電壓源型直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略 電氣工程專業(yè)

PAGEPAGE10第1章緒論1.1課題背景與意義因為傳統(tǒng)能源儲藏量不斷減少，環(huán)境污染不斷加劇，能源政策調(diào)整已在各國各地區(qū)普遍展開，基于可再生能源的清潔能源取代傳統(tǒng)能源勢在必行。上世紀(jì)末，旨在提高清潔能源消費比歐盟20:20:20計劃已經(jīng)制定完畢，2020202020%[1]SuperGrid等科研項目就此在，該項目意在完成泛歐洲的交直流混合輸電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，遠距離傳輸風(fēng)電、太陽能等可再生能源[2]。[3]202025%[4]。2.53kW，17000t/年標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)，[5-6]陽能發(fā)電基地已在西建設(shè)規(guī)劃。202034.1%，59.5%205040~45%。新的能源格局會逐步形成。不過太陽能、風(fēng)能是一種間歇性電源，隨機變化是其基本特征之一；而且從電力系統(tǒng)消納能力上來看，浪費可再生能源現(xiàn)象比較突出。在大規(guī)?？稍偕茉唇蛹{并網(wǎng)過程中，傳統(tǒng)交流電網(wǎng)具有明顯的電力設(shè)備、結(jié)構(gòu)及運行控制技術(shù)等缺陷。目前需要重點解決的是基于新的運行技術(shù)、電力設(shè)備、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)新能源格局。理論界正在逐步聚焦直流輸電技術(shù)。1.2國內(nèi)外研究概況與發(fā)展趨勢1.2.1電壓源直流輸電技術(shù)全球首條直流式輸電線路于80年代初輸電電壓等級低也在此且四十年內(nèi)直接制約了直流輸電技術(shù)發(fā)展。交流變壓器問世后，交流輸電技術(shù)就此成為各國各地區(qū)新寵。1929HVDC（HighDirectCurrenttransmission，技術(shù)）概念隨之被瑞典學(xué)者正式提出，其實質(zhì)上就是以汞弧1954年正式100kV、HVDC的標(biāo)志1977閥換流技術(shù)的十二座直流工程開始在世界各地投入運行。19581990VSC-HVDCSourceConverterbasedHVDC，）的全球首座試驗性工程，10kV，PWMIGBT兩電平三相換流站采用，至此，[7]。HVDClxible（性直流輸電，此后，為區(qū)別于常規(guī)HVDC，我國學(xué)者又用HVDCHVDC的基本特征主要包括優(yōu)勢比較突出：能獨立控制無功功率、有功功率，沒有無功補償需要；占地面積不大，模塊化易實現(xiàn)；即便無站間通信也可獨立運行、控制各換流站；能直接供電給無源交流系統(tǒng)而無需交流系統(tǒng)支持換相；能基于不同調(diào)制技術(shù)將交流輸出（接近正弦波）產(chǎn)生而無需過大的濾波容量；潮流反轉(zhuǎn)時不必將直流電壓極性改變，所以干式交聯(lián)聚乙烯材質(zhì)電纜可以直接用作直流線路，環(huán)境污染小。城市配電網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、多端直流輸電等領(lǐng)域均可應(yīng)用電壓源型HVDC[8-9]。2004年出現(xiàn)MMC（modularmultilevelconverter，01]VSC相比其開關(guān)損耗更低、輸出交流電波形和正弦更接近等，應(yīng)用前景更理想[13]。發(fā)展迅速的全控型大功率電力電子器件生產(chǎn)技術(shù)勢必會全面提升電壓源型高壓直流輸電工程的電壓與容量等級，顯著拓展其應(yīng)用范圍。及至2014年，15座電壓源型高壓直流輸電工程已在世界各地投運（表1-1），包括國內(nèi)的舟山五端直流輸電工程、南澳三端直流輸電工程[14-16]。額定電壓不斷增高、額定功率不斷增大、連接端數(shù)逐步增加是電壓源型高壓直流輸電工程發(fā)展的基本方向[17]。表1-1電源投流高壓電程況HVDC的發(fā)展包括三個階段，其一為[21]認為，直流電網(wǎng)實質(zhì)上是一種電能傳輸系統(tǒng)，由數(shù)量眾多的換流站基于直流線路連接而成構(gòu)與。HVDC1-1所示，其中電線路，。two-terminal系統(tǒng)實質(zhì)上是一種帶1-1(a)交流系統(tǒng)備用或同步交流系統(tǒng)互連常采用該系統(tǒng)。MTDC（multi-terminalHVDC，多端直流輸電）系統(tǒng)指的是利用三個1-1(b)MTDC并MTDC（DC如圖1-1(c)直流輸電技術(shù)發(fā)展來看，電壓源型直流電網(wǎng)是其未來發(fā)展的基本趨勢。