海上风电柔直系统送端电网故障过电压机理分析及抑制策略

为应对送端交流电网故障时的过电压问题,分析了风场-柔性直流输电系统送端交流电网故障过电压产生机理,并提出了过电压抑制策略。首先,建立了不同电网故障下换流变压器网侧及阀侧电压的数学模型,研究了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)控制策略对于电网电压的影响机理,及电网过电压导致MMC出现的过调制问题对于系统控制性能的影响;在此基础上,提出了一种过电压抑制策略,能够在不引入负序电流的条件下有效抑制系统的过电压水平,且能够在故障线路切除后加快电网电压的恢复速度;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台构建了风场-柔性直流输电系统模型并进行了仿真研究。研究结果表明:所提出的送端交流电网电压数学模型能够准确反映系统的故障特性,所提出的过电压抑制策略能够实现预期控制效果,有利于系统在故障发生及恢复过程中的稳定运行。     

用于海上风电并网的柔性直流系统接地方式研究

柔性直流输电技术凭借其为无源电网提供同步交流电源支撑的能力,正逐渐成为远距离海上风电并网的首选方案。主要针对柔性直流系统用于海上风电并网时的接地方式进行了深入的研究。首先对比分析了目前已有工程中的几种换流站接地方式,描述了几种接地方式的优缺点。然后介绍了柔性直流系统用于海上风电并网的拓扑结构和控制策略,选出了三种适用于该场景的换流站接地方式。最后针对国内某规划海上风电场,在电磁仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了±320 kV/1 100 MW柔性直流系统仿真模型。并基于该模型对柔性直流系统进行了故障扫描,研究对比了三种接地方式下系统的过电压特性,得出三种接地方式下的柔性直流系统均具有相似的过电压特性。该研究成果填补了相关研究领域的空白,可以为国内的海上风电并网工程提供参考依据。     

海上风电场并网柔直系统的故障穿越协调控制策略

分析了基于H桥换流单元与集中式斩波电阻的多电平集中式卸荷电路(dynamic braking resistor,DBR),介绍了其结构拓扑、参数设计与控制方法,并对比模块化多电平卸荷电路,验证其故障穿越(fault ridethrough,FRT)性能。针对海上风电场并网柔性直流输电系统,结合双馈与永磁直驱风场侧换流站的交流电压降压法,利用风电机组(wind turbine generator,WTG)自身功率调节能力,设计FRT协调控制策略,在保证系统故障穿越性能的前提下,缩减卸荷电路所需容量,适用于高压大容量场合。依据德国已投运Borwin1工程的参数,在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中搭建三端柔性直流输电系统模型,验证了所提协调控制策略具有良好的FRT控制效果。     

海上风电–柔直并网系统自同步电压源控制与电网故障穿越

采用柔性直流输电技术送出是大规模海上风电的发展趋势。由于电流控制型的海上风电–柔直并网系统隔离了风电场的惯量,电压源控制方式成为应对新能源主导电力系统稳定运行的一种有效途径。现有海上风电–柔直并网系统的电压源控制研究多集中于控制实现与稳态特性方面,而针对该系统故障控制方面的研究十分匮乏。该文提出一种具备故障穿越能力的海上风电–柔直并网系统自同步电压源控制策略。在受端换流器中,通过子模块能量与同步发电机转子的类比及直流侧的解耦控制,兼顾了对直流母线电压的灵活控制和对电网频率的无锁相环自同步,并改善了通过直流母线电压向送端换流器传递电网频率时的抗扰性能。送端换流器从直流电压中提取电网频率并镜像到其交流侧,辅助海上风电场实现对电网的惯量响应。进一步地,设计受端换流器的电网故障穿越策略,在实现对输出电流限幅的同时,确保了受端换流器的功角稳定。最后,在PSCAD/EMTDC软件中通过仿真验证所提控制方法的有效性。     

