电气工程

基于光伏并网的电能质量控制系统

王晓，罗安，邓才波，等

摘要：目的：光伏发电技术在国外已经得到深入研究和推广，在国内也基本成熟，已经进入推广应用阶段。由于太阳光的日夜变化，目前光伏发电装置只在白天工作，晚上离网，这也就影响了设备的利用率，并且在频繁投切时对电网的稳定性会造成影响。电能质量调节器能补偿电网所需的无功电流及各次谐波，而光伏发电系统只提供有功电流，二者在结构和控制上具有很多相似之处，所以理论上可以在电能质量调节器基础上实现光伏并网发电。为此，本文结合微网光伏并网系统与电能质量调节器的特点，对其控制策略和控制方法进行了研究。方法：考虑到微网光伏并网系统和电能质量调节 器的特点，对其统一控制策略和方法进行了研究，提 出了一种既能够并网发电，又能实现无功补偿和滤除 电网谐波电流的光伏并网及电能质量控制系统（micro photovoltaic grid and power quality control system，MPG- PQC）结构。首先介绍了该系统的结构和原理，构建了该系统的数学模型；然后提出了适用于该系统的无差拍复合控制策略，重点分析了该控制策略下调制脉宽的理论计算，给出了复合指令的求取方法；最后，搭建了仿真模型和实验平台，给出了该系统的具体实现方案。结果：在系统结构方面，MPG-PQC 系统将光伏阵列吸收的太阳能输入至Boost 升压变换器，再通过电压型逆变器进行输出，无需为实现谐波和无功补偿功能额外增加主电路，在控制中加入谐波与无功检测环节即可。在控制策略方面，采用无差拍复合控制方法，主要包括指令信号计算和无差拍电流跟踪控制。指令信号计算将有功电流（光伏并网能量输出、稳定直流侧电压的能量交换）、无功电流、谐波电流统一起来，形成复合控制电流指令；无差拍电流跟踪控制使系统实现对指令电流快速无差跟踪，包含抗干扰的前馈校正，易于工程应用的比例系数调节校正。从仿真及试验结果可以看出，投入MPG-PQC 系统后，该处电流谐波总畸变率降为7.3%，并且5、7、11、13 次谐波电流含有率分别从8.2%，7.3%，5.1%，4.1%降到了0.9%，0.7%，0.4%，0.2%，各次谐波均得到了很好的治理，MPG-PQC 系统承担了部分负荷有功消耗，从而使得电网公共连接点处电流减小。该系统同时实现了光伏并网发电和电能质量控制双重效果。结论：（1）文中通过对电能质量调节器硬件结构和控制方法的改进，同时实现了电能质量调节和光伏并网的功能，使硬件平台得到了充分地利用。（2）无差拍复合控制方法利用MPG-PQC 系统采集的数据，计算得到逆变器下一个工作周期开关信号的控制量，因此能根据外部环境变换及时调整逆变器的输出电压和电流。实验证明该控制方法正确，并使系统工作稳定可靠、性能良好。（3）MPG-PQC 系统不仅能使电网电流呈现较好的正弦特性，而且还能实现并网发出有功电流，具有市场应用前景及工程

