化多端口直流潮流控制器(MM-DPFC)。与现有DPFC相比,其在保留无需配备外部电源、输电线路功率双向可控以及多端口输出等优势的基础上,保证了DPFC各端口输出电压可基于本地进行独立控制,避免了传统多端口DPFC对输电系统主换流站直流输出电压调节的依赖,增强了其控制方式的灵活性与系统的可靠性。同时,其采用标准模块化设计,易于实现后期的端口拓展与系统冗余。文中首先详细分析了该控制器的拓扑结构与工作原理;然后,设计了相应的控制策略,保证了控制器的有效运行;最后,通过仿真与实验对其进行了多种工况下的验证。     

直流融冰技术的研究及应用

通过对目前常用的一些融冰方法介绍分析可知,直流融冰方法是最理想、有效的方法。分析了直流融冰技术的基本理论,计算出不同类型线路的融冰电流和所需电源容量。设计出容量不同的固定式和移动式融冰装置用于不同电压等级的交流线路融冰。根据计算的南方电网典型高压直流输电系统的线路融冰保线电流,提出了不改变主回路结构采用一极功率正送,另一极功率反送的运行方式对直流线路进行保线的方法。借助实时数字仿真系统解决了高肇直流输电工程线路保线运行方式的关键技术。研究成果成功应用于高肇直流输电工程中,保障了系统在冬季覆冰时的安全可靠运行。     

LCC与VSC级联的特高压混合直流输电系统控制策略

受端为电网换相换流器(Line Commutated Converter, LCC)与电压源换流器(Voltage Source Converters, VSC)级联的特高压混合直流输电系统能够抑制受端LCC换相失败导致的功率传输中断,系统接线方式和控制方式变得灵活和多样化。针对受端交流系统故障穿越,提出了基于直流电压与受端交流电压的低压限流控制策略和LCC限压恢复策略。针对多换流器的稳定运行,提出了多换流器功率协调控制策略和VSC在线投退策略。针对直流线路故障穿越,提出了基于直流电压偏差控制的穿越策略。基于电磁暂态程序(PSCAD/EMTDC)搭建了LCC与VSC级联的特高压混合直流输电系统仿真模型。仿真结果验证了所述控制策略的有效性。     

直流融冰技术的研究及应用

通过对目前常用的一些融冰方法介绍分析可知,直流融冰方法是最理想、有效的方法.分析了直流融冰技术的基本理论,计算出不同类型线路的融冰电流和所需电源容量.设计出容量不同的固定式和移动式融冰装置用于不同电压等级的交流线路融冰.根据计算的南方电网典型高压直流输电系统的线路融冰保线电流,提出了不改变主回路结构采用一极功率正送,另一极功率反送的运行方式对直流线路进行保线的方法.借助实时数字仿真系统解决了高肇直流输电工程线路保线运行方式的关键技术.研究成果成功应用于高肇直流输电工程中,保障了系统在冬季覆冰时的安全可靠运行.     

一种中压直流短路故障下不间断运行的MMC-SST拓扑及控制

多端口固态变压器是多电压形态多电压等级的交直流混合电网的核心设备,模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)型固态变压器(solid state transformer,SST)具有中压直流端口,可接入中压直流配电网,构成多区域交流配电网的柔性互联,提升区域网络间功率灵活调节能力。而采用传统的MMC-SST拓扑及控制,中压直流线路短路故障会引起低压端口供电中断。文中提出一种混合型MMC-SST的拓扑及控制,其具备中压交流、中压直流和低压交直流端口,通过控制使其具有中压直流短路故障耐受能力,同时故障期间保持中压交流和低压端口的不间断功率交互,从而提升低压用户供电可靠性。分析MMC-SST在正常运行和中压直流故障不间断运行控制下内部能量平衡机理,提出中压直流短路故障下电容电压平衡及不间断运行控制策略,实现MMC-SST中压直流短路故障时不间断稳定运行。通过理论分析,仿真与物理动模实验,验证了所提拓扑及控制的可行性及有效性。     

