电力电子变流器并网建模标准化及交互耦合问题研究

摘要

在电力电子化特征愈加明显的电力系统中，不同形式的电力电子设备高渗透率接入电网，使得系统特性尤其是稳定性、电能质量评估存在不确定性。采用仿真建模手段是分析大规模电力电子装置接入电力系统中影响的关键手段之一。传统开关器件模型较精确，但过于复杂，不适应大系统仿真，因此需要对模型进行合理的简化。在弱电网下，电力电子设备的自身动态及其与交直流电网的相互作用明显，容易引发复杂的振荡问题。因此，本文围绕电力电子变流器并网建模标准化以及并网的交互耦合问题进行了深入的研究。 论文研究并建立Boost变换器，两电平，三电平以及模块化多电平变换器的PWM统一模型。本文所提出的基于平均模型的快速建模方法在保证一定精度的情况下实现了电力电子变流器的快速仿真，大大节省仿真资源。该建模方法借助电路平均方法，依据得到的平均电压和平均电流的表达式，将电路中的开关器件用受控电压源和受控电流源替换，保留除此之外的全部感、容、阻以及电源，避免了繁琐的数学等效以及数值计算，具有较好的直观性及易重构性。该快速仿真模型与仿真工况及控制方式无关，因此具有很强的通用性和适应性。与开关模型的仿真结果相比，平均模型的仿真波形不仅在对外输出的电流电压外特性上一致，且在电路内部支路上的电压电流特性亦高度一致，仅有开关纹波的差异，因此可以用于全面评估电路特性。论文对于Boost电路、三相六开关电路、T型三电平电路和M MC电路均给出了该建模方法的理论依据、建模流程、仿真和部分实验验证。该建模方法尤其适合大系统建模及仿真,具有较好地普适意义,有助于电力电子系统建模标准化。 论文针对电力电子变压器接入柔性电网潜在的稳定性问题，以电网模拟器与电力电子变压器尤其是其有源前端PWM整流器互联系统为研究对象，推导了电力电子变压器和电网模拟器在dq坐标系下的小信号阻抗模型，并验证所建立的解析模型的准确性。同时，结合广义奈奎斯特稳定性判据以及阻抗模型，通过改变电网模拟器的控制参数进行电网模拟器的阻抗重塑，实现级联系统稳定运行。实际现场柔性电网运行下电力电子变压器系统实验验证了模型的正确性及可行性。 论文针对长距离线路高串联电容补偿度下，中压20kV交流电网与MMC并网逆变器互联系统存在的潜在的次同步和超同步振荡的问题，研究光伏直流升压汇集接入中压交流系统案例。论文建立了并网MM C逆变器的正负序阻抗模型，并给出了详细的解析式。在Psim9.1仿真平台中搭建了MMC逆变并入中压20kV交流系统的快速仿真模型，并通过阻抗扫频验证了正负序阻抗解析模型的正确性。结合阻抗稳定性分析理论，根据电网和M MC电路的阻抗波特图具体指出了振荡频率的正负序性。最后，基于阻抗波特图对M MC逆变器进行阻抗重塑，使得原先高串补度下振荡的电路稳定运行。阻抗分析理论和M MC平均模型的快速电磁暂态仿真的结合，指导了中压M MC并网仿真系统的搭建及控制参数调试。

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