交流系统故障时VSC-HVDC系统的控制与保护策略研究

摘要

交流系统故障时VSC-HVDc系统的控制与保护策略直接关系到VSC-HVDC系统的实际运行性能，具有明显的工程应用价值和现实意义。本文采用理论分析和仿真验证相结合的研究手段，重点研究了交流系统故障时VSC-HVDC系统的控制与保护策略及其相关技术。研究的主要内容如下： (1)研究和建立了理想条件和交流系统电压不平衡等两种情况下VSC-HVDC系统的数学模型。在建立理想条件下VSC换流站的数学模型的基础上，利用瞬时对称分量理论和广义同步旋转坐标关系，建立了交流系统电压不平衡时VSC换流站的低频动态数学模型。分析了两种情况下VSC换流站交直流两侧的有功平衡关系，结果表明，交流系统不对称故障引起的负序分量不仅导致VSC换流站的直流侧电压和输送的有功功率都产生二倍频波动量，而且会增大换流电抗器的损耗。 (2)研究了同步相位与瞬时对称分量的实时检测技术，它是交流系统故障时VSC-HVDC保护控制系统的重要组成部分。基于空间矢量的同步相位和对称分量的实时检测电路将正序电压的q轴分量作为PLL的输入信号，因此在能快速检测对称分量的同时又消除了负序分量对PLL性能的影响。基于广义同步坐标变换的同步相位和对称分量的频率自适应检测电路不仅能消除负序分量对PLL性能的影响，而且它又适用于交流系统频率变化的场合。 (3)研究了VSC-HVDC在理想情况下的控制策略。将电机领域中的双闭环控制理论应用于VSC—HVDC系统的控制器设计，设计了基于串级PI调节的VSC换流站控制系统。这种控制器具有物理意义清晰、结构简单等特点。基于非线性系统的反馈线性化控制理论，设计了基于输入输出反馈线性化的电流解耦控制器，从而简化了VSC的控制器设计、改善了控制器性能。上述两种控制系统都采用内环电流控制，能实现VSC换流站的限流控制，避免了VSC换流站的过电流和过电压。设计了向无源网络供电的VSC-HVDC系统的控制器，并在变频、调压和负荷扰动等多种工况下验证控制器性能。同时，研究了VSC-HVDC系统的起动控制，提出了一种复合起动控制策略，它能有效地抑制VSC在起动过程中的过电流。 (4)将VSC-HVDC系统的控制策略研究从理想情况深入到交流系统发生故障的真实运行环境，研究了交流系统故障时VSC-HVDC系统的控制与保护策略。主要有：以抑制负序电流为目标，设计了一种采用双电流控制环结构的VSC-HVDC控制保护系统，它能较好地抑制不对称故障所引起的负序电流，具有良好的控制性能和限流能力。提出了一种负序电压实时补偿的VSC-HVDC不平衡控制策略。该控制器不仅能够有效地抑制负序电流，而且简化了控制器结构，提高了控制器性能。针对直流电压控制要求较高的VSC-HVDC系统，设计了一种采用加入适当负序电流的有功平衡控制策略，它能有效地抑制不对称故障引起的有功功率和直流电压的二倍频波动量，从而减小一侧交流系统不对称故障引起的负序分量对另一侧交流系统的影响。分析了故障发生在VSC-HVDC不同侧的交流系统时对VSC换流站直流电压控制的影响并提出了相应的对策。结果表明，通过换流站控制模式的自动转换能够实现直流电压的控制和VSC换流站的限流，因而提高了VSC-HVDC系统的连续安全运行能力。对所设计的以抑制负序电流为目标和以抑制VSC换流站直流侧电压波动为目标的两类控制系统进行了分析比较。得出的结论是，对于直流电压控制要求较高的VSC-HVDC系统，可以采用以抑制VSC直流侧电压波动为目标的控制系统，以抑制负序电流为目标的VSC控制系统则适合应用于经直流线路进行功率输送的VSC-HVDC系统。比较而言，基于负序电压补偿的VSC不平衡控制系统结构简单、控制性能好，因此更具工程意义。 (5)对VSC-MTDC系统的控制策略进行了研究。在PSCAD/EMTDC上构筑了一个5端的VSC-MTDC仿真平台，设计并验证了主从式单点直流电压控制策略。系统采用这种控制方式时，有功调节和直流电压控制都具有很好的刚性，但其运行可靠性不高、运行方式也不灵活。随之，提出了一种基于直流电压偏差控制的多点直流电压控制策略。换流站采用这种控制策略后，根据系统运行情况能自动切换控制模式，确保定直流电压控制的换流站故障退出运行时，仍能实现VSC-MTDC系统的直流电压控制和有功平衡，从而提高了多端系统的运行可靠性和灵活性。 (6)设计了一种基于VSC-MTDC的供电系统。由于该系统采用了基于直流电压偏差控制的功率控制器和基于负序电压实时补偿的VSC不平衡控制策略，因此该供电系统在向重要负荷供电时，能够有效地抑制备种扰动和故障对重要负荷供电的影响，具有很高的供电质量，能实现电能质量的综合控制。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的背景与意义