来源出版物：电网技术,2012,36(4): 68-73

入选年份：2017

2011年9月8日美墨大停电事故的分析 及其对我国电力调度运行管理的启示

毛安家，张戈力，吕跃春，高军

摘要：目的：电力系统具有广域分布式特点，其较强的非线性决定了系统运行规律具有一定的复杂性，因此，通过分析对比系统过去运行状态有助于更好地把握系统未来运行状态，尤其是过去的事故处理经验，对提升系统运行可靠性具有举足轻重的作用。2011年9月8日美墨大停电发生在美国加州电网，该电网主要输电电压等级为500 kV 和230 kV，总调度装机容量为57 GW，电网存在薄弱环节，物理结构上和我国某些省级电网相似，分析其运行经验对我国电网可靠运行具有一定的借鉴意义。论文主要从调度运行与管理视角出发，通过介绍南加州电网结构特点、存在缺陷、事故前状态、事故起因、事故发展和处理过程、事故造成的影响，重点剖析了该次事故发生的根本原因，包括：用电负荷高、电网安全裕度低、电网结构薄弱、调度协调能力弱、调度监控力量不足等，并以此为契机，对我国电网调度管理提出了相应建议，以减少大停电事故发生的概率，降低大停电事故的影响，提高电网运行的可靠性。方法：论文以官方发布信息为基础，首先介绍了目标电网结构特点、负荷分布情况、运营模式以及电网固有缺陷，在此基础上阐述了此次事故的起因、发展经过、处理过程及其造成的影响，深入剖析了造成该次大停电事故的内在及外在因素，其中，内在因素包括目标电网先天不足，包括电网电源结构不合理、存在薄弱环节等，外在因素包括夏季负荷高企，联合调度存在信息沟通不畅、事故处理不及时、调度监控能力不强等。结合我国电网发展及电力调度特点，对我国电力调度提出了包括保留足够本地电源、保证输电系统N-1 安全标准、发挥统一调度优势及加强关键设备监控等方面的电网调度与运行建议。结果：通过对目标电网结构特点和薄弱环节进行分析，结合大停电事故发生的起因、经过和结果，得出了2011年9月8日美墨大停电的主要原因既有电网自身的原因，也有电网调度管理方面的原因，其中，前者包括：夏季用电负荷高，电源结构不合理，电网联系薄弱，电网可靠性不高等。后者包括：联合调度模式下信息沟通不畅，事故协调处理能力弱，调度机构对系统监控管理能力不强等。结合我国电网发展现状和调度特点，论文从调度运行视角出发，对我国电力调度提出了包括保留足够本地电源、保证输电系统N-1 安全标准、发挥统一调度优势及加强关键设备监控等方面的意见和建议。结论：电力系统一旦发生大停电事故，将会造成巨大的经济损失和不良的社会影响。论文通过剖析2011年9月8日美墨大停电发生的原因，结合我国电网发展特点及我国电网调度运行由传统模式向大运行模式转型的特殊时期，对我国电网调度与运行提出了如下意见和建议。1）在充分发挥高压远距离输电经济性的同时，保证充足的本地电源是防止大停电的重要措施。2）在统一电网的格局下，充分发挥统一调度的优越性，并逐步实现调度与控制的一体化运作，能够实现事故的快速处理，阻止事故的进一步扩大。3）加强N-1 校验，特别是关键输变电设备的N-1 校验是保证系统安全的基本措施。4）严格设备操作规程，加强临时运行方式校核，可有效降低事故发生的概率，从而减少大停电的发生。

