MMC型柔性直流输电系统建模、安全稳定分析与故障穿越策略研究

发布时间：2020-07-05 16:28

【摘要】：随着模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型直流电网、以及包含电网换相换流器(Line Commutated Converter,LCC)与MMC的混合多端直流输电系统等新技术的出现,大规模交直流电力系统的安全稳定分析计算面临着许多新的问题。为此,本文围绕MMC型柔性直流输电系统的机电暂态建模、静态安全性分析、小干扰稳定性约束下的最小短路比研究、以及具备故障穿越能力的无源控制器设计,开展了系统的研究工作:(1)从理论上推导了改进的MMC机电暂态模型。数学推导和仿真计算均表明,更加准确的MMC机电暂态模型的直流侧电路应该用计及等效电容和等效桥臂电感动态特性的二阶微分方程描述。结合所推导的MMC模型,提出了一种基于预设直流故障信息的MMC型直流电网建模方法,研究了不同类型直流故障对交流系统暂态稳定性的影响。结果表明即使在直流电网中发生不止一回的直流线路永久性接地短路故障,只要故障线路被快速隔离,直流故障对交流系统暂态稳定性的影响是很有限的。基于所推导的MMC模型,研究了 LCC-MMC型混合直流输电系统机电暂态建模。提出了一种考虑LCC触发角约束条件的混合多端直流输电系统交替迭代潮流计算方法,确保了混合直流输电系统模型初始化的可靠性。南方电网算例结果表明,本文提出的混合多端直流输电系统潮流计算和机电暂态建模方法能够满足大规模交直流电力系统的暂态稳定计算。(2)提出了直流电压下垂控制的MMC型柔性直流输电系统静态安全分析方法。研究表明,相比于现有的分析方法,基于“二分法”思想的改进分析方法可以更加准确地评估换流站故障停运以及换流站过载情况下,柔性直流输电系统运行参量的稳态偏差:即各换流站的有功功率、各节点直流电压以及各直流线路功率损耗的变化情况。基于所推导的直流线路功率损耗变化表达式,可以进一步估算出各直流线路的稳态电流偏差,以判断直流线路电流是否安全合理。(3)研究了小干扰稳定约束下MMC换流站接入送端和受端系统的最小短路比。首先,提出了一种适用于系统级分析的MMC型柔性直流输电系统小信号建模方法。然后利用特征值分析法,通过分析不同电网强度、等值系统阻抗角、以及不同控制目标的电流矢量控制对系统小干扰稳定性的影响,得到了MMC接入系统的最小短路比、以及相应的主导影响因素。研究表明,额定有功功率传输下,对于接入送端系统的MMC换流站而言,所要求的最小短路比在1.51～1.95之间,且最小短路比随等值阻抗角的增大而减小。对于接入受端系统的MMC换流站而言,所要求的最小短路比在1.34～1.51之间,且最小短路比随等值阻抗角的增大而增大。因此为了确保MMC型直流输电系统能够稳定运行于额定工况,建议将采用电流矢量控制的MMC接入短路比大于2.0的送端系统,以及短路比大于1.5的受端系统。(4)针对MMC型柔性直流输电系统向无源孤岛系统供电的场景,设计了一种能够提升MMC送端交流故障穿越能力的无源控制器。研究表明,提升柔性直流输电系统故障穿越能力的关键是在故障期间尽可能地将直流电压维持在额定值水平。在所设计的无源控制器作用下,受端换流站能够在不依赖于通信的条件下根据送端电网的故障情况自动调节受端无源系统的电压幅值,有效地抑制了故障期间MMC电容的放电趋势,确保了故障清除后的MMC直流输电系统以及受端无源孤岛系统的快速恢复运行。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM721.1
【图文】：

含ＭＭＣ的交直流电力系统安全稳定分析面临着许多新的挑战，逡逑因此需要持续深入的研究工作。本文部分研究主题之间的关系以及采用的研究方逡逑法如图１．１的粗体部分所标示。通过探讨ＭＭＣ型柔性直流输电系统的机电暂态逡逑建模、静态安全性分析、小干扰稳定性分析计算、以及研究提升ＭＭＣ柔性直流逡逑输电系统故障穿越能力的改善策略，以期为现代化交直流电力系统的安全稳定运逡逑行提供技术支撑。逡逑１。２课题的研究现状逡逑Ｌ２．１邋ＭＭＣ型柔性直流输电系统的机电暂态建模逡逑（１邋）邋ＭＭＣ机电暂态模型的基本特点逡逑机电暂态时域仿真是交直流电力系统稳定分析计算的主要方法之一。其基本逡逑过程是对描述电力系统动态行为的微分－代数方程组进行数值积分求解，以得到逡逑系统的动态响应［＾＾８］。因此从数学上来讲，ＭＭＣ的机电暂态建模就是推导描述逡逑４逡逑

第１章绪论逡逑其动态特性的微分－代数方程组，是电力系统稳定分析计算的前提工作。逡逑ＭＭＣ的基本拓扑如图１．２所示，该拓扑最突出的特点是换流器的三相六个逡逑桥臂均由结构相同的功率子模块级联构成，因此显著地降低了换流阀的设计与制逡逑造门槛。然而相对于其他拓扑结构的换流器，ＭＭＣ的数学建模难度更大。为了逡逑适应ＭＭＣ型柔性直流输电技术的发展，国内外的各大权威机构，如国际大电网逡逑会议（ＣＩＧＲＥ）和欧洲电工标准化委员会（ＣＥＮＥＬＥＣ）均参与到了邋ＭＭＣ型直逡逑流电网相关导则和标准的制定中［２２］。其中，ＣＩＧＲＥ的Ｂ４．５７工作组于２０１４年发逡逑布了邋ＭＭＣ型直流电网建模领域里的首个导则［６９１：《Ｇｕｉｄｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｏｆ逡逑Ｍｏｄｅｌｓ邋ｆｏｒ邋ＨＶＤＣ邋Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ邋ｉｎ邋ａ邋ＨＶＤＣ邋Ｇｒｉｄ》。该导则总结了邋７种建模详细程度逡逑不同的ＭＭＣ模型，为相关研究人员提供了宝贵的参考资料。逡逑相单元邋桥臂逡逑Ｌ邋ＳＭ，邋：邋□邋ＳＭ

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本文编号：2742847