电压源型变换器交流电流控制时间尺度装备建模及对电力系统动态影响研究

发布时间：2020-08-22 14:32

【摘要】：随着风电/光伏、高压直流输电以及电力电子负荷等在电力系统中比例的不断提高,系统日益朝向电力电子化的趋势发展。电力电子化并网装备具有典型的多时间尺度控制动态,即转子转速、直流电压和交流电流控制时间尺度动态。装备的这一特性决定了电力电子化电力系统的多时间尺度动态特征,并为系统的动态稳定运行带来了新的挑战。交流电流控制时间尺度的动态稳定问题在传统电力系统分析中并未受到重视,但随着系统电力电子化程度的加深,其对系统安全稳定运行的危害日益增加。因此,本文以三相电压源型变换器(Voltage source converter,VSC)这一典型电力电子装备作为研究重点,摒弃了传统的数学化装备描述方式,根据交流电流控制时间尺度下装备控制的物理过程,提出了基于内电势运动与电流输入、输出物理关系的变换器装备交流电流控制时间尺度两相静止坐标系建模方法。基于提出的装备模型,本文进一步分析了并网变换器交流电流控制时间尺度的动态特性及其对系统动态稳定的影响。本文具体研究内容分为以下几个方面:(1)依据并网变换器的基本控制结构,分析了交流电流控制时间尺度下变换器控制的物理过程,梳理了并网装备电流平衡及内电势的基本内涵,提出以内电势表征装备动态特性的建模思路。在忽略和考虑锁相环动态的两种条件下,分别建立了两相静止坐标系下三相并网变换器的电流平衡-内电势运动模型,并探讨了该模型与已有基于谐波线性化的正负序阻抗模型之间的关系。在单机无穷大系统的应用场景中,通过仿真分析验证了本文所提出模型的准确性与有效性。(2)研究了交流电流控制时间尺度下三相并网变换器的动态特性及其对弱电网下单机并网系统稳定性的影响。基于装备电流平衡-内电势运动模型,利用类比可变电容、可变电感等概念从电路化的角度对变换器在交流电流控制时间尺度动态中参与系统能量交换的方式进行了物理化的描述。通过变换器电流平衡-内电势运动模型中各部分动态关系的频率响应特性,分析了锁相环带宽、电流环带宽、端电压前馈以及数字控制延时等因素对变换器各频段动态特性的影响。基于对并网变换器动态特性影响因素的分析,在经典矢量电流控制的基础上提出了相应的优化控制方案,提高了满功率输出工况下变换器接入弱电网后的系统稳定性。时域仿真与样机实验验证了理论分析的正确性与优化控制方案的有效性。(3)基于变换器电流平衡-内电势运动模型,结合多变量反馈控制系统频域建模的思路,提出了交流电流控制时间尺度下适用于多变换器并网系统动态分析的系统多变量频域建模方法,并在此基础上依托风电/光伏新能源电站内并网变换器经集电系统汇集为背景,具体分析了集电馈线类型、馈线拓扑形式对并网变换器与网络无源元件间动态相互作用的影响。通过详细电磁暂态模型的仿真验证了理论分析的正确性。(4)研究了交流电流控制时间尺度下并网变换器之间的控制相互作用。利用文中提出的变换器电流平衡-内电势运动模型与多机并网系统的多变量反馈控制建模思想,提出了适用于分析并网变换器间控制相互作用的频域模型。在提出的建模思路下,分析了交流电流控制时间尺度内不同网络结构下控制环路带宽、工作点等因素对变换器之间控制相互作用的影响。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：

示意图,风力发电机,双馈,全功率

1.1 风力发电机结构示意图，(a)双馈异步风力发电机，(b)全功率型风力发图 1.2 光伏发电单元结构示意图(2) 电力系统输电网络的电力电子化趋势在电力系统输电网络，高压直流输电技术（LCC-HVDC、VSC-HVDC）与柔电技术（FACTS）正深度改变传统的电力网络特性，提高系统潮流与节点电能力以及系统稳定性[15, 16]。我国一次能源主要分布于人口密度低、用能需求、西北和北部边远地区，而人口密度高、用能需求大的区域则集中在我国的区，能源资源与用电负荷呈现逆向分布的特征[17]。高压直流输电技术的进步经济性的超远距离电力输送成为可能，因而远距离、大容量直流输电通道在

示意图,光伏发电,单元结构,示意图

图 1.2 光伏发电单元结构示意图系统输电网络的电力电子化趋势统输电网络，高压直流输电技术（LCC-HVDC、VSC-HVFACTS）正深度改变传统的电力网络特性，提高系统潮流系统稳定性[15, 16]。我国一次能源主要分布于人口密度低、北部边远地区，而人口密度高、用能需求大的区域则集中资源与用电负荷呈现逆向分布的特征[17]。高压直流输电技超远距离电力输送成为可能，因而远距离、大容量直流输中得到高速发展[18, 19]。此外，柔性直流输电技术作为未来在风电与光伏等新能源外送、直流电网、城市负荷中心供[16]。直流输电技术是对传统电力输送网络的一次革命，而

风电机组,全功率,控制框图

图 1.3 全功率风电机组控制框图电力电子化电力系统的动态特征取决于电力电子化并网装备，而电力电子化并备的动态特性在很大程度上受其装备内部储能元件大小与控制算法所决定。电力化电力装备采用功率半导体变换器及其调控技术实现电能量转化，这类装备虽然较多，且物理结构上也存在差异，但其控制的核心思想存在相似性[25]，即通过不量大小的储能元件与对应的控制环路实现能量的有序转化。以图 1.3 所示的全功风力发电机组为例，其内部包含了机械转子、直流母线电容、交流电容器/电抗器体形式不同、容量大小不一的各种储能元件。全功率型风机中机械转子实现了机从风力机至发电机转子的传递，由于机械转子质量较大可存储的动能较多，故其的响应速度在风机各种动态最慢（约为 s 级）；直流母线电容实现了电能从机侧变向网侧变换器传递的缓冲，其对应的响应速度约为 100ms 级；网侧变换器交流侧电抗器则对应了风机中最快的响应动态（约为 10ms 级）。此外，为确保各储能元

【参考文献】