柔性直流输电技术：应用、进步与期望

柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程———南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。     

（一）鼠笼式风电场电磁暂态等值建模

提出建立鼠笼式风电场多机等值方案。提出以故障初始时刻的鼠笼式风机的标幺值功率作为分群指标。采用K-means算法,以准则函数收敛后得到的值最小为分类标准,实现对机组的分群。针对单个机群中可能存在多种型号鼠笼式风机的情况,采用基于容量加权的参数聚合方法,分别计算等值风电机组转子运动方程参数、阻抗参数和箱式变压器参数。最后在PSCAD／EMTDC软件平台上建立鼠笼式风电场详细模型及其等值模型,仿真结果表明在相同故障条件下,风电场等值模型的故障电流能很好地拟合详细模型,验证了所提等值方案的有效性。（详见2013年第33卷第1期）     

（一）鼠笼式风电场电磁暂态等值建模

提出建立鼠笼式风电场多机等值方案。提出以故障初始时刻的鼠笼式风机的标幺值功率作为分群指标。采用K-means算法,以准则函数收敛后得到的值最小为分类标准,实现对机组的分群。针对单个机群中可能存在多种型号鼠笼式风机的情况,采用基于容量加权的参数聚合方法,分别计算等值风电机组转子运动方程参数、阻抗参数和箱式变压器参数。最后在PSCAD／EMTDC软件平台上建立鼠笼式风电场详细模型及其等值模型,仿真结果表明在相同故障条件下,风电场等值模型的故障电流能很好地拟合详细模型,验证了所提等值方案的有效性。（详见2013年第33卷第1期）     

（一）鼠笼式风电场电磁暂态等值建模

提出建立鼠笼式风电场多机等值方案。提出以故障初始时刻的鼠笼式风机的标幺值功率作为分群指标。采用K-means算法,以准则函数收敛后得到的值最小为分类标准,实现对机组的分群。针对单个机群中可能存在多种型号鼠笼式风机的情况,采用基于容量加权的参数聚合方法,分别计算等值风电机组转子运动方程参数、阻抗参数和箱式变压器参数。最后在PSCAD／EMTDC软件平台上建立鼠笼式风电场详细模型及其等值模型,仿真结果表明在相同故障条件下,风电场等值模型的故障电流能很好地拟合详细模型,验证了所提等值方案的有效性。（详见2013年第33卷第1期）     

（一）鼠笼式风电场电磁暂态等值建模

提出建立鼠笼式风电场多机等值方案。提出以故障初始时刻的鼠笼式风机的标幺值功率作为分群指标。采用K-means算法,以准则函数收敛后得到的值最小为分类标准,实现对机组的分群。针对单个机群中可能存在多种型号鼠笼式风机的情况,采用基于容量加权的参数聚合方法,分别计算等值风电机组转子运动方程参数、阻抗参数和箱式变压器参数。最后在PSCAD／EMTDC软件平台上建立鼠笼式风电场详细模型及其等值模型,仿真结果表明在相同故障条件下,风电场等值模型的故障电流能很好地拟合详细模型,验证了所提等值方案的有效性。（详见2013年第33卷第1期）     

（一）鼠笼式风电场电磁暂态等值建模

提出建立鼠笼式风电场多机等值方案。提出以故障初始时刻的鼠笼式风机的标幺值功率作为分群指标。采用K-means算法,以准则函数收敛后得到的值最小为分类标准,实现对机组的分群。针对单个机群中可能存在多种型号鼠笼式风机的情况,采用基于容量加权的参数聚合方法,分别计算等值风电机组转子运动方程参数、阻抗参数和箱式变压器参数。最后在PSCAD／EMTDC软件平台上建立鼠笼式风电场详细模型及其等值模型,仿真结果表明在相同故障条件下,风电场等值模型的故障电流能很好地拟合详细模型,验证了所提等值方案的有效性。（详见2013年第33卷第1期）     

（一）鼠笼式风电场电磁暂态等值建模

提出建立鼠笼式风电场多机等值方案。提出以故障初始时刻的鼠笼式风机的标幺值功率作为分群指标。采用K-means算法,以准则函数收敛后得到的值最小为分类标准,实现对机组的分群。针对单个机群中可能存在多种型号鼠笼式风机的情况,采用基于容量加权的参数聚合方法,分别计算等值风电机组转子运动方程参数、阻抗参数和箱式变压器参数。最后在PSCAD／EMTDC软件平台上建立鼠笼式风电场详细模型及其等值模型,仿真结果表明在相同故障条件下,风电场等值模型的故障电流能很好地拟合详细模型,验证了所提等值方案的有效性。（详见2013年第33卷第1期）     

