基于直流电流动态上升的高压直流输电系统换相失败分析

针对现有换相失败分析方法未考虑交流系统故障后直流电流动态上升对关断角影响的问题,在分析直流电流变化对关断角影响的基础上,首先推导了对称故障下未考虑直流电流变化以及考虑直流电流瞬时变化的换相失败分析方法。分析结果表明,当逆变侧换流母线电压跌落在一定区间内,以上2种方法会导致换相失败判别结果不准确。为此考虑交流系统故障后直流线路和直流控制的动态过程,推导了直流电流的时域表达式,通过求解直流电流最大值,提出了一种考虑直流电流动态上升的换相失败分析方法。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提方法的有效性以及对高压直流输电系统换相失败判别结果的正确性。     

光伏与LCC-HVDC系统的次同步振荡耦合路径及阻尼特性分析

随着电网换相型高压直流(LCC-HVDC)系统送端近区光伏容量的增加,光伏经LCC-HVDC外送系统的振荡稳定性问题日益凸显。然而,光伏与LCC-HVDC系统的次同步交互作用尚不明确,相关研究较少。为此,首先建立光伏经LCC-HVDC外送系统的闭环传递函数框图,探明次同步分量在光伏与LCC-HVDC系统间传递时的耦合路径;然后,提出一种阻尼分离方法,评估交互作用对系统次同步振荡（SSO）阻尼的影响;最后,结合时域仿真进行影响因素分析。研究结果表明：光伏自身的闭合回路及光伏与LCC-HVDC系统、交流系统的耦合路径均经过与直流电容振荡模态相关的传递函数,导致各类交互作用阻尼特性共同决定系统SSO特性;对于所提算例,光伏与交流系统、光伏与LCC-HVDC系统的交互作用为SSO提供负阻尼;LCC-HVDC系统定电流控制器和光伏逆变器外环的比例系数减小、积分系数增大,或光照强度增大时,系统SSO风险增大。     

柔性直流输电技术的工程应用和发展展望

柔性直流输电技术作为新一代的直流输电技术,具有有功无功独立控制、响应快速灵活、扩展性强等突出优点,广泛应用于风电送出、电网互联、无源网络供电和远距离大容量输电等场景。在中国新型电力系统建设的背景下,针对新能源送出和多直流馈入电网安全稳定提升等重大需求,柔性直流输电技术优势将进一步凸显。文中对柔性直流输电技术的发展现状和趋势进行梳理,以多个代表性的柔性直流输电工程为例,系统地阐述了中国柔性直流输电技术的工程实践经验,重点介绍了柔性直流输电技术在新能源送出、电网互联和远距离大容量输电的典型应用及工程运行情况。最后,文中分析了新型电力系统下柔性直流输电技术的发展前景并指出所面临的挑战,为柔性直流输电技术的发展与应用提供参考。     

基于单向电流型AAMC的海上风电直流送出方案

经济高效的海上风电输电系统是推进海上风电开发的关键因素。据此,提出一种海上换流站采用单向电流型桥臂交替导通多电平换流器(UC-AAMC)的海上风电直流送出方案。首先,对UC-AAMC的拓扑结构和运行原理进行说明。然后,提出了适用于海上换流站UC-AAMC的无源网络控制策略。与常规柔性直流输电方案相比,所提方案能够减少海上换流站的投资成本,提升工程经济性。与基于二极管不控整流单元的直流输电方案相比,所提方案无须改变风电机组控制策略,并且可以实现由陆上电网向海上风电场的功率反送。最后,通过PSCAD/EMTDC中的仿真验证了所提方案的有效性。     

基于附加级联陷波滤波器的MMC-HVDC多频段谐振抑制策略

针对基于模块化多电平换流器（MMC）的柔性直流输电系统（MMC-HVDC）存在的中高频谐振问题,建立了MMC交流侧阻抗模型,分析了MMC呈现负阻尼特性的关键因素,即延时、电压前馈环节是主导MMC中高频段呈现负阻尼特性的主要原因,功率外环对中频段阻尼特性有较大的影响。对此,提出了附加级联陷波滤波器配置方法以最大限度地衰减电压前馈和功率外环对MMC的阻尼特性影响,在此基础上,针对正负序控制器引发的阻抗波动性问题提出了附加阻尼反馈环节和内环附加级联陷波滤波器2种抑制策略消除特定多频段的谐振风险。最后根据奈奎斯特判据分析了采用抑制策略的MMC与电网交互的谐振稳定性,并在电磁仿真软件中验证了理论分析和抑制方法的正确性与有效性。     

