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基于功率指令切换的双级式构网型光伏故障穿越控制策略

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电网技术 2024年第3期48卷 1281-1290页

作者：吕思卓郑超姜静雅中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192

在新型电力系统构建中,构网型光伏将发挥巨大作用。但受限于电力电子器件过流能力,目前针对构网型光伏的故障穿越控制策略还需进一步完善。综合考虑逆变器稳态和暂态过流抑制,提出了一种基于功率指令切换和虚拟阻抗的双级式构网型光伏... 详细信息

在新型电力系统构建中,构网型光伏将发挥巨大作用。但受限于电力电子器件过流能力,目前针对构网型光伏的故障穿越控制策略还需进一步完善。综合考虑逆变器稳态和暂态过流抑制,提出了一种基于功率指令切换和虚拟阻抗的双级式构网型光伏发电故障穿越控制策略,该策略计及光伏直流侧动态响应,能够实现满足电流限幅约束的前提下向并网电压提供无功支撑,同时保持故障期间构网型光伏对系统惯性的支撑特性,提升大扰动下光伏换流器暂态功角稳定性。仿真结果表明,在电网发生严重电压跌落的情况下,所提控制策略可在保持逆变器直流侧电压稳定的同时实现故障穿越功能。

关键词：构网型光伏虚拟同步控制故障穿越控制功率指令虚拟阻抗

永磁风机并网逆变器故障穿越控制参数分步辨识研究

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永磁风机并网逆变器故障穿越控制参数分步辨识研究

作者：秦继朔华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

新能源电源经电力电子换流器接入交流系统,当系统发生交流故障时,新能源电源提供的短路电流特征与同步机系统提供的短路电流特征有显著不同,可能引起传统保护灵敏性下降甚至拒动。精确的仿真模型和贴近实际工程的参数是研究新能源电源... 详细信息

新能源电源经电力电子换流器接入交流系统,当系统发生交流故障时,新能源电源提供的短路电流特征与同步机系统提供的短路电流特征有显著不同,可能引起传统保护灵敏性下降甚至拒动。精确的仿真模型和贴近实际工程的参数是研究新能源电源故障特征及保护技术的基础。然而现有参数辨识研究对象大多集中于稳态运行参数,缺乏对具有不同影响权重的故障控制参数进行辨识研究,因此基于外特性数据的新能源电源故障控制参数辨识研究在定量分析新能源故障特性和完善新能源故障暂态仿真模型方面具有重要意义。论文首先建立了符合国标要求的永磁风机电磁暂态仿真模型。通过为风机并网逆变器、机侧换流器和直流卸荷电路配置符合工程实际的故障穿越控制策略,使本文所建永磁风机模型满足国标故障穿越相关要求,并在此基础上定性分析了风场公共并网点故障时的风机故障特征,得出了风机并网点故障特征主要受并网逆变器故障控制策略影响的结论。其次,筛选了对风机并网点故障特征有直接影响的故障控制参数。通过推导永磁风机并网逆变器故障控制传递函数,并分析了锁相环、延时环节对故障传递函数的影响,筛选得到对故障特征有直接影响的待辨识参数,为后续参数辨识工作奠定基础。最后,提出了基于加速PSO算法的故障控制参数分步辨识算法。依据风机并网逆变器故障控制传递函数,对待辨识参数进行灵敏度分析,明确了各待辨识参数的辨识优先级,提出了故障控制参数分步辨识方法,并结合经过改进的PSO寻优迭代方程,最终解决了不同灵敏度故障控制参数无法同时精确辨识的问题,极大地提升了低灵敏度参数的辨识精度,并有效提高了参数辨识效率。依托实际工程参数在PSCAD/EMTDC仿真平台建模,利用仿真数据验证了本文所提参数分步辨识算法的可行性。

关键词：永磁直驱风机并网逆变器故障穿越控制参数辨识

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广域新能源系统源侧N-1故障穿越控制研究

广域新能源系统源侧N-1故障穿越控制研究

作者：高梦雅燕山大学

学位级别：硕士

近年来各地大停电事故的发生给社会带来很大的负面影响,英国大停电事故中一个突出特点是发电机故障后引起系统振荡导致新能源连锁脱网,从而加剧系统功率缺额。因此加强含可再生能源系统电网运行安全和响应对策分析具有重要意义。为了保... 详细信息

