混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)中電壓源和電流源換流器相互作用規(guī)律研究.pdf

1、隨著基于電網(wǎng)換相換流器型高壓直流輸電(Line comuutated coverter basedhigh voltage direct current，LCC-HVDC)在輸電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)(Voltage Source Converter based HVDC，VSC-HVDC)的快速發(fā)展，含有LCC和VSC的混合多饋入直流輸電系統(tǒng)近年來受到了廣泛的關(guān)注。研究混合多饋入直流輸電系統(tǒng)中LCC-HVD

2、C和VSC-HVDC的相互作用規(guī)律，具有重要的理論和工程意義。
　　混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)作為混合多饋入直流系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其基本特性和運(yùn)行規(guī)律對(duì)混合多饋入系統(tǒng)的研究具有重要的借鑒意義。論文圍繞混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)中VSC-HVDC和LCC-HVDC的相互影響關(guān)系，通過研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行特性，從混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)的小信號(hào)建模和穩(wěn)定性分析、等值有效短路比的定量評(píng)估方法、換相失敗抵御能力和故障后功率恢復(fù)特性等三方面對(duì)混合雙饋入

3、系統(tǒng)中LCC-HVDC和VSC-HVDC的相互作用規(guī)律開展了相關(guān)研究，并得到了一系列具有工程指導(dǎo)意義的結(jié)論。
　　(1)混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和控制策略
　　為了研究混合雙饋入系統(tǒng)中LCC-HVDC和VSC-HVDC的相互作用規(guī)律，首先分別研究了LCC-HVDC和VSC-HVDC的基本結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了包括換流器交直流電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系、功率傳輸特性等在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，分析了兩種不同類型直流輸電系統(tǒng)的常用控制方式。然后研究了混合

4、多饋入直流輸電系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，基于混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)，研究了LCC-HVDC不同的控制方式組合、VSC-HVDC不同的有功控制方式對(duì)LCC-HVDC換相失敗和故障后功率恢復(fù)特性的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明，LCC-HVDC的控制方式會(huì)在一定程度上影響其換相失敗和故障后功率恢復(fù)特性，而VSC-HVDC的有功控制方式對(duì)LCC-HVDC的換相失敗和故障恢復(fù)特性影響很小。最后選取了LCC-HVDC整流側(cè)定直流電流、逆變側(cè)定關(guān)斷角，

5、VSC-HVDC整流側(cè)定直流電壓、逆變側(cè)定直流功率作為后續(xù)研究的基本控制策略。
　　(2)混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)的小信號(hào)穩(wěn)定性分析
　　小信號(hào)穩(wěn)定性分析是揭示混合雙饋入系統(tǒng)中VSC-HVDC和LCC-HVDC相互作用規(guī)律的重要研究手段。首先基于交直流側(cè)功率守恒原理，推導(dǎo)了LCC和VSC換流器在dq坐標(biāo)系下的線性化模型，結(jié)合換流站中PLL、控制系統(tǒng)、濾波器等主要基本單元的數(shù)學(xué)模型，分別推導(dǎo)了LCC換流站和VSC換流站的小信號(hào)模

6、型。然后以各個(gè)換流站為子系統(tǒng)，研究了直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)和交流側(cè)接口模型以及不同坐標(biāo)系下變量的轉(zhuǎn)換模型，提出了混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)的小信號(hào)模型建立方法?；诨旌想p饋入直流輸電系統(tǒng)，將建立的小信號(hào)模型和PSCAD/EMTDC中的仿真模型進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了建立的小信號(hào)模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，基于建立的小信號(hào)模型，重點(diǎn)針對(duì)交流系統(tǒng)強(qiáng)度、VSC-HVDC傳輸功率、LCC-HVDC傳輸功率等條件變化時(shí)系統(tǒng)的小信號(hào)穩(wěn)定性問題，通過特征根分析和參與