基于锁相优化的MMC高频振荡抑制方案研究

近年来,基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电工程发生了多起高频振荡事故,严重威胁电力系统的安全稳定运行。现有高频振荡抑制方案能够实现大部分工况下系统高频振荡的有效抑制,但综合全频带范围内系统稳定性,仍存在特定高频振荡工况下,现有抑制方案无法对系统稳定性进行有效改善的问题。为深入认识MMC并网系统高频振荡特性并提出新的抑制方案,基于谐波状态空间(harmonic state space,HSS)理论,建立了综合考虑MMC装备内部动态及所连接交直流网络的详细模型,利用模态分析方法,探究了影响系统高频不稳定模态的主要因素及其作用规律。结果表明,部分工况下锁相环控制器比例参数,功率控制器比例参数同样对系统高频模态存在一定程度的影响。进而,提出一种基于锁相环控制器比例支路复合滤波的高频振荡抑制方案,弥补了特定高频振荡工况下,现有抑制方案的不足。最后通过MATLAB/Simulink仿真验证了理论分析的正确性。     

异步互联系统准同步运行的HVDC附加控制建模及稳定性分析

异步互联系统调频资源和备用容量的分割使得频率稳定问题突出,利用高压直流输电系统的附加频率控制(AFC)可以实现异步互联系统调频备用共享,参与系统频率调控。文中以改善异步互联系统整体的调频性能和频率质量为目标,研究基于直流两侧电网频率差进行无差控制实现异步互联系统准同步运行的直流AFC对两侧电网频率稳定性的影响。利用换流站交直流系统的功率平衡关系建立较为精确的高压直流输电系统线性化模型,得到异步互联两区域系统的负荷频率控制模型,以此进行特征分析指导AFC参数设计。多场景仿真结果表明,准同步运行的直流AFC在使两侧电网趋于同频运行的同时,能够适应两侧电网的容量自动调节直流功率,有效改善全系统的频率稳定特性。     

基于直流滤波器多频率单端电气量的高压直流线路保护

针对传统高压直流输电线路保护耐受过渡电阻能力有限、保护速动性不足的问题,提出一种基于线路边界元件的多频率单端电气量保护方案。首先基于附加网络分析了不同频率下电气故障分量幅值比的特征,得到在区内、外故障情况下,线路单侧边界测点处特定高频电气量幅值比的差异。据此,利用多个特定频率电气故障分量的比值构造判据,准确有效地识别线路内部故障与整流侧和逆变侧区外故障。理论分析与仿真验证表明,该保护方案原理简单、计算量小,仅通过单端电气量即可准确识别区内、外故障,在保证良好耐受过渡电阻能力基础上能够可靠且快速保护线路全长。     

巴基斯坦默拉直流工程频率控制器设计及实际特性分析

巴基斯坦默拉直流投运后已经成为该国电网骨干输电通道,为帮助电网故障或非故障解列后维持稳定,默拉直流配置了频率控制器。文中从巴基斯坦电网稳定特性分析出发,提出一种基于仿真和实测相结合的频率控制器设计方法;主张应针对电网实际稳定需求并考虑送、受端电网承载能力进行频率控制器设计;总结了频率控制器的动作门槛设计方法、调制限值确定原则和控制器退出原则;分析了实际电网解列事件中频率控制器的动作特性;给出直流输电附加控制的技术基础及设计使用原则。强调直流附加控制应综合考虑交流电网稳定控制需求及实际电网特性,进行定制化设计,以期为后续交直流电网协同发展提供参考。     

基于模型校核的柔性直流输电线路自适应重合闸方案

为解决柔性直流输电线路常规自动重合闸盲目合闸的问题,有必要研究断路器合闸前识别故障性质及熄弧时刻的自适应重合闸方案。首先,考虑线路分布式参数及参数的频变特性,在分析Marti模型的基础上,得到线路两端电压电流与行波间的时域表达;其次,基于模型校核思想,将无故障模型作为计算模型,当故障消失时实际模型与计算模型相匹配,而故障未消失时实际模型与计算模型不匹配;最后,利用Pearson相关性对上述差异进行提取,提出一种适用于柔性直流输电线路的自适应重合闸方案。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所提方案的有效性,以及相较于自动重合闸方案和现有自适应重合闸方案的优越性。     

