含高比例电力子化装备的弱送端系统动态相互作用分析研究

摘要

随着可再生能源规模化开发、更大范围优化资源配置、负荷节能效率提升等国家战略需求逐渐推进，电力电子化是电力系统发展的必然趋势。特别是大规模、集中式新能源接入弱支撑送端系统后，各地多时间尺度动态，特别是直流电压时间尺度振荡问题逐渐凸显。然而，目前涉及多个或多类型电力电子装备接入弱电网的研究尚处于起步阶段，只是针对特定两端或三端系统的电流控制时间尺度动态问题展开，结论适用范围有限。且现有分析思路对多装备相互作用的稳定或不稳定背后的物理机理认识不够深入。因此，本文针对直流电压尺度，将弱送端系统的多装备耦合相互作用分析作为课题研究方向。具体包括两方面：其一，根据实际弱送端电网的问题复杂度，分析多装备间、多控制器间在直流电压时间尺度下的相互作用，重在发现和揭示系统振荡规律和影响因素，并解释稳定机理。其二，基于现有稳定分析方法，探索和研究多装备系统相互作用一般化分析手段。具体内容分为以下几个方面： (1)阐述了多样化装备系统的相互作用分析基本思路。着眼于大系统分析，介绍了幅相运动方程统一建模思路，基于自稳性/致稳性相互作用分析思路，以及多样化装备特性优化思路。其中，说明了不同类型装备按照保留关键储能元件状态变量，建立为统一输入输出变量、统一内部特征结构的幅相运动方程模型。以此为基础，详细阐述了自稳性/致稳性的相互作用分析基本思路，系统性地说明了致稳性概念下的多装备级数展开及多控制器精确重整化的分析思路。 (2)在直流电压时间尺度下，基于统一幅相运动方程思路，建立了包含同步机组(SG)、电压源变换器(VSC)装备、传统高压直流输电(LCC HVDC)系统的典型多样化装备系统的统一线性化模型。首先，形成了便于直观理解同步机转速变化对外特性影响的运动方程模型。其次，考虑VSC装备采用不同控制方式，通过变量代换，建立了统一输入输出、统一内部结构特征变量的线性化运动方程模型，统一量化比较了VSC装备不同控制方式的特性。同样地，通过变量代换，建立了LCC HVDC系统统一线性化运动方程模型。并认识到LCC型装备与VSC型装备在形式和本质上的异同点。最后，通过时域仿真验证了所建立直流电压时间尺度运动方程模型的正确性，为后续分析奠定基础。 (3)提出了多控制器间相互作用分析的基本思路，即多控制器精确重整化思路，并以此为基础，分析和解释了VSC与同步机相互作用、VSC与LCC相互作用对所接入弱电网稳定性影响规律。首先，给出了多控制器间相互作用精确重整化思路，并说明该思路在少量装备系统的优势。其次，按照自稳性/致稳性分析思路，分析了VSC的不同变化因素对同步机轴系次同步振荡的影响规律。以此为基础，并重整化了VSC对同步机的致稳性传递函数，提取并解释了控制器单独作用、控制器间相互作用产生的致稳影响。最后，以自稳性/致稳性思路分析了VSC与LCC HVDC系统相互作用，指出了系统振荡频率随电网强度、控制参数以及功率水平等参量较大范围变化是区别于传统电力系统的重要特征。 (4)提出了多装备间相互作用分析的基本思路，即多装备近似级数展开理论，并将该理论应用于典型弱送端系统的多装备间相互作用分析。首先，介绍了致稳性概念下装备近似级数展开法的定义及基本性质，并提出了多装备相互作用近似级数展开的一般化构造思路。然后，以具体案例解释了多装备近似级数展开法的基本定义和概念，并以物理迭代循环逼近原系统相互作用全过程来直观解释数学上近似展开形式的含义。最后，将近似级数展开法应用于典型多样化装备系统的相互作用分析。 (5)提出了附加频率调节方案以解决锁相同步控制方式下VSC装备接入极端弱电网的稳定运行问题，以此为基础，分析了其在孤岛电网下稳定性和电网适应性，给出了VSC在孤岛电网下的黑启动方案和电网故障下的暂态响应能力验证。

