聯(lián)接弱交流電網(wǎng)的柔性直流輸電系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性研究.pdf

1、電壓源換流器直流輸電(Voltage Source Converter based High Voltage DirectCurrent，VSC-HVDC)又稱柔性直流輸電，采用全控型電力電子器件，不會發(fā)生換相失敗，并且可以對有功功率與無功功率進行獨立調節(jié)，因此相比于傳統(tǒng)直流輸電技術更適用于向弱交流電網(wǎng)供電。一般而言，評價交流電網(wǎng)強度的指標主要有:交流電網(wǎng)短路比(Short Circuit Ratio，SCR)和交流電網(wǎng)慣性時間常數(shù)(I

2、nertiaConstant)。當交流電網(wǎng)強度較弱時，工程中普遍采用的矢量電流控制器(VectorCurrent Control)有可能導致柔性直流輸電系統(tǒng)失穩(wěn)，并且隨著交流系統(tǒng)變弱這種趨勢更加明顯。因此，為保證柔性直流系統(tǒng)的阻尼特性、穩(wěn)定運行能力以及系統(tǒng)快速響應等實際工程需求，非常有必要研究聯(lián)接弱交流電網(wǎng)的柔性直流輸電系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性問題，揭示影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的機理，提出改善系統(tǒng)阻尼特性的控制策略。為此，本文將著重開展如下研究，以得到

3、具有重要理論和工程應用價值的成果。
　　(1) VSC-HVDC系統(tǒng)數(shù)學模型與控制策略
　　為了給本文提供重要的數(shù)學模型支撐，首先建立了聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)非線性數(shù)學模型。其中，交流電網(wǎng)采用等值同步發(fā)電機串聯(lián)線路等效阻抗來模擬，可以考慮交流電網(wǎng)的頻率特性;電壓源換流器分別采用兩電平VSC與MMC拓撲，控制系統(tǒng)均采用經(jīng)典的矢量電流控制;同時為了構建完整的柔性直流輸電系統(tǒng)小信號模型，開發(fā)了不同狀態(tài)空間方程之間的接口

4、，通過對比PSCAD/EMTDC中的系統(tǒng)時域仿真模型以及MATLAB中搭建的非線性數(shù)學模型的計算結果，驗證了非線性數(shù)學模型的正確性。
　　(2)聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)阻尼特性研究
　　基于開發(fā)的聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)數(shù)學模型，研究了交流電網(wǎng)SCR與慣性時間常數(shù)對系統(tǒng)阻尼特性的影響，結果表明系統(tǒng)小信號穩(wěn)定裕度會隨著交流電網(wǎng)SCR或慣性時間常數(shù)的降低而減小。相比于交流電網(wǎng)SCR，慣性時間常數(shù)的影響較小，只

5、有當SCR較低時減小交流電網(wǎng)的慣性時間常數(shù)才會導致系統(tǒng)小信號失穩(wěn)。研究了控制器參數(shù)對弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)小信號穩(wěn)定裕度的影響，其中影響較大的有鎖相環(huán)(Phase-Locked-Loop，PLL)參數(shù)和外環(huán)控制器參數(shù)。同時，等值同步發(fā)電機的勵磁控制器參數(shù)對系統(tǒng)的阻尼特性也有較大影響。
　　對比了交流電網(wǎng)采用等值同步發(fā)電機模型串聯(lián)線路等效阻抗的形式以及理想電壓源串聯(lián)線路等效阻抗的形式，結果表明由于采用理想電壓源串聯(lián)線路等效阻

6、抗的形式忽略了交流電網(wǎng)的頻率特性，對聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定域評估會產(chǎn)生較大的影響，傾向于得到系統(tǒng)小信號穩(wěn)定的結果。分別研究了采用兩電平VSC與MMC時直流系統(tǒng)小信號穩(wěn)定域，發(fā)現(xiàn)當MMC子模塊電容較小，電容電壓波動過大時，MMC內部動態(tài)過程與PLL之間會產(chǎn)生較強的相互作用進而發(fā)生高頻振蕩，嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行;在增大MMC子模塊電容容值后，MMC與兩電平VSC在聯(lián)接弱交流電網(wǎng)時的小信號穩(wěn)定域基本一致。
　　(3)聯(lián)接

7、弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)先進控制器設計
　　提出了利用虛擬電阻增強聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的方法。對已有功率同步控制方法(Power Synchronization Control，PSC)進行改進，通過附加虛擬電阻控制策略，可以等效增大換流閥側電阻，從而抑制換流器的高頻振蕩。同時，研究表明由于PSC控制器本身類似于間接電流控制，當交流電網(wǎng)較強時該控制器并不能保證換流器的響應速度。同時，提出了附加阻尼環(huán)

8、節(jié)的新型鎖相環(huán)來增強聯(lián)接弱交流電網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的方法，通過在PLL中增加阻尼環(huán)節(jié)來增強系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性，該方法通過降低控制器的響應速度來增強系統(tǒng)阻尼特性，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力。
　　考慮到交流電網(wǎng)強度通常是變化的，綜合考慮控制器的阻尼特性與快速響應特性，提出了交流電網(wǎng)強度自適應虛擬阻抗控制器，該控制器通過改變換流器電氣量的測量點來虛擬地改變換流器閥側阻抗與交流電網(wǎng)阻抗之間的關系。具體而言，當電網(wǎng)較弱時，

9、將一部分虛擬阻抗轉移到換流器閥側來虛擬改變系統(tǒng)短路比，增強系統(tǒng)阻尼特性;當交流電網(wǎng)較強時，減小虛擬阻抗，從而在保證系統(tǒng)小信號穩(wěn)定運行的前提下提高換流器的響應速度。
　　(4)聯(lián)接弱交流電網(wǎng)雙饋入VSC-HVDC系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
　　研究了聯(lián)接弱交流電網(wǎng)雙饋入VSC-HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，重點關注了雙饋入VSC之間的電氣距離對系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的影響。研究表明，當雙饋入VSC之間的電氣距離過短時，雙饋入VSC的控制器會激發(fā)線路