近年来各地大停电事故的发生给社会带来很大的负面影响,英国大停电事故中一个突出特点是发电机故障后引起系统振荡导致新能源连锁脱网,从而加剧系统功率缺额。因此加强含可再生能源系统电网运行安全和响应对策分析具有重要意义。为了保证新能源系统单一元件故障后不出现连锁脱网响应,维持最大供电能力,本文进行广域新能源系统源侧N-1故障穿越控制研究。首先,介绍新能源系统广域分层控制框架。其中底层为本地控制层,分析了光伏和储能单元的拓扑结构、输出特性及控制策略。光伏系统有功侧采用最大功率点跟踪控制,无功侧采用交流电压控制;储能单元采用恒功率控制,有功功率参考为调度时间内可连续释放的能量。顶层采用集中式能量管理策略,执行优化减载和广域控制算法并将调度结果发送到本地控制器,实现系统的能量管理和安全经济运行。其次,就国际大电网会议提出的110k V/20k V中压配电网进行安全域实时动态分析研究。以储能荷电状态和调度时间计算实时储能容量,对光伏发电和负荷进行短时预测,并计算系统各线路的最大传输容量,代入安全域数学模型中得到不同光伏出力情况下的安全域动态变化过程;还给出了同一光伏出力、不同源故障下的安全域对比结果。针对由于光伏接入和故障可能引发的电压越限问题,分析了考虑电压安全的实时安全域变化。然后,基于N-1安全域进行故障穿越控制研究。引入安全距离的概念对系统进行安全性评估,对不安全工作点通过优化减载和广域电压控制协同实现故障穿越。采用改进的粒子群算法切除非关键负荷,防止大面积停电事故的发生;广域无功-电压控制使系统整体电压偏差最小,无需有功削减,提高供电可靠性。最后,搭建MATLAB集中控制下基于RTDS的硬件在环实验平台,验证了所提故障穿越控制方案的有效性。MATLAB执行顶层控制中优化算法的运算,通过与RTDS的联合仿真将调度指令发送给本地控制器,在RTDS中进行底层系统及变换器仿真,其中光伏逆变器的控制部分通过硬件在环实现。

关键词：新能源系统广域分层控制实时储能容量 N-1安全评估故障穿越控制

大容量混合直流输电系统的故障穿越控制及保护配置方案

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大容量混合直流输电系统的故障穿越控制及保护配置方案

作者：詹清清北京交通大学

学位级别：硕士

混合直流输电系统同时具备常规直流的经济优势和柔性直流的技术优势,近年来成为直流输电领域发展的热点方向。完备、合理的控制策略和保护方案是保证混合直流系统可靠、安全运行的关键,本文从故障穿越控制和线路保护配置这两方面对大容... 详细信息

混合直流输电系统同时具备常规直流的经济优势和柔性直流的技术优势,近年来成为直流输电领域发展的热点方向。完备、合理的控制策略和保护方案是保证混合直流系统可靠、安全运行的关键,本文从故障穿越控制和线路保护配置这两方面对大容量混合直流系统展开研究。准确的电磁暂态仿真是开展各项研究的基础,也是验证理论分析的有力工具。本文基于葛洲坝-上海南桥直流改造工程与白鹤滩-江苏混合多端直流工程的实际参数,在PSCAD/EMTDC仿真平台上分别建立了LCC-MMC（Line Commutation Converter-Modular Multilevel Converter）型混合直流系统和受端混联型混合多端直流系统的电磁暂态仿真模型,通过对各种典型工况的仿真分析,验证了这两个模型的正确性,为后续控制策略与保护方案的研究奠定了基础。在故障穿越控制方面,首先分析得出LCC-MMC型混合直流系统无法穿越送端交流故障的原因:送端交流故障后其直流电压下降,而受端MMC的定电压控制使其直流电压保持不变,从而造成直流电流迅速减小,甚至出现断续现象。对送端交流系统故障时直流电流的暂态过程进行了解析,得到了直流电流及其过零时间的表达式,并通过了电磁暂态仿真的验证。深入揭示了直流电流在送端故障后的变化规律,为故障穿越控制提供理论依据。基于直流电流的暂态解析表达式及对MMC网侧无功与其直流电压关系的理论分析,提出了一种分段无功辅助型电流控制策略,通过从交流电网吸收无功功率的方式,有效拓宽MMC直流电压的下降范围,辅助实现故障后的定电流控制。为了兼顾故障穿越的快速性与稳定性,设计了分段无功辅助的控制模式,从故障瞬间到故障被穿越直至故障被切除,MMC吸入的无功可以随之自动转换。该控制在有效提升系统故障穿越能力的同时还能够维持功率的稳定传输,对常规直流的受端柔直化改造具有重要的工程应用价值。在线路保护配置方面,设计了一种适用于受端混联型混合多端直流系统的直流线路保护方案。受端高、低压换流阀的耦合作用以及多落点的结构给该系统的线路保护带来了新的挑战,结合各段直流线路故障特征的分析,沿用传统直流的主保护作为送受端直流架空线路的主保护,引入基于小波变换的行波保护作为受端高低压阀组间直流电缆线路的主保护,满足树状柔直线路保护对快速性和可靠性的要求,对混合多端直流输电的工程实践具有重要指导意义。

