基于电压源换流器控制的电力装置对电力系统动态交互的影响研究

发布时间：2020-06-12 06:08

【摘要】：随着柔性交流输电(Flexible AC Transmission Systems,FACTS)的不断应用以及风电机组的大规模集中并网,电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)作为其核心元件在电力系统中的渗透水平不断提高,电力系统电力电子化趋势愈发显著。作为电力系统稳定运行重点关注的经典问题——低频振荡(low frequency oscillation,LFO)与次同步振荡(subsynchronousoscillation,SSO),又呈现出新的特征,目前尚未取得共识性的定性结论。为此,亟待对柔性交流输电、大规模风电机组并网可能引发的振荡失稳机理展开较为深入的研究。基于VSC控制的电力设备主要从两个方面影响系统振荡模式:一是VSC注网功率改变系统潮流影响振荡模式,二是VSC控制动态与系统的交互作用影响振荡模式。本文区别于传统VSC附加控制改善弱阻尼振荡,重点关注VSC与系统的强动态交互作用,研究VSC型电力装置(统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller,UPFC)、静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)和永磁直驱风机(Wind Turbine With Direct-driven Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)接入电力系统可能诱发的强动态交互作用LFO与SSO失稳机理。本文主要研究内容与创新点如下:(1)对于UPFC的附加阻尼控制和多控制器之间的交互影响,已发表文献大多集中于研究相角控制的UPFC,对于矢量控制的UPFC研究较少。本文首次对UPFC的上述两种控制策略进行综合性的量化分析比较,明确了不同控制策略下UPFC控制特性的优势与不足。对于相角控制UPFC,进一步研究了多附加阻尼通道的最优定位选择,并提出了多控制器阻尼系统多模态振荡的协调算法;针对矢量控制UPFC,进一步讨论了多工况运行条件下的UPFC的多控制器间的交互影响。(2)UPFC主要功能是潮流调节,电压支撑,以及附加阻尼控制改善系统弱阻尼振荡。本文研究区别于传统UPFC附加阻尼控制,主要研究了 UPFC的VSC控制特性对系统LFO的潜在威胁。通过并网UPFC对系统所提供的阻尼转矩贡献,新发现了 UPFC与系统的强交互作用会恶化机电振荡模式的阻尼,引发系统失稳。在此基础上,建立了 UPFC子系统与同步机子系统互联的多变量(四输入四输出)模型,从机理上揭示了强交互作用是由两子系统发生开环模式耦合所引起的。(3)FACTS附加控制可抑制同步机轴系、风电场的SSO。本文研究区别于传统FACTS装置提高SSO稳定性,主要研究了 FACTS装置对同步机轴系、直驱风电场诱发SSO的潜在风险。一是通过建立以同步机轴系为媒介的单变量(一输入一输出)互联模型,研究了 UPFC与同步轴系的次同步相互控制作用。二是针对含STATCOM的PMSG风电场,以STATCOM接入点的功率-电压为媒介,建立了非对称变量(两输入一输出)互联模型,研究了 STATCOM与风电场内多台P M S G之间的次同步控制交互作用及其影响因素。(4)阻抗分析法的正电阻判据、正网络阻尼判据,以及开环模式耦合是分析并网风机引发次同步振荡的三种主要方法,它们分别从负电阻、负净阻尼和模式耦合的角度解释了风机引起振荡失稳的原因。然而,针对同一分析场景,独立应用上述方法可能获得不同的结果。为探究出现不同结果原因,以及负阻效应与振荡失稳之间的联系,本文通过计算PMSG的控制参数安全域对上述三种方法进行了比较,揭示了三种方法之间的差异和联系,有助于更好地理解上述三种研究并网PMSG引起系统SSO失稳机理的局限性。
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但二者还是有明显区别，主要表现在ＤＴＡ为控制器分配阻尼到多机系统，逡逑再由各同步机反映到单个目标模式；而ＣＴＣＡ为控制器分配阻尼到多机系统，逡逑各台同步机分别到自身的轴系模式，对比详见图１－１。逡逑ＤＴＡ＾？＼逦ＣＴＣＡ逡逑ｒｙ邋：逦ｙａ邋ｒｖ邋：逡逑图１－１邋ＤＴＡ与ＣＴＣＡ的阻尼分配差异逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ＤＴＡ邋ａｎｄ邋ＣＴＣＡ邋ｆｏｒ邋ｄａｍｐｉｎｇ邋ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ逡逑阻抗分析法（Ｉｍｐｅｎｄｅｎｃｅ邋Ａｎａｌｙｓｉｓ，ＩＡ）的理论基础是Ｎｙｑｕｉｓｔ稳定判据，主要逡逑针对于单输入单输出闭环系统，是分析风机并网稳定的常用理论方法之一。ＩＡ针逡逑对目标风机和接入系统分别建立两个独立的等效阻抗模型，，通过分析并网端口阻逡逑抗频率特性，具有清晰的物理概念，可为风机并网稳定分析提供机理性分析［４３］。逡逑关于阻抗法的建模分析，文献［４４］以一个简单的直驱风机－交流并网系统为例，分逡逑别推导了直驱风机和交流电网基于同步参考坐标系的阻抗模型，进而构建了系统逡逑整体的阻抗模型；文献［４５］基于同步参考坐标系，推导了直驱风机动态模型和输逡逑入导纳模型

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本文编号：2709107