【摘要】：隨著風(fēng)電/光伏、高壓直流輸電以及電力電子負荷等在電力系統(tǒng)中比例的不斷提高,系統(tǒng)日益朝向電力電子化的趨勢發(fā)展。電力電子化并網(wǎng)裝備具有典型的多時間尺度控制動態(tài),即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、直流電壓和交流電流控制時間尺度動態(tài)。裝備的這一特性決定了電力電子化電力系統(tǒng)的多時間尺度動態(tài)特征,并為系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn)。交流電流控制時間尺度的動態(tài)穩(wěn)定問題在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分析中并未受到重視,但隨著系統(tǒng)電力電子化程度的加深,其對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的危害日益增加。因此,本文以三相電壓源型變換器(Voltage source converter,VSC)這一典型電力電子裝備作為研究重點,摒棄了傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)化裝備描述方式,根據(jù)交流電流控制時間尺度下裝備控制的物理過程,提出了基于內(nèi)電勢運動與電流輸入、輸出物理關(guān)系的變換器裝備交流電流控制時間尺度兩相靜止坐標系建模方法�；谔岢龅难b備模型,本文進一步分析了并網(wǎng)變換器交流電流控制時間尺度的動態(tài)特性及其對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的影響。本文具體研究內(nèi)容分為以下幾個方面:(1)依據(jù)并網(wǎng)變換器的基本控制結(jié)構(gòu),分析了交流電流控制時間尺度下變換器控制的物理過程,梳理了并網(wǎng)裝備電流平衡及內(nèi)電勢的基本內(nèi)涵,提出以內(nèi)電勢表征裝備動態(tài)特性的建模思路。在忽略和考慮鎖相環(huán)動態(tài)的兩種條件下,分別建立了兩相靜止坐標系下三相并網(wǎng)變換器的電流平衡-內(nèi)電勢運動模型,并探討了該模型與已有基于諧波線性化的正負序阻抗模型之間的關(guān)系。在單機無窮大系統(tǒng)的應(yīng)用場景中,通過仿真分析驗證了本文所提出模型的準確性與有效性。(2)研究了交流電流控制時間尺度下三相并網(wǎng)變換器的動態(tài)特性及其對弱電網(wǎng)下單機并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響�；谘b備電流平衡-內(nèi)電勢運動模型,利用類比可變電容、可變電感等概念從電路化的角度對變換器在交流電流控制時間尺度動態(tài)中參與系統(tǒng)能量交換的方式進行了物理化的描述。通過變換器電流平衡-內(nèi)電勢運動模型中各部分動態(tài)關(guān)系的頻率響應(yīng)特性,分析了鎖相環(huán)帶寬、電流環(huán)帶寬、端電壓前饋以及數(shù)字控制延時等因素對變換器各頻段動態(tài)特性的影響�；趯Σ⒕W(wǎng)變換器動態(tài)特性影響因素的分析,在經(jīng)典矢量電流控制的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的優(yōu)化控制方案,提高了滿功率輸出工況下變換器接入弱電網(wǎng)后的系統(tǒng)穩(wěn)定性。時域仿真與樣機實驗驗證了理論分析的正確性與優(yōu)化控制方案的有效性。(3)基于變換器電流平衡-內(nèi)電勢運動模型,結(jié)合多變量反饋控制系統(tǒng)頻域建模的思路,提出了交流電流控制時間尺度下適用于多變換器并網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)分析的系統(tǒng)多變量頻域建模方法,并在此基礎(chǔ)上依托風(fēng)電/光伏新能源電站內(nèi)并網(wǎng)變換器經(jīng)集電系統(tǒng)匯集為背景,具體分析了集電饋線類型、饋線拓撲形式對并網(wǎng)變換器與網(wǎng)絡(luò)無源元件間動態(tài)相互作用的影響。通過詳細電磁暫態(tài)模型的仿真驗證了理論分析的正確性。(4)研究了交流電流控制時間尺度下并網(wǎng)變換器之間的控制相互作用。利用文中提出的變換器電流平衡-內(nèi)電勢運動模型與多機并網(wǎng)系統(tǒng)的多變量反饋控制建模思想,提出了適用于分析并網(wǎng)變換器間控制相互作用的頻域模型。在提出的建模思路下,分析了交流電流控制時間尺度內(nèi)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下控制環(huán)路帶寬、工作點等因素對變換器之間控制相互作用的影響。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM46
【圖文】：