直流線路直流線路交流電網(wǎng)(a)直流多端直流多端交流電網(wǎng)(b)直流電網(wǎng)直流電網(wǎng)交流電網(wǎng)(c)圖1-1直流電網(wǎng)形成示意圖1.2.2直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制措施MTDC[1]直流電網(wǎng)。（即主控制站（從控制站[23]基于此，有學(xué)者以主從控制理論為依據(jù)[24]將直流電壓偏差控制技術(shù)提出。也有人在。1.2.3直流電網(wǎng)故障特征。有學(xué)者對兩電平電壓源型換流器與直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了全面分析、建模，分析了電壓源型高壓直流電纜出現(xiàn)流經(jīng)高壓直流斷路器（極對地直流故障時）的短路電流直流故障發(fā)生過程中（風(fēng)場拓撲內(nèi)）的電壓源型換流器暫態(tài)特征，在此基礎(chǔ)上把兩電平電壓源型換流器直流側(cè)極間短路過程進行三階段劃分，且在具體。六端電壓源型直流電網(wǎng)直流故障特征是相關(guān)學(xué)者的研究主題，學(xué)者將直流故障定位。有學(xué)者分析了MMC中的橋臂過電流（直流側(cè)故障下），并將旁路開關(guān)與MMC子模塊并聯(lián)，以便其形成直流短路電流開斷功能。1.3論文基本架構(gòu)第一部分，全各各國戰(zhàn)略性能源分配及其調(diào)整方向簡述，同時闡述了直流故障特性研究概況及控制策略。第二部分，闡述了兩電平電壓源型換流器、MMC結(jié)構(gòu)流電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)（四種）的適用場景進行了分析。第三部分，直流電壓下垂控制流電壓偏差控制、，將主從-下垂協(xié)調(diào)控制技術(shù)提出PSCAD/ETMDC為基礎(chǔ)完成了制技術(shù)特征進行了研究，完成了主從-下垂控制技術(shù)的有效性驗證。第四部分，基于各種換流站出口處直流極間短路故障（三種典型拓撲直流電網(wǎng)）仿真對直流電網(wǎng)短路電流特征進行了分析；完成了混合式高壓直流斷路器的簡化、詳細仿真模型構(gòu)建，以單個直流節(jié)點極間短路故障（連接四類交流系統(tǒng)）為切入點，對直流斷路器的短路電流開斷屬性進行了仿真研究，對其開斷能力進行了驗證。第五部分，總結(jié)與展望。

第2章電壓源型換流器模型與直流電網(wǎng)拓撲分析2.1電壓源型換流器數(shù)學(xué)模型2.1.1兩電平電壓源型換流器2-levelVSC（電壓源型換流器）結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，其主要由三相橋臂構(gòu)成，每相橋臂的IGBT串聯(lián)而成每個。圖2-1兩電平電壓源型換流器結(jié)構(gòu)圖圖內(nèi)：VSC交流側(cè)電壓基波分量uc；VSC連接的交流系統(tǒng)電壓us；VSCabcica、icb、iccVSCa、b、c三相電流分量分別是isa、isb、isc；VSCVSC直流側(cè)電壓為VSC直流側(cè)電流為idcVSC直流側(cè)流入直流系統(tǒng)電流為id。圖2-2所示即兩電平VSC快速模型等效電路。圖2-2兩電平電壓源型快速模型等效電路圖內(nèi)：VSCVSC交流側(cè)等效三相abcucbuccLVSCabcusausbusc(2-1)式可為ucaucbucc滿足：（2-1）式內(nèi)：VSCa、b、cma、mb、mc式(2-2)所示為VSC交、直流側(cè)功率關(guān)系（開關(guān)損耗忽略條件下）：（2-2）VSCPdc(2-2)式便能獲得如（2-3）式所示的側(cè)受控電流源電流值：（2-3）可用（2-4）式表示三相電壓平衡條件下的VSC數(shù)學(xué)模型（dq0坐標(biāo)系）[]：式內(nèi)：VSCd軸分量為軸分量分別為isq；VSCd軸分量為ucd、qucqVSC連接的交流系統(tǒng)電壓d軸分量為usd、q軸分量為usq；VSC直流側(cè)電容為C、L；Sd、Sqdq(2-5)即為筆者dq變換矩陣：（2-5）式內(nèi)：交流系統(tǒng)電壓矢量（VSC連接）相位角為θ。分析上（2-4）式結(jié)果表明可以采用圖2-3來VSC等效電路（）VSC構(gòu)成多端直流系統(tǒng)（并聯(lián)）難度并不大[24]。圖2-3兩電平同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（電壓源型）下等效電路圖2-42-2和(2-1)式2-levelVSC進行二極管D1-D6加入圖2-2時可以組成三相不控整流橋，新快速模型即可建立，用于故障出現(xiàn)條件下交流電源通過二極管把短路電流饋入故障點通路進行模擬；同時將開關(guān)Brk設(shè)置成直流故障時打開、穩(wěn)態(tài)時閉合。