电网故障条件下VSC-HVDC系统特性及其控制策略研究

摘要

VSC-HVDC作为交直流混合电网的重要组成部分，应能够长期安全、稳定地运行，尤其在交流系统发生故障时，不仅要保障自身的安全性和可靠性，还能为故障电网提供支持，提高电网运行稳定性和可靠性，改善电网电能质量。本文针对交流电网故障条件下的VSC-HVDC系统，开展VSC-HVDC系统动态特性及改善交直流特性的VSC-HVDC控制策略研究。
　　研究了交流电网故障、特别是相位跳变条件下的VSC-HVDC系统动态特性。以抑制直流电压脉动和负序电流为控制目标，建立了VSC-HVDC系统dq坐标正负序数学模型及两种不平衡控制系统;对比研究了抑制直流电压脉动和抑制负序电流控制系统与常规矢量控制系统的动态特性及其相位跳变控制特性。
　　针对双序dq矢量电流控制中相序分解环节带来的系统动态性能降低和电流控制质量下降问题，提出一种基于静止αβ坐标的矢量电流控制策略和谐波补偿方法，实现了在交流系统不平衡条件下抑制直流电压脉动与提高交流电网电流质量控制的双重目标。
　　建立VSC-HVDC统一动态模型，提出了基于有功功率/直流电压和无功功率调节的统一矢量控制方案。基于谐振积分器和谐振滤波器的外环控制可简便生成无谐波畸变的正负序电流指令，结合静止αβ坐标下的内环矢量电流控制，无须附加谐波补偿措施，在PCC有功和无功功率调节基础上，能有效抑制直流电压脉动或者负序电流，同时降低VSC-HVDC不平衡运行时的低频谐波水平。
　　在上述研究基础上，设计基于交流母线电压有差调节的VSC-HVDC统一矢量控制系统，研究了VSC-HVDC在供电系统应用中的相关电能质量控制问题。基于IEEE12-busbenchmark系统的VSC-HVDC仿真研究表明所设计的统一矢量控制系统可减缓电网电压跌落，快速恢复故障后电压，抑制系统低频谐波，提高了电网电压及电流质量。
　　针对大连市区南部电网缺少大型电源，重要负荷所占比例高，存在供电可靠性和稳定性方面的问题，研究大连城市电网的VSC-HVDC供电方案。结果表明，采用统一矢量控制策略的VSC-HVDC方案可有效解决南部电网稳定性和可靠性问题，并提高电网供电质量。

目录

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摘要

CONTENTS

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 传统电网换相高压直流输电技术

1．1．2 电压源换流器高压直流输电技术

1．1．3 VSC-HVDC输电发展现状

1．2 VSC-HVDC系统运行原理

1．2．1 VSC-HVDC基本原理

1．2．2 换流站运行原理

1．3 VSC-HVDC技术研究进展

1．3．1 电网故障条件下的VSC-HVDC交直流系统特性

1．3．2 VSC-HVDC控制技术

1．3．3 针对交流系统故障的VSC-HVDC控制策略研究

1．4 本文的主要工作及章节安排

1．4．1 主要工作

1．4．2 章节安排

2 VSC-HVDC动态数学模型及控制策略研究

2．1 引言

2．2 VSC-HVDC动态数学模型

2．2．1 三相静止坐标系下的VSC数学模型

2．2．2 dq同步旋转坐标系下的VSC数学模型

2．3 VSC-HVDC矢量电流控制策略

2．3．1 VSC-HVDC控制系统结构

2．3．2 内环矢量电流控制

2．3．3 外环控制

2．4 VSC-HVDC矢量控制系统动态特性分析

2．4．1 电网正常运行时的VSC-HVDC系统动态特性

2．4．2 VSC-HVDC系统不平衡动态响应特性

2．5 本章小结

3 交流系统故障条件下VSC-HVDC数学模型及动态响应特性研究

3．1 引言

3．2 交流系统故障对VSC-HVDC的影响

3．2．1 交流电压不平衡对VSC-HVDC的影响

3．2．2 交流系统相位跳变

3．3 交流系统故障条件下的VSC-HVDC控制策略

3．3．1 VSC-HVDC系统dq坐标正负序数学模型

3．3．2 相序分解法

3．3．3 VSC-HVDC控制策略

3．4 交流系统故障时VSC-HVDC系统动态特性

3．4．1 抑制直流电压脉动策略下VSC-HVDC系统动态特性

3．4．2 抑制负序电流策略下VSC-HVDC系统动态特性

3．4．3 相位跳变时的VSC-HVDC系统动态响应特性

3．5 本章小结

4 基于PR控制的VSC-HVDC矢量电流控制策略与谐波补偿研究

4．1 引言

4．2 相序分解及其应用中存在问题分析

4．2．1 采样频率对相序分解的影响

4．2．2 系统频率对相序分解的影响

4．3 基于PR控制的矢量电流控制策略

4．3．1 两相静止坐标系下VSC-HVDC正负序数学模型

4．3．2 基于PR控制的αβ_DVCC控制方案

4．3．3 仿真分析

4．4 电网不平衡时VSC-HVDC谐波补偿控制

4．4．1 直流电压脉动对VSC-HVDC的谐波影响

4．4．2 谐波补偿矢量电流控制策略

4．4．3 仿真分析

4．5 本章小结

5 VSC-HVDC统一矢量控制方案研究

5．1 引言

5．2 VSC-HVDC统一动态模型

5．2．1 换流站交流侧数学模型

5．2．2 换流站直流侧数学模型

5．3 统一矢量控制方案设计

5．3．1 谐振积分器和谐振滤波器

5．3．2 外环控制器设计

5．3．3 统一矢量控制系统

5．3．4 时域仿真验证

5．4 基于统一矢量控制方案的VSC-HVDC供电系统应用

5．4．1 电能质量问题

5．4．2 改善电能质量的VSC-HVDC供电系统统一矢量控制方案

5．4．3 时域仿真分析

5．5 实验及分析

5．5．1 实验系统构成及参数

5．5．2 实验研究

5．6 本章小结

6 大连城市电网的VSC-HVDC供电方案研究

6．1 引言

6．2 大连市区南部电网概况及主要问题

6．2．1 概况

6．2．2 主要问题

6．3 基于VSC-HVDC接入的解决方案

6．3．1 方案遴选

6．3．2 VSC-HVDC系统方案

6．4 VSC-HVDC应用于大连电网的仿真分析

6．4．1 系统响应特性

6．4．2 暂态稳定性分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

作者简介