基于调相机与SVC协调的抑制高压直流送端风机脱网的控制策略

在大规模风电接入的高压直流送端电网中,针对发生直流故障后送端交流电压大幅波动导致的风机连锁脱网问题,探讨了直流故障导致风机连锁脱网的内在机理,分析了调相机和静止无功补偿器(SVC)在换相失败和闭锁过程中的动态无功响应特性;在此基础上,提出一种基于换流站侧调相机与风电场侧SVC协调的抑制高压直流送端风机脱网的控制策略:在换相失败和直流闭锁的不同时期,根据送端电压变化特点,分时发挥调相机自发无功响应能力、励磁控制能力和SVC无功调节能力,以抑制暂态压降或暂态压升的幅度超过风机脱网的保护阈值.最后,通过对测试系统和实际电网的仿真,验证了所提控制策略可有效抑制直流故障后送端暂态电压变化,降低风机连锁脱网的风险.     

换相失败下柔性直流与传统直流互联输电系统的暂态无功协调控制策略

为了抑制柔性直流与传统直流互联输电系统中传统直流换相失败导致的送端电网暂态低电压和过电压,充分发挥柔性直流为传统直流提供无功支撑的能力,提出一种基于触发角的暂态无功协调控制策略。传统直流换相失败时触发角与送端暂态电压关系密切,基于此,将暂态过程中根据触发角得出的无功补偿值附加到柔性直流逆变器外环无功环节中,调整柔性直流逆变器发出的无功功率,改善送端电网电压的暂态特性。对比分析所提控制策略与柔性直流定交流电压控制的控制性能。在PSCAD/EMTDC中搭建互联输电系统的仿真模型,结果验证了所提控制策略的适应性,且该控制策略的控制效果优于柔性直流定交流电压控制。     

风电直流送出系统换相失败特性分析及其抑制措施

该文从风电场经直流送出系统模型出发,分析了换相失败下电网和风电场暂态电压特性及连续换相失败机理,并提出从无功补偿的角度来抑制换相失败后的暂态电压现象。最后,以某省风电场直流送出系统为例进行了仿真分析,特别针对连续换相失败场景下风电场的影响特性、送端系统暂态电压及抑制措施进行了仿真分析,并进行了理论验证。     

接地故障下的SVC优化设计及其对后续换相失败控制策略

针对高压直流输电建设过程中存在的运行风险与故障影响,以交流侧常见的接地故障为问题导向,探索静止无功补偿器(SVC)的优化设计方法及其新型控制策略,以提高直流输电系统抵御后续换相失败的能力,保证接地故障条件下输电系统的运行稳定性。以故障发生时的换流母线电压跌落为判别依据,理论分析与结果对比表明通过合理配置固定电容器组(FC)和晶闸管控制电抗(TCR)中电感的容量,并对无功补偿过程中的FC切换与TCR触发角进行逻辑优化控制,不仅可以有效抵御后续换相失败的风险,还能解决SVC补偿过程中的电压“反调”。     

直流换相失败及恢复过程暂态无功特性及控制参数影响

直流换相失败过程中与送受端系统交换的无功功率大幅变化,表现为对系统不利的"无功冲击负荷"特性,亟需对直流换相失败过程中的送受端暂态无功特性开展深入研究。为此,首先给出了直流稳态运行和暂态过程中的送受端无功方程,然后分别分析了换相失败期间和恢复过程中直流送端和受端的暂态无功特性,最后在此基础上研究了直流控制系统参数对暂态无功特性的影响,并通过直流等值系统算例进行了验证。研究结果表明,换相失败期间,直流从受端系统吸收一定的无功功率,同时对送端系统先吸收大量的无功功率、再发出大量的无功功率;换相失败恢复过程中,直流对受端系统通常先发出大量的无功功率、再吸收一定的无功功率,同时从送端系统吸收一定的无功功率。通过优化直流低压限流环节、换相失败预测、电流控制器等重要控制参数,可以减小换相失败过程中直流与送受端系统交换的最大无功功率。     