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摘 要

Abstract

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1 绪 论

1.1 课题背景和意义

1.1.1 电力系统电力电子化趋势

1.1.2 大规模新能源接入弱送端系统振荡问题凸显

1.2 课题研究的问题

1.2.1 弱电网是问题产生的诱因

1.2.2 多装备强耦合是问题复杂的根源

1.2.3 相互作用分析是问题解决的必要途径

1.3 课题研究现状

1.3.1 弱电网下单/多装备系统稳定性分析

1.3.2 多装备相互作用分析思路

1.4 主要研究内容

1.4.1 研究思路

1.4.2 章节安排

2 多样化装备系统动态相互作用基本分析思路

2.1 引言

2.2 多样化装备特性认识的基本思路

2.3 多装备相互作用分析的基本思路

2.3.1 基于自稳性/致稳性的一般化分析思路

2.3.2 多装备间相互作用致稳传递函数的级数展开思路

2.3.3 多控制器间相互作用致稳传递函数的精确重整化思路

2.4 多样化装备特性优化的基本思路

2.5 本章小结

3 多样化装备在直流电压时间尺度的统一幅相运动方程

3.1 引言

3.2 坐标系转换关系及直流电压控制时间尺度说明

3.2.1 公共参考坐标系与各装备自身坐标系之间的关系

3.2.2 直流电压控制时间尺度和次同步频率带宽的关系

3.3 同步机在直流电压时间尺度的建模和特性解释

3.3.1 同步机交流电气部分建模

3.3.2 同步机转子及多质量块轴系建模

3.3.3 同步机线性化整合模型及物理解释

3.4 VSC型变换器在直流电压时间尺度的建模与特性解释

3.4.1 VSC型变流器基本电路结构和控制方式介绍

3.4.2 VSC装备线性化及统一形式建模

3.4.3 VSC系统交流网络线性化

3.5 LCC HVDC系统建模和特性解释

3.5.1 LCC HVDC系统装备的基本结构和数学模型

3.5.2 LCC HVDC系统交流网络

3.5.3 LCC HVDC系统线性化数学模型

3.5.4 LCC HVDC系统易于理解的分析框图模型

3.5.5 基于幅相运动方程概念下的LCC HVDC系统运动方程模型

3.5.6 LCC HVDC系统交流部分线性化

3.6 系统交流网络整体模型

3.6.1 公共交流网络模型

3.6.2 整合系统交流网络模型

3.7 系统的整合线性化模型

3.8 整合线性化模型正确性验证

3.9 本章小结

4 多控制器间动态相互作用对系统稳定性影响分析

4.1 引言

4.2 多控制器间相互作用传递函数的精确重整化思路说明

4.3 多控制器间相互作用分析之一——弱电网下VSC和同步机的相互作用

4.3.1 系统场景说明

4.3.2 SG和VSC整合线性化模型验证

4.3.3 基于自/致稳性概念下SG与VSC相互作用分析

4.3.4 时域仿真验证

4.4 多控制器间相互作用分析之二——弱电网下VSC和LCC HVDC的相互作用

4.4.1 系统场景说明

4.4.2 LCC和VSC整合线性化模型验证

4.4.3 基于自/致稳性概念的LCC与VSC相互作用分析

4.4.4 时域仿真验证

4.5 本章小结

5 多装备间动态相互作用分析理论及其在多装备系统稳定性分析的应用

5.1 引言

5.2 多装备相互作用分析的近似级数展开法

5.2.1 致稳性概念下近似级数展开法的定义和性质

5.2.2 多装备间相互作用路径耦合系数的定义和性质

5.2.3 多装备相互作用耦合强度指标的定义

5.2.4 近似级数展开一般化构建思路

5.3 同步机、传统直流输电、VSC装备构成的多装备系统相互作用分析

5.3.1 自稳性和致稳性推导说明

5.3.2 致稳支路的装备级数展开

5.3.3 致稳支路的装备近似级数展开

5.3.4 VSC和LCC两两相互作用项的近似级数展开计算

5.3.5 基于近似级数展开法分析同步机、VSC、LCC三者相互作用

5.4 本章小结

6 极弱电网条件下锁相同步方式VSC HVDC运行特性分析及优化

6.1 引言

6.2 常规锁相同步控制方式下的孤岛失步问题说明

6.2.1 VSC常规锁相同步控制方式

6.2.2 孤岛电网失步问题说明

6.3 锁相同步控制方式下VSC惯量特性分析及优化

6.3.1 锁相同步控制方式下的VSC运动方程模型

6.3.2 锁相同步控制方式下VSC附加频率策略及惯量特性分析

6.3.3 仿真验证

6.4 附加频率控制下VSC装备稳定性及其适应性分析

6.4.1 考虑孤岛以及联网模式的系统线性化建模

6.4.2 附加频率控制对系统稳定性影响及其电网强度适应性分析

6.5 VSC装备黑启动方案以及三相故障响应的初步验证

6.5.1 孤岛电网下附加频率控制的VSC黑启动方案

6.5.2 孤岛电网下三相故障响应初步验证

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 工作展望

致 谢

参考文献

附录1 系统参数及推导过程

附录A

附录B

附录C

附录D

附录2 攻读博士学位期间发表论文与申请专利

附录3 攻读博士学位期间参与项目