混合直流系统中直流侧故障暂态电流的解析表达与故障特性的研究

由基于线性换流器高压直流输电系统(LCC-HVDC)和基于电压源换流器高压直流输电系统(VSC-HVDC)共同构成的混合直流输电系统,其故障特性与传统直流输电系统不同。针对此问题,对混合直流输电系统中直流侧故障暂态电流特性进行了研究。首先建立了送端电网采用LCC型换流站、受端电网采用VSC型换流站的两端混合直流输电系统,利用拉普拉斯变换定理推导了直流侧故障时的等效电路,解析了LCC侧和VSC侧直流故障电流简易表达式。其次,在简易表达式的基础上,充分考虑送端LCC侧换流站的触发角动态变化过程和受端VSC侧换流站交流电流的馈入,进一步解析了两侧精确的故障电流表达式。然后,从故障电流幅值、谐波等方面对比分析了三种高压直流系统中直流侧故障电流的变化特征。最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提故障电流解析表达式的正确性。     

电网换相换流器和电压源换流器串联组成的混合直流换流器控制和保护研究

基于电网换相换流器和电压源换流器串联的混合直流换流器在克服交流故障时的换相失败和直流故障时的重启动具有优势。分析了该混合直流换流器运行方式、控制策略、电压源换流器保护原理、抵御换相失败原理和直流线路重启过程,认为由该混合直流换流器组成的高压直流输电系统,可克服传统直流和柔性直流输电的主要缺点。当逆变侧的交流系统发生故障时,电压源换流器可提供电压支撑来抑制直流电流增加,缓解电网换相换流器换相失败效应。当直流线路发生故障时,逆变侧电网换相换流器可阻断电压源换流器产生的故障电流,具备直流线路故障重启能力。另外,电压源换流器还为电网换相换流器提供无功功率,从而减少换流站无功设备配置。     

一种不依赖直流断路器的直流电网架构

提出一种不依赖直流断路器的直流电网架构和相应的控制保护策略。根据电压等级和端口特征,将直流电网划分为若干子系统,通过在子系统间的连接线上串入故障隔离设备,即可不依赖直流断路器,实现直流故障的就地处理,故障子系统的隔离及重启过程不影响健全子系统正常的功率传输。相应的功率调节策略和站间通信分层设计方案,可以有效降低定电压控制换流站的过负荷风险及站间通信系统的复杂度。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果验证了所提出的直流电网和对应控制保护策略的有效性。     

双馈入直流输电系统中VSC-HVDC的控制策略

针对多馈入直流输电(multi-infeed direct current,MIDC)系统的稳定性问题,提出将基于电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)引入到MIDC系统中,用以改善MIDC系统公共连接母线的电压特性。建立HVDC和VSC-HVDC双馈入系统的物理模型,导出相应的数学模型。并通过坐标变换得出VSC功率传输方程的直角坐标形式。采用多变量非线性控制的逆系统方法,设计VSC-HVDC系统的非线性控制器。PSCAD/EMTDC 环境下的仿真实验表明,所设计的VSC-HVDC非线性控制器不仅能有效改善VSC-HVDC的动态特性,而且在交流系统发生扰动时能有效稳定系统电压,减少HVDC逆变站发生换相失败的几率,提高HVDC系统的运行可靠性。     

多端柔性直流输电系统动态附加频率控制策略

附加频率控制利用基于电压源型换流器的多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统直流电压变化传递故障交流系统频率变动,促使非故障交流系统所连电压源型换流器(VSC)消纳不平衡功率参与频率调节。然而固定下垂系数灵活性不足,在不平衡功率分配时忽略VSC实时运行状态与交流网络稳定性,无法保证系统参与频率调整的同时安全稳定运行。通过研究频率变动造成的功率不平衡量分配和直流电压下垂系数的定量关系,提出一种计及系统运行状态的VSC-MTDC动态附加频率控制策略,将VSC功率裕度和交流网络频率变化量引入下垂系数,动态调整不平衡功率的分配比例。仿真结果证明,应用动态附加频率控制进行频率调节后,频率偏差较小的交流网络在所连VSC功率裕度较大时能承担更多不平衡功率,而频率偏差较大的交流网络所连换流站不平衡功率配比下降,VSC-MTDC系统安全稳定运行水平得到显著改善。     