7、因子分析方法，研究了混合雙饋入系統(tǒng)在交流系統(tǒng)強(qiáng)度變化時(shí)的主導(dǎo)振蕩模態(tài)及其主要參與狀態(tài)變量。研究結(jié)果表明上述變化條件下LCC和VSC的狀態(tài)變量在主導(dǎo)振蕩模態(tài)中的參與度相似，說明在系統(tǒng)因交流系統(tǒng)強(qiáng)度減弱而失去穩(wěn)定的過程中VSC-HVDC和LCC-HVDC存在顯著的相互作用關(guān)系。最后，計(jì)算了上述變化條件下混合雙饋入系統(tǒng)的有效短路比，結(jié)果表明傳統(tǒng)有效短路比評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)的強(qiáng)度僅具有定性的指導(dǎo)作用，在定量評(píng)價(jià)方面，該評(píng)價(jià)指標(biāo)有待

8、進(jìn)一步改進(jìn)和完善。
　　(3)基于運(yùn)行阻抗的混合雙饋入系統(tǒng)等值有效短路比定量評(píng)估方法
　　為了將傳統(tǒng)有效短路比指標(biāo)擴(kuò)展應(yīng)用到混合雙饋入系統(tǒng)的交流系統(tǒng)強(qiáng)度定量評(píng)估中，揭示LCC-HVDC和VSC-HVDC交流系統(tǒng)強(qiáng)度的相互作用規(guī)律，提出了換流器運(yùn)行阻抗和基于運(yùn)行阻抗的混合雙饋入系統(tǒng)等值有效短路比（impedance based effective short circurt ratio，IESCR）的概念。首先基于建立的小信號(hào)

9、模型，通過在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)施加特定小擾動(dòng)的方法，獲得換流器交流側(cè)的端口特性，通過分析端口電壓電流偏移量的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到了換流器的基頻等效阻抗計(jì)算方法。該等效阻抗與系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)相關(guān)，故在論文中稱之為換流器的運(yùn)行阻抗。在既定運(yùn)行狀態(tài)下，將目標(biāo)換流器（LCC或VSC）以外的其他換流器等效為運(yùn)行阻抗，然后通過與交流網(wǎng)絡(luò)的等值，提出了基于運(yùn)行阻抗的混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)等值有效短路比的定量評(píng)估方法，并通過仿真研究驗(yàn)證了該評(píng)估方法的有效性?；贗E

10、SCR，研究了混合雙饋入系統(tǒng)中LCC-HVDC和VSC-HVDC交流系統(tǒng)強(qiáng)度的相互作用規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，LCC-HVDC的交流系統(tǒng)強(qiáng)度受到VSC控制方式、功率等級(jí)以及VSC與LCC的電氣距離等因素的影響，LCC-HVDC對(duì)VSC-HVDC的交流系統(tǒng)強(qiáng)度也有類似的作用規(guī)律。最后，結(jié)合建立的小信號(hào)模型，研究了控制器參數(shù)對(duì)直流系統(tǒng)能穩(wěn)定傳輸額定功率所需的最小IESCR的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)混合雙饋入系統(tǒng)中定關(guān)斷角控制器及換流器鎖相環(huán)的控制參數(shù)對(duì)該

11、最小IESCR有顯著的影響，在控制參數(shù)相對(duì)較小的條件下，系統(tǒng)更容易在接近臨近短路比的條件下傳輸額定有功功率。
　　(4)混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)中LCC-HVDC的換相失敗和故障恢復(fù)特性
　　為了研究混合雙饋入系統(tǒng)中VSC-HVDC對(duì)LCC-HVDC換相失敗和故障恢復(fù)特性的作用規(guī)律，首先研究了VSC控制方式、VSC控制器參數(shù)以及VSC和LCC間電氣距離不同對(duì)LCC-HVDC的換相失敗抵御能力和故障后有功功率恢復(fù)速度的影響。研究

12、結(jié)果表明，當(dāng)VSC-HVDC采用定交流電壓控制方式時(shí)，相比定無功功率控制，能更好地改善LCC-HVDC的換相特性，尤其在LCC和VSC間電氣距離較小、VSC定交流電壓控制器響應(yīng)速度較快的條件下，改善效果更加明顯。然后通過研究換相過程中VSC的無功功率變化規(guī)律以及LCC的換相電壓、換相電流等的變化過程，得到了VSC-HVDC改善LCC-HVDC換相特性的基本原理。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，通過這種利用VSC在交流側(cè)和LCC并聯(lián)的方式改變LCC換相電壓