1.2电压源型直流输电系统的运行原理

1.2.1 VSC-HVDC的系统结构

1.2.2电压源换流器的基本工作原理

1.3 VSC-HVDC的技术特点与应用领域

1.3.1 VSC-HVDC的技术特点

1.3.2 VSC-HVDC的应用领域

1.4电压源型直流输电的研究现状

1.4.1换流器拓扑结构和系统结线方式

1.4.2 VSC-HVDC的数学建模研究

1.4.3 VSC-HVDC的控制策略研究

1.4.4基于VSC的多端直流输电系统的研究

1.5本文的主要工作

参考文献

第二章VSC-HVDC系统的数学模型

2.1引言

2.2交流系统电压平衡时VSC-HVDC系统的数学模型

2.2.1三相静止坐标系下VSC的数学模型

2.2.2两相坐标系下VSC的数学模型

2.3不对称三相量的瞬时对称分量及其表达形式

2.4交流系统电压不平衡时VSC-HVDC系统的数学模型

2.4.1负序分量对VSC-HVDC系统的影响分析

2.4.2两相坐标系下VSC的数学模型

2.5 VSC-HVDC系统的功率分析

2.5.1 VSC-HVDC交流系统电压不平衡时的功率分析

2.5.2 VSC-HVDC交流系统电压平衡时的功率分析

2.6本章小结

参考文献

第三章同步相位和对称分量的实时检测

3.1引言

3.2交流系统同步方法及其技术评价

3.2.1基于过零点检测的同步技术

3.2.2基于两相αβ静止坐标变换的同步技术

3.2.3采用锁相环电路的同步技术

3.3三相PLL的工作原理和性能分析

3.3.1三相PLL的工作原理

3.3.2负序分量对PLL相位检测的影响

3.3.3时域仿真验证和性能分析

3.4对称分量实时检测方法及其技术评价

3.4.1平均法

3.4.2延时法

3.5基于空间矢量的同步相位和对称分量的实时检测

3.5.1三相不对称系统的空间矢量概念

3.5.2基于空间矢量的同步相位和对称分量实时检测方法的实现

3.5.3时域仿真验证与分析

3.6基于广义同步坐标变换的同步相位和对称分量的实时检测

3.6.1广义同步旋转坐标系下的电压矢量表示

3.6.2基于广义同步坐标变换的同步相位和对称分量实时检测的实现

3.6.3时域仿真验证与分析

3.7本章小结

参考文献

第四章交流系统平衡时VSC-HVDC系统的控制策略研究

4.1引言

4.2 VSC-HVDC系统的基本控制形式

4.3基于串级PI调节的VSC-HVDC系统的控制策略

4.3.1内环电流控制器设计

4.3.2外环功率控制器设计

4.3.3时域仿真验证

4.4 VSC-HVDC系统的反馈线性化控制策略

4.4.1同步旋转坐标系下VSC的非线性数学模型

4.4.2基于输入输出反馈线性化的电流解耦控制器设计

4.4.3 VSC换流站有功与无功的独立调节

4.4.4时域仿真验证

4.4.5系统参数估计误差对控制器性能的影响分析

4.4.6交流系统不对称故障对VSC换流站的运行影响

4.5向无源网络供电的VSC-HVDC系统的控制策略

4.5.1整流站的控制器设计

4.5.2逆变站的控制器设计

4.5.3时域仿真验证

4.6 VSC-HVDC系统的起动控制

4.6.1VSC换流站的复合起动控制策略

4.6.2时域仿真验证

4.7本章小结

参考文献

第五章交流系统故障时VSC-HVDC的控制策略研究

5.1引言

5.2抑制交流系统负序电流的VSC-HVDC控制策略

5.2.1交流系统不对称故障时VSC的数学模型

5.2.2控制器设计

5.2.3时域仿真验证与分析

5.3基于电压补偿原理的VSC-HVDC系统的不平衡控制

5.3.1电压补偿控制原理

5.3.2基于负序电压补偿的VSC控制器设计

5.3.3交流系统故障时VSC-HVDC系统的直流电压控制

5.3.4时域仿真验证与分析

5.3.5本节小结

5.4交流系统不对称故障时VSC-HVDC的功率平衡控制

5.4.1交流系统不对称故障时的系统功率分析

5.4.2基于有功平衡的控制系统设计

5.4.3时域仿真验证与分析

5.5适用于VSC-HVDC交流系统故障时的控制策略的分析和比较

5.6本章小结

参考文献

第六章VSC-MTDC系统的控制策略研究

6.1引言

6.2 VSC-MTDC的系统结构及其换流器的外特性

6.3基于主从控制的单点直流电压控制策略

6.3.1控制策略的原理与实现

6.3.2时域仿真验证与分析

6.4基于直流电压偏差控制的多点直流电压控制策略

6.4.1直流电压偏差控制原理

6.4.2基于直流电压偏差控制的多点直流电压控制器设计实现

6.4.3时域仿真验证与分析

6.5本章小结

参考文献

第七章基于VSC-MTDC的供电系统设计

7.1引言

7.2电能质量扰动现象

7.3基于VSC-MTDC的供电系统及其抑制电能质量问题的对策

7.3.1 VSC-MTDC系统及其控制器设计

7.3.2换流站控制器设计及其对电能质量问题的抑制

7.3.3供电系统的直流电压波动及其抑制

7.4时域仿真验证与分析

7.4.1不对称负荷接入对重要负荷供电的影响

7.4.2有功功率指令变化对重要负荷供电的影响

7.4.3交流系统含有负序电压对重要负荷供电的影响

7.4.4交流系统短时不对称故障对重要负荷供电的影响

7.4.5交流系统永久性三相短路故障对重要负荷供电的影响

7.4.6定直流电压控制的换流站闭锁对重要负荷供电的影响

7.5本章小结

参考文献

第八章总结与展望

8.1本文的主要结论与创新点

8.2后续研究工作展望

致谢

攻读博士学位期间发表与录用的论文