圖2-4故障特性模擬適用的兩電平電壓源型快速模型udc/2，D1-D6圖2-4）Brk打開、IGBT，此時直流側(cè)udc0周圍D1-D6，基于分壓串聯(lián)，R1、R2可以將等于中性點O的電位獲得，全部為0.1MΩ（典型值）。2.1.2模塊化多電平換流器2-5所示。數(shù)個子模塊（SM）單一橋臂。SMSMSM實質(zhì)均能基于2-5所示的頂部為本文采用SM，其中：SMC橋臂電感為L；SM為SMN；SM電容電壓為UC；iarm；SMAA相下橋臂輸出電壓為Uarm_NA；AAIarm_NA；udc圖2-5半橋型子模塊MMC結(jié)構(gòu)圖如果UfudcAO（）直流側(cè)電壓以基爾霍夫電壓定律為依據(jù)（橋臂電感L壓降忽略時）則有下式：（2-6）如果UC0SM電容電壓額定值（），以(2-6)式為依據(jù)能將如下式所示的上橋臂投入SM數(shù)值、下橋臂投入SM數(shù)值求出：（2-7）2-5SM如果全部選擇A圖2-6快速模型原理圖（）A相上橋臂輸出電壓為A輸出電壓為Uarm_NA；A相上橋臂電流為A相下橋臂電流為Iarm_NA；A相上橋臂輸出電壓指令值為Uref_PA；ASMUC(1:N)所有半橋臂SM總數(shù)為N，所有SM觸發(fā)脈沖為SC(1:N)。SM的SMSM圖26制[]。以下即為前述快速模型的基本特征：所有SMSM各橋臂由受控電壓源替代；全面顧及SM觸發(fā)脈沖。SM六圖2-6半橋型子模塊MMC快速仿真模型仿真過程中，橋臂輸出計算、SM輸出電壓計算、SM電容電壓動態(tài)變化計算均與快速模型有關(guān)?；诘撞堪霕騍M（圖2-5）定義(2-8)式開關(guān)函數(shù)：（2-8）c或S2既定橋臂電流正方向（2-5）為依據(jù)完成了SM電容電壓動態(tài)過程描述：c（2-9）基于上式及梯形積分法能將下式中的SM電容電壓值表達式獲得：（2-10）式內(nèi)：上一時刻的電容電壓為Uc(t-Δt)，橋臂電流為Iarm(t-Δt)；當(dāng)前時刻的電容電壓為Uc(t)，橋臂電流為Iarm(t)；仿真步長為Δt。所有SM輸出電壓Usm表達式如下式所示：（2-11）圖2-5所示即為Usm測量位置、正負極定義。其中：所有SM串聯(lián)后輸出電壓和為所有SM橋臂輸出電壓Uarm；開關(guān)管壓降為Ucon。（2-12）式內(nèi)，第i個SM為上標(biāo)i，下式即為開關(guān)、橋臂電流、開關(guān)管壓降函數(shù)：（2-13）導(dǎo)通時前向壓降為IGBTRcon,igbt；IGBT導(dǎo)通時前向壓降為UFD,igbt。SMSMD2（SM）把短路電流提供給直流故障2-levelVSCD2能夠組成三相不控整流橋?；谌嗖豢卣鳂?，交流側(cè)電源即能將短路電流提供給直流故障點。圖27所示D1-D6；利用Brk實現(xiàn)半橋臂與直流側(cè)聯(lián)結(jié)。直流側(cè)正/交流端口對中性點電壓始終更小一些D1-D6D1-D6SMD2串聯(lián)條件下（）的電壓降總、D2導(dǎo)通條件下電阻總和為D1-D6直流側(cè)與橋臂的連接在發(fā)生直流故障條件下由開關(guān)Brk斷開。Brk開關(guān)邏輯信號反向于IGBTDeblkGT閉鎖時（Deblk=0，導(dǎo)通D1-D6Brk開斷（PSCA/EMTDC1IGBT導(dǎo)通條件下（Deblk1D1-D6，Brk閉合（PSA/EMTDC圖2-7故障特性模擬適用的MMC快速模型2.2直流電網(wǎng)典型拓撲[]2.2.1環(huán)形拓撲以直流線路為基礎(chǔ)把VSC連接成為環(huán)形直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)即環(huán)形拓撲（圖2-8VSC如果是N個環(huán)形拓撲NVSC障部位隔離開，可重新閉合斷路器（和故障點隔離）。圖2-8直流電網(wǎng)環(huán)形拓撲功率均由可能性，所以必需基于系統(tǒng)總?cè)萘縼碓O(shè)計線路額定容量。有學(xué)者基于供電電能質(zhì)量比較高；也有學(xué)者在可再生能源并網(wǎng)中應(yīng)用環(huán)形拓撲，以此對各種2.2.2輻射型拓撲VSCVSC如果為N個（中心節(jié)點除外）VSC路中的直流斷路器斷開，故障會因此而被隔離。圖2-9直流電網(wǎng)輻射型拓撲中心節(jié)點故障將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體癱瘓；。有學(xué)者認為，風(fēng)電廠并網(wǎng)最好采用輻射型拓撲[]。2.2.3網(wǎng)狀拓撲環(huán)形拓撲直流電網(wǎng)完成換流站間直流線路增設(shè)，以此讓直流電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格結(jié)2-10VSC數(shù)量為N個時，直流電網(wǎng)中的直流斷路器數(shù)量應(yīng)是(N+M)、線路駕設(shè)數(shù)量是(N+M)條。