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2020年第2期精彩导读

《全球能源互联网》2020年第2期已正式出版,本期刊载了“柔性直流输电与大规模新能源并网”专题的12篇录用论文,在张北柔直电网、乌东德混合多端直流工程以及推动全球能源互联网建设背景下,展示了该方向最新研究成果,希望这些优秀论文能为读者的研究与实践提供参考和启发。在此特别感谢浙江大学徐政教授和国家电网公司郭贤珊教高担任专题特约主编,并感谢所有来稿作者和审稿专家!

特约主编介绍

徐政

浙江大学教授、博士生导师,主要研究领域为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、 新能源发电及其并网技术等。中国南方电网公司专家委员会委员,先进输电技术国家重点实验室、直流输电技术国家重点实验室学术委员会委员,全国高压直流输电工程标准化技术委员会、全国电力电子学标准化技术委员会输配电系统电力电子技术分技术委员会、电力行业高压直流输电技术标准化技术委员会委员。

郭贤珊

教授级高级工程师,长期从事高压直流输电技术研究、工程建设和运行管理工作。国家电网有限公司设备管理部副主任,中国电力行业电能质量及柔性输电标准化技术委员会、绝缘子标准化技术委员会委员。

特约主编寄语

柔性直流采用基于全控器件的电压源换流器,可控性好,适应性强,便于构建直流输电网络,是国际上公认的新能源并网最佳方式。由柔性直流构建的直流电网,可以实现新能源多点汇集、多点送出、多能互补,将推动电力生产、传输、存储和利用进一步发展,为能源互联网创新发展贡献新思路。自2011年上海南汇柔性直流示范工程(±30 kV/20 MW)建成以来,中国柔性直流输电技术快速发展,已经成为世界上柔性直流输电技术研究与应用最前沿的国家之一,目前已有7个柔性直流工程投运,投运工程中最高电压±420 kV,单换流器输送容量达1250 MW。世界首个高压直流电网——张北柔性直流电网试验示范工程已经建成,正在启动调试;世界首个混合多端特高压直流输电工程——昆柳龙工程正在建设,柔性直流已经应用于新能源并网、海岛送电、网络构建、区域电网互联等广泛领域。

为了促进柔性直流输电技术发展,分享该领域的最新学术和技术成果,《全球能源互联网》编辑部精心策划和组织了“柔性直流输电与大规模新能源并网”专题,我们荣幸被邀请担任特邀主编,本专题得到广大专家学者和工程技术人员积极响应和鼎力支持。经过严格评审,本期收录了12篇论文,内容涵盖系统应用、新能源并网、运行控制、试验与检测、一次系统5个方面。

柔性直流输电和大规模新能源并网技术正蓬勃发展,《全球能源互联网》 组织本专题恰逢其时,衷心感谢各位作者和编审人员对本专题的大力支持和辛苦工作,希望本专题能够为从事柔性直流输电相关技术研究、设备研制、 工程建设和生产运行的专业人员提供参考。

2020年2月26日

系统应用

1

有源型柔性直流输电技术在全球能源互联网背景下的应用研究

刘耀,吴佳玮,肖晋宇,侯金鸣,赵小令,徐雨哲,张哲任,徐政

【摘要】全球能源互联网是实现新能源资源在全球范围内合理配置和高效利用的重要发展方向。基于模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术凭借其可以为无源电网提供支撑和控制灵活的特点,正逐渐成为构建全球能源互联网的重要技术手段之一。对柔性直流输电技术在全球能源互联网背景下的应用进行了深入研究。首先梳理了柔性直流输电在全球能源互联网3种典型应用场景。接着利用PSCAD/EMTDC仿真研究了传统柔性直流在典型应用场景下的故障特性,分析了其应用于全球能源互联网时的不足。针对这些不足,提出了一种具有解耦运行能力的基于锂电池储能装置的有源型柔性直流输电技术,对其拓扑结构和控制策略进行了介绍。最后在PSCAD中仿真验证了所提出的有源型MMC在全球能源互联网应用场景下隔离交流系统故障对直流侧系统的功率冲击的能力。

