换流器

1月31日，湖北随州广水100%新能源新型电力系统科技示范工程能量路由器60兆瓦换流器带示范区满功率运行试验顺利完成。试验过程中，换流器及其控制保护系统无任何故障和异常报文，为实现县域级高比例可再生能源电网稳定运行以及源网荷储动态平衡奠定了坚实基础。

高压直流(high voltage direct current，HVDC)换流器具有一定的动态无功调节能力，充分利用换流站的无功调节能力，可显著改善HVDC系统的稳定性能。文中研究了HVDC系统稳态运行时的无功功率可调节能力，分析了有功功率和无功功率相互耦合的特性，以国际大电网(conference International des grands reseaux electriques,CIGRE)的HVDC标准测试模型和贵广Ⅱ直流输电工程模型为算例，对稳态工况的直流电流可运行范围进行了解析，进而求出整流、逆变两侧的无功功率可调节能力，并将其应用在无功控制中。研究发现，CIGRE的HVDC标准测试模型对于容性的无功功率和感性的无功功率调节能力相近，而贵广Ⅱ直流输电工程模型对感性无功的调节能力远大于对容性无功的调节能力。在电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC中验证了无功功率可调节能力的正确性和应用价值。

针对限流电抗器安装在换流站出口，基于线路边界元件特性的多端柔直电网线路保护难以适用的问题，提出了基于换流站不同出线低频暂态能量比值的多端柔直电网线路保护方案。首先，通过分析故障后模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)在直流侧呈现的阻抗频率特性，推导出实际频率大于谐振频率时MMC等效阻抗呈感性。然后，通过分析母线处电压行波折射系数的幅频特性可知，折射过程会对故障电压行波中的低频分量具有较明显的衰减作用，并以此为依据分析区内外故障时线路两侧换流站不同出线低频暂态能量比值的差异，可利用此差异识别故障。最后，PSCAD/EMTDC的仿真结果表明，所提保护方案能够可靠识别故障，不依赖线路边界元件，且具有一定的耐过渡电阻能力。

提出了一种考虑有功不确定性的配电网新能源无功-电压下垂双层鲁棒优化控制模型。首先，在参考点优化层，以多时段总运行成本最小为目标，对静止无功补偿设备与调压变压器的协调控制指令、新能源的无功功率参考值和端口电压参考值等系统中影响无功分布的典型相关控制量进行优化；然后，在斜率优化层，基于双层列生成算法框架，分别建立斜率指令优化主问题模型和极端场景集筛选子问题模型。结果表明，所提出的优化控制方法不仅可以有效适应新能源发电出力的随机波动，同时能够充分利用其并网换流器的无功容量，在优化系统网损和调压设备操作成本的同时，增强系统运行的可靠性。

基于阻抗分析方法，以模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）环流控制为研究重点，对海上风电经柔直送出系统的稳定性影响展开深入研究。首先，采用谐波线性化的方法建立了柔直换流站与海上风电场的阻抗模型，进而推导了计及频率耦合效应的海上风电经柔直送出系统的阻抗模型。其次，基于阻抗稳定判据，揭示了环流控制对MMC阻抗及柔直送出系统稳定性的影响，进而提出了一种基于环流环节的MMC阻抗重塑控制方案。最后，通过RT-LAB硬件在环实时仿真系统，验证了稳定性分析结果的正确性和阻抗塑造方案的可行性。

柔性直流电网故障电流上升速度快与电力电子器件过流能力弱形成突出矛盾，线路保护需要在数毫秒级完成故障判别，输电线路精确参数的获取对于提升继电保护的性能至关重要。然而直流系统中缺乏稳定基频，导致输电线路相关参数难以获取、保护实现较为困难。针对柔性直流线路频变参数难以获取的问题，提出基于半桥模块化多电平换流器(half bridge modular multilevel converter, HB-MMC)特征信号注入的柔性直流线路频变参数辨识方法。首先通过换流器控制在线路中注入特定频率信号，然后利用快速傅里叶分解提取不同频率的信号并计算指定频率下的线路参数，最后依据不同线路参数的频变特性拟合出对应的幅频特性曲线。仿真表明，所提参数辨识方法可以准确拟合保护所需直流线路频变参数，参数辨识频段内相对误差小于1.5%。