線路故障或VSC，故障隔離辦法同于環(huán)形拓撲。，線路設(shè)計容量低于環(huán)形拓撲。圖2-10直流電網(wǎng)網(wǎng)狀拓撲有學(xué)者基于網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)提出了能在超高壓直流電網(wǎng)（基于環(huán)形拓撲）構(gòu)建[]2.2.4混合結(jié)構(gòu)拓撲混合結(jié)構(gòu)拓撲由輻射型拓撲與網(wǎng)狀拓撲組成（圖VSC數(shù)量為N個、新增線路為M條混合結(jié)構(gòu)拓撲直流電網(wǎng)中的直流斷路器數(shù)量應(yīng)為(N+M)個，線路應(yīng)架設(shè)(N+M)條?；旌辖Y(jié)構(gòu)拓撲如果出現(xiàn)線路故障或換流站故障，相關(guān)線路斷路器斷開就可以。制靈活性，不過將復(fù)雜化故障隔離辦法。流電網(wǎng)穩(wěn)定性（）；部分學(xué)者指出，只要直流電網(wǎng)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)多交流系統(tǒng)間的聯(lián)網(wǎng)通常適用。圖2-11直流電網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)拓撲~~2.3本章小結(jié)全面闡述了直流電網(wǎng)典型拓撲與電壓源型換流器快速仿真模型。2-levelVSC工程實踐應(yīng)用比較普遍的兩種電壓源型換流器VSC2-levelVSCVSC2-levelVSC。

第3章電壓源型直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略3.1直流電網(wǎng)控制方法簡述Control）是這種技術(shù)中代表。；（2）DCMarginControl（制）是的代表。這種技術(shù)要求將數(shù)個換流站（）從[24][28][59]AutonomousConverterControl（）與DCDroop是這種技術(shù)的代表。流-直流電壓或[]。直流電壓控制功能的，如果其發(fā)生故障而終止運行或運行滯后，直流電網(wǎng)運行將會整體失穩(wěn)功率指令值再分配（工況變化條件下）功能實現(xiàn)，對潮流頻繁變化的直流電3.2典型直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法基于直流電網(wǎng)概念與特征，從一般性保持需要來看，筆者確定圖3-1中的五端直流電網(wǎng)單線圖為研究對象：圖3-1五端直流電網(wǎng)單線圖DC/DC52-levelVSC。14直流輸電系統(tǒng)，在岸邊DC/DC變換器升壓前提下，基于海底直流電纜和海上換流站5連接，五端直流電網(wǎng)（含輻射型結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)拓撲）至此形成。5得以連接DC/DC45向陸地輸送5此時屬于一臺3在具有12、4成為逆變站。3輸給51414為主體來闡述前文提及的各種。3.2.1主從控制法主從控制法3-1中的14全部采用1為主換流站，負責(zé)功率平衡，24負責(zé)海上風(fēng)場功率控制及其指令值跟蹤由5負責(zé)。圖3-2所示即為13的控制原理自交流系統(tǒng)流入直流電網(wǎng)方向為直流電網(wǎng)內(nèi)功率正方向。直流電壓恒定控制由換流站1負責(zé)，udcref直流電壓指令值；24負責(zé)P2、P4圖3-23-3(a)所示為13-3(b)所示則為24建模采用的外環(huán)控制器框圖。圖3-2主從控制方法示意圖下圖中：VSC交流側(cè)電流d軸分量指令值為isdref；外環(huán)控制器（功率控制站）功率指令值為Pref；isdref上限值為isdmax、下限值為isdmin。圖3-3主從控制外環(huán)控制器控制示意圖直流電壓控制能力失去時系統(tǒng)余入換流站控制模式才能實現(xiàn)。3.2.2主從備用控制法圖3-4主從備用控制外環(huán)控制器控制示意圖以下為換流站2的轉(zhuǎn)換功能與功能判斷設(shè)置：其本地直流電壓值如果為0.98pu1.02puisdref=1處于1.02pu或小于0.98puisdref=2直流電壓控制狀態(tài)。3.2.3直流電壓偏差控制法DCMarginControl（直流電壓偏差控制技術(shù)）屬于多點式控制技術(shù)。3-1中的14如果全部124則用于保持換流站5確保海上風(fēng)電場輸出指定功率控制.圖3-5為1控制原理圖（）向直流電網(wǎng)內(nèi)的方向。換流站1運行正常條件下?lián)Q流站1不工作狀態(tài)下圖3-5直流電壓偏差控制示意圖（a）內(nèi)：24P2、P3、P41直流電壓指令值為udcref；24直流電壓偏差值（上下限值之差）分別為Δudc3Δudc4。