【摘要】：隨著新能源發(fā)電容量的快速增長(zhǎng),大量的電力電子設(shè)備應(yīng)用到電力系統(tǒng)當(dāng)中,電力電子設(shè)備與電力系統(tǒng)相互作用可能產(chǎn)生振蕩問(wèn)題,并且振蕩問(wèn)題嚴(yán)重影響到新能源發(fā)電、高壓直流輸電等包含并網(wǎng)變流器的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中的振蕩問(wèn)題,表現(xiàn)的振蕩頻率與系統(tǒng)基波頻率或變流器開(kāi)關(guān)頻率無(wú)關(guān)。大多數(shù)振蕩問(wèn)題是突然出現(xiàn),并且開(kāi)始時(shí)振蕩幅值發(fā)散,最終形成振蕩幅值幾乎不變的持續(xù)振蕩現(xiàn)象,或者振蕩幅值發(fā)散,直至觸發(fā)系統(tǒng)保護(hù),造成系統(tǒng)停機(jī)。阻抗分析方法分析表明小的正阻尼系統(tǒng)會(huì)激發(fā)振蕩,但依據(jù)經(jīng)典控制理論,含有正阻尼的系統(tǒng)是穩(wěn)定的。而且現(xiàn)有文獻(xiàn)尚未深入研究系統(tǒng)阻尼大小的衡量方法和持續(xù)振蕩產(chǎn)生的機(jī)理。本文建立包含頻率耦合非線性的阻抗模型描述變流器的端口輸出特性,改進(jìn)阻抗分析方法,衡量系統(tǒng)的阻尼大小,得到準(zhǔn)確的振蕩條件,進(jìn)而提出一種持續(xù)振蕩產(chǎn)生的機(jī)理,填補(bǔ)了阻抗方法研究持續(xù)振蕩產(chǎn)生機(jī)理的空白。揭示負(fù)阻尼系統(tǒng)激發(fā)振蕩,并研究由發(fā)散振蕩變?yōu)槌掷m(xù)振蕩的機(jī)理。準(zhǔn)確的阻抗分析方法和持續(xù)振蕩機(jī)理的研究能夠指導(dǎo)并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的先理論后仿真和實(shí)驗(yàn)的分析方法相比,本文先采用實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)持續(xù)振蕩過(guò)程,分析關(guān)鍵影響因素,再理論研究持續(xù)振蕩的產(chǎn)生機(jī)理。針對(duì)持續(xù)振蕩具有復(fù)雜的產(chǎn)生條件的特點(diǎn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的阻抗分析方法不能準(zhǔn)確分析振蕩條件。利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重現(xiàn)持續(xù)振蕩現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)從發(fā)散振蕩逐漸穩(wěn)定在持續(xù)振蕩的過(guò)程,并發(fā)現(xiàn)振蕩中存在頻率耦合的現(xiàn)象,并且耦合分量不可忽略。與現(xiàn)有的阻抗矩陣和序阻抗建模方法不同,本文提出復(fù)變量表示的阻抗建模方法建立正負(fù)序頻率統(tǒng)一的自導(dǎo)納/阻抗和伴隨導(dǎo)納/阻抗模型,并準(zhǔn)確描述鎖相環(huán)的非線性特性。本文將逆變器系統(tǒng)等效成單輸入雙輸出系統(tǒng),建立兩個(gè)阻抗模型描述系統(tǒng)的頻率耦合特性,具有明確的物理意義。所建立的阻抗模型為分析系統(tǒng)的阻尼和振蕩問(wèn)題提供了分析基礎(chǔ)。并針對(duì)帶有不對(duì)稱(chēng)控制器、外環(huán)控制的逆變器,提出將不對(duì)稱(chēng)控制器分解為兩個(gè)對(duì)稱(chēng)控制器疊加的建模方法,建立不對(duì)稱(chēng)控制器、外環(huán)控制的頻域阻抗模型。提出基于自導(dǎo)納和伴隨導(dǎo)納的能夠衡量系統(tǒng)阻尼,準(zhǔn)確判斷振蕩產(chǎn)生條件的改進(jìn)的等效阻抗分析方法。采用帶頻率耦合的阻抗模型建立系統(tǒng)等效阻抗電路,將頻率耦合引入的伴隨導(dǎo)納,與自導(dǎo)納共同作用,獲得含頻率耦合的等效輸出阻抗模型,進(jìn)而采用奈奎斯特判據(jù)分析系統(tǒng)的相角裕量,相角裕量越大系統(tǒng)的正阻尼越大,進(jìn)而衡量系統(tǒng)阻尼的大小,更為準(zhǔn)確的判斷系統(tǒng)振蕩產(chǎn)生條件。結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),小的正阻尼系統(tǒng)也是穩(wěn)定的,負(fù)阻尼系統(tǒng)激發(fā)振蕩。揭示新能源發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)振蕩產(chǎn)生機(jī)理。振蕩是由系統(tǒng)的負(fù)阻尼激發(fā),產(chǎn)生發(fā)散的振蕩,在振蕩發(fā)散的過(guò)程中,負(fù)阻尼系統(tǒng)逐漸變?yōu)榕R界阻尼系統(tǒng),最終形成持續(xù)振蕩現(xiàn)象。通過(guò)建立穩(wěn)態(tài)持續(xù)振蕩的小信號(hào)模型,可以描述持續(xù)振蕩特征,初步預(yù)測(cè)振蕩的幅值。最后,考慮頻率耦合影響,對(duì)常見(jiàn)的鎖相環(huán)、不對(duì)稱(chēng)電流控制器和電壓前饋控制,采用等效阻抗分析它們對(duì)系統(tǒng)阻尼的影響。在不同的控制中,考慮頻率耦合的影響,得到更加準(zhǔn)確的穩(wěn)定裕量。在前面研究的基礎(chǔ)上,優(yōu)化鎖相環(huán)參數(shù)、比例前饋設(shè)計(jì)和不對(duì)稱(chēng)電流控制的設(shè)計(jì),適當(dāng)提高系統(tǒng)阻尼,降低振蕩風(fēng)險(xiǎn)。
【圖文】：