特高压直流换相失败对送端电网风机暂态无功特性的影响分析

特高压直流输电是风力发电远距离输送的有效方式,得到了大量的研究和实际应用。换相失败故障作为常见的直流输电故障,导致风电大规模接入的送端电网中产生了电压幅值非阶跃变化、先低穿后高穿的电压故障特性。为了分析换相失败故障下送端电网特性,需要准确获得换相失败故障下风电系统的暂态无功响应特性。该文针对直驱风电系统和双馈风电系统,将电网故障下风电系统暂态响应分解为故障发生前稳态、电网电压变化状态、变流器输出电压变化状态等3个状态分别建模,得到了考虑不同电网电压故障状态和变流器控制参数等因素的风电系统无功响应模型,仿真结果对数学模型正确性进行了验证。此外,根据换相失败故障下送端电网电压波形,利用所建立数学模型分析了风电系统控制参数对输出无功特性的影响规律。     

构网型无功补偿抑制新能源发电暂态过电压

电网换向换流器型直流输电(Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current, LCC-HVDC)是新能源大规模并网、远距离外送的关键。而直流闭锁、换相失败等故障可能导致送端短时无功过剩并引发暂态过电压,危及运行安全。本文突破传统基于电压-电流级联控制的电流源外特性快速无功补偿装置的技术原理,提出一种应用构网型控制无功补偿装置（Grid-Forming Based Reactive Power Compensation Device, GFM-RPC）抑制直流输电送端新能源发电暂态过电压的方法,构建基于微分-代数关系的电压动态分析模型阐明GFM-RPC抑制暂态过电压机理,并对比分析了构网型控制无功补偿装置相比现有基于STATCOM抑制暂态过电压方法的优势。利用仿真验证了GFM-RPC抑制新能源送端暂态过电压的效果,并分析了主要参数对于过电压抑制效果的影响。研究表明,STATCOM这类电流源外特性的无功补偿装置在直流输电系统故障瞬间呈现出恶化电压动态的“反调”特性,而构网型无功补偿装置能够克服这种“反调”特性,并且通过合理的参数配置可以进一步抑制电压幅值的超调量。     

构网型储能与调相机的暂态过电压抑制能力对比研究

高压直流输电系统出现闭锁、换相失败等故障时,会引起送端换流站附近新能源电站的瞬时电压波动并易导致其脱网。首先,分析了构网型储能开环控制策略的运行原理、响应特性和关键参数影响。然后,分析了调相机的无功响应特性,并将构网型储能无功控制模型与调相机的励磁调节控制模型进行对比。最后,搭建了包含特高压直流、光伏、调相机、构网型储能的半实物仿真系统,进行了直流换相失败故障下的交流暂态过电压抑制效果对比试验。结果表明,容量相同的构网型储能和分布式调相机在无功瞬时响应速度、抑制交流暂态过电压能力方面可以实现相近的效果。     

SVC在高压直流输电换流站的应用研究

介绍了高压直流输电换流站无功控制(RPC)的原理,并针对弱交流系统条件下换流站安装的静止无功补偿器(SVC)控制策略进行了研究,提出了直流控制系统和SVC控制系统协调的控制策略.直流系统运行时,SVC采用开环+闭环的无功控制策略,并引入辅助电压控制.同时,采用暂态控制策略抑制换流站内交流滤波器组投切引起的暂态电压波动.直流系统未运行时,SVC采用电压控制,提高弱交流系统的电压稳定性.最后进行的实时数字仿真(RTDS)试验验证了控制策略的正确性.     