来源出版物：电网技术,2012,36(4): 74-78

入选年份：2017

多馈入直流输电系统换相失败机制及特性

吴萍，林伟芳，孙华东，等

摘要：目的：交、直流混联电网中，受端交流短路故障时，系统电压下降，可能引发直流换相失败（直流本身固有属性），瞬间产生大的功率缺额，故障进而传递到送端，对送、受端电网都产生冲击。随着多个特高压直流工程相继投产，交直流、送受端电网间耦合日趋紧密，直流换相失败对系统的影响日趋增大，当前存在将直流换相失败与直流闭锁等同起来的误解，有必要从物理本质、对电网安全稳定的影响等多个角度深入剖析两者的区别。本文从换相失败发生的本质出发，从机制上研究换相失败对交流系统和直流系统的影响，并与直流闭锁对系统的影响进行对比分析。通过对多馈入直流输电系统的机电暂态仿真，验证由交流系统引起的多回直流换相失败与直流闭锁的差异。方法：首先建立了多馈入直流输电系统模型，通过物理解析和理论推导，分析了逆变站的交流电压对称和不对称情况下影响关断角大小的因素。基于半控型功率器件晶闸管导通必须同时具备的条件，比较了当前仿真计算分析中两种判断换相失败的方法，即最小电压降落法和关断角判断法。在此基础上，从换流母线电压、直流电流、超前触发角、换流变压器变比、换相电抗、不对称故障等多个方面分析了影响多溃入直流输电系统换相失败的因素。并从工程实践的角度深入分析了换相失败与直流闭锁的关联关系，通过仿真研究了两者对系统稳定性影响的区别。结果：导致换相失败的原因大部分为交流电网扰动，对于交流系统故障所引起的直流系统换相失败，一般认为，关断角过小导致晶闸管未能及时恢复正向阻断能力，在正向电压的作用下重新导通，使本应该关断的阀继续导通，应该导通的阀关断，于是造成换相失败。因此认为关断角小于阀固有极限关断角是引起换相失败的根本原因。而关断角随换流站交流母线电压的降低、直流电流的增加而减小，随着超前触发角的增大、换流器变比的减小、换相电抗的减小而增大。多馈入直流输电系统逆变站通过交流系统的耦合阻抗实现相互作用，耦合阻抗是由网络结构决定的，与送受端交流电源等值导纳、受端交流系统输电线路导纳密切相关。换相失败会导致逆变器在一段时间内直流电压降低，直流电流增大，直流输送功率减少，换相失败时短暂的功率变化会导致直流系统吸收的无功功率增多，但故障清除后直流系统均能较快恢复运行。一般情况下，当直流系统发生短时换相失败时并不会导致直流闭锁，但为了保护换流阀，在长时间发生连续换相失败后将有直流保护动作出口闭锁直流。通过仿真分析可知，当直流馈入规模不大时，直流闭锁故障对系统稳定影响远超过多回直流换相失败。结论：关断角小于固有极限关断角是导致换相失败的根本原因，直流输电系统中大部分换相失败都发生在逆变侧。针对关断角模型中影响关断角大小的参数，在仅考虑单变量的情况下，关断角随换流母线电压的降低、直流电流的增加而减小，随超前触发角的增大、换流变压器变比的减小、换相电抗的减小而增大，在发生不对称故障时，关断角还受换流母线电压过零点相位移的影响，在直流系统设计或运行时，可综合考虑多种因素来增大关断角。运行人员应正确看待换相失败对系统的影响。换相失败只是直流系统最常见的现象之一，多回直流同时换相失败是多馈入直流输电系统中可能发生的状况，在交流系统故障及时清除的情况下，直流系统能很快恢复正常运行，多回直流同时闭锁的风险小。由交流系统故障引起的多馈入直流系统多回直流换相失败，会引起直流输送功率短时间内的变化，在直流规模不大的情况下一般不会对系统造成大的影响。而直流闭锁故障，在不采取控制措施的情况下，会造成系统功率不平衡，严重时导致系统失步，影响系统安全稳定运行。

