新能源经柔直送出孤岛系统直流闭锁暂态特性分析

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基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电技术能为新能源并网提供交流电压支撑,为新能源的消纳提供了可靠的送出方式,是未来我国能源行业实现碳达峰、碳中和的重要发展方向。但是柔直系统由具备快速响应特性的电力电子设备组成,具有低惯量、弱阻尼的特点。对于真双极柔直电网来说,送端换流站某一极因内部故障等原因闭锁时,新能源机组无法匹配换流站功率盈余情况下电压电流发展速度,导致故障范围进一步扩大,甚至造成换流站等设备损坏。因此本文聚焦新能源经柔直孤岛送出场景,针对送端换流站闭锁后的暂态过程中过压过流问题,从柔直送出孤岛系统稳定运行原理、快速仿真模型、送端换流站单极闭锁功率盈余特性以及暂态过渡特性三方面进行了分析。主要研究工作如下:1)基于MMC的基本结构和数学模型分析了孤岛模式下柔性直流输电的控制方法,并推导了定V-f控制回路的传递函数,在PSCAD/EMTDC中搭建了新能源经双端真双极柔直送出孤岛系统仿真模型,进行了稳态控制仿真,验证了基础理论和模型的正确性。2)研究了 MMC的快速仿真模型,基于现有桥臂平均值模型的优点和局限性,针对此模型不能正确模拟MMC闭锁状态的问题,通过完善其拓扑结构和控制策略,提出了改进型桥臂平均值模型,然后对此模型进行仿真验证,从有效性和快速性两个方面与MMC的详细模型进行对比,验证了此模型模拟MMC各种运行状态的正确性和快速性,总结了此模型的特点和适用场合。3)分析了送端换流站单极闭锁后的功率盈余特性,根据非故障极转带功率能力,将功率盈余的耗散分为自消纳情景和非自消纳情景,针对非自消纳情景,使用交流耗能电阻来消耗盈余功率,仿真分析了两种情景下的电气量变化。然后提出了送端换流站单极闭锁后的暂态过渡过程分析方法,分别分析了系统暂态电流电压的直流分量响应和谐波分量响应,基于交直流侧等效回路和控制环节传递函数推导了直流电流和交流电压的解析表达式,同时分析了耗能电阻投入后的电气量变化,通过分析不同工况下过渡过程的差异性,总结了暂态过渡过程控制系统响应特性和关键电气量变化的影响因素。最后将响应分析结果同仿真模型结果进行对比,验证了所提方法的正确性。
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