关键词：混合直流输电 LCC-MMC 直流电流解析故障穿越控制受端混联线路保护配置

面向海上低频输电系统的M3C故障穿越控制策略研究

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面向海上低频输电系统的M3C故障穿越控制策略研究

作者：赵宇航西安理工大学

学位级别：硕士

在“双碳”目标的驱动下,能源低碳化成为国际共识,清洁、低碳新能源在电力系统能源占比中大幅增长。随着风力资源获取由近海向中远海发展,为提升输送容量、提高电网灵活性,建立中远距离的新型输电系统成为必然的选择。具备交流和直流输... 详细信息

在“双碳”目标的驱动下,能源低碳化成为国际共识,清洁、低碳新能源在电力系统能源占比中大幅增长。随着风力资源获取由近海向中远海发展,为提升输送容量、提高电网灵活性,建立中远距离的新型输电系统成为必然的选择。具备交流和直流输电技术共同优势的低频交流输电技术(Low Frequency AC Transmission Technology,LFAC)成为中远海海上风电送出的首要选择。本文聚焦于海上低频输电系统交-交变换核心的模块化多电平矩阵换流器(Modular Multilevel Matrix Converter,M3C)控制策略的研究。发生故障时,M3C两侧将产生不平衡功率,盈余的功率导致M3C子模块电容过电压,严重损坏M3C器件,甚至威胁系统安全运行。因此,研究M3C不同故障情况下的穿越控制策略具有重要意义。本文针对M3C故障穿越控制需求。分析工/低频侧对称故障功率特性与M3C自身特征,提出了一种基于电压/电流分层的双端协调M3C对称故障穿越控制策略,根据不同故障严重程度调节M3C两侧功率；分析工/低频侧不对称故障功率特性与M3C控制器,提出了一种基于自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)的有功自适应 M3C不对称故障穿越控制策略,抑制系统不对称故障电气量。论文的主要工作如下:首先,分析了低频输电系统的拓扑结构及数学模型,设计了改进滤波电容前馈控制下的M3C双dq变换稳态控制策略与永磁直驱风机换流器稳态控制策略,构建了海上低频输电系统基础模型。其次,针对M3C变频器的对称故障导致的不平衡功率问题,揭示M3C双端协调故障穿越控制思想。对于M3C工频侧,以电流极限为界限,对电流内环进行电流分层再分配;对于M3C低频侧,利用M3C物理结构与子模块调节能力,以不同电压分层协调工频故障信息,对低频侧有功功率进行分级裕度调节。提出了基于电压/电流分层的双端协调控制策略,并设计了 M3C和风机两侧有通信协同控制。仿真验证所提方法在多种故障情况下仍能较好实现对称故障穿越,维持M3C两侧功率平衡,具备良好的故障电压抬升与子模块电容过电压抑制能力。最后,针对M3C不对称故障导致的不稳定功率问题,利用有功功率二倍频抑制与负序电流抑制间的固定关系,设计内环正负序有功功率自适应修正控制。在此基础上,基于自抗扰控制的改进M3C内环电流控制器,提出了基于自抗扰控制的有功自适应控制策略,并给出基于PI双控制参数的ADRC多控制参数整定简化方法。仿真验证所提方法实现了不对称故障穿越控制,在不对称故障下相较PI控制性能优越、谐波污染小、波形质量高。