来源出版物：电网技术,2012,36(5): 269-274

入选年份：2017

智能微网运行的低碳综合效益分析

曹培，王媚，郭创新，等

摘要：目的：智能微网作为智能电网的重要能源结构组成，是电网和用户实现共同利益的联系环节，其运行的最重要目标就是实现对低碳分布式能源的优化利用。在这一点上，智能微网与低碳经济的发展要求相吻合。直观来看，智能微网的运行能够适应低碳化的发展要求，但是，对智能微网的低碳效益并没有一个量化的标准，建立智能微网运行的低碳效益评价体系，便于进行智能微网的性能分析，对智能微网的推广和发展方向的把握也有着重大意义。为此，本文设计规划了智能微网主体发电单元的装机容量，挖掘了智能微网运行低碳综合效益的体现方式。在此基础上，建立了智能微网运行的低碳综合效益的分析模型，作为智能微网规划的辅助决策评价标准。方法：从用电侧的能源条件和负荷需求入手，考虑智能微网的建设成本主要由分布式能源的建设成本、配电设备成本、监控系统成本，满足平衡微网系统能量，符合WT、PV 的发电特性，提高可再生能源渗透率，降低综合投资成本等条件。设计规划了智能微网主要发电单元的装机容量。从经济性和低碳化两个方面分析了智能微网运行的效益形成机理。碳成本与碳收益可统一成为综合碳成本，与智能微网的运行成本进行数值相加，即得到智能微网运行的低碳综合成本。在分析智能微网运行的低碳综合效益时，通常要有一个同等负荷条件下的比较对象，可以是传统的向电网购电的电力用户，也可以是以其他方式运行的微电网，比较对象与智能微网运行的低碳综合成本差值即为智能微网运行所体现的低碳综合效益。结合智能微网的建设成本，建立了智能微网运行的低碳综合效益分析模型，阐述了以低碳综合成本最低为目标的智能微网日前调度原则，并依据典型的智能微网设计方案所提出的模型对智能微网的投资收益情况进行了分析。结果：对于传统电网的用户，所需电能全部由电网提供，冷热负荷也依靠集中式的供应，对于智能微网系统，除去对监控设备必要的维护更新成本，其收益收益率约为100%。对于不参与电网竞价互动的微网系统，严格禁止微网机组的功率外送，对分布式能源协调调度后，由于无法发挥分布式能源在高峰电价时段的成本优势，其体现的低碳综合效益与智能微网相比略低。强调可再生能源的充分利用，而把运行的经济性放在了第2 位的微网运营方式，不能体现较高的低碳综合效益。但随着可再生能源发电技术的发展，其发电成本会大大降低，而化石能源产量则逐年减少，价格也随之升高，这种趋势发展到一定阶段，势必会让这2 种微网的运行方式统一，低碳综合效益也会达到最大。结论：智能微网的运行方式与传统电网相比，有着很大的低碳综合效益优势；参与到电网互动的智能微网，能够发挥其成本调节作用和灵活运行能力；未来通过降低分布式能源的发电成本，优化电力市场电价系统，加快低碳经济的开展，可达成智能微网运行的经济性与低碳性的高度统一。

来源出版物：电网技术,2012,36(6): 15-20

入选年份：2017

大规模风电接入的继电保护问题综述

焦在强

摘要：目的：风电和太阳能等可再生电源具有与传统的同步发电机具有不同的故障特征，含大规模风电的电力系统继电保护问题是国内外的研究热点，针对不同的需求，学者们从不同角度对大规模风电并网的继电保护问题进行了研究。本文针对大规模风电并网的继电保护问题，从风电机组及风电场的故障特征、风电场集电线和集电网络的继电保护问题以及含大规模风电的电力系统继电保护3 个层面，对国内外学者的研究工作进行了总结和分析，对大规模风电并网的继电保护关键问题与关键技术进行了讨论，并从继电保护的角度对未来需要重点关注的问题进行了展望。方法：论文从故障特征、风电场集电线和集电网络保护、含大规模风电场的电力系统继电保护3 个层面，对国内外最新的研究成果进行了综述。在故障特征方面，分析了包括异步感应发电机、双馈异步发电机和永磁直驱同步发电机的短路电流计算方法，同时对风电机组和风电场的故障特征进行了总结。在风电场集电线和集电网络保护方面，分别考虑了风电场低电压穿越、自适应保护、后备保护和保护整定等问题。在含大规模风电的电力系统继电保护方面，论文在保护配置、保护新原理与新技术、安全自动装置的性能等方面对国内外的相关研究成果进行了综述。论文讨论了大规模风电并网继电保护的关键问题，并对未来需要重点关注的内容进行了讨论。结果：（1）风电机组和风电场的控制策略直接影响到故障电流的幅值、衰减等故障特征，进而将直接影响继电保护的性能。（2）加装方向元件，采用自适应保护以及考虑各保护之间的配合关系都是解决风电场集电线路保护问题的途径。（3）将通信以及智能电网技术引入风电场的保护中，从而构建新的含多电源的集电线路及网络保护体系可能是解决风电场集电线和网络故障识别和隔离问题的有效途径。（4）风电机组的故障特征对输电网继电保护具有一定的负面影响，即，传统的继电保护原理并非都能够适应风电的接入，因此有必要对风电接入后的继电保护问题进行研究。结论：（1）从目前的研究现状看，对于大规模风电对继电保护的影响在国内外并没有一个统一的看法，相关的研究工作也未系统地展开。（2）故障后故障电流波形特征的研究是继电保护整定和性能分析的基础。（3）考虑风电机组和风电场典型控制策略电磁暂态仿真模型的建立是继电保护分析的前提。（4）风电场集电线路保护新原理与新技术的研究对于提升风电场故障甄别和隔离能力意义重大。（5）重视风电场自动控制系统和电网继电保护与安全自动装置的配合研究。