1.1 風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖，(a)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機，(b)全功率型風(fēng)力發(fā)圖 1.2 光伏發(fā)電單元結(jié)構(gòu)示意圖(2) 電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)的電力電子化趨勢在電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)，高壓直流輸電技術(shù)（LCC-HVDC、VSC-HVDC）與柔電技術(shù)（FACTS）正深度改變傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)特性，提高系統(tǒng)潮流與節(jié)點電能力以及系統(tǒng)穩(wěn)定性[15, 16]。我國一次能源主要分布于人口密度低、用能需求、西北和北部邊遠地區(qū)，而人口密度高、用能需求大的區(qū)域則集中在我國的區(qū)，能源資源與用電負荷呈現(xiàn)逆向分布的特征[17]。高壓直流輸電技術(shù)的進步經(jīng)濟性的超遠距離電力輸送成為可能，因而遠距離、大容量直流輸電通道在

圖 1.2 光伏發(fā)電單元結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)的電力電子化趨勢統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)，高壓直流輸電技術(shù)（LCC-HVDC、VSC-HVFACTS）正深度改變傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)特性，提高系統(tǒng)潮流系統(tǒng)穩(wěn)定性[15, 16]。我國一次能源主要分布于人口密度低、北部邊遠地區(qū)，而人口密度高、用能需求大的區(qū)域則集中資源與用電負荷呈現(xiàn)逆向分布的特征[17]。高壓直流輸電技超遠距離電力輸送成為可能，因而遠距離、大容量直流輸中得到高速發(fā)展[18, 19]。此外，柔性直流輸電技術(shù)作為未來在風(fēng)電與光伏等新能源外送、直流電網(wǎng)、城市負荷中心供[16]。直流輸電技術(shù)是對傳統(tǒng)電力輸送網(wǎng)絡(luò)的一次革命，而

圖 1.3 全功率風(fēng)電機組控制框圖電力電子化電力系統(tǒng)的動態(tài)特征取決于電力電子化并網(wǎng)裝備，而電力電子化并備的動態(tài)特性在很大程度上受其裝備內(nèi)部儲能元件大小與控制算法所決定。電力化電力裝備采用功率半導(dǎo)體變換器及其調(diào)控技術(shù)實現(xiàn)電能量轉(zhuǎn)化，這類裝備雖然較多，且物理結(jié)構(gòu)上也存在差異，但其控制的核心思想存在相似性[25]，即通過不量大小的儲能元件與對應(yīng)的控制環(huán)路實現(xiàn)能量的有序轉(zhuǎn)化。以圖 1.3 所示的全功風(fēng)力發(fā)電機組為例，其內(nèi)部包含了機械轉(zhuǎn)子、直流母線電容、交流電容器/電抗器體形式不同、容量大小不一的各種儲能元件。全功率型風(fēng)機中機械轉(zhuǎn)子實現(xiàn)了機從風(fēng)力機至發(fā)電機轉(zhuǎn)子的傳遞，由于機械轉(zhuǎn)子質(zhì)量較大可存儲的動能較多，故其的響應(yīng)速度在風(fēng)機各種動態(tài)最慢（約為 s 級）；直流母線電容實現(xiàn)了電能從機側(cè)變向網(wǎng)側(cè)變換器傳遞的緩沖，其對應(yīng)的響應(yīng)速度約為 100ms 級；網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電抗器則對應(yīng)了風(fēng)機中最快的響應(yīng)動態(tài)（約為 10ms 級）。此外，為確保各儲能元

【參考文獻】

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本文編號：2800786