（一）鼠笼式风电场电磁暂态等值建模

提出建立鼠笼式风电场多机等值方案。提出以故障初始时刻的鼠笼式风机的标幺值功率作为分群指标。采用K-means算法,以准则函数收敛后得到的值最小为分类标准,实现对机组的分群。针对单个机群中可能存在多种型号鼠笼式风机的情况,采用基于容量加权的参数聚合方法,分别计算等值风电机组转子运动方程参数、阻抗参数和箱式变压器参数。最后在PSCAD／EMTDC软件平台上建立鼠笼式风电场详细模型及其等值模型,仿真结果表明在相同故障条件下,风电场等值模型的故障电流能很好地拟合详细模型,验证了所提等值方案的有效性。（详见2013年第33卷第1期）     

（一）鼠笼式风电场电磁暂态等值建模

提出建立鼠笼式风电场多机等值方案。提出以故障初始时刻的鼠笼式风机的标幺值功率作为分群指标。采用K-means算法,以准则函数收敛后得到的值最小为分类标准,实现对机组的分群。针对单个机群中可能存在多种型号鼠笼式风机的情况,采用基于容量加权的参数聚合方法,分别计算等值风电机组转子运动方程参数、阻抗参数和箱式变压器参数。最后在PSCAD／EMTDC软件平台上建立鼠笼式风电场详细模型及其等值模型,仿真结果表明在相同故障条件下,风电场等值模型的故障电流能很好地拟合详细模型,验证了所提等值方案的有效性。（详见2013年第33卷第1期）     

（一）鼠笼式风电场电磁暂态等值建模

提出建立鼠笼式风电场多机等值方案。提出以故障初始时刻的鼠笼式风机的标幺值功率作为分群指标。采用K-means算法,以准则函数收敛后得到的值最小为分类标准,实现对机组的分群。针对单个机群中可能存在多种型号鼠笼式风机的情况,采用基于容量加权的参数聚合方法,分别计算等值风电机组转子运动方程参数、阻抗参数和箱式变压器参数。最后在PSCAD／EMTDC软件平台上建立鼠笼式风电场详细模型及其等值模型,仿真结果表明在相同故障条件下,风电场等值模型的故障电流能很好地拟合详细模型,验证了所提等值方案的有效性。（详见2013年第33卷第1期）     

舟山多端柔性直流输电控制保护系统

对多端柔性直流输电控制及保护系统的分层设计及其功能配置进行了描述。介绍了多端柔性直流输电系统中多站之间的协调控制功能,即当直流电压控制站失去直流电压控制功能后,通过设计的基于站间通信和直流电压偏差检测的自适应策略,可以实现其余功率站的直流电压无偏差接管。介绍了工程采用的快速负序控制、直流侧主动充电以及在线联网转孤岛运行等控制功能设计。最后给出的部分现场试验结果证明了多端柔性直流输电控制保护系统可以很好地满足舟山五端柔性直流输电工程的需求。     

基于V-I特性的多端柔性直流输电系统的控制策略

针对典型的分布式电站如大型海上风电场的柔性直流输电接入和控制问题,本文建立了一个具有两个发送端和两个接收端的多端柔性直流输电系统,说明了针对该多端直流输电系统的框架结构与运行原理,给出了一种各个换流站之间的协调控制策略.该控制策略对送端换流站采用定交流电压与定频率控制,对受端换流站,通过分析其直流网络特性,并基于受端换流站的电压-电流(V-I)特性曲线,得到了各受端换流站吸收的功率之比与其V-I特性曲线的斜率之间的关系.在此基础上提出了一种在电压外环采用比例控制的方法,推导得出了比例系数与受端换流站的V-I特性曲线的斜率之间的关系,给出了调节功率分配的方法.通过PSCAD/EMTDC仿真验证了该控制方法的正确性,仿真表明该控制方法具有良好的稳态特性和动态性能.     

舟山多端柔性直流输电工程换流站内部暂态过电压

舟山多端柔性直流输电工程建成后将成为世界上第一个基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的五端柔性直流输电工程。为研究各换流站的过电压水平,依托舟山多端柔性直流输电示范工程,详细分析了换流站交直流侧的过电压机理,建立了基于详细控制保护策略的五端柔性直流输电系统过电压仿真模型,计算了换流站联结变压器阀侧单相接地、桥臂电抗器阀侧单相接地、直流极线接地、直流平波电抗器阀侧直流母线接地和直流极间短路等故障在换流站关键设备上产生的过电压。结果表明：联结变压器阀侧交流母线上的最大过电压为360 kV;直流极线上的最大过电压为370 kV,直流平波电抗器阀侧直流母线的最大过电压为369 kV,避雷器CB和D承受的最大能量分别为1.258 MJ和1.655 MJ;星形电抗接地支路中性点上的最大过电压为188 kV;桥臂电抗器两端产生的最大过电压为235 kV。计算结果可为该工程换流站的绝缘配合研究以及相关设备的选型、试验等提供重要依据。     

