提高VSC-HVDC系统向无源网络供电可靠性的方法探究

摘要

与传统高压直流输电不同，基于电压源换流器的高压直流输电，采用全控型器件，不存在传统直流输电换相失败的问题，并且能够直接向无源网络供电，成为解决城市配电网络线路走廊不易扩充的有力解决措施。
　　 目前的系统模型主要针对稳态工作情况、无源侧故障、切负荷和频率调整等问题的研究。但是对于重要负荷，供电可靠性的要求越来越高，如果供电电源侧出现严重的对称或不对称故障，长时间的电压中断，单纯的稳态下的两端无源供电系统已经不能满足要求。
　　 为此，本文对严重故障时无源侧直流电压的稳定方法进行了探索，与已有的针对无源供电的VSC-HVDC单电源系统相比，提高了针对重要负荷的供电可靠性。此方法通过了PSIM仿真软件验证，得到了理想的无源侧电压和电流，提高了VSC-HVDC系统向无源网络供电的可靠性。
　　 本论文主要工作如下:
　　 首先分析了VSC-HVDC系统的运行原理和基本结构，在两端VSC-HVDC系统结构的基础上，建立了VSC-HVDC系统三相静止坐标系及dq坐标系下的低频数学模型。并分析各种故障情况，建立了VSC在不平衡电压下的dq坐标系下的正负序数学模型。
　　 其次，根据稳态下的数学模型，采用稳态下的锁相环，设计了稳态下的内环电流控制、外环功率控制的双闭环控制器，实现VSC交流有功功率和无功功率的独立控制。针对串级PI调节的控制系统参数调节困难、稳定工作域小等缺点，设计了基于反馈线性化的控制方法，简化了参数设计，并利用输出仿真波形的特点优化了控制器参数。
　　 第三，基于负序分量对PLL的检测性能的影响，忽略频率的偏移，设计了一种针对故障情况的同步相位和对称分量的实时检测方案。以抑制负序电流为控制目标，设计出由结构对称的正序电流控制环和负序电流控制环构成的不平衡控制系统。借鉴电网电压前馈控制思想，设计一种基于负序电压补偿的不平衡控制策略。这种控制方案不仅能有效地抑制不对称故障时产生的负序电流，而且大大简化了控制系统结构，仿真证明，这种方法提高了控制系统的性能。无源侧采用定交流电压控制，供电电源侧采用基于负序电压补偿的双闭环控制，设计了两端VSC-HVDC无源供电控制系统。
　　 最后，在对VSC-HVDC供电系统的故障情况进行仿真分析发现，以上控制器不能满足长时间三相接地的严重故障情况。于是对直流侧电压的稳定方法进行了尝试探究，提出了通过控制方式切换和蓄电池的切入来维持直流侧电压的新方法。并首次采用了双电源供电模型，针对重要负荷供电要求，对单个电源单相及三相接地故障等不对称及严重故障情况，进行一系列仿真验证，通过仿真结果验证了数学模型的正确性和控制器的有效性，提高了VSC-HVDC系统向无源网络供电的可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．1．1 直流输电原理

1．1．2 VSC-HVDC的技术特点以及优势

1．1．3 VSC-HVDC的市场需求以及应用前景

1．1．4 VSC-HVDC系统无源供电可靠性研究的必要性

1．2 PSIM仿真软件特点及优势介绍

1．3 提高VSC-HVDC供电可靠性的控制方法分析

1．4 本论文研究内容

第2章 VSC-HVDC的原理分析与系统建模

2．1 VSC-HVDC的基本原理

2．1．1 VSC-HVDC主要构成元件

2．1．2 电压源换流器的特点及工作原理

2．2 正常工作时模型的建立

2．2．1 静止坐标系下模型的建立

2．2．2 dq坐标系下模型的建立

2．3 故障情况下模型的建立

2．3．1 各种故障情况分析

2．3．2 不对称故障时VSC数学模型

2．3．3 系统运行功率分析

2．4 本章小结

第3章 VSC-HVDC系统稳态时的控制策略研究

3．1 基本控制结构

3．1．1 基本控制层次

3．1．2 换流器级控制策略

3．1．3 锁相环设计

3．2 双闭环控制器设计

3．2．1 电流内环设计

3．2．2 功率外环设计

3．2．3 控制器参数的选择

3．2．4 仿真验证

3．3 本章小结

第4章 VSC-HVDC系统故障时的控制策略研究

4．1 基于空间矢量的对称分量实时检测

4．1．1 不对称系统的空间矢量计算

4．1．2 对称分量检测方法及锁相环实现

4．2 抑制交流侧负序电流的控制器设计

4．2．1 正负序输入输出反馈线性化电流解耦控制器

4．2．2 负序电压补偿控制器

4．2．3 仿真验证和分析

4．3 无源供电控制器设计

4．3．1 无源侧控制器设计

4．3．2 仿真验证

4．4 本章小结

第5章 VSC-HVDC系统无源供电可靠性仿真分析

5．1 VSC-HVDC系统长时间三相接地故障情况分析

5．2 稳定直流侧电压方法探究

5．2．1 控制方式切换

5．2．2 直流侧蓄电池切换

5．3 双电源模型供电

5．3．1 模型及控制方法设计

5．3．2 仿真验证分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文的主要工作

6．2 本文不足及工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文