机组协同-分布卸荷的风电场-柔直并网系统故障穿越方法

为降低风电场-柔性直流并网系统在交流主网发生低电压故障时的穿越成本,提出一种直流耗能装置与风电机组卸荷电路协同作用的电网故障穿越策略,在电网故障时送端换流器配合风电场快速降低直流功率输出.由于直流耗能装置仅在故障发生的前期、风电场输出功率下降前起到限制直流电压升高的作用,该策略能够显著降低直流耗能装置的体积.在此基础上,该策略将直流耗能装置中的耗能电阻分散置入到受端模块化多电平换流器中,进一步降低了卸荷成本.最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中,构建了风电场-柔性直流并网系统的仿真算例,对所提出的故障穿越方法的正确性和有效性进行了验证.     

多端柔直系统MMC自适应下垂及抗扰控制研究

多端柔性直流输电(MTDC)大多采用模块化多电平换流器(MMC)作为其电压源换流器.此处在多电平换流器控制系统中采用母线电压-有功功率(Udc-P)下垂控制策略,针对传统下垂控制中因为固定下垂系数无法实现系统灵活调节、有功功率分配不合理、直流电压偏差等问题,此处采用自适应下垂控制方案,根据电压偏差自动调节下垂系数.为了维持母线电压稳定,此处分析功率波动对电压动态响应性能的影响,提出一种电压扰动观测器,来提高控制系统鲁棒性.将上述策略通过实时数字仿真(RTDS)实验平台来验证所提方案可以有效提高MTDC系统MMC控制性能.     

海上风电柔直并网系统调频控制综述

远海风电场因其风资源丰富而受到广泛关注,柔直并网是实现大规模远海风电场并网的有效措施.随着海上风电等可再生能源渗透率不断提高,电力系统面临的频率稳定问题逐渐凸显,海上风电柔直并网系统进行主动频率支撑是缓解频率稳定问题的有效手段之一.为此,针对海上风电柔直并网系统参与调频控制进行综述,从海上风电场、柔性直流系统及二者协调...     

分频海上风电系统的不对称故障穿越控制EI北大核心CSCD

该文提出分频海上风电系统的不对称故障穿越控制策略。首先,介绍分频海上风电系统的基本结构与运行方式。其次,根据关键变频设备模块化多电平矩阵式换流器(modular multi-level matrix converter,M^(3)C)的数学模型,揭示电网电压不对称时M3C的运行特性,并提出分频海上风电系统的故障穿越控制策略。该策略在M3C双αβ0坐标变换控制的基础上,改进桥臂间均压控制策略,并引入M^(3)C-风电场联合电压–频率–功率下垂控制实现风电场减出力。最后,在MATLAB/Simulink中搭建分频海上风电系统电磁暂态仿真模型,对所提出的控制策略进行验证。仿真结果表明:提出的故障穿越控制策略能够在保证M3C运行安全的同时,满足风电场功率外送需求,实现风电场对工频系统的无功支撑目标。     

基于谐波注入信息传递的海上风电柔直并网故障穿越方法

海上风电柔直送出系统在交流电网发生故障时应该具备故障穿越能力.然而,风电场和柔直系统中的多类型换流设备在没有高速通信的情况下,很难协同控制实现系统低电压穿越过程中的直流电压稳定.因此,提出基于谐波注入信息传递的海上风电柔直送出系统故障穿越协调控制方法.在故障期间,风电场侧换流器检测到直流电压超过阈值后降低风电场交流电压幅值,并向系统注入谐波,使得风电机组换流器根据不同谐波阈值协同限制注入电网的功率,实现无通信条件下系统多换流设备协同的故障穿越.通过与常规的只由风电场侧换流器单独降功率的方法进行比较,在电网的各种故障类型下,所提方法可以更快速地将柔直直流电压限定在允许范围之内,系统可实现安全、可靠的故障穿越.     

