基于电压源型换流器的多端直流输电系统协调控制与优化研究

摘要

目前在大量可再生能源并网的发展形势下，电网须及时对其功率进行输送和消纳，这就要求电网具有更高的可靠性和更好的灵活性。多端柔性直流(VSC-MTDC)输电技术作为柔性直流(VSC-HVDC)输电技术的延伸，不仅具有VSC-HVDC输电技术输电容量大、可控性好、具备动态无功补偿和改善电能质量能力、环境友好性等优点，而且其作为构建智能电网的重要组成部分，还可以解决可再生能源并网等带来的电网稳定性和电能质量问题，解决多电源供电和多落点受电问题，具有更加灵活和便捷的特点，因而应用前景十分广阔，目前在世界范围内已有多个多端直流的工程已经投入了实际运行。然而，相比于VSC-HVDC输电技术，VSC-MTDC输电技术需考虑的问题更多，其控制策略更加复杂，因而有必要对其进行深入研究。一方面，为了保证各种运行情况下VSC-MTDC系统直流电压的稳定和有功功率的平衡，必须对其控制器进行合理的设计，对其协调控制策略进行深入研究;另一方面，为保证VSC-MTDC系统直流网络输电的经济性，需要对其进行基于上层控制器的优化研究。
　　正是在这样的研究背景下，本文以电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC为基础，围绕着电压源换流器的数学模型和控制器设计、VSC-MTDC输电系统的协调控制策略以及优化控制等进行了深入的研究和探讨。
　　本文首先对电压源换流器的现有拓扑结构进行了分析，包括三相四线制的VSC拓扑结构和三相三线制的VSC拓扑结构;建立了柔性直流输电系统在三相静止坐标系下的数学模型和d-q同步旋转坐标系下的暂态模型，通过增加解耦项可以实现解耦，有利于控制器的设计;并在所建模型的基础上，对柔性直流输电系统的本地控制器进行了设计，采用矢量控制也即直接电流控制方式，分别对柔性直流输电系统的内环电流控制器和外环电压控制器进行了相应的推导和分析设计，最后在PSCAD软件中分别对两端和三端柔性直流系统进行了参数设置和仿真分析，验证了矢量控制策略的有效性。
　　然后，在传统的直流电压-有功功率控制特性的基础上，提出了基于直流电压-有功功率改进下降特性的控制模式，并对上述控制特性进行了协调控制策略的设计，对多端柔性直流输电系统中的辅助换流站引入了带死区的直流电压-有功功率下降控制特性，对定有功功率控制换流站也引入了基于直流电压-有功功率下降特性的控制方式，并设计了上述两种控制方式的控制结构原理图;然后以五端柔性直流输电系统为例，对其进行了参数选择与计算，并对其直流潮流进行了计算;最后在PSCAD/EMTDC软件中验证和分析了正常运行条件、辅助站交流侧故障、主导站交流侧故障三种情况下控制策略的有效性。
　　最后，对内点优化算法的基本原理进行了分析，并给出了算法的流程框图。给出了五端VSC-MTDC输电系统优化电压控制策略的目标函数、等式约束条件和不等式约束条件，并对其解的存在性进行了分析;对PSCAD与MATLAB联合运行的接口进行了变量设置;对五端VSC-MTDC系统进行了优化电压算法的仿真，给出了直流侧各节点电压随风电场有功功率变化的仿真图形，并对网损进行了分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 VSC-MTDC输电技术

1．2．1 VSC-MTDC的结构特点

1．2．2 VSC-MTDC的工程应用和发展前景

1．3 VSC-MTDC国内外研究现状

1．3．1 VSC-MTDC系统的数学模型和运行特性

1．3．2 VSC-MTDC系统的新型拓扑结构及控制策略

1．3．3 VSC-MTDC系统的控制与保护策略

1．3．4 VSC-MTDC系统的协调控制策略

1．3．5 VSC-MTDC系统的交直流潮流计算

1．4 本文的主要工作

第2章 VSC数学模型与双环控制策略

2．1 引言

2．2 电压源换流器的拓扑结构

2．2．1 三相四线制VSC拓扑

2．2．2 三相三线制VSC拓扑

2．3 VSC的数学模型

2．3．1 abc静止坐标系下的VSC数学模型

2．3．2 d-q旋转坐标系下的VSC数学模型

2．4 基于VSC的换流站控制器设计

2．4．1 直接电流控制

2．4．2 内环电流控制器的设计

2．4．3 外环电压控制器的设计

2．5 柔性直流输电系统的仿真

2．5．1 两端柔性直流输电系统的仿真

2．5．2 三端柔性直流输电系统的仿真

2．6 本章小结

第3章 基于直流电压-有功功率下降特性的VSC-MTDC系统协调控制策略

3．1 引言

3．2 直流电压-有功功率下降特性及换流站控制策略

3．2．1 直流电压-有功功率调节特性

3．2．2 基于直流电压-有功功率下降特性的换流站控制策略

3．3 VSC-MTDC系统仿真与分析

3．3．1 VSC-MTDC系统仿真结构图

3．3．2 直流潮流计算

3．3．3 VSC-MTDC系统控制器参数选择方法

3．3．4 VSC-MTDC系统仿真

3．4 本章小结

第4章 VSC-MTDC系统的优化电压控制研究

4．1 引言

4．2 内点优化算法

4．2．1 内点优化算法原理

4．2．2 内点优化算法流程图

4．3 VSC-MTDC系统仿真与分析

4．3．1 VSC-MTDC系统仿真结构图

4．3．2 PSCAD与MATLAB联合运行

4．3．3 VSC-MTDC系统仿真

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文