DFIG型海上风电混合直流送出的控制策略

为了减少海上风电经采用电压源换流器的直流输电系统送出的系统的造价,提出的基于双馈风机的海上风电经混合直流输电送出的拓扑结构是:风电场侧换流器为电压源换流器,逆变侧换流器为电网换相换流器(LCC)。为保证系统在正常状态下稳定运行并能够对风速变化进行功率追踪,风电场侧换流站采取定交流电压和给定频率的控制,逆变侧采取定直流电压控制。同时,针对电网为弱系统时易发生连续换相失败故障,提出在LCC的控制系统中加入定关断角控制作为故障备用控制,并在定关断角控制启动时在风电场侧整流站加入定直流电压控制来抑制换相失败。在PSCAD仿真软件中模拟海上风电利用混合直流送出电能,仿真结果验证了混合直流输电系统能够跟踪风电场输出的功率变化,在交流侧故障时协调控制策略的转换能够减少换相失败的次数,保证系统恢复正常运行。     

基于电压补偿原理的高压直流输电系统故障控制策略

当高压直流输电系统交流侧发生不对称故障时,交流系统会产生负序电压和负序电流,从而引起换流站与交流系统之间的有功功率产生波动,使得直流系统的直流电压产生波动。这种波动的有功功率和直流电压会通过直流线路传输到系统的另两侧,影响其他两侧交流系统运行的稳定性。采用电压补偿控制的方法有效地抑制了负序电流,在PSCAD/EMTDC环境中建立基于MMC的多电平换流器的3端直流系统仿真模型,仿真结果验证了所提出的控制方法的有效性和正确性,提高系统的稳定性。     

伪双极LCC-VSC型混合高压直流输电系统 向无源网络供电的研究

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)在功率传输特性、线路故障时的自防护能力、过负荷能力等方面均优于交流输电,但却无法向弱交流系统和无源网络供电。电压源换流器高压直流输电系统(Voltage Source Converter based HVDC,VSC-HVDC)可实现向无源网络供电的目的,但由于电力电子技术的局限性,VSC-HVDC系统投资成本过高。结合两者的优势,提出了一种新型混合高压直流输电系统(Hybrid High Voltage Direct Current,H-HVDC)。该系统的整流侧为两个6脉动LCC接一交流网络,逆变侧为三相二电平VSC接无源网络。在此基础上,对该H-HVDC的稳态数学模型、启动特性、稳态特性与暂态特性、单极闭锁进行了研究。仿真结果表明,该H-HVDC系统能实现向无源网络供电,且具有较高的稳定性,为混合直流的进一步发展提供了理论基础。     

基于轻型直流输电控制系统的VSC换流控制器仿真研究

基于VSC技术的轻型直流输电技术是近年发展起来的一种适用于小功率传输的新型高压直流输电技术。它采用绝缘栅双极晶体IGBT组成的电压源型换流器（Vsc）和基于微机控制的PwM技术控制,运行方式简单,输出波形好。主要研究轻型直流输电系统逆变器的控制技术及其应用,介绍了HVDC Light控制系统的结构及控制原理;在此基础上,设计了一种Vsc换流控制器,使用MATLAB建模仿真。仿真结果表明,所设计的控制器灵活、简便、有效,能够很好地控制系统的潮流与稳定,满足各种控制方式的需要。     

基于RMC的海上风电多端高压直流输电研究

针对海上风电高压直流传输效率和可靠性不高的问题,把精简矩阵变换器(reduced matrix converter,RMC)应用到海上风力发电系统中,深入分析了RMC换流器拓扑及其双极性空间矢量调制策略.为了提高海上风电高压直流输电系统在岸上交流电网电压跌落等故障情况下的持续运行能力,提出了基于RMC换流器的海上风电多端口高压直流输电系统(MTDC,multi-terminal highvoltage direct current)拓扑,分析了RMC换流器、岸上VSC换流器、超级电容器储能3个端口之间的协调控制策略,通过超级电容器储能实现了系统的功率平衡控制,提高了系统的低电压穿越能力.文章对一个三端口RMC-MTDC进行了Matlab仿真,实验结果验证了所提控制策略的正确性和可行性.