聯(lián)接弱交流電網(wǎng)的柔性直流輸電系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性研究.pdf

1、電壓源換流器直流輸電(Voltage Source Converter based High Voltage DirectCurrent，VSC-HVDC)又稱柔性直流輸電，采用全控型電力電子器件，不會發(fā)生換相失敗，并且可以對有功功率與無功功率進(jìn)行獨立調(diào)節(jié)，因此相比于傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)更適用于向弱交流電網(wǎng)供電。一般而言，評價交流電網(wǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)主要有:交流電網(wǎng)短路比(Short Circuit Ratio，SCR)和交流電網(wǎng)慣性時間常數(shù)(I

2、nertiaConstant)。當(dāng)交流電網(wǎng)強(qiáng)度較弱時，工程中普遍采用的矢量電流控制器(VectorCurrent Control)有可能導(dǎo)致柔性直流輸電系統(tǒng)失穩(wěn)，并且隨著交流系統(tǒng)變?nèi)踹@種趨勢更加明顯。因此，為保證柔性直流系統(tǒng)的阻尼特性、穩(wěn)定運(yùn)行能力以及系統(tǒng)快速響應(yīng)等實際工程需求，非常有必要研究聯(lián)接弱交流電網(wǎng)的柔性直流輸電系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性問題，揭示影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)理，提出改善系統(tǒng)阻尼特性的控制策略。為此，本文將著重開展如下研究，以得到

3、具有重要理論和工程應(yīng)用價值的成果。
　　(1) VSC-HVDC系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與控制策略
　　為了給本文提供重要的數(shù)學(xué)模型支撐，首先建立了聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型。其中，交流電網(wǎng)采用等值同步發(fā)電機(jī)串聯(lián)線路等效阻抗來模擬，可以考慮交流電網(wǎng)的頻率特性;電壓源換流器分別采用兩電平VSC與MMC拓?fù)?，控制系統(tǒng)均采用經(jīng)典的矢量電流控制;同時為了構(gòu)建完整的柔性直流輸電系統(tǒng)小信號模型，開發(fā)了不同狀態(tài)空間方程之間的接口

4、，通過對比PSCAD/EMTDC中的系統(tǒng)時域仿真模型以及MATLAB中搭建的非線性數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果，驗證了非線性數(shù)學(xué)模型的正確性。
　　(2)聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)阻尼特性研究
　　基于開發(fā)的聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究了交流電網(wǎng)SCR與慣性時間常數(shù)對系統(tǒng)阻尼特性的影響，結(jié)果表明系統(tǒng)小信號穩(wěn)定裕度會隨著交流電網(wǎng)SCR或慣性時間常數(shù)的降低而減小。相比于交流電網(wǎng)SCR，慣性時間常數(shù)的影響較小，只

5、有當(dāng)SCR較低時減小交流電網(wǎng)的慣性時間常數(shù)才會導(dǎo)致系統(tǒng)小信號失穩(wěn)。研究了控制器參數(shù)對弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)小信號穩(wěn)定裕度的影響，其中影響較大的有鎖相環(huán)(Phase-Locked-Loop，PLL)參數(shù)和外環(huán)控制器參數(shù)。同時，等值同步發(fā)電機(jī)的勵磁控制器參數(shù)對系統(tǒng)的阻尼特性也有較大影響。
　　對比了交流電網(wǎng)采用等值同步發(fā)電機(jī)模型串聯(lián)線路等效阻抗的形式以及理想電壓源串聯(lián)線路等效阻抗的形式，結(jié)果表明由于采用理想電壓源串聯(lián)線路等效阻

6、抗的形式忽略了交流電網(wǎng)的頻率特性，對聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定域評估會產(chǎn)生較大的影響，傾向于得到系統(tǒng)小信號穩(wěn)定的結(jié)果。分別研究了采用兩電平VSC與MMC時直流系統(tǒng)小信號穩(wěn)定域，發(fā)現(xiàn)當(dāng)MMC子模塊電容較小，電容電壓波動過大時，MMC內(nèi)部動態(tài)過程與PLL之間會產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用進(jìn)而發(fā)生高頻振蕩，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行;在增大MMC子模塊電容容值后，MMC與兩電平VSC在聯(lián)接弱交流電網(wǎng)時的小信號穩(wěn)定域基本一致。
　　(3)聯(lián)接

7、弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)先進(jìn)控制器設(shè)計
　　提出了利用虛擬電阻增強(qiáng)聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的方法。對已有功率同步控制方法(Power Synchronization Control，PSC)進(jìn)行改進(jìn)，通過附加虛擬電阻控制策略，可以等效增大換流閥側(cè)電阻，從而抑制換流器的高頻振蕩。同時，研究表明由于PSC控制器本身類似于間接電流控制，當(dāng)交流電網(wǎng)較強(qiáng)時該控制器并不能保證換流器的響應(yīng)速度。同時，提出了附加阻尼環(huán)

8、節(jié)的新型鎖相環(huán)來增強(qiáng)聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的方法，通過在PLL中增加阻尼環(huán)節(jié)來增強(qiáng)系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性，該方法通過降低控制器的響應(yīng)速度來增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼特性，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。
　　考慮到交流電網(wǎng)強(qiáng)度通常是變化的，綜合考慮控制器的阻尼特性與快速響應(yīng)特性，提出了交流電網(wǎng)強(qiáng)度自適應(yīng)虛擬阻抗控制器，該控制器通過改變換流器電氣量的測量點來虛擬地改變換流器閥側(cè)阻抗與交流電網(wǎng)阻抗之間的關(guān)系。具體而言，當(dāng)電網(wǎng)較弱時，

9、將一部分虛擬阻抗轉(zhuǎn)移到換流器閥側(cè)來虛擬改變系統(tǒng)短路比，增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼特性;當(dāng)交流電網(wǎng)較強(qiáng)時，減小虛擬阻抗，從而在保證系統(tǒng)小信號穩(wěn)定運(yùn)行的前提下提高換流器的響應(yīng)速度。
　　(4)聯(lián)接弱交流電網(wǎng)雙饋入VSC-HVDC系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
　　研究了聯(lián)接弱交流電網(wǎng)雙饋入VSC-HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，重點關(guān)注了雙饋入VSC之間的電氣距離對系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的影響。研究表明，當(dāng)雙饋入VSC之間的電氣距離過短時，雙饋入VSC的控制器會激發(fā)線路