来源出版物：电网技术,2012,36(6): 195-201

入选年份：2017

锦屏—苏南特高压直流投运后电网的稳定特性 及协调控制策略

王建明，孙华东，张健，等

摘要：目的：全球能源互联网是清洁主导、电为中心、全球互联、共建共享的现代能源体系，实质就是“智能电网＋特高压电网＋清洁能源”。其中特高压电网是关键。特高压电网由1000 kV 及以上交流和±800 kV 及 以上直流系统构成，具有输电距离远、容量大、效率高、损耗低、占地省、安全性好等显著优势，是全球能源互联网的骨干网架，世界各大清洁能源基地与负荷中心都在特高压输送范围内。随着特高压电网的快速发展，其大容量远距离输电的特征愈加明显，对整个电力系统的安全稳定运行提出了更高的要求，需要深入研究电网特性，制订安全稳定控制策略。本文从多个角度分析了锦屏-苏南特高压直流投运对电网稳定性的影响，目的是以典型特高压工程和典型电网为例，剖析特高压发展过程中在电网稳定性方面的新问题、新特征，提出有针对性的控制策略和措施，既为当前特高压电网运行提供可行方案，也为未来特高压电网和全球能源互联网发展规划提供借鉴。方法：基于特高压混联电网丰大方式，从多个角度分析了锦屏—苏南800 kV 特高压直流投运对电网稳定性的影响。针对锦苏直流闭锁故障，研究了基于直流紧急功率支援的协调控制策略，可减少切机、切负荷措施量。提出了后备安控措施以避免协调控制措施失效导致第3 道防线动作。比较选择安控切机方案时，考虑了直流故障后送端母线稳态电压升高因素。通过研究直流故障后受端近区机组励磁电流及相关机组保护情况，探索了机组涉网保护对系统稳定的影响。结果：1）锦苏直流双极闭锁故障后，采取基于直流紧急功率支援的协调控制措施，可显著减少安控措施中的切机和切负荷量。选择参与控制的直流时，应尽量选择与故障直流的送受端换流站处于同一交流同步网、电气距离较近，且可调容量较大的直流。2）在直流功率支援失效时，采取补切机组或负荷的后备控制措施可避免第3 道防线动作。3）在选择直流送端安控切机方案时，多切除距离换流站的机组较远可抑制近区母线压升，但需要考虑潮流转移带来的影响。实际中应根据电网运行情况做出优化选择。4）在锦苏直流受端近区，直流闭锁后机组励磁电 流增加，部分电厂机组过励限制器动作限制了励磁电流。建议在稳定分析中关注故障后机组过励导致的连锁故障风险。同时相关单位应对此问题引起高度关注，核查重要电厂机组涉网保护整定情况，防止保护配置不当引起的不合理跳机，给系统稳定运行带来风险。结论：只有构建全球能源互联网，大范围优化配置能源和电力，才能够实现清洁能源高效开发利用，保障安全、充足、便捷的电力供应。通过合适的且有针对性的控制策略和优化控制方法，特高压电网可以安全可靠地运行。随着特高压电网的不断拓展，复杂性不断加大，我们应不断研究并应用先进调度控制技术以保证大系统的稳定。

