基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與仿真分析.pdf

1、隨著可關(guān)斷器件性能的改進(jìn)以及容量的提升，基于電壓源換流器(VSC)和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的新一代高壓直流輸電(VSC-HVDC)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。VSC-HVDC 以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，正吸引著國內(nèi)外電力學(xué)者以及電力規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員越來越多的關(guān)注。在我國，對(duì)該項(xiàng)輸電技術(shù)的研究尚屬于起步階段。本論文著重研究 VSC-HVDC 輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、仿真方法以及其對(duì)交流輸電系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響。 本論文首先分析了電壓源換流器的穩(wěn)態(tài)功率特

2、性，確定了對(duì)應(yīng)VSC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)的四個(gè)變量。建立了適用于牛頓法潮流計(jì)算的VSC-HVDC 穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，鑒于VSC-HVDC輸電系統(tǒng)中各VSC的控制對(duì)象大多為交流變量的特點(diǎn)，提出了VSC-HVDC交直流混合系統(tǒng)潮流的交替求解算法，算法中計(jì)及了VSC的容量約束。該潮流算法可為含有VSC-HVDC裝置的系統(tǒng)暫態(tài)仿真提供變量初值。 基于節(jié)點(diǎn)電流注入法，建立了VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析模型，該模型包括：VSC 交流側(cè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模

3、型、直流輸電系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)態(tài)模型以及控制系統(tǒng)模型三個(gè)部分。利用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)提供的用戶自定義(UD)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)VSC-HVDC 交直流并聯(lián)、并列輸電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析。 建立了VSC-HVDC 小干擾穩(wěn)定分析模型。通過對(duì)頻域響應(yīng)的系統(tǒng)辨識(shí)以及時(shí)域響應(yīng)的Prony辨識(shí)，分別在單機(jī)交直流并聯(lián)以及多機(jī)交直流并列輸電系統(tǒng)中，得到了VSC-HVDC 有功功率設(shè)定值與其交流并聯(lián)、并列輸電線路有功功率之間的開環(huán)傳遞函數(shù)。在

4、此基礎(chǔ)上，并利用極點(diǎn)配置技術(shù)，設(shè)計(jì)了VSC-HVDC 的附加低頻振蕩阻尼控制器。系統(tǒng)的大擾動(dòng)非線性仿真表明，配備附加阻尼控制器的VSC-HVDC能夠顯著增加系統(tǒng)的振蕩阻尼，有效地抑制低頻振蕩。 采用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)，建立了VSC-HVDC 的開關(guān)函數(shù)暫態(tài)模型，該模型是對(duì)VSG-HVDC 拓?fù)渥儞Q過程的詳細(xì)描述，因此可精確地反映出VSC-HVDC內(nèi)部各物理量的變化過程。進(jìn)一步通過忽略開關(guān)函數(shù)中的高頻分量，建立了同步旋轉(zhuǎn)dq0

5、坐標(biāo)系下的VSC暫態(tài)模型，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的解耦控制器，實(shí)現(xiàn)了VSC交流有功功率和無功功率的獨(dú)立控制。 基于隱式梯形積分算法，建立了 VSC-HVDC 詳細(xì)的電磁暫態(tài)仿真模型，并基于PSASP提供的用戶自定義程序接口(UPI)功能，提出了VSC-HVDC/AC交直流機(jī)電電磁混合仿真算法。通過與電磁暫態(tài)仿真軟件 PSCAD/EMTDC 中仿真電路模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了VSC-HVDC 電磁暫態(tài)仿真模型以及混合仿真算法的正確性。此外

6、，還分析了VSC交流側(cè)采用電磁暫態(tài)模型與采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型時(shí)的仿真計(jì)算精度。 利用PSCAD/EMTDC搭建了多端VSC-HVDC的仿真電路模型，設(shè)計(jì)了VSC向無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)的控制系統(tǒng)。仿真分析了無源阻感負(fù)荷功率波動(dòng)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)再生反饋電力、有源網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱短路故障等擾動(dòng)，對(duì)多端VSC-HVDC運(yùn)行特性的影響。 最后，在研究次同步振蕩(Subsynchronous Oscillation，SSO)的 IEEE First Be