【摘要】：隨著模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型直流電網(wǎng)、以及包含電網(wǎng)換相換流器(Line Commutated Converter,LCC)與MMC的混合多端直流輸電系統(tǒng)等新技術(shù)的出現(xiàn),大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定分析計算面臨著許多新的問題。為此,本文圍繞MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)建模、靜態(tài)安全性分析、小干擾穩(wěn)定性約束下的最小短路比研究、以及具備故障穿越能力的無源控制器設(shè)計,開展了系統(tǒng)的研究工作:(1)從理論上推導(dǎo)了改進(jìn)的MMC機(jī)電暫態(tài)模型。數(shù)學(xué)推導(dǎo)和仿真計算均表明,更加準(zhǔn)確的MMC機(jī)電暫態(tài)模型的直流側(cè)電路應(yīng)該用計及等效電容和等效橋臂電感動態(tài)特性的二階微分方程描述。結(jié)合所推導(dǎo)的MMC模型,提出了一種基于預(yù)設(shè)直流故障信息的MMC型直流電網(wǎng)建模方法,研究了不同類型直流故障對交流系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明即使在直流電網(wǎng)中發(fā)生不止一回的直流線路永久性接地短路故障,只要故障線路被快速隔離,直流故障對交流系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響是很有限的。基于所推導(dǎo)的MMC模型,研究了 LCC-MMC型混合直流輸電系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)建模。提出了一種考慮LCC觸發(fā)角約束條件的混合多端直流輸電系統(tǒng)交替迭代潮流計算方法,確保了混合直流輸電系統(tǒng)模型初始化的可靠性。南方電網(wǎng)算例結(jié)果表明,本文提出的混合多端直流輸電系統(tǒng)潮流計算和機(jī)電暫態(tài)建模方法能夠滿足大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定計算。(2)提出了直流電壓下垂控制的MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)靜態(tài)安全分析方法。研究表明,相比于現(xiàn)有的分析方法,基于“二分法”思想的改進(jìn)分析方法可以更加準(zhǔn)確地評估換流站故障停運(yùn)以及換流站過載情況下,柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行參量的穩(wěn)態(tài)偏差:即各換流站的有功功率、各節(jié)點(diǎn)直流電壓以及各直流線路功率損耗的變化情況。基于所推導(dǎo)的直流線路功率損耗變化表達(dá)式,可以進(jìn)一步估算出各直流線路的穩(wěn)態(tài)電流偏差,以判斷直流線路電流是否安全合理。(3)研究了小干擾穩(wěn)定約束下MMC換流站接入送端和受端系統(tǒng)的最小短路比。首先,提出了一種適用于系統(tǒng)級分析的MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)小信號建模方法。然后利用特征值分析法,通過分析不同電網(wǎng)強(qiáng)度、等值系統(tǒng)阻抗角、以及不同控制目標(biāo)的電流矢量控制對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響,得到了MMC接入系統(tǒng)的最小短路比、以及相應(yīng)的主導(dǎo)影響因素。研究表明,額定有功功率傳輸下,對于接入送端系統(tǒng)的MMC換流站而言,所要求的最小短路比在1.51～1.95之間,且最小短路比隨等值阻抗角的增大而減小。對于接入受端系統(tǒng)的MMC換流站而言,所要求的最小短路比在1.34～1.51之間,且最小短路比隨等值阻抗角的增大而增大。因此為了確保MMC型直流輸電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行于額定工況,建議將采用電流矢量控制的MMC接入短路比大于2.0的送端系統(tǒng),以及短路比大于1.5的受端系統(tǒng)。(4)針對MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)向無源孤島系統(tǒng)供電的場景,設(shè)計了一種能夠提升MMC送端交流故障穿越能力的無源控制器。研究表明,提升柔性直流輸電系統(tǒng)故障穿越能力的關(guān)鍵是在故障期間盡可能地將直流電壓維持在額定值水平。在所設(shè)計的無源控制器作用下,受端換流站能夠在不依賴于通信的條件下根據(jù)送端電網(wǎng)的故障情況自動調(diào)節(jié)受端無源系統(tǒng)的電壓幅值,有效地抑制了故障期間MMC電容的放電趨勢,確保了故障清除后的MMC直流輸電系統(tǒng)以及受端無源孤島系統(tǒng)的快速恢復(fù)運(yùn)行。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM721.1
【圖文】：

含ＭＭＣ的交直流電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析面臨著許多新的挑戰(zhàn)，逡逑因此需要持續(xù)深入的研究工作。本文部分研究主題之間的關(guān)系以及采用的研究方逡逑法如圖１．１的粗體部分所標(biāo)示。通過探討ＭＭＣ型柔性直流輸電系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)逡逑建模、靜態(tài)安全性分析、小干擾穩(wěn)定性分析計算、以及研究提升ＭＭＣ柔性直流逡逑輸電系統(tǒng)故障穿越能力的改善策略，以期為現(xiàn)代化交直流電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)逡逑行提供技術(shù)支撐。逡逑１。２課題的研究現(xiàn)狀逡逑Ｌ２．１邋ＭＭＣ型柔性直流輸電系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)建模逡逑（１邋）邋ＭＭＣ機(jī)電暫態(tài)模型的基本特點(diǎn)逡逑機(jī)電暫態(tài)時域仿真是交直流電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算的主要方法之一。其基本逡逑過程是對描述電力系統(tǒng)動態(tài)行為的微分－代數(shù)方程組進(jìn)行數(shù)值積分求解，以得到逡逑系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)［＾＾８］。因此從數(shù)學(xué)上來講，ＭＭＣ的機(jī)電暫態(tài)建模就是推導(dǎo)描述逡逑４逡逑

第１章緒論逡逑其動態(tài)特性的微分－代數(shù)方程組，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算的前提工作。逡逑ＭＭＣ的基本拓?fù)淙鐖D１．２所示，該拓?fù)渥钔怀龅奶攸c(diǎn)是換流器的三相六個逡逑橋臂均由結(jié)構(gòu)相同的功率子模塊級聯(lián)構(gòu)成，因此顯著地降低了換流閥的設(shè)計與制逡逑造門檻。然而相對于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流器，ＭＭＣ的數(shù)學(xué)建模難度更大。為了逡逑適應(yīng)ＭＭＣ型柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外的各大權(quán)威機(jī)構(gòu)，如國際大電網(wǎng)逡逑會議（ＣＩＧＲＥ）和歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會（ＣＥＮＥＬＥＣ）均參與到了邋ＭＭＣ型直逡逑流電網(wǎng)相關(guān)導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)的制定中［２２］。其中，ＣＩＧＲＥ的Ｂ４．５７工作組于２０１４年發(fā)逡逑布了邋ＭＭＣ型直流電網(wǎng)建模領(lǐng)域里的首個導(dǎo)則［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》。該導(dǎo)則總結(jié)了邋７種建模詳細(xì)程度逡逑不同的ＭＭＣ模型，為相關(guān)研究人員提供了寶貴的參考資料。逡逑相單元邋橋臂逡逑Ｌ邋ＳＭ，邋：邋□邋ＳＭ

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