1因3-5(b)中，3-5(a)表明Δudc4>Δudc2>Δudc324324的設(shè)定備用優(yōu)先級順序會低于33在控制32假如無法控制直流電壓將由換流站2控制。而1（）在直流電壓最小值處（直流電壓備用控制站設(shè)定），。圖3-6即為換流站外環(huán)控制器（選擇直流電壓偏差控制時）控制框圖。圖3-6直流電壓偏差控制外環(huán)控制器控制示意圖圖內(nèi)：直流電壓備用站功率指令值（恒定功率狀態(tài)下運行時）為Pref；udcrefH、udeLisf上isdefaisefinisde1ide2、isde3udefH1.02p（408udcf0.98pu（392k3-6即其控制框圖PI3isdref3PI2isdref2PI3輸出上限值udcrefH和udcrefL過對應(yīng)于udcrefH或udcrefL定直流電壓控制模式將會取代。下式即為其控制邏輯：（3-1）主換流站一旦無法完成直流電壓控制，基于前述直流電壓偏差控制的直流電網(wǎng)無需通信就能將轉(zhuǎn)變直流電網(wǎng)控制模式、電壓控制站數(shù)次切換實現(xiàn)，和主從在單個時刻單一換流站控制直流電壓引發(fā)的較高的主控制換流站功率平衡壓力3.2.4直流電壓下垂控制法DCDroopControl（直流電壓下垂控制）技術(shù)是完成不同于主從控制技術(shù)、直流電壓偏差控制技術(shù)的一種3-1中14采用的全部是該技術(shù)風(fēng)場功率輸出跟蹤指令值控制由5負責(zé)。3-7所示即為采用該技術(shù)的14。圖3-7直流電壓下垂控制示意圖圖中：1-4功率指令值（和直流電壓指令值對應(yīng)）分別為P1、P2、P3、P4；udcref減小或增大；逆變站功率指令值絕對值將減小或增大。在任一換流站不工作導(dǎo)致系統(tǒng)功率缺額時，缺額將會由余下的各換流站一起承擔(dān)。圖3-8所示即選擇該技術(shù)的換流站外環(huán)控制器控制架構(gòu)圖。圖3-8直流電壓下垂控制外環(huán)控制器控制示意圖圖內(nèi)：控制外環(huán)輸出的誤差信號為e；換流站輸出功率值響應(yīng)直流電壓變化的響應(yīng)速率，即直流電壓響應(yīng)系數(shù)為r（MW/kV），1/r下垂特性斜率。垂外環(huán)控制器在直流電壓下結(jié)合直流功率控制器與直流電壓控制器如圖3-8所示，(3-2)式直接決定它的控制器偏差輸出值e：（3-2）下式為直流電壓響應(yīng)系數(shù)r與直流電壓下垂系數(shù)ρ關(guān)系：（3-3）式內(nèi)，udcref、Pmaxe0時：（3-4）（3-4）表明：ρρ=1。直流電壓、功率控制功能的換流站不止一座，備用換流站會補償電網(wǎng)內(nèi)的功率缺額無法精確跟蹤直流電壓和功率，比如直流電壓會因功率波動而有偏移現(xiàn)象。3.2.5主從下垂協(xié)調(diào)控制法直流電網(wǎng)功率平衡的換流站只有一座，直流電壓會有明顯變化，轉(zhuǎn)換過程因此出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。和壓控制、功率?；诖?，筆者主從-下垂協(xié)調(diào)控制技術(shù)提出。直流電網(wǎng)如果采用主從-下垂協(xié)調(diào)控制技術(shù)，確定制模式平穩(wěn)轉(zhuǎn)換（）。3-9即主從-。圖3-9主從下垂協(xié)調(diào)控制法示意圖上圖中，各換流站在直流電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時一起確保潮流平衡、直流電壓穩(wěn)定。潮流若有小幅變化，該部分功率波動由換流站1（主換流站）平抑，確保直流電壓處于定值，以免直流電壓偏移；如果主換流站故障不工作，余入各換流站一起補償，確保系統(tǒng)控制模式轉(zhuǎn)換平穩(wěn)。3.3不同控制方法仿真比較3.3.1直流電網(wǎng)仿真建模3-1PSCAD/EMTDC五端直流電網(wǎng)仿真模型構(gòu)建（3-10）。圖3-10五端直流電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上圖中，功率源（），VSC等效海上風(fēng)場（定功率控制）可采用。五端直流電網(wǎng)運行5負責(zé)14設(shè)定合適的啟動時序、VSC外環(huán)控制器來分析仿真結(jié)果。表3-1為五端直流電網(wǎng)內(nèi)各換流站額定參數(shù)。表3-1五端直流電網(wǎng)內(nèi)不同換流站參數(shù)直流線路（五端直流電網(wǎng)）建模采用的是π型等效電路，圖3-11即為等效電路。圖3-11π型等效電路圖內(nèi)：Rl；Ll；ClR0、L0C03-2即為（有效數(shù)字取4位）。