混合多馈入直流输电系统的宽频带耦合振荡模式和故障演化传播机理

Certain regional power grid in China has presented the status of multiple large-capacity LCC-HVDC links feeding into the same area in close proximity. As the MMC-HVDC scheme is gradually applied in many area, such as renewable energy delivery, power transmission between different regions, etc., Hybrid Multi-Infeed HVDC (H-MIDC) systems appear in our power grid. This project aims at revealing the wide-bandwidth coupling mechanism from multiple physical components, including mechanical elements, electrical components and controllers, under complex steady-state and transient-state operation modes, and constructing systematic coordinated operation mechanism for H-MIDC systems, composed of different types of converters (voltage-sourced/current-sourced converter) and power sources (thermal/hydro/wind power). This project will be valuable for fully developing the technical advantages of H-MIDC systems and enhancing the safety and stability of power grid, thus be meaningful for theoretical research and engineering application. The main research contents are as follows 1) developing the wide-bandwidth dynamic-phasor based model of H-MIDC system under complex operation modes, with consideration of the coupling effects among multiple physical components, including mechanical elements, electrical components and controllers; 2) revealing the wide-bandwidth coupling mechanism from various converters/power sources/controllers of H-MIDC system, and presenting a quantitative evaluation approach to measure the coupling effects in H-MIDC system; and 3) acquiring the fault evolution and propagation features of H-MIDC system and constructing coordinated operation mechanism under fault conditions.

我国局部电网已呈现大容量传统直流（LCC-HVDC）多馈入落点密集的现状，随着模块化多电平换流器型高压直流输电（MMC-HVDC）在新能源送出、跨区域电力输送等领域的广泛应用，我国电网呈现出混合多馈入直流输电的结构。项目针对包含不同类型换流器（电压源/电流源换流器）和不同类型电源（火电/水电/风电）的混合多馈入直流输电系统，揭示其复杂暂稳态工况下机械-电气-控制之间多物理环节的宽频带耦合作用机理，提出系统性的协同运行机制，对充分发挥混合多馈入系统的技术优势、提高电网安全稳定性具有重要的理论研究和工程应用价值。项目主要研究内容有：1）建立复杂工况下混合多馈入系统机械-电气-控制之间多物理环节耦合的宽频域动态相量模型；2）揭示混合多馈入系统多类型换流器/电源/控制系统之间的宽频带耦合作用机理，提出衡量耦合作用的定量评估方法；3）揭示混合多馈入系统的故障演化传播规律，构建故障态下的协同运行机制。

我国能源资源与负荷需求逆向分布的格局，促使我国电网呈现出传统直流（LCC-HVDC）和柔性直流（MMC-HVDC）落点接近的混合多馈入直流输电系统，揭示其不同类型换流器/电源之间的宽频带交互耦合作用机理，提出系统性的协同运行机制，对充分发挥混合多馈入直流工程的技术优势、提高电网安全稳定性具有重要的理论研究和工程应用价值。. 针对混合多馈入直流输电系统，开展了如下相关研究。建立了混合多馈入直流输电系统的动态相量模型，推导得到了系统的等效单输入单输出反馈控制模型，定量评估了关键环节对系统稳定性的影响规律；研究了不同运行工况下混合多馈入系统耦合振荡模态的变化趋势及主要影响因素，提出了能够提高系统稳定裕度的多目标-多参数协同优化方法；研究了混合多馈入直流输电系统的低频振荡特征，揭示了不同类型换流器和发电机之间的低频交互作用机理，提出了能够有效抑制系统低频振荡的附加阻尼控制策略；分析了交直流故障下混合多馈入系统多换流器之间的相互作用及电压电流应力的变化规律，揭示了混合多馈入直流输电系统的暂态能量传播机理；构建了混合多馈入直流输电系统的暂态协同运行机制，能够有效降低故障期间换流器的电压电流应力并实现故障清除后控制策略的柔性切换；为进一步降低混合多馈入直流输电系统的换相失败概率，提出了基于增强型晶闸管全桥子模块的复合式电网换相换流器拓扑。. 项目为混合多馈入直流输电系统提供了模型基础，有利于开展相关的技术研究。项目对混合多馈入直流输电系统的动态和暂态特性进行了较为全面的研究，揭示了其宽频带耦合振荡机理和暂态能量传播规律。所提出的暂态协同运行机制对改善系统的暂态特性提供了理论依据，所提出的多目标-多参数协同优化方法和附加阻尼控制方法对其他类型直流输电系统的稳定性提高策略也有很多的借鉴意义。项目取得的相关研究成果可为直流输电工程落点选择和稳定运行方式提供有价值的理论指导和技术支撑。