联接弱交流系统的VSC换流器控制方法研究

摘要

以全控型器件为基础的电压源型高压直流输电(Voltage Source Converter-HVDC，VSC-HVDC)由于其技术优势已广泛应用于直流输电领域，随着新能源接入与VSC-HVDC输送容量的不断增加，VSC-HVDC与弱交流系统互联的场景已出现，关于其系统特性的分析也已成为研究热点。目前，国内外关于弱系统条件下VSC-HVDC系统的研究聚焦在系统各个控制环节的影响和控制器优化方面，针对适用于该场景下控制方法的选取，以及考虑频率特性的交流侧电网参数对系统稳定性的研究涉及较少。本文重点研究联接弱交流电网的VSC-HVDC中控制器特性对系统稳定性的影响，针对交流侧为电压源的情况，基于小信号建模，分析了不同控制方法对系统小信号稳定性的影响，研究了不同控制器的适用性。同时考虑交流系统的频率特性，采用同步发电机模拟含惯量的交流系统，采用特征根分析法，研究了发电机系统参数和VSC控制器参数对系统小信号稳定性的影响，并结合PSCAD/EMTDC中相应的电磁暂态模型进行验证。
　　首先，调研了弱交流电网下VSC-HVDC系统特性的研究现状，从控制器特性方面和控制器优化方面等进行综述;
　　其次，建立联接弱交流电网的VSC-HVDC系统的电磁暂态模型和小信号模型。在PSCAD/EMTDC中建立基于不同控制方法的VSC-HVDC整流侧和逆变侧系统模型，同时选取合适的状态变量，在MATLAB中建立相应的小信号模型，并通过有功功率微小的阶跃模拟小扰动，观察相关物理量的变化，对比仿真结果验证小信号模型建立的正确性;
　　再次，开展交流侧为电压源时VSC-HVDC系统的无功类控制器的适用性分析。基于建立的多个小信号模型，得到相应的特征矩阵，在同等无功功率水平下，分析采用不同控制方法时系统主导极点的变化，以及系统的临界有功功率传输极限值差异，此外利用参与因子法分析影响主导极点的主要状态变量，结论是:影响该系统小信号稳定性的主要状态变量为公共母线联接点的交流电压，定交流电压控制较定无功功率控制更适用于联接弱交流电网的VSC-HVDC，此时系统将达到更高的有功功率传输极限;
　　最后，考虑交流系统的频率特性，采用同步发电机模拟惯量，开展关于联接含惯量交流电网的VSC-HVDC系统小信号模型建立和特征值分析。在PSCAD中建立VSC-HVDC系统的电磁暂态模型，同时在MATLAB中建立相应的26阶小信号模型，利用特征值分析法分析了相关参数变化系统稳定性的影响，并利用电磁暂态模型进行仿真对比验证，结论是:系统小信号稳定性随着系统线路阻抗角减小或短路比降低而减弱;当惯性常数取值大于1.2s时系统小信号稳定性先增强后减弱但不会失稳，当阻尼系数D在0-0.5pu范围内变化时，系统小信号稳定性先增强后减弱，VSC控制器参数对系统小信号稳定性影响也较大，在一定范围内调整VSC控制器内外环参数值可以提高系统小信号稳定性。

目录

声明

摘要

1．1．1 柔性直流输电概述

1．1．2 课题的提出

1．1．3 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文工作及内容安排

第2章 VSC-HVDC系统及其基本控制

2．1 引言

2．3 VSC-HVDC的运行原理

2．4 矢量电流控制策略

2．4．1 控制数学模型

2．4．2 控制器设计

2．5 VSC等效仿真模型

2．6 本章小结

第3章 联接等效交流电网的VSC-HVDC系统稳定性分析与控制方法研究

3．1 引言

3．2 系统拓扑图

3．3 线性化模型的建立

3．3．1 VSC-HVDC控制部分

3．3．2 PLL模型

3．3．3 交流线路方程

3．3．4 总体模型

3．3．5 模型验证

3．4 特征根分析

3．4．1 参与因子分析

3．4．2 无功类控制方法适用性分析

3．4．3 仿真验证

3．5 本章小结

第4章 联接含惯量交流电网的VSC-HVDC系统稳定性分析与控制参数调节

4．1 引言

4．2 小信号模型的建立

4．2．1 系统参数

4．2．2 同步发电机模型

4．2．3 励磁系统模型

4．2．4 汽轮机和调速器模型

4．2．5 交流系统接口与坐标变换

4．2．6 总体模型

4．3 模型验证与特征根分析

4．3．1 模型验证

4．3．2 参与因子分析

4．4 系统参数对VSC系统小信号稳定性影响

4．4．1 线路阻抗变化

4．4．2 惯性常数变化

4．4．3 阻尼系数变化

4．5 VSC控制参数对系统稳定性影响

4．5．1 外环控制比例参数

4．5．2 外环控制积分参数

4．5．3 内环控制参数

4．5．4 仿真验证

4．6 本章小结

5．1 本文主要结论

5．2 后续工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