MMC-HVDC输电系统直流故障隔离综述

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)是一种新型的灵活输电方式。同交流输电技术相比,MMC-HVDC输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点。在当前各类MMC拓扑中,半桥型MMC具有所用器件少、运行效率高、经济性好等特点,但缺乏直流故障清除能力。本文简单介绍了半桥型MMC发生故障的原因,对目前MMC-HVDC输电系统直流故障隔离技术的国内外研究现状进行综述,并结合当前研究现状,展望了MMC-HVDC输电系统直流故障保护的新的研究方向。     

双极MMC-HVDC系统直流故障特性研究

直流故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)的主要故障类型,目前国内外对于MMC-HVDC直流侧故障的研究主要集中于伪双极系统,而对于真双极系统直流侧故障的研究还处于起步阶段。首先,介绍真双极MMC的拓扑结构和工作原理,并根据实际交直流系统电气参数、桥臂子模块电容及电抗的放电机制,建立真、伪双极两种拓扑MMC-HVDC系统直流故障状态下的对应等效电路。然后,对比分析两种拓扑不同阶段故障电流在MMC桥臂上的流通路径,重点研究了故障短路电流对换流站桥臂阀组影响程度的差异,并指出三种电气参数与故障短路电流变化之间的内在关系。最后,基于RT-LAB仿真平台,搭建51电平双极MMCHVDC双端直流输电模型,仿真结果证明了直流故障特性研究方法的正确性。     

含风电的混合直流输电并网系统暂态特性分析

为了提高直流输电并网系统的暂态稳定运行特性,文中基于送端采用双馈风电机组(DFIG),建立LCC-二极管-MMC混合直流输电并网系统,研究该系统的并网暂态运行特性,其整流侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC),逆变侧采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)。为解决MMC无法清除直流故障的问题,在逆变侧的直流出口处加装大功率二极管以阻断故障电流通路。在MATLAB/Simulink平台搭建LCC-二极管-MMC风电并网仿真模型,通过设置直流及并网点接地故障,仿真分析LCC及MMC的各种优越性。研究结果表明:该系统不存在逆变侧换相失败的问题且发生直流故障时系统中大功率二极管能够阻断故障电流通路,在故障期间逆变侧直流电压也无突增现象且有功功率波动极小,从而增强了系统的暂态稳定特性。     

MMC-HVDC技术在高原气候条件下的风电并网研究

介绍 MMC换流器的结构及原理,研究 MMC和 HVDC在高原气候条件下风电并网中的有效性。     

海上风电接入柔直系统交流侧故障特征及对保护的影响分析

柔性直流输电是解决大规模海上风电远距离外送问题的首选方案。然而,柔直送端交流系统发生故障时,线路两侧短路电流均由电力电子换流器提供,系统的故障特征发生了根本性变化,直接导致传统保护性能的下降、甚至不正确动作,影响系统的安全运行。因此,针对永磁风电场经柔直外送的拓扑,分析了柔直送端交流侧故障的特征,并结合交流侧故障穿越控制目标提出了换流器短路电流解析表达方法。理论分析表明,当风电场弱出力时,仅由柔直换流器提供短路电流,且短路电流呈现出幅值受限特性、甚至低于额定电流;当风电场正常出力时,柔直换流器与风电场均提供短路电流,且二者控制目标不同,两侧同相别短路电流必然存在相角差。基于故障特征的研究,对现场常用的保护原理进行了性能分析,获知了线路距离保护、差动保护均会存在性能下降的问题。在PSCAD/EMTDC中建立了风电柔直送出系统的精细化模型,验证了理论分析的正确性,为现场保护配置以及保护新原理的研究提供了理论基础。     

基于超级电容的海上风电柔直送出系统协调惯量支撑策略

大型海上风电场经柔性直流输电系统(offshorewind farms+voltagesourceconverterbasedHVDC,OWF+VSCHVDC)接入陆上电网,在传统控制模式下无法直接向陆上电网提供惯量响应。因此,提出了一种面向OWF+VSCHVDC系统的海上风电机组基于超级电容的协调惯量支撑(supercapacitor-based coordinated inertia support,SCIS)策略。在SCIS策略下,风电机组直流侧附加超级电容,通过改变超级电容电压进行充放电以模拟同步机惯量;VSC-HVDC的陆上电网侧换流站采用直流电压/频率(udc/f)下垂控制,将陆上电网频率通过直流电压变化传达给风场侧换流站,再通过风场侧换流站调节海上电网频率,使其与陆上电网频率耦合。此外,通过小信号稳定性分析对该策略的关键参数进行了优化。最后,在MATLAB/Simulink环境中搭建了OWF+VSC-HVDC系统的仿真模型,分别在负荷变化、风速变化、陆上电网故障3种工况下对SCIS策略进行了验证和评估。结果表明,SCIS可利用风电机组的超级电容进行惯量模拟,并通过VSC-...     