关键词： LFAC M3C 故障穿越控制海上风电协调控制自抗扰控制故障特性

分布式电源接入电网故障穿越控制及短路电流计算

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分布式电源接入电网故障穿越控制及短路电流计算

作者：李智轩云南民族大学

学位级别：硕士

分布式电源(Distributed Generator,DG)在电网中渗透率不断提升,极大地改变了电网原有的潮流和短路电流的分布,其注入的短路电流将对继电保护和设备运行产生较大的影响。随着电力电子技术的发展,采用电力电子变流器接口并网的分布式电... 详细信息

分布式电源(Distributed Generator,DG)在电网中渗透率不断提升,极大地改变了电网原有的潮流和短路电流的分布,其注入的短路电流将对继电保护和设备运行产生较大的影响。随着电力电子技术的发展,采用电力电子变流器接口并网的分布式电源在电网中被广泛使用。对此本文将目前并网运行DG中占比较高的双馈感应电机(Double-fed Induction Generator,DFIG)和电流源型逆变型分布式(Inverter-Interfaced Distributed Generator,IIDG)电源作为研究对象,系统地开展了DFIG和IIDG的故障穿越控制策略、短路电流计算的研究。在此基础上基于序分量法进一步研究了的含多DGs不平衡电网短路电流迭代计算法。论文主要内容如下:1)通过分析故障阶段DFIG的转子电流暂态特性,验证了定子串联电抗对于抑制转子电流峰值和电磁转矩振荡的有效性,在此基础上提出了“定子串联不对称电抗+转子变流器(Rotor-side Converter,RSC)改进控制”的DFIG改进故障穿越控制方法。此外进一步研究了DFIG的故障电流机理,建立了DFIG的矢量控制模型。针对轻微和严重两种故障情况,考虑RSC持续励磁和撬棒(Crowbar)保护启动两种控制情况,推导定转子电流计算表达式。2)通过IIDG并网拓扑建立电压支持方程,确定实现最优电压支持控制的有功和无功电流分量分配。在此基础上通过对各电流分量进行约束修正,在满足电压支持控制目标的前提下兼顾满足了IIDG的运行约束。考虑前述IIDG故障穿越控制策略,对IIDG故障特性输出特性进行了研究。为了能反应IIDG的故障动态响应,同时建立符合传统短路电流计算的等效模型,结合IIDG的故障控制策略,类比传统同步发电机(Synchronous Generators,SG)提出了IIDG的次暂态,暂态和稳态通用故障等效模型。所建立的故障等效模型考虑了次暂态过程中短路电流峰值和暂态过程中IIDG短路电流与电网电压的交互影响。3)推导了不平衡电网的序等效建模方法,通过引入虚拟线路和虚拟节点同时结合广义Fortescue变化实现了不平衡电网的序等效建模。在此基础上结合前述建立的DG短路电流计算等效模型,建立了系统序节点电压方程。针对DG故障输出受其故障穿越控制策略以及并网点电压影响呈现非线性,提出了相应的短路电流迭代修正计算法。考虑到短路电流计算在实现精确计算的同时还应兼顾计算速度,通过引入广义极小残量(Generalized Minimum Residual,GMRES)算法对短路电流计算中的高维稀疏方程组进行迭代求解,在确保计算精度的前提下有效地提升了短路电流计算速度。最后,通过对比PSCAD仿真结果验证了所提方法的可行性和有效性。

关键词：双馈感应电机逆变型分布式电源故障穿越控制短路电流计算迭代计算

应用于交直流混合配电网的PET故障穿越控制

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现代电子技术 2022年第17期45卷 180-186页

作者：张丽萍袁至王维庆何山新疆大学电气工程学院新疆乌鲁木齐830047 新疆大学可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心新疆乌鲁木齐830047