含ISOP-DAB变换器的中低压直流配电系统阻抗建模及稳定性分析

“双碳”目标下,高比例可再生能源和高比例电力电子设备成为中低压直流配电系统的主要特征,使得系统因其低惯量、弱阻尼的特性所引起的稳定性问题尤为突出。为此,针对含输入串联输出并联型双有源桥(ISOP-DAB)变换器的中低压直流配电系统进行阻抗建模并提出一种适用于中低压直流配电系统的稳定性分析方法。首先,建立了ISOP-DAB变换器的二端口阻抗模型以及其他单元的阻抗模型。在此基础上根据系统内各单元的端口特性将中低压直流配电系统等效为2个单母线直流子系统,并得到整个系统在中、低压侧的等效阻抗比,当且仅当该等效阻抗比满足奈奎斯特判据时,系统可稳定运行。最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建了含ISOP-DAB变换器的中低压直流配电系统的时域仿真模型,通过仿真实验以及理论计算对比分析了恒功率负载及线路参数对系统稳定性的影响。仿真结果验证了ISOP-DAB变换器的小信号模型以及所提稳定性分析方法的准确性和有效性。     

降低直流线路损耗的并联电容换相换流器单位功率因数控制策略

电网换相换流器的交流滤波器组和无功补偿装置占地面积大,在交流电网故障时容易发生换相失败;改进型并联电容换相换流器(ESCCC)能减小换流器占地面积,提高抵御换相失败的能力,但通过阀侧电容投切实现单位功率因数控制会影响谐波特性。针对此问题,并考虑直流线路损耗优化,文中提出了一种基于ESCCC并结合交流母线侧电容投切的新型单位功率因数控制策略。首先,建立了拓扑结构和数学模型,分析了单位功率因数控制的原理;然后,提出新型控制策略,采用新的谐波评价指标设计了滤波电感、电容等参数;最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,验证控制策略的有效性和参数设计的合理性。仿真结果表明,ESCCC能在全工况下实现单位功率因数控制,并且降低了直流线路损耗和换相失败概率。     

LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统故障穿越控制策略

送端采用电网换相换流器（LCC）、受端采用全半桥子模块混合型模块化多电平变流器（FHMMC）的LCC-FHMMC混合直流输电系统,当受端交流系统发生故障时,受端交流电压跌落,受端功率传输受阻,盈余的功率导致子模块电容过电压,甚至可能造成设备的严重损坏。为此,提出了一种基于FHMMC直流电压降压运行的受端交流系统故障穿越控制策略,使其直流电压始终低于逆变侧交流母线的电压有效值。同时,整流侧LCC保持常规的定直流电流控制,保证逆变侧的直流电流在额定值附近运行,从而实现了进入直流系统的有功功率与逆变器向受端交流系统输出的有功功率之间的平衡。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上对LCC-FHMMC混合直流输电系统受端交流系统发生的对称故障和不对称故障分别进行了仿真分析,仿真结果验证了所提控制策略能够快速有效地穿越受端交流系统故障,并抑制子模块电容过电压。     

弱电网下功率同步构网型DFIG的阻尼分析及转矩振荡抑制

随着风电占比的不断增加,功率同步构网型双馈风电机组(PS-DFIG)接入弱电网下的稳定性问题受到广泛关注。相比于锁相同步跟网型控制下的功率响应特性,基于构网型控制结构的PS-DFIG中有功环与转速环交互影响更容易引发转矩产生低频振荡。为此,文中首先建立了PSDFIG系统的有功功率与发电机转速的小信号模型,分析了有功功率与转速响应的耦合特性,在此基础上借助电气阻尼分析方法研究了PS-DFIG系统环路特性对传动链低频振荡的影响。然后,基于多环路带宽设计准则,在有功环中引入微分前馈方法提高有功功率带宽,同时在转速环输出中附加转矩补偿,改善了电磁转矩的电气阻尼特性,提升了功率环参数的鲁棒性,有效降低了PS-DFIG系统传动链低频振荡的风险。最后,在RT-LAB的硬件在环平台进行了实验验证。     