关键词:全球能源互联网;模块化多电平换流器;柔性直流;储能装置;解耦运行


2

张北柔性直流电网试验示范工程直流控制保护设计原则与验证

郭贤珊,卢亚军,郭庆雷

【摘要】张北柔性直流电网试验示范工程(简称张北工程)将建成世界上首个直流电网,该工程4个换流站采用手拉手环网结构,具有多回路冗余特性,可以实现新能源孤岛接入、多电源供电、多能互补,形成了真正意义上的直流电网。针对张北工程直流电网特点,确定了控制保护系统的难点与主要设计原则,提出了针对直流电网的多换流站协调控制、换流器自适应控制等关键控制策略以及直流保护配置,最后通过硬件闭环实时仿真验证了控制保护系统设计的合理性。

关键词:直流电网;控制保护系统;设计原则;控制策略;保护配置


新能源输送

3

海上风电经DR-MMC并联混合直流送出系统启动及协调控制策略

程帆,姚良忠,谢立军,梁帅,徐业琰,李琰,王志冰

【摘要】基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电系统由于运行方式灵活、具备无源运行能力的特点,在远海风电送出工程中获得了广泛应用;基于二极管不控整流(diode rectifier,DR)的送出方式由于海上平台体积小、造价低等优点,也是海上风电送出极具潜力的备选方案,但其缺乏无源运行能力。利用MMC并联DR构成海上风电混合直流送出系统,使得海上风电机组无需加装储能装置和控制策略改造,实现无源系统的启动和运行。混合系统通过海上MMC建立海上风电场侧交流电压,实现部分风电机组并网运行并启动DR,进而实现整个系统的功率送出。对传统V/F控制MMC的并联混合直流系统有功功率倒送现象进行了机理分析。基于分析模型,提出了一种基于有功-电压下垂的协调控制策略,实现了风功率变化下MMC送出功率的控制。最后利用PSCAD/EMTDC建立了直驱海上风电场经±200 kV/800 MW混合直流输电送出的系统模型,仿真结果验证了上述启动和协调控制策略的有效性。

关键词:电力-天然气耦合系统;建模仿真;优化规划;优化调度;安全评估;市场探索


4

经柔性直流并网的大规模新能源集群有功控制技术研究

吴林林,孙雅旻,刘海涛,徐曼,张隽

【摘要】柔性直流输电技术是实现弱电网条件下大规模新能源送出的有效技术手段。对于以柔性直流输电系统作为唯一输电通道的大规模新能源集群,必须通过有功控制系统保障送端换流站运行在其可行PQ范围内。在分析其越限风险和控制需求的基础上,提出了激进型和保守型两种有功控制策略,并引入超短期预测作为分群指标以提高动态发电指标再分配的准确性。在此基础上提出了基于时序生产模拟的大规模新能源集群有功控制裕度确定方法,并以张北柔直电网及其汇集新能源为例进行了仿真分析。结果表明,激进型有功控制策略需要预留更大的控制裕度,但是对于发电空间的利用更加充分,新能源场站利用小时数更高。研究结果对于指导张北柔直电网送端新能源集群有功控制及安全裕度设置有参考意义。

关键词:柔性直流;大规模新能源;有功控制;机组分群;生产模拟


5

风电场经柔性直流孤岛送出的交流故障联合穿越策略

刘启建,杨美娟,行登江,李道洋,王先为,吴林林

【摘要】风电场经柔性直流孤岛送出时,其交流故障特性与采用交流电网送出时不同,传统的低电压穿越策略不适用于孤岛接入柔性直流的场景。因此, 需结合风电场和柔性直流系统的控制目标、运行约束和故障特性,研究提出新的故障穿越策略。首先,将风电场交流对称接地故障分为4个发展阶段,分析故障时风电场和换流站对交流电压的耦合影响;随后,分析风电场不同电流输出策略对交流故障穿越特性的影响;提出了在故障稳态阶段送端换流站采用定电流控制、风电机组采用有功电流注入,以及在故障恢复阶段交流电压斜坡建立的故障联合穿越策略。通过PSCAD搭建了双馈风电场和双端柔性直流系统模型进行仿真,结果表明,上述策略可充分利用风电场和柔性直流的功率输出能力,实现交流故障的联合穿越,验证了所提策略的有效性。