表3-2五端直流電網(wǎng)線路參數(shù)3.3.2控制方法仿真分析3.3.2.1啟動時序分析設(shè)計啟動時序的基本原則24的環(huán)境DC/DC變換器將換流站5啟動，進行風(fēng)場功率接收。0s1連接交流系統(tǒng)；（2）0.1s124（4）1.0s45直流電壓（DC/DC）構(gòu)建；（5）1.9s海上風(fēng)場與5連接；（6）2.0s直流電網(wǎng)開始接納。14，以此完成四端直流系統(tǒng)的直流電壓、潮流構(gòu)建，至潮流穩(wěn)定，利用DC/DC變換器將換流站5啟動，實現(xiàn)風(fēng)場功率接納。此時，14連接0.5s同步解鎖-4下垂控制器，完成四端直流系統(tǒng)直流電45海上風(fēng)場連接5；2.0s，直流電網(wǎng)接納風(fēng)場功率。仿真結(jié)果研究400kV為800kV45，以此3-123-13為Vdcl1為1Vdcl2為2Vdcl3為3Vdcl4為4Vdcl5為5直流側(cè)電壓，它們的輸出功率分別是Pdcl15主從備用、直流電壓偏差控制分析圖3-12(a)、(b)和圖3-13(a)、(b)結(jié)果表明，按設(shè)定時序啟動五端直流電網(wǎng)（采用直流電壓偏差控制與主從備用控制）。0s，換流站1-4連接0.1s，10.2s左右1pu穩(wěn)定。0.5s240.8s至0.5s~0.8s之間從0增到1吸收。1.0s時DC/DC基于55（）1pu穩(wěn)定；2.0s~3.5s0不斷增加到1pu55后，1向交流系統(tǒng)接納至此實現(xiàn)。(a)主從備用控制（b）直流電壓偏差控制(c)直流電壓下垂控制(d)主從-下垂控制圖3-12不同控制方法的直流電壓仿真結(jié)果（啟動時序）圖3-13不同控制策略功率仿真結(jié)果（啟動時序）直流電壓下垂控制3-12(c)3-13(c)14：解14直流電壓下垂控制器2.0s0.82pu處穩(wěn)定1.0s：DC/DC551pu處穩(wěn)定；2.0s：0向峰值1pu逐步增加55的這些功能會向3.5s時1pu處穩(wěn)定14基于端直流系統(tǒng)電壓偏移就此出現(xiàn)。主從-下垂控制3-12(d)3-13(d)時序啟動，即：0s：4連接電壓構(gòu)建；0.1s：10.2s左右1pu時全部穩(wěn)定。0.5s：解鎖24下垂控制器后，各1DC/DC551pu穩(wěn)定；2.0s：-1pu逐步增加，換流站5直流側(cè)電壓會因此而出現(xiàn)短時增加現(xiàn)象，經(jīng)過換流站5，這部分功能會向1陸上交流系統(tǒng)與傳輸至此實現(xiàn)。對比分析化，變化也會同步出現(xiàn)。直流電壓不變，直流電壓下垂控制技術(shù)引起的小幅振蕩不會變出現(xiàn)。3.3.2.2風(fēng)功率波動4.0s：0.5s以800MW減小到400MW同時保持5.0s再次增大，且于0.5s以400MW增加到800MW。設(shè)五端直，800k45400kV。3-143-15所示為15的直流側(cè)電壓為Vdcl15、輸出功率為Pdcl15。主從-下垂控制、直流電壓偏差控制、主從備用控制分析圖3-14(a)、(b)、(d)及圖3-15(a)、（b)、(d)結(jié)果表明，4.0s4.5s1pu減小到0.5pu51；4.5s~5.0s0.5pu5、11pu周圍5.0s~5.5s5交流系統(tǒng)接納的來自1的功率增加，以此補償該部分功率增加。在此過程中，五端直流電網(wǎng)在可以為風(fēng)場功率傳輸穩(wěn)定性提供有效保障。直流電壓下垂控制314(c)315(c)5功率特性與直流電壓（）14性有明顯差異：4.0s~4.5s1414直流電壓、功率同時保持恒定；5.0s~5.5s14的功率、電壓同樣增到額定值。而且四端直流系統(tǒng)電壓在五端直流電網(wǎng)接收功率改變條件下回升有改變。對比分析五端直流電網(wǎng)如果選擇的是換流站下垂特性會導(dǎo)致直流電壓偏移現(xiàn)象一一出現(xiàn)。3-14各種控制法的直流電壓仿真結(jié)果（風(fēng)功率波動）主從備用控制(b)直流電壓偏差控制(c)直流電壓下垂控制(d)主從-下垂控制圖3-15各控制策略功率仿真結(jié)果（風(fēng)功率波動）3.3.2.3換流站2功率反向2功率反向過程，以此：4.0s2功率指令值從-400MW250MW/s800MW400kV800kV45。圖3-163-17五端直流電網(wǎng)各換流站（該站功率變化條件下）直流電壓、功率仿真結(jié)果，即15壓為Vdcl15、輸出功率為Pdcl15。主從備用控制等三種技術(shù)分析圖3-16(a)、(b)、(d)和圖3-17(a)、(b)、圖(d)結(jié)果表明：24.0s出現(xiàn)-0.5pu10.03pu以2功率反向結(jié)束，余下?lián)Q流站電壓原穩(wěn)定工作點恢復(fù)。直流電壓下垂控制3-16(c)3-17(c)結(jié)果表明，24.0s出現(xiàn)-0.5pu13、新運行點穩(wěn)定。