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的柔性直流配电网具有不存在换相失败等优点。但换流器存在低惯性、弱阻尼等特性，导致故障电流上升速度快且峰值高，对系统危害极大。针对直流配电网发生单极接地故障难以准确选择故障馈线的问题，提出了一种基于拐点密集区凹凸波动特性的直流配网故障检测方法。首先，利用变分模态分解算法对各馈线零模电流进行分解，选取特征分量。然后，计算特征分量的二阶导数，选择拐点密集区并进行归一化处理，得到各馈线的凹凸波动性。最后，判定凹凸波动性与其他馈线相异的线路为故障线路。仿真结果表明，所提方法能够快速识别故障馈线，且受过渡电阻、采样频率、数据窗和噪声等因素影响小。

高压直流输电（HVDC）控制保护系统以电压、电流、触发角等为控制量，通过对两端换流器的快速调节，从而满足交、直流电网联合系统的运行要求。文章以南瑞PCS-9550 高压直流控制保护系统在±500kV 昭通换流站工程中的应用及调试为例，结合常规交流500kV 变电站，阐述其控制保护技术特点及现场安装调试和使用中的注意事项。

为了深入分析VSC-HVDC（基于电压源换流器的高压直流输电）系统宽频振荡失稳的机理并快速准确评估系统的稳定性，提出一种基于z域阻抗的建模方法和稳定性判据。首先，基于精确离散化的方法，分别建立了考虑锁相环、电流内环和电压前馈控制的电压源型变流器z域阻抗模型，以及交流电网在全局坐标系下的z域阻抗模型。然后，基于盖尔圆定理提出广义禁区判据，分析了锁相环和线路阻抗对系统稳定性的影响。最后，搭建VSC-HVDC仿真系统进行分析，证明了所提广义阻抗判据的有效性。

柔性直流输电系统成套设计及核心装备系列国家标准，包括1《柔性直流输电系统成套设计规范》、2《柔性直流输电换流器技术规范》、3《柔性直流输电控制与保护设备技术要求》，均由南方电网科学研究有限责任公司牵头编写，为世界上首次制定，技术创新难度大，标准成果达到国际领先水平。 本项目之前，世界上尚无相关国际标准参考，南网科研院突破柔性直流输电技术领域三个重要技术方向，包括成套设计、换流器、控制保护核心技术，研究成果形成国家标准，规范了国内柔性直流输电系统成套及核心装备设计情况，为成套设计及核心装备设计、制造、试验、验收提供直接参考依据，意义重大。 项目团队依托国家863计划课题，通过多年技术攻关，完全掌握高柔性直流输电关键技术，在成套设计、换流器、控制保护等方面取得重大创新成果，形成技术标准，并率先实现工程应用，引起巨大社会反响： 1.标准1中第4、6、7部分，世界上首次提出了百千伏级高压柔性直流输电系统集成设计方法，实现了大规模新能源并网和区域电网互联的整体工程应用。 2.标准2中第5、6部分，世界上首次设计了自主化的高压大容量柔性直流输电换流阀关键装备，实现了直流电压从±160kV到±350kV、输送容量从百兆瓦到千兆瓦的跨越式突破。 3.标准3中第5部分，世界上首次提出了柔性直流输电控制与保护设备的体系化技术要求，有效支撑柔性直流输电工程控制保护系统的研发。 4.标准1中第9部分、标准2中第7部分、标准3中第6部分，世界上首次提出了覆盖柔性直流输电系统研究、装备研制、主设备试验的试验技术。 项目获得专利15项（发明专利12项）、软件著作权1项，发表论文14篇，专著1部。相关成果通过了中国电机工程学会及中国机械工业联合会的成果鉴定，鉴定委员会一致认为“多端柔性直流输电技术处于国际领先水平”、“研发的千兆瓦级柔性直流背靠背系统装备具有完全自主知识产权，达到国际领先水平”。 本系列标准已成功应用在云南电网与南网主网鲁西背靠背直流异步联网工程、乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程、三峡如东海上风电柔性直流输电示范项目中的系统成套设计、换流阀、控制保护等核心设备研制中，社会经济效益显著。 项目完成的国家标准是柔性直流输电技术成果转化为知识产权的直接体现，通过成功实施和推广应用，建成了产学研用科研团队，培养了大批专业技术人才，带动了国内高压大容量柔性直流输电换流器、控制保护等核心装备制造业的发展，提升了我国能源科技自主创新能力和国际竞争力，践行了国家创新驱动发展战略。