关键词:柔性直流;孤岛送出;耦合影响;电压斜坡恢复;故障联合穿越


控制保护

6

D-Q 坐标系下模块化多电平换流器的交流阻抗模型研究

郝全睿,李东

【摘要】现有模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的等效阻抗模型大多针对MMC电气系统和控制系统进行了一定的简化。该研究在已有的MMC小信号模型基础上,将MMC系统分为MMC本体和控制系统两部分,考虑了锁相环(phase locked loop,PLL)对两部分间调制信号和反馈信号的影响及内外环控制器的闭环控制,采用分块求解传递函数的方法,分别推导了MMC系统作为功率控制站和直流电压控制站的全频域等效阻抗模型,并对MMC交流阻抗的特性及各主要环节的影响进行了分析。不同于现有模型采用的交直流功率平衡原理,该研究采用从MMC内部状态变量的耦合关系出发,推导了MMC作为直流电压控制站时的等效阻抗。在此基础上,利用基于特征值的广义奈奎斯特稳定判据,对MMC连接不同交流系统时和MMC在不同控制参数下的稳定性进行了分析。最后,在Matlab/Simulink和PSCAD中验证了所得模型的准确性和所得结论的正确性。

关键词:模块化多电平换流器;小信号模型;等效阻抗;广义奈奎斯特判据


7

用于区域间电网互联的新型 VSC 虚拟同步技术

刘宏伟,袁枭添,洪昊,王丽群,吴非斐,李宇骏

【摘要】传统基于锁相环(phase lock loop,PLL)电网跟踪型控制在电网短路比(short circuit ratio,SCR)较低或PLL带宽较高情况时,给电力系统引入负阻尼导致系统不稳定。为此,提出了一种不依赖PLL的用于区域间电网互联的新型电压源换流器(voltage source converter,VSC)虚拟同步控制。首先,构造VSC直流电压与受端系统频率间的下垂特性,当受端电网受扰后,受端换流器可为系统提供惯量支撑。其次,测量送端电压波动与直流电流波动可计算受端交流系统的频率扰动,通过模拟同步机的一次调频特性,在受端电网受扰时,送端电网可不依赖通信为受端电网提供频率支撑。与传统控制相比,在系统受扰时,利用电容储能及送端电网的调频能力为其提供频率支撑。基于PSCAD/EMTDC仿真算例验证了受端系统弱SCR场景、负荷变化场景下所提控制策略的有效性。

关键词:电压源换流器;区域间互联;虚拟同步控制;频率支撑


8

VSC与LCC混合级联直流输电系统暂态电流抑制方法

许冬,李探,梅念,乐波

【摘要】混合级联直流输电系统在向负荷中心送电方面具有优势,但由于其低压端换流器由多个VSC并联构成,在故障穿越及运行方式转换过程中, VSC区域的暂态电流峰值大、衰减时间长,给设备研制与系统性能提升带来巨大挑战。为降低暂态电流,从优化VSC区域主回路入手,提出在VSC直流侧串联二极管,或在旁路开关串联电阻的方案。在此基础上,进一步研究了二极管的布置方案及串联电阻值的选取方法。理论分析与仿真结果表明,2种方案均可有效降低暂态电流的峰值与衰减时间,极大提升换流阀、机械开关及转换开关、测量装置的安全裕度。最后对比了这2种暂态电流抑制方法,并结合工程实际需求给出了推荐方案。