一种MMC-HVDC的直流电压波动抑制新方法

针对柔性直流输电系统常规直流电压波动抑制算法中存在的缺陷,提出一种适用于模块化多电平换流器型高压直流输电系统(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)的直流电压波动抑制方法。该方法利用MMC特有的“储能”特性,在交流系统不对称时,控制 MMC 交、直流侧瞬时有功功率不再平衡,从而实现MMC交流侧电流依然保持对称运行,同时直流侧电压、电流和功率保持为恒定。为了实现上述控制功能与目标,建立三相交流系统不对称时 MMC 直流回路的模型,设计αβ0坐标系下以比例谐振调节器为基础的控制策略,且探讨MMC-HVDC中的协调控制问题。最后,搭建71电平背靠背 MMC-HVDC 系统模型进行数字仿真,结果验证了所提控制方法的有效性。     

抑制风电-柔直外送系统次同步振荡的并联VSC型次同步阻尼控制器

风电经柔性直流输电(简称“柔直”)系统接入交流电网已经成为陆上/海上风电并网的主要方式之一,但风电与柔直系统之间存在控制相互作用引发次同步振荡的风险。为抑制此类振荡,提出一种独立于柔直系统和风电机组变流器的并联电压源变流器(VSC)型次同步阻尼控制器。该控制器使用集电线电压作为输入信号,提取信号中的振荡模态后调制其幅值、相位,然后利用并联VSC向系统注入次同步频率的电流来抑制振荡。基于复阻抗法对控制器参数进行了优化设计。仿真结果表明,所提出的控制器能在不同工况下有效抑制振荡。     

考虑锁相环动态的MMC-HVDC机电暂态模型

锁相环对柔性直流系统具有重要影响。针对目前机电暂态建模普遍忽略PLL动态特性的情况,文中基于PSD-BPA程序提出考虑锁相环动态的MMC-HVDC机电暂态仿真模型。分析PLL对柔性直流系统相关电气量和控制量的影响,重点建立3类典型结构锁相环的机电暂态模型,提出对相关变量的修正方法和交直流接口计算方法,阐述考虑PLL动态的模型计算流程。仿真结果表明,交流系统扰动下,锁相环不能理想跟踪交流电压相位,dq坐标轴位置变化,对交流电压、交流支路电流以及换流器功率尤其是无功功率产生显著影响。所提出的模型能够精细模拟这一动态过程,仿真曲线与电磁暂态详细模型高度吻合,有效提升了MMC-HVDC系统机电暂态仿真精度。     

海上风电场-MMC互联系统频率耦合建模及稳定性分析

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电技术是深远海风电场电能传输的重要方案,但呈现多入多出(MIMO)特征的频率耦合效应对海上风电场-MMC互联系统稳定性构成新的挑战.已有MMC建模大多忽略了频率耦合效应,且对影响频率耦合效应关键作用机制的研究较少.针对上述问题,通过建立计及频率耦合效应的风场侧MMC等效序阻抗模型,对影响频率耦合效应及稳定性的关键作用因子进行分析评估.同时,为解决现有稳定性判据求解过程烦琐的问题,基于Gershgorin圆定理提出一种改进MIMO稳定性判据,其通过引入距离函数简化判稳过程.然后,基于该判据分析了各关键作用因子及频率耦合效应对系统稳定性的影响规律,并对该判据保守性进行定量分析.最后,通过仿真算例验证了理论分析的正确性.