当前位置：文档之家 › 柔性直流输电的系统实验

柔性直流输电的系统实验

  • 格式：pdf
  • 大小：529.26 KB
  • 文档页数：5

第31卷第9期 2008年9月合肥工业大学学报(自然科学版)JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GYVol.31No.9 Sept.2008收稿日期:2007 09 17基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(070412062)作者简介:刘 淳(1982-),男,安徽合肥人,合肥工业大学硕士生;张 兴(1963-),男,上海市人,合肥工业大学教授,博士生导师.柔性直流输电的系统实验刘 淳, 张 兴, 谢 震(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009)摘 要:通过分析dq 0坐标系下电压源换流器(V SC)模型,获知基于V SC 的柔性直流输电系统(Flexible HV DC)可以通过对d 轴电流分量和q 轴电流分量的解耦控制,获得有功功率和无功功率的独立控制;并基于此设计了柔性直流输电系统换流站的控制器,利用电网电压的前馈控制获得了对功率传输的灵活、准确调节;实验结果表明了方案的正确性,整个系统具有良好的动静态特性。

关键词:电压源换流器;柔性直流输电;功率传输;前馈控制中图分类号:T M 721 1 文献标识码:A 文章编号:1003 5060(2008)09 1347 05Experimental research on the flexible HVDC systemLIU Chun, ZH ANG Xing, XIE Zhen(School of E lectric E ngineering an d Automation,H efei U nivers ity of T echnology,Hefei 230009,Chin a)Abstract:Through the analysis of v oltage source converter(V SC)equations in the dq 0co ordinate sys tem,it is learned that the activ e pow er and reactive pow er in the flexible H VDC system can be inde pendently controlled by the d ax is cur rent component and the q axis current com po nent.The co ntro l lers o f tw o VSCs are designed,and through the feedforw ard co ntro l,accurate r eg ulation of pow er tr ansfer is achieved.T he ex perimental results hav e validated the contro l scheme.T he sy stem has goo d char acters in both steady state and dynamic state.Key words:voltage source converter(VSC);flexible H VDC;po w er transfer;feedforw ard co ntro l 随着电力电子技术的发展,基于VSC 的直流输电技术已被ABB 公司应用于北美、欧洲的多项电力工程中[1-2],其高度的经济性、灵活性、可控性以及相对交流输电的巨大优势,已引起我国相关电力工作者的注意。

目前国内对柔性直流输电技术的研究处于起步阶段,其中浙江大学建立了较为完善的系统仿真模型[3-4],为柔性直流输电系统的实现奠定了一定的理论基础,但系统控制策略基于间接电流控制,系统的动态响应速度慢,不适合工程实现。

本文通过分析柔性直流输电系统的稳态运行特性,从工程应用角度设计出了完整的基于dq 0坐标系的稳态控制器,其主要特点如下:(1)通过对d 轴电流和q 轴的解耦控制实现了有功功率和无功功率的解耦控制,实现了灵活调节功率流和单位功率因素控制。

(2)基于电网电压的前馈控制,在使系统获得快速功率响应的同时,提高了系统运行的稳定性。

在此基础上,设计制造了柔性直流输电原理样机,实验结果表明了理论分析的正确性。

1 柔性直流输电系统工作原理柔性直流输电系统基本结构为一对通过直流母线连接的背靠背电压源换流器(V SC)。

图1所示为典型的2电平VSC 结构。

系统运行时,VSC 与交流侧交换有功功率和无功功率,而直流母线上仅传递有功功率。

图1 2电平VS C 结构VSC 换流站交流侧矢量关系如图2所示。

当以电网电动势E 为参考时,通过控制交流电压矢量V 即可实现换流站的4象限运行。

若假设不变,在这种情况下,换流站交流电压矢量I 端点运行轨迹构成了一个以交流电感电压V L 为半径的圆。

而当电压矢量V 端点运行于不同的圆轨迹点时,换流站就可以表现出不同的功率特性[5]。

实际系统运行中,为了保证直流侧稳定,一端换流站必须采用定直流电压控制方式,而只需控制另一端换流站的交流电压矢量就可以控制整个系统的功率流向,假定控制AC 2端VSC 的交流电压矢量,由此可得:当V L 端点在矢量圆上的不同段运行,可表现为不同的系统运行特性,实现完全自由的功率传输。

图2 换流站交流侧稳态矢量关系很明显,要实现柔性直流输电系统的电能灵活传输,关键在于定功率控制侧VSC 的网侧电流的控制。

2 柔性直流输电数学模型交流侧三相微分方程的矢量形式为d i dq 0d t =u sabc L -u cabc L -Ri abcL(1)对(1)式进行PARK 变化,可得d i dq0d t =u sdq0L -Ri dq0L -u cdq 0L -C (d (C -1)d t)i dq0(2)其中,C 为PARK 变换矩阵。