关键词:混合直流;暂态电流;二极管;串联电阻


9

含直流断路器的双极接线柔性直流输电系统MMC交流侧单相接地故障研究

姜田贵,谢晔源,姚宏洋,卢宇,朱铭炼

【摘要】双极接线柔性直流输电系统采用中性母线接地,换流器交流侧对地电压含有直流偏置,换流器交流侧发生单相接地故障特性不同于对称单极接线系统。柔性直流输电系统配置直流断路器时,换流器交流侧接地故障后可利用直流断路器的直流电流分断能力快速隔离故障。针对含直流断路器的双极接线柔性直流输电系统,分析了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)交流侧单相接地故障机理,阐述了MMC保护闭锁前后故障相和非故障相上、下桥臂的故障电流通路,推导了故障状态下桥臂的电压、电流解析方程。分析了保护动作、直流断路器对MMC子模块过电压的影响,为换流阀子模块过电压保护设计、定值整定提供指导。最后,通过搭建的±500 kV柔性直流输电系统PSCAD/EMTDC仿真模型,仿真验证了理论分析的正确性。

关键词:直流断路器;双极接线;模块化多电平换流器;单相接地故障


测试技术

10

特高压柔直阀控系统链路延时分析与测试研究

胡煜,陈俊,邹常跃,周竞宇,林卫星

【摘要】模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)系统中链路延时对系统动态性能影响较大,如果延时设计不合理,会导致系统的稳定性变差。随着电压等级的提升,子模块数量相应增加,如何降低控制及保护的延时成为挑战。研究分析昆柳龙直流工程柳北换流站极1换流阀阀控下行、 过流保护和上行3种链路延时的组成,提出了相应的测试方法,完成测试并提出优化方向。阀控下行、过流保护和上行链路延时分别小于40 μs、60 μs、 60μs,在现有硬件水平下已达到设计预期,满足现有控制链路延时需求。

关键词:模块化多电平换流器;阀控装置;链路延时


11

基于NLC调制的MMC多子模块工况模拟测试电路及其控制方法

杨云霄,马柯

【摘要】模块化多电平转换器(MMC)由大量子模块构成,子模块的可靠性对MMC系统的安全可靠运行有着重要影响。特定工况下的可靠性评估表现是子模块设计指标之一,搭建较完整的MMC系统对子模块进行可靠性测试和验证成本高且效率低,因此提出了一种针对多个MMC子模块的工况模拟测试电路及其相应的控制方法。通过设计负载电流控制策略以及增加辅助桥臂、反串子模块及其控制策略,可以使待测子模块的流入电流、电容电压以及开关序列与实际MMC系统中一致。该电路能够同时对多个子模块进行测试,极大地减小了测试电路对直流源电压的要求,可在保证测试工况与运行工况一致的前提下,大幅提高测试效率、降低测试成本。通过搭建仿真模型实验,验证了所提方法的有效性。本方法可以应用于子模块装机前的可靠性验证,以及子模块电气特性、热特性及可靠性等工厂测试,为子模块控制及设计研发提供参考。

关键词:模块化多电平变流器;子模块;试验方案;实际运行工况;可靠性测试


一次系统

12

±500 kV同塔三回柔性多端直流输电线路防雷保护

刘士利,高笛,李本良,鞠勇,鲁俊

【摘要】同塔三回柔性直流输电线路在节约输电走廊等方面具有较大优势, 但其防雷设计较单回或者双回输电线路有明显区别,特别在构成直流电网情况下,应从严控制线路雷击跳闸率。为此,以张北±500 kV柔性直流电网试验示范工程(单回)为背景,采用电气几何模型及行波法分析了±500 kV同塔三回柔性直流输电线路的耐雷性能,研究了极导线布置方式、避雷线保护角、地形地貌特征、接地电阻等典型因素对线路绕击及反击跳闸率的影响。计算结果表明,避雷线保护角采用–14°设计,极导线采用推荐的E布置方案时,可将三回直流输电线路的雷击跳闸率控制在0.1次/(100 km· a)以下。研究成果为后续±500 kV同塔三回柔性直流线路的防雷设计奠定了基础。

关键词:柔性直流;同塔三回;防雷保护;输电线路


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编辑张鹏

审核:白恺


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