电力电子变压器有望替代传统变压器成为交直流配电网的能量传输枢纽,当交流电网电压发生常见的单相跌落故障时,对电力电子器件及用户都会造成严重影响,需要其相应的故障穿越控制,保证电力电子变压器不会因故障闭锁脱网,并且维持其稳定... 详细信息

电力电子变压器有望替代传统变压器成为交直流配电网的能量传输枢纽,当交流电网电压发生常见的单相跌落故障时,对电力电子器件及用户都会造成严重影响,需要其相应的故障穿越控制,保证电力电子变压器不会因故障闭锁脱网,并且维持其稳定的运行状态。文中提出一种适合交直流配电系统的模块化多电平变流器型电力电子变压器拓扑,并设计各部分的控制策略。首先,采用序分量控制维持不对称故障下输入级电流和电压的稳定性,在此基础上提出一种无功分段补偿控制向网侧提供无功支撑,以实现故障期间的低电压穿越。其次,调制波信号中注入合适的三次谐波,抑制电压单相跌落时子模块电容电压波动,提高故障时直流电压的稳定性。最后借助Matlab平台搭建了仿真模型,验证了该拓扑及控制策略的正确性与可行性。

关键词：故障穿越控制交直流混合配电网电力电子变压器电压单相跌落序分量电容电压波动三次谐波注入无功分段补偿

交流不对称故障下MMC-HVDC系统的故障穿越控制研究

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电工电气 2022年第1期 1-7,23页

作者：张利牛冲宣周春雨刘庆邦中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司陕西西安710075 西安交通大学电气工程学院陕西西安710049

MMC-HVDC系统中交流电网发生不对称故障会导致三相电压不平衡,进而产生正负序分量影响系统的控制性能,严重时甚至引起换流站闭锁。介绍了MMC-HVDC系统的拓扑结构、工作原理以及数学模型。在分析交流不对称故障下系统运行特性的基础上,... 详细信息

MMC-HVDC系统中交流电网发生不对称故障会导致三相电压不平衡,进而产生正负序分量影响系统的控制性能,严重时甚至引起换流站闭锁。介绍了MMC-HVDC系统的拓扑结构、工作原理以及数学模型。在分析交流不对称故障下系统运行特性的基础上,设计了适用于交流不对称工况的MMC负序电流抑制器,用以抑制交流不对称故障下换流站的负序电流,并对此时系统直流侧电压存在二倍频波动的问题进行分析,提出了两相旋转坐标系下的PI解耦控制来实现对直流侧电压二倍频分量的抑制,使系统在交流不对称故障下具备故障穿越能力。在PSCAD/EMTDC建立仿真模型,验证了所提出的故障穿越控制策略的有效性。

关键词：柔性直流输电模块化多电平换流器交流不对称故障负序电流抑制电压二倍频波动抑制故障穿越控制

基于模型预测控制的风电场故障穿越有功无功优化控制策略

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电力系统保护与控制 2022年第2期50卷 12-20页

作者：崔挺李雪萍颜畅黄晟沈非凡王玎国网湖南省电力有限公司电力科学研究院湖南长沙410007 湖南大学电气与信息工程学院湖南长沙410082

电网故障易造成并网风电场内风力发电机端电压骤变进而导致风力发电机跳闸,威胁风电场的安全运行。提出一种基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的风电场故障穿越有功无功优化控制策略。首先,基于下垂控制,根据并网点(Point... 详细信息

电网故障易造成并网风电场内风力发电机端电压骤变进而导致风力发电机跳闸,威胁风电场的安全运行。提出一种基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的风电场故障穿越有功无功优化控制策略。首先,基于下垂控制,根据并网点(Point of Common Coupling,PCC)电压得出故障下的风电场总有功无功参考值。其次,基于风电场的预测状态空间模型与功率-电压灵敏度计算公式,建立以最小化各风力发电机端电压波动为优化目标的基于MPC的优化问题数学模型,求解得到各风力发电机有功无功参考值。在深度故障下,协调控制静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)补偿系统无功缺额以维持PCC电压稳定。仿真结果表明,所提控制策略能将PCC点电压与WT端电压快速有效地稳定在可行范围内,提升风电场的故障穿越能力。

关键词：风电场故障穿越控制有功无功协调模型预测控制静止无功发生器