一种抑制多馈入特高压直流换相失败的投旁通控制策略

换相失败是特高压直流输电系统的常见故障之一,常在送、受端交流电网引起剧烈的无功波动。投入旁通对是对直流系统进行保护的重要控制措施之一。当直流输电系统发生故障时,逆变侧保护装置动作后投入旁通对有助于达到快速停运直流输电系统,隔离故障的目的。而现在有关旁通对的研究多集中于其在直流故障中的应用,关于其在换相失败问题中的应用研究较少。通过分析旁通对控制对特高压直流输电系统送、受端电压特性的影响,论证了旁通对控制策略对换相失败后整流侧过电压、逆变侧低电压的改善作用。进而提出了一种换相失败后投旁通对的控制方法,以逆变阀组换相失败及交流电压跌落程度为旁通对控制的启动判据,根据直流运行状态对直流电流进行动态调节,然后根据受端交流系统恢复程度退出旁通对。PSCAD/EMTDC仿真表明,所提旁通对控制器在交流故障导致特高压直流换相失败后,能够起到快速隔离交直流系统、减轻无功电压波动的控制效果。     

动态无功补偿装置抑制直流换相失败能力影响因素研究

针对交直流混联电网中直流换相失败的问题,对影响动态无功补偿装置抑制直流换相失败效果的因素进行了深入的研究和分析。首先对比分析了同步调相机、静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)3类常用的动态无功补偿设备的特性。其次研究了动态无功补偿设备抵御直流系统发生换相失败的机理,总结了影响动态无功补偿装置效果的因素。最后采用电力系统潮流计算仿真软件(PSD-BPA)分别对单馈入直流系统以及华东十馈入直流系统进行仿真分析,仿真结果表明,动态无功装置的安装地点对其抑制直流系统换相失败能力有较大影响,当安装地点确定时,其抑制直流系统发生换相失败的能力随着安装容量的增加逐渐饱和。     

基于虚拟电阻的高压直流换相失败期间送端电网暂态过电压抑制方法

针对高压直流输电系统换相失败易引发送端电网暂态过电压的问题,提出了一种基于虚拟电阻控制的送端电网暂态过电压抑制方法。分析了高压直流系统发生换相失败期间整流站交流侧的无功动态特性及其引发送端电网暂态过压的机理。根据影响暂态过电压水平的关键直流控制变量分析并结合换相裕度边界条件,设计了基于虚拟电阻的送端暂态过压控制器。控制器可根据送端电网暂态过压水平动态调整整流站触发角,实现送端电网的暂态过电压抑制目标。仿真算例表明,所提控制方法通过虚拟电阻环节与常规定电流控制协调配合,能有效抑制换相失败期间送端电网暂态过电压水平。     

混合多馈入直流输电系统交流故障下VSC暂态调压控制策略

混合多馈入直流输电系统逆变侧发生交流故障,会引起直流电压的跌落和直流电流的增大,严重时可能导致多回输电线路同时发生换相失败。为了依靠MMC四象限运行能力向受端交流系统提供电压支撑,在分析LCC连续换相失败机理和逆变侧交流故障特性的基础上,设计了基于快速无功-电压下垂控制的MMC暂态调压控制策略,并根据不同交流电压跌落程度,分别设计了其无功参考值的选取方法。交流母线电压跌落较小时,利用公共耦合母线电压跌落前后的差值确定MMC无功功率参考值。交流母线电压跌落较大时,通过建立LCC直流电流与MMC无功出力之间的关系,提出了由换相电压–时间面积理论计算抑制LCC后续换相失败直流电流限值的方法,并由此确定MMC外环无功功率参考值。最后,通过对不同严重程度的交流故障进行仿真对比分析验证了所提控制策略的有效性。     

区域互联多回直流换相失败对送端系统的影响

为增强直流互联大系统运行特性认识水平,针对区域电网间多回互联直流同时换相失败展开研究。分析其成因;摸索其发生后送端系统频率、电压的变化特性;剖析其对送端系统的影响范围和程度。研究结论是:虽然区域互联多回直流换相失败往往不可避免,但是直流功率由于换相失败和控制系统的作用突变时,送端近区机组出力在各种因素的作用下紧跟着变化,送端近区显现出功率相对平衡的暂态特性。多回直流同时换相失败对送端系统的影响仅局限在近区较小范围内,不会影响大系统稳定运行。     