(a)主從備用控制(b)直流電壓偏差?？?c)直流電壓下垂控制(d)主從-下垂監(jiān)控圖3-16各種控制方法的直流電壓仿真結(jié)果(a)主從備用控制(b)直流電壓偏差控制(c)直流電壓下垂控制(d)主從-下垂控制圖3-17各種控制方法的功率仿真結(jié)果對比分析2電網(wǎng)安全不利。3.3.2.4換流站1退出運行1退出運行過程，以便：1在4.0s閉鎖（有故障出現(xiàn)），無法控制直流電壓。設(shè)有800MW五端直流電網(wǎng)功率基準(zhǔn)值800kV45400kV。圖3-18、3-19五端直流電網(wǎng)換流站（換流站2功率變化時）直流電壓、功率仿真結(jié)果，即15壓為Vdcl15，輸出功率為Pdcl15。直流電壓偏差控制與主從備用控制技術(shù)3-19(a)、(b)結(jié)果表明，1在4.0s-0.75pu0迅速下降穩(wěn)態(tài)時于逆變工況運行，陸上四端直流系統(tǒng)此時會有3-18(a)、(b)而234），isf=“2模式到代其，補償系統(tǒng)功率失衡。四端直流系統(tǒng)此后1s內(nèi)有新穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)。3-6中的udcrefH2isdrefudcrefHPI環(huán)節(jié)輸出值在直流電壓外環(huán)投入前會隨時間變化而呈線性增加，投入后則isdref新穩(wěn)態(tài)。3-6主從-下垂控制與直流電壓下垂控制技術(shù)3-18(c)(b)3-19(c)(d)結(jié)果表明3-19(c)(d)中，1在4.0s終止工作03-18(c)(d)24的影響下會有0.1s蕩，隨之于新工作點重新穩(wěn)定。對比分析1流電網(wǎng)穩(wěn)定運行點過渡。且會基于1s-ρ1不工作條件下電壓增幅變小。(a)主從備用控制(b)直流電壓偏差控制(c)直流電壓下垂控制(d)主從-下垂控制圖3-18各控制法下的直流電壓仿真結(jié)果(a)主從備用控制(b)直流電壓偏差控制(c)直流電壓下垂控制(d)主從-下垂控制圖3-19各種控制方法下的功率仿真結(jié)果3.4本章小結(jié)原理及應(yīng)用-下垂協(xié)調(diào)控制策略提出PSCAD/EMTDC。

第4章直流電網(wǎng)短路電流研究與直流斷路器開斷特征4.1直流故障電流分布4.1.1選擇直流電網(wǎng)參數(shù)PSCAD/EMTDC及4-1(a)、(b)、(c)所示即為。PMSGDFIG額定參數(shù)：1000MW372kV，額定直流電壓±320kV；每一種拓撲內(nèi)，PMSG風(fēng)場輸出功DFIG4-1至4-3為(a)輻射型拓撲(b)環(huán)形拓撲(c)網(wǎng)狀拓撲圖4-1三類直流電網(wǎng)架構(gòu)示意圖表4-1三類直流電網(wǎng)線路技術(shù)參數(shù)（1）表4-2表4-31、32、4均2Ω（5除）。4.1.2短路電流仿真結(jié)果1）輻射型拓撲4個故障點均有直流故障出現(xiàn)時短路電流仿真結(jié)果如圖4-1。4-2(a)(b)(c)圖4-2(a)所示的3ms出現(xiàn)最大3、480pu）4-2(b)2.5ms出現(xiàn)最大70pu；4-2(c)3ms出現(xiàn)最大1、2。(a)第一組線路參數(shù)(b)第二組線路參數(shù)(c)第三組線路參數(shù)圖4-2短路電流仿真結(jié)果性。2）環(huán)形拓撲如圖4-3(a)(b)(c)圖4-1(b)中四個故障點直流故障分別發(fā)生后的短路電流仿真結(jié)果。圖4-3(a)3ms時來到3、44-3(b)3ms時來到4-3(c)3ms時來到1、280pu，兩組參數(shù)（對偶性）中，短路電流特征存在對偶性。(a)第一組線路參數(shù)(b)第二組線路參數(shù)(c)第三組線路參數(shù)圖4-3環(huán)形直流電網(wǎng)短路電流仿真結(jié)果3）網(wǎng)狀拓撲4-4(a)(b)(c)圖4-1(c)中的四個故障點直流故障分別出現(xiàn)后的短路電流仿真結(jié)果（a）第一組線路參數(shù)（b）第一組線路參數(shù)（c）第一組線路參數(shù)圖4-4網(wǎng)狀直流電網(wǎng)短路電流仿真結(jié)果圖4-4(a)所示3ms時來到3、4圖4-4(b)所示3ms時來到3、2圖4-4(c)所示3ms時來到390pu，且每2、3故障出現(xiàn)后的短路電流全部大于1、4。4）小結(jié)和單一直流節(jié)點時短路電流增速相比，極間短路故障出現(xiàn)后短路電流會更迅速的增大，且短路電流峰值更高；改變直流電網(wǎng)拓撲等時會同時改變直流故障最大短路電流；網(wǎng)狀拓撲直流電網(wǎng)短路電流通路比輻射型、環(huán)形直流電網(wǎng)相比多，所以其短路電流峰值更高；環(huán)形、輻射型直流電網(wǎng)線路參數(shù)選取與最大短路電流對應(yīng)故障點分布有對偶特征。