大力建設(shè)輸電線路通道，以滿(mǎn)足“‘十三五’期間，新增‘西電東送’能力 1.3 億千瓦，2020 年達(dá)到 2.7 億千瓦。”的要求。無(wú)論是建設(shè)新能源發(fā)電場(chǎng)，還是建設(shè)輸電線路通道，都需要大量的電力電備[6]。然而，電力電子設(shè)備又具有強(qiáng)非線性的特性，隨著電力電子設(shè)備大規(guī)模到電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)行為特性變得更加復(fù)雜。電力電子設(shè)備與電互作用，導(dǎo)致實(shí)際工程中頻繁出現(xiàn)振蕩問(wèn)題[7-11]，，即表現(xiàn)為電壓、電流包含除之外的任意頻率的電壓或電流分量，或功率以任意頻率波動(dòng)的現(xiàn)象。處振蕩義與電力系統(tǒng)振蕩不完全一致，電力系統(tǒng)中的振蕩是機(jī)組功角的擺動(dòng)現(xiàn)象。2009年10月，美國(guó)德州Ajo雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)含75%串聯(lián)補(bǔ)償?shù)木�路接入電網(wǎng)于電網(wǎng)故障，造成串補(bǔ)電容與 Type III 型風(fēng)機(jī)相互作用引起 20Hz 左右的次同蕩現(xiàn)象，系統(tǒng)電流振蕩幅值甚至超過(guò)了 2.0 p.u.，造成大量風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)row-bar 電路的損壞[12-15]，風(fēng)電場(chǎng)交流側(cè)波形數(shù)據(jù)如圖 1.1 所示。根RCTO(European Registry of Chronic Total Occlusion)的研究表明，振蕩是由于雙機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制與固定串補(bǔ)線路相互作用引起的[16,17]。

圖 1.2 納米比亞-贊比亞柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩波形 Oscillation waveform of Namibia-Zambia VSC-HVDC transmission德國(guó)北海 BorWin1 海上風(fēng)電場(chǎng)多次發(fā)生持續(xù)的振蕩，如電流有時(shí)高達(dá)基波電流的 30%以上，導(dǎo)致濾波電容燒毀造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[18]。時(shí)間/s有功功率壓電流電A/率功/pu..無(wú)功功率
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM464

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2695656