抑制直流连续换相失败的调相机暂态强励控制策略

直流连续换相失败严重威胁电网的安全稳定运行,若换相失败次数过多,直流将发生单级或双极闭锁,可能引起电网的频率和电压失稳,研究可行的抑制直流连续换相失败的措施十分必要。为此,提出了调相机持续暂态强励以抑制直流换相失败的控制策略。首先介绍了直流换相失败的机理及影响因素,然后分析了调相机常规励磁控制策略在直流连续换相失败期间无法持续提供动态无功支撑的原因,最后提出了调相机以换流站交流母线电压跌落作为判断标准,在直流换相失败期间持续强励的控制措施,并基于华东电网典型数据进行了仿真验证。仿真结果表明,该控制策略能够充分利用调相机的动态支撑能力,有效减少直流因交流故障引起的连续换相失败次数,防止控制保护系统动作导致直流闭锁而威胁受端电网安全稳定运行。     

直流控制对直流系统无功动态特性的影响分析

直流系统无功动态特性与直流控制强相关,对受端交流系统暂态电压稳定具有显著影响,但直流控制对直流系统无功动态特性的影响尚未形成清晰明确的结论。为此以某直流工程为背景,基于实际控制模型参数的EMTDC仿真平台,分析了直流控制对直流系统无功动态特性的影响机理和途径。首先,通过保持换流器触发角为扰动前的大小,分析了受端交流系统故障时直流系统固有的无功动态特性。在此基础上,分析了整流侧定电流控制、逆变侧定电压控制和定熄弧角控制等对直流系统无功动态特性的影响机理。针对直流系统换相失败恢复过程中无功超调量问题,进一步研究了其产生的机理,并根据仿真结果总结了PI调节器、VDCOL和瞬时电流控制功能的参数对无功超调量大小的影响规律,为提升受端电网暂态电压稳定的直流控制策略优化提供了思路。     

基于同步调相机降低换相失败风险的仿真研究

首先通过对引起换流站逆变侧发生换相失败的主要原因进行分析,然后结合引起换流站逆变侧发生换相失败的主要原因来分析同步调相机的次暂态、暂态和稳态特性对其影响,仿真计算了换流站逆变侧交流系统电压幅值跌落的临界值以及电压上升10%情况时,逆变侧是否装设同步调相机时换流器发生换相失败故障情况的对比,仿真结果表明同步调相机良好的次暂态、暂态和稳态特性可以全时间尺度为系统提供无功补偿和电压支撑,不仅提高了逆变侧交流系统电压的稳定性,而且还能有效的预防换流器发生严重换相失败故障甚至抑制换相失败的发生。     

直流系统中链式STATCOM暂态控制研究

交流侧暂态故障是导致高压直流输电系统换相失败的主要原因,为避免或减少换相失败,换流站中装设大容量H桥链式STATCOM迅速输出无功加快电压恢复。分析了换相失败下直流输电无功需求特性,解析H桥链式STATCOM在系统暂态时稳定控制机理,针对基于瞬时无功理论的解耦控制在不对称系统中的局限性,提出采用去零序瞬时电流跟踪控制方法,将正序、负序电压和电流统一控制,避免装置直流侧支撑电容过电压闭锁跳闸。通过RTDS平台搭建一次系统模型,接入真实的控制器和阀触发系统完成试验验证。当交流侧发生对称或不对称故障时,链式STATCOM迅速响应输出额定无功,加速交流电压恢复并维持系统潮流稳定。试验结果证明了该方法的正确性和可行性。     

一种改进的STATCOM暂态无功控制策略

对含有STATCOM的HVDC系统在故障恢复过程中发生"二次换相失败"的现象进行了描述和复现。分析了STATCOM无功补偿、HVDC系统控制特性与故障程度三者之间的作用关系,研究表明现有STATCOM无功控制策略在交流侧发生严重故障时会恶化系统恢复特性。基于此,提出了一种改进的STATCOM暂态无功控制策略,根据故障的严重程度差异化配置STATCOM无功补偿模式,保证HVDC系统恢复阶段交流电压稳定,加快系统恢复速度。最后,在PSCAD/EMTDC中对所提控制策略进行了仿真验证,结果表明,随着故障程度的加重所提控制策略可以有效降低系统发生"二次换相失败"的概率,从而显著改善系统的恢复特性。     

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。