基于相图法的水电二阶切换系统动力学特性与振荡分析

高比例水电系统在大扰动下出现了死区、限幅作用的超低频频率振荡,其所对应的切换系统仍缺乏动力学特性分析。鉴于此,基于二阶切换系统动力学特性,结合相图法分析系统参数对其动力学特性的影响,揭示系统在不同扰动、阻尼下发生频率振荡的动力学机理。首先给出水电二阶切换系统描述,分析了系统的平衡点存在性。其次结合相图法分析不同运行条件下系统的动力学特性,证明了相关极限环的存在性。最后分析了系统的非光滑分岔特性。结果表明：当平衡点正阻尼、系统调节区域负阻尼时存在1个稳定极限环,对应严重大扰动下的频率振荡;当平衡点负阻尼、系统有限幅时存在2个稳定极限环,分别对应一般、严重大扰动下的频率振荡,且二者振荡频率较为接近。     

基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统稳定性分析

中压直流柔性互联配电系统作为连接高压输电网和低压直流配电网的纽带,可实现源-网-荷-储的灵活接入,适用于未来城市能源互联网。建立了基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统小信号等效电路,推导了中压直流端口的阻抗模型,通过对比仿真测量与解析计算结果验证所建模型的准确性,并利用所建精确模型进一步研究电路参数和控制参数变化对系统稳定性的影响。在MATLAB/Simulink仿真平台搭建中压直流柔性互联配电系统的仿真模型,验证了所提小信号阻抗模型的准确性。     

柔性直流输电系统的构网型控制关键技术与挑战

随着大规模非同步电源替代传统电网部分同步电机,电源结构和电网骨架发生变化,电力系统将面临弱系统、惯量低和电压支撑弱的问题。采用构网型控制的柔性直流输电系统可模拟同步电机运行特性,在实现功率传输的同时发挥电网支撑作用。文中对构网型控制柔直应用场景和技术框架进行了介绍,从并网性能评价、宽频谐振稳定和暂态稳定性3个角度分析了构网型控制应用于柔直领域的关键技术,归纳分析了在控制参数设计、一次设备过流能力以及能量来源3个方面的挑战以及若干技术方向。     

基于复用桥臂的储能型模块化多电平换流器

基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)输电技术已成为大规模、远距离风电场并网的理想解决方案。在风电渗透率较高时,风电场经MMC-HVDC并网系统呈现低惯量特性,增加储能系统并辅以适当的控制策略是提高系统惯量的方法。文中提出了一种基于复用桥臂的储能型模块化多电平换流器类全桥子模块拓扑,研究了该拓扑的调制和控制策略,并通过类全桥子模块和半桥子模块的混合,降低系统的成本和损耗。与单级式半桥子模块拓扑相比,所提拓扑对电池电压的要求显著降低,可以平滑电池电流;与两级式半桥子模块相比,所提拓扑具有直流故障阻断能力。最后,仿真和实验结果验证了所提拓扑和调制及控制策略的有效性。     

模块化换流阀低压加压电路及批量测试技术

为解决柔性直流输电工程模块化换流阀现场测试效率低、测试覆盖面不够广的不足,提出一种模块化换流阀低压加压电路及模块批量测试技术,采用低压直流源、低压加压网络配合阀控批量测试策略,实现了阀塔级子模块直流电容批量受控充电、自动批量测试及快速可控放电,解决了传统测试方案测试效率与测试项目无法兼顾的不足。研制了低压加压设备,搭建了EMTDC系统仿真模型以及含实际工程换流阀阀塔的试验系统,验证了所提方案的正确性与可行性。     

基于周期搜索的多端柔性直流输电系统非线性下垂控制

当基于电压源换流器的多端柔性直流输电系统采用有功功率-直流电压线性下垂控制策略时,直流网络特性会影响换流站功率分配的准确性。在直流输电网络拓扑未知的情况下,通过建立换流站通用的有功功率-直流电压数学模型,分析了直流网络特性影响下的换流站有功功率-直流电压下垂特性的非线性特征。基于此,提出一种基于周期搜索的多端柔性直流输电系统非线性下垂控制策略,可在直流输电网络拓扑及参数未知的前提下,利用搜索技术实时获取换流站在可能运行范围内的精确非线性下垂特性曲线,再将该曲线周期性地更新到换流站底层控制中,最终实现多端柔性直流输电系统换流站有功功率的精确控制。通过在MATLAB/Simulink中建立四端环网直流输电系统模型,不仅对换流站有功功率-直流电压下垂特性的非线性分析结论进行了验证,还与传统线性下垂控制进行对比,验证所提控制策略还原换流站非线性下垂特性的准确性以及换流站有功功率精准控制的优越性。