4.2混合式HVDCB工作原理與仿真建模4.2.1高壓直流斷路器IGBT閉銷方法對電流切開。電流切斷。所以，快速高壓直流斷路器設(shè)計的難點比較多，比如：需有開斷故障電流時系統(tǒng)存儲大容量耗散功能；需承受大故障電流上升速率；操作過電壓不應(yīng)太高；可以快速檢測故障。圖4-5機械振蕩型直流斷路器結(jié)構(gòu)。無源直流斷路器圖如圖(a)，出現(xiàn)L、C避雷器隨之吸引并消耗。有源直流斷路器如圖4-5(b)，S1在出現(xiàn)故障后C障電流開斷方法同上。(a)無源型(b)有源型圖4-5振蕩型直流斷路器電路連接示意圖因為必需通過特定時間，機械振蕩型直流斷路器才能投入，而且其需要更高準(zhǔn)的振蕩電感、電容，直流電網(wǎng)故障電流開斷時間、成本標(biāo)準(zhǔn)無從滿足。有學(xué)者主張采用4-6通流回路需較多器件串聯(lián)。圖4-6固態(tài)直流斷路器電路連接示意圖。4-7即為。圖4-7混合式直流斷路器拓撲架構(gòu)圖混合式高壓直流斷路器由電力電子器件與機械式開關(guān)組成，額定電流2kA額定電壓320kV，9kA故障電流可于5ms[]。高壓2.5ms3kA流7.5kA、180kV成為研發(fā)機構(gòu)的下一目標(biāo)4.2.2混合式HVDCB運行原理4-8所示為SMSM混合式高壓直流斷路器快速隔離開關(guān)輔助斷路器混合式高壓直流斷路器快速隔離開關(guān)輔助斷路器限流電抗器主隔離開關(guān)主斷路器以下為混合式HVDCB動作過程（圖4-8）：HVDCBIGBT此時IGBT路快速隔離開關(guān)有輔助斷路器流通，主斷路器無電流；IGBTIGBT；基本清除故障后，主隔離開關(guān)動作，剩余故障電流開斷，隔離故障，在確保直流電網(wǎng)其余部分運行穩(wěn)定基礎(chǔ)上對避雷器組熱超載可能性進行預(yù)防。故障電流上升速率形成約束0.1H。，短時過電壓由快速隔離開關(guān)與主斷路器承受。4.2.3混合式HVDCB仿真建模4.2.3.1參數(shù)設(shè)計（1）輔助旁路額定容量電子器件，所以其只有數(shù)伏壓降（圖4-8）。320kVHVDCB最大極間電壓（取決于避雷器組保護水平）將由其。兩端直流系統(tǒng)（320kV2kA）內(nèi)，必需以避雷器組動作后極間電壓為依據(jù)來設(shè)計HVDCB輔助旁路快速隔離開關(guān)額定電壓，即2kA、基于既設(shè)1kVIGBT。（2）主斷路器額定容量斷開主斷路器，無電流流過，僅有輔助斷路器數(shù)伏電壓（幾伏）需承擔(dān)。320kV2kA9.5kA短路，所以主斷路器必需設(shè)計額定電流9.5kA、額定電壓960kV?；诩仍O(shè)的960kVIGBT4.2.3.2仿真建模（1）詳細開關(guān)模型以PSCAD/EMTDC為依據(jù)將詳細開關(guān)模型建立如圖4-8所示IGBT分別為160、2個0.1H。2-levelVSC320kV2kAVSC4-9所示為其結(jié)構(gòu)圖。圖4-9混合式HVDCB測試電路HVDCB1msHVDCBIGBTIGBT1.7msIGBTHVDCB中直流電壓迅速增加；避雷器組消耗短路電流過程中，直流電壓降到殘值。圖4-10中的HVDCB電流、電壓值分別為iHVDCB、vHVDCB。圖4-10混合式HVDCB開斷電壓與電流圖4-11所示為HVDCB故障電流開斷過程中的電流換路過程。圖4-11混合式HVDCB電流換路過程0s：直流線路極間出現(xiàn)短路故障，輔助斷路器內(nèi)電流立即增大；1msHVDCBIGBT快速隔離開關(guān)閉鎖IGBT，觸發(fā)避雷器組，二次電流換路完成，短路電5msHVDCB快速性標(biāo)準(zhǔn)吻合。簡化開關(guān)模型簡化模型構(gòu)建（4-12）圖4-12混合式HVDCB簡化模型GTGT1、3IGBT及其正并聯(lián)二極管等效由2、4負責(zé)，單一避雷器1、2主回3、41106Ω；R12=8.510-5Ω；R13=6.2510-5Ω；R14=8.510-5Ω；R21=801106Ω；R22=808.510-5Ω；R23=806.2510-5Ω；R24808.510-5Ω；二極管反向截止電阻1106Ω；6.2510-5Ω；IGBT8.510-5Ω。4-9HVDCB4-13為其。其中：詳細開關(guān)模型電壓值vdet，電流值idet；詳細開關(guān)模型簡化模型vsim，電流值isim。HVDCB詳細開關(guān)模型與簡化模型外特性一致。(a)電壓特性對比(b)電流特性對比圖4-13混合式HVDCB簡化模型與詳細模型特性比較4.3和各種交流系統(tǒng)連接的直流節(jié)點短路電流開斷特性直流節(jié)點和各種交流系統(tǒng)連接圖如圖4-14。其中：交流負荷電阻值為Rac；交流電壓源間電路電阻為R；idc；Rdc、Ldc。圖4-14各種交流系統(tǒng)和直流節(jié)點連接圖交流電壓源交流電壓源330kV，交流側(cè)額定電壓372kV，直流側(cè)額定