而对于直流侧,则有i L -i dc =Cd u dcd t(3)假设稳态情况下三相对称运行,并令交流侧A 相电压初相角为0,即u sq = u SQ ,u sq =0并令 L 为基波电抗X ,换流站和变压器等效阻抗为R,则(2)式可以简化为u cq =Ri q +u sq -X i d u cd =Ri d +X i q(4)对于直流输电系统来说,最关心的是换流站吸收或输出的有功功率和无功功率,其中有功功率P 为P =[i a i b i c ]u cau cb u cc=[i d i q i 0](C -1)T C -1u cdu cqu c0(5)于是可以得到P =32(u cd i d +u cq i q )=32[u sq i q +R (i d 2+i q 2)](6)同理可得稳态的无功功率为Q =32(u sd i q -u sq i d )=-32u sq i d(7) 在柔性直流输电系统中,(6)、(7)式具有比较明确的物理意义,如果系统侧为大电网,u sd 为定值,系统传输的功率远大于换流站和变压器的损耗R(i 2d +i 2q ),系统损耗可以忽略。

由上述分析可以看出,换流站的有功功率和无功功率分别只与d 轴电流和q 轴电流成正比,此模型的有功和无功是完全解耦的,通过控制d 轴电流和q 轴电流就可以直接控制换流站发送或者输出的有功功率,这也是设计柔性直流输电定有功功率和定无功功率控制器的理论基础。

综合上文,可以得到系统控制结构如图3所示。

VSC1换流站采取定直流电压控制方式和定无功功率控制方式。

VSC2换流站采取定有功功率和定无功功率控制方式。

3 柔性直流输电实验系统设计为保证系统具有良好的稳定性和快速准确的功率响应特性,控制系统在定直流电压VSC 端采用基于电流内环和直流电压外环的双环结构设1348合肥工业大学学报(自然科学版)第31卷计。

定有功功率和定无功功率V SC 端采用基于电网电压前馈的直接功率控制方式。

图3 柔性直流输电控制结构3 1 定有功功率和定无功功率控制器设计定有功功率控制器和定无功功率控制器的设计目的,在于实现有功功率和无功功率的完全独立控制和对功率给定值快速、准确的跟踪,满足能量传输需求。

由(6)、(7)式所示,有功功率和无功功率与d 轴电流和q 轴电流成正比关系,所以在dq 坐标系下实现电流的解耦控制,就同样可以实现有功功率和无功功率的解耦控制;同时由(6)、(7)式可以知道,引入电网电压d 轴分量作为前馈量即可实现电流环电流指令对功率给定的准确跟踪。

当电流调节器采取PI 调节器时,V d 、V q 的控制方程如下:v q =-(K iP +K iI s)(i q *-i q )- L i d +e q v d =-(K iP +K iIs)(i d *-i d )+ L i q +e d(8)结合前馈量电网电压d 轴分量并忽略系统损耗,可以得到定有功功率和定无功功率的控制模型如图3中的V SC2端控制结构。

目前相关文章在仿真定有功功率和定无功功率控制方式时给出的是双环结构[6,7],即引入有功功率和无功功率的反馈,然后在其后级加入一个PI 调节器,最终给出电流内环指令。

但是在电压初始相位角定位准确的前提下,电网电压的有功分量对电流内环不构成扰动,外环在此作用并不明显。

最终可以得到如图4所示的功率控制结构图,其中T s 为电流内环采样周期(即亦为PWM 开关周期);K PWM 为桥路等效增益,取值为直流侧电压的一半;R 和L 为交流侧等效电阻和电感,R 的取值为 L 的0 2倍。

图4 定有功功率控制策略结构为了实现对功率给定值快速、准确的跟踪,应使电流内环具有足够的快速性。

为此,可将电流内环控制系统校正为典型I 型系统[8],当考虑功率控制需要较快的跟随性能,可按典型 型系统设计该调节器,只需要以PI 调节器的零点抵消电流控制对象传递函数的极点就可,校正后,可得到控制系统的开环传递函数为W o i (s)=2K i p K PWM ( i s +1)3u sq R i s(1 5T s s +1)(1+(L /R)s)(9)其中, i =K i P /K i I 。

在本实验系统中,开关频率为f s =10kH z,而输出频率为50H z 。

一方面,为了克服谐波。

电流内环频带 i 应远低于PWM 开关频率f s ,通常 i <f s /5=2kH z ;另一方面,为了实现对功率指令的跟踪,电流内环频带应远高于输出频率f 0,通常 i >10f 0=500H z 。