来源出版物：电网技术,2012,36(12): 66-70

入选年份：2017

新能源并网系统引发的复杂振荡问题及其对策研究

李明节，于钊，许涛，等

摘要：目的：随着新能源大规模并网以及大容量电力电子装置的广泛应用，尤其是在我国西部、北部地区高度集中地接入，振荡稳定性问题正越来越成为巨大的潜在风险，若不能及时、系统、全面地研究应对策略和解决措施，可能会给设备厂商、发电企业和电网公司造成巨大的经济损失，甚至可能造成大范围稳定性事故，危及电网的安全可靠运行，影响国家能源战略的顺利实施。本文以国内的典型风电场次同步振荡事件为基础，分析振荡特点、研究现状和面临的挑战，提出新能源发电并网系统振荡稳定性问题的研究思路和应对策略。方法：首先分析了新疆哈密地区直驱风电机群参与的次/超同步振荡案例与河北沽源地区双馈风电机群-串补输电系统的次同步谐振案例，归纳出上述新能源并网次同步谐振/振荡现象的共同点：多变流器间及其与大电网之间的动态相互作用，振荡频率高于传统低频振荡，低于电网整数倍高次谐波，具有影响因素复杂、大范围时变等特征，始于小信号负阻尼失稳，而终于非线性持续振荡。与传统机电振荡或由汽轮机组轴系参与的次同步谐振/振荡有本质区别。文中以直驱风机为例，通过等效阻抗分析阐明了新能源并网系统引发复杂振荡问题及导致火电机组因次同步振荡跳闸的基本原理与分析方法，并提出了构建次同步振荡监测与控制系统、优化风机控制器参数等解决现阶段新能源并网次同步振荡问题的工程化方案。结果：为解决哈密地区风电并网发电问题，基于对新能源并网系统引发复杂振荡问题机理的研究成果，在新疆哈密地区以及国调、新疆调度中心部署次同步监测系统与次同步振荡安全自动控制系统，有效防止了持续次同步振荡引发火电机组轴系扭振脱网问题，保障了电网安全稳定运行。同时组织优化风机控制器参数，在实际系统中测试并推广应用，取得良好效果，新疆哈密地区监测到的次同步振荡次数整体呈下降趋势。针对其他大规模新能源集中接入的潜在次同步振荡风险，各级调度机构、场站运行单位密切监视新能源机组运行，一旦发现振荡问题，借鉴解决新疆哈密振荡问题的经验，采用类似的工程解决方案，防止对电网产生进一步影响。结论：新能源并网系统振荡问题的研究工作面临诸多挑战，在分析手段方面，面临新能源并网变流器强非线性特征仿真、大规模实际系统电磁暂态仿真、以及海量多机型新能源机群及动态无功补偿装置的聚合等值等问题；在理论研究方面，需重点研究海量电力电子设备与电网相互作用的机理，以及复杂振荡模式在电网中的传播机理，并最终形成针对新能源机组及无功补偿装置等的宽频振荡阻尼技术；在工程方面，新能源机组的控制参数需要进一步优化，在保证自身稳定性的同时，改善其接入弱电网运行的动态性能。新能源厂站在入网设计阶段应研究加装针对特定振荡频率的阻尼及保护装置，防止振荡事故扩散。电网侧应建立新能源汇集区振荡广域监控系统，实现实时监测和预警，要求高风险区域火电机组配备必要的扭振保护，控制振荡影响范围。通过工程解决方案，目前新疆地区次同步振荡问题得到有效控制。下一步，将结合实践经验，进一步加强研究，制定标准化、流程化解决方案，从风机研制、规划设计、调度运行、紧急控制各层面层层把关，有效控制次同步振荡风险。

来源出版物：电网技术,2017,41(4): 1035-1042

入选年份：2017