自储能多端背靠背柔性直流系统控制策略

为了解决自储能多端背靠背柔性直流系统的协调控制与电压稳定问题,提出了一种改进的电压裕度控制策略。首先建立了系统的数学模型,然后针对3种典型的运行场景设计了协调工作机制及其控制方式。基于Lyapunov稳定性理论设计了自适应指令滤波反推电压控制器,解决了系统控制方式切换导致的功率振荡与电压波动问题,改善了系统的稳定性和动态响应性。最后分别对3种典型的运行场景进行仿真分析,验证了所提控制策略和方法的有效性。     

多端柔性直流输电工程控保系统接口设计

介绍了柔性直流输电系统控制和保护系统分层结构,对南澳多端柔性直流输电工程青澳站控制保护系统分层结构和控制保护系统通信接口方案进行了描述。通过对青澳站的无功功率阶跃和稳态时直流侧总谐波进行分析,证明换流器级控制到换流阀级控制接口特性、换流阀级控制到换流阀接口特性均满足系统要求。该方案设计简单可靠、实用易行,已经在南澳柔性直流输电工程中得到了成功应用,很好地满足了柔性直流工程控制保护系统快速性和可靠性的要求。     

多端VSC-HVDC系统交直流潮流计算

电压源换流器VSC(Voltage Sourced Converter)与传统高压直流输电(HVDC)换流器在物理模型和工作原理上有本质区别．因此传统的交直流系统潮流计算方法不能在VSC构成的多端直流输电系统VSC—MTDC(VSC Multi—Terminal HVDC)中直接使用。首先描述了MTDC潮流计算的数学模型。随后在综合VSC工作原理及控制方式的基础上,推导了适用于VSC—MTDC潮流计算的VSC数学模型。进而由换流器控制量M(调制度)和6(PWM相位角)的不同组合,列出了4种运行控制方案。并针对每种控制方案给出了其交直流潮流交替求解的接151方程。最后以一含3个VSC的系统为例,对其中1个VSC的不同运行控制方案进行潮流分析,结果表明采用交替算法的潮流算法交直流接口简单清晰、程序编写方便且通用性好。     

舟山多端柔性直流工程过电压与绝缘配合

舟山多端柔性直流工程过电压与绝缘配合研究为工程实施提供了基础技术支撑.为确定避雷器保护配置方案及设备绝缘水平,开展了成套设计研究,确定了工程的主回路参数及主接线.按照舟山多端柔性直流工程控制策略建立了电磁暂态仿真模型,模型中的换流器子模块电容、联结变压器、桥臂电抗器及直流电抗器电感值、接地方式的选择和电缆参数的选取均对过电压仿真结果有较大影响.在详细开展设备参数研究的基础上,为了选取并用于建模,开展了过电压研究,确定了主要设备的绝缘水平.对于本工程关键设备——直流电缆,提出采用30％的绝缘裕度以确保运行安全,并最终确定其绝缘水平为510 kV.研究结果已应用于舟山多端柔性直流工程,研究手段为其他同类工程提供了参考.     

舟山多端柔性直流工程系统方案

舟山多端柔性直流工程是目前世界上在建的端数最多、容量最大的柔性直流工程.工程新建5座换流站,总容量达1 000 MW,电压等级为±200 kV,各换流站间采用电缆连接.舟山多端柔性直流工程的成套设计、关键设备制造等均由国内相关单位完成,工程建成后将进一步改善舟山群岛的电网结构,提高电网供电可靠性.提出舟山柔性直流工程的系统方案,包括换流站主接线、运行方式、主回路参数与功率运行圆图、控制保护策略等,对于指导我国后续建设的大容量柔性直流工程具有重要的参考价值.     

含LC低通滤波器的VSC-HVDC系统的新型控制策略

通过引入LC低通滤波器来滤除逆变器产生的高次电压谐波,以提高向无源网络供电的VSC-HVDC系统的供电质量.在同步旋转坐标系下,包含LC低通滤波器的VSC-HVDC系统表现出强耦合、非线性特性,不利于控制器设计.首先采用逆系统方法将原系统线性化解耦成伪线性系统,再利用变结构控制理论设计伪线性系统的闭环控制器,既可以降低...     

基于单端电气量的多端柔性直流配电系统暂态保护

随着配电系统结构的发展与变化,传统交流配电系统、高压直流输电系统的保护原理无法适用于多端柔性直流配电系统。目前所提直流配电线路的保护方案有2种思路:基于线路两端信息和基于线路单端信息。前者需要通信通道,要求两端数据的同步,动作速度慢;后者需要构造保护边界,增加系统经济成本。基于此,提出了一种基于单端电气量、无需构造保护边界的多端柔性直流配电系统暂态保护方案。首先,分别计算线路一侧的正、负极暂态电压与其正常稳态电压的标准差系数识别故障极。然后,分析发生区内故障时各电气量的时域解析关系,分别推导出单、双极故障时的微分方程以计算故障距离,从而实现区内、外故障的快速、可靠识别。最后在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。仿真结果表明,所提保护方案在各种故障情况下仅基于本地信息即可有效识别故障极和区内、外故障,有较强的抗过渡电阻及抗干扰能力,满足直流配电网对保护速动性与选择性的需求。