综上,可使电流内环系统的自然谐振频率 n i 在1kH z 左右调整。

另外为保证对功率给定跟踪的快速性,设计动态特性指标如下:调整时间t s <2ms ,最大超调量!i <10%,上升时间t r <0 3ms 。

合集下载

柔性直流输电技术的应用探究

柔性直流输电技术的应用探究

柔性直流输电技术的应用探究柔性直流输电技术（Flexible DC Transmission, FDCT）是一种新型的输电技术，它采用直流电压进行能量传输，可以有效地解决传统交流输电技术的诸多问题，具有输电损耗小、占地面积小、环境污染小等优点。

随着科技的不断进步，柔性直流输电技术已经开始在实际工程中得到广泛应用。

本文将就柔性直流输电技术的应用进行探究，分析其在电力系统中的优势和发展前景。

一、柔性直流输电技术的原理与特点1. 原理柔性直流输电技术是一种通过控制直流电压和电流来实现能量输送和分配的技术。

其核心是采用高性能的功率电子设备对直流电压进行控制，以实现灵活的功率调节、电压调节和频率调节。

通过控制系统可以实现功率的快速响应和精确调节，使得柔性直流输电系统能够适应复杂多变的电网工况。

2. 特点（1）输电损耗小：相比于传统的交流输电技术，柔性直流输电技术在能量传输过程中损耗更小，能够有效节约能源。

（2）占地面积小：柔性直流输电技术所需的设备相对较小，可以在有限的空间内实现高效的能量传输。

（3）环境污染小：柔性直流输电技术的设备采用先进的电力电子元件，不会产生有害的电磁辐射和废气排放，对环境友好。

二、柔性直流输电技术在电力系统中的应用1. 长距离电力输送柔性直流输电技术在长距离的电力输送中具有明显的优势。

传统的交流输电技术在长距离输电过程中会出现较大的输电损耗，而柔性直流输电技术可以通过控制系统实现功率的精确调节，大大减小了输电损耗，提高了输电效率。

2. 大容量电力输送由于柔性直流输电技术具有较高的电压和电流调节能力，能够实现大容量的电力输送。

在大规模工业园区、城市用电中心等场景下，柔性直流输电技术可以有效地满足电力需求，支持电网的高容量输电。

3. 电力系统稳定性改善柔性直流输电技术在电力系统中的应用可以提高系统的稳定性。

通过柔性直流输电技术可以实现快速的电压调节和频率调节，对电网负载波动具有较强的适应能力，有助于降低电网的故障率和提高电网的可靠性。

柔性直流输电技术在电力系统中的应用研究

柔性直流输电技术在电力系统中的应用研究

柔性直流输电技术在电力系统中的应用研究近年来，随着电力行业的快速发展和电力需求的不断增长，传统的交流输电系统已经难以满足日益增长的电力需求。

而柔性直流输电技术作为一种新兴的输电方式，具有高效、高可靠性的特点，渐渐成为了电力系统中的研究热点。

柔性直流输电技术是一种在输电线路上应用直流电而非交流电进行能量传输的技术。

与传统的交流输电系统相比，柔性直流输电技术具有很多优点。

首先，直流输电相对于交流输电来说，能够减少输电线路上的功率损耗。

因为在输电过程中，交流电会因为电流的频繁改变而产生电力损耗，而直流电则能够减少这部分损耗。

其次，柔性直流输电技术还具有更好的稳定性和可靠性。

由于直流电的稳定性更好，输送的电力更加稳定，能够降低系统的故障率。

此外，柔性直流输电还能够实现电力系统的远距离传输，跨越大范围的地理区域。

目前，柔性直流输电技术已经在许多国家得到广泛应用。

例如，中国的新疆地区就采用了柔性直流输电技术，将清洁能源输送到东部工业区。

在这个项目中，通过柔性直流输电技术，将远离东部地区的风电和太阳能电站产生的电力通过高压直流输电线路输送到东部工业区。

这不仅减少了传统交流输电线路的功率损耗，还提高了系统的可靠性和稳定性。

除了在清洁能源输送方面，柔性直流输电技术还可应用于城市电力系统和建筑物供电系统的升级改造。

传统的交流输电系统在输电距离过长或者载荷变化大的情况下，往往会出现电压损失、电力波动等问题。

而柔性直流输电技术则可以通过调整直流电的电流和电压来实现对电力系统的精确控制，保持系统的稳定运行。

另外，柔性直流输电技术还具有辅助电压调整功能，能够在电力系统中起到重要作用。

在传统的电力系统中，往往需要通过调整发电机的输出功率来实现电压的调节。

而柔性直流输电技术则可以通过直流电压调整模块来实现电压的精确调控，减少发电机的运行负荷，提高系统运行的灵活性和经济性。

柔性直流输电技术的应用研究还面临一些挑战和问题。

首先，其成本较高，需要大量的投资。

基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统设计

基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统设计


行 模 拟 ，以 期 验 证 换 流 阀 设 计 是 否 符 合 要 求 。首先 介绍了基于M M C 的柔性直流输电换流阀试验系 统的主回路和控制系统设计，并针对某集团研制 的换流阀组件进行了测试，验证了试验系统的正 确性和实用性。
2 MMC换流阀及其运行特性 2.1 M M C 换流阀基本结构
图 la为 M M C 型直流输电拓扑，换流器的各 桥 臂 由 图 lb 所示的子模块串联构成。
此处设计了一种基于M M C 的柔性直流输电 换 流 阀 试 验 系 统 。该 试 验 系 统 采 用 等 效 试 验 方 法 ， 对换流阀在稳态和暂态运行工况下的主要应力进
25
第 55卷第6 期 2021年 6 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.55, No.6 June 2021
式 中 ：/2f为 2 次 谐 波 环 流 幅 值 ; 为 其 初 相 角 。
3 试验应力
换 流 阀 承 受 过 应 力 是 其 失 效 的 根 本 原 因 ，分 析换流阀不同工况下的应力是研宄换流阀等效试 验方法及开发试验电路的基础。换流阀失效主要 发生在运行工况下，因此此处仅关注换流阀在稳 态和暂态运行工况下的应力。 3.1 稳态应力
LIU Jing-yi1,2, D O N G Chao-yang1,2, JI Pan-pan1,2, Y A N G Feng-yuan1,2
( l . X J Electric L td., X uchang 461000, China) Abstract：The converter valve is core module to complete power conversion in the flexible high-voltage DC transmis­ sion project.Its operational reliability is directly related to the stability of the entire direct current (DC) transmission sys­ tem. Therefore, the converter valve needs to be strictly type tested.The operation test is an important part of the type test,which mainly detects the resistance of the converter valve to current, voltage and temperature stress.According to the actual engineering operating conditions of the modular multi-level converter (MMC) voltage source converter valve, an equivalent test method is adopted to design a MMC-based flexible DC transmission converter valve test system,which can realize the steady-state operating condition of the converter valve simulate with transient working conditions, and then realize the inspection of the on,off and related current characteristics of the converter valve.The main circuit de­ sign and control system design of the MMC-based flexible DC transmission converter valve test system are introduced in detail, and the actual engineering converter valve is assembly taken as the test object to verify the correctness and practicability of the designed MMC-based flexible DC transmission converter valve test system. Keywords ： flexible direct current transmission ；converter valve；modular multi-level converter Foundation Project ：Supported by Major Science and Technology Projects in Henan Province( No. 191110210900)
电力系统中的柔性直流输电技术研究

电力系统中的柔性直流输电技术研究

电力系统中的柔性直流输电技术研究随着人类社会的快速发展和工业化进程的不断加速，电力的重要性已经愈发凸显。

然而，传统的交流输电方式存在众多的缺陷，因此柔性直流输电技术应运而生。

柔性直流输电技术是指通过直流电进行电力输送、流量控制和系统稳定控制的一种新型电力传输技术。

这项技术早在上世纪80年代就已经开始研究，近年来也得到了快速发展和广泛应用。

在电力系统中，柔性直流输电技术主要被应用于高压直流输电、大容量输电等领域。

相比于传统的交流输电方式，柔性直流输电技术显然具有更多的优势。

首先，柔性直流输电技术可以实现电力的快速传输和高效控制。

由于它采用了直流电进行输送，可以有效减少电力传输过程中的功率损耗，同时也可以灵活控制电流、电压等参数，以达到更高的电力输送效率。

其次，柔性直流输电技术还可以提高电力系统的可靠性和稳定性。

传统的交流输电方式容易受到电压、频率等不稳定因素的影响，从而导致电网的故障、停电等问题。

而柔性直流输电技术则可以通过精密的控制系统，实现对电力流量的调节和系统稳定的控制，提高电网的可靠性和抗干扰能力。

最后，柔性直流输电技术还具有更小的空间占用和环保优势。

随着城市的快速发展和人口的不断膨胀，传统的交流输电方式不仅需要占用大量的土地和空间，而且还会对周围环境造成一定的噪音和辐射污染。

而柔性直流输电技术可以通过更紧密的线路布局和更先进的电力传输技术，实现更小的空间占用和更低的环境影响。

总的来说，柔性直流输电技术的应用和发展对于电力系统的优化和升级具有重要的意义。

未来，在技术不断迭代和创新的基础上，柔性直流输电技术还将逐步实现更加智能化、高效化和可持续化的电力传输体系，在为经济社会的发展和人民生活的改善做出更多贡献的同时，也为推进能源革命和全球环保事业做出应有的贡献。