随着功率半导体开关器件的技术进步和性能的不断提升,基于电压源换流器的柔性直流输电以其独特的优势取得了长足的发展。目前,随着大规模新能源的开发利用,柔性直流输电工程的容量不断增大,电压等级不断提高,其运行的安全稳定性逐渐受到电网公司和学者们的广泛关注。在此背景下,本文着重研究了柔性直流输电系统的稳态数学模型及潮流计算方法,建立了柔性直流输电系统的动态数学模型,提出了一种柔性直流输电系统的小干扰稳定性分析方法,基于开关函数建立了柔直换流阀等效模型,并设计了动态模拟系统。首先,本文提出采用基于节点阻抗矩阵的高斯–赛德尔(Gauss-Seidel,GS)法求解柔性直流电网潮流,该方法与节点导纳矩阵的GS法和牛顿–拉夫逊(Newton-Raphson,NR)法相比,具有收敛性好且不易受初值影响的优点。建立了含柔性直流的交直流混合系统潮流计算数学模型,采用交直流交替迭代法进行潮流计算,并分析了控制方式转换对潮流分布的影响;采用灵敏度分析法确定了直流潮流控制器(DC power flow controller,DCPFC)在柔性直流电网中的最优安装位置;引入等效注入功率法,将DCPFC对柔性直流电网潮流的影响转移至其所在支路的两侧节点上,有效避免了节点导纳矩阵维数的增加,提高了计算效率。其次,基于dq旋转坐标,建立了柔性直流输电系统直流网络、交流网络、交直流接口、功率控制站、电压控制站的动态模型。为了使模型适用于未来柔性直流电网协调控制的要求,进一步建立了下垂控制换流站的详细动态模型。在PSCAD/EMTDC中搭建了五端柔性直流输电系统模型,通过时域仿真,验证了所建动态模型的有效性。对比了传统主从控制和下垂控制方式下各换流站的动态响应,进一步证明下垂控制站能够主动参与功率调节,有效的防止主换流站过载。再次,本文提出将柔性直流输电系统的小干扰稳定性研究分为两部分:第一部分通过柔性直流输电系统的直流侧分析整个系统的稳定性。基于柔性直流输电系统的小干扰动态模型,建立了适于阻抗法稳定性分析的复频域等效电路,提出应用ESAC标准判断柔性直流输电系统的稳定性,并以控制参数对稳定性的影响作为其参数整定的主要依据。该方法在实际应用中,无需事先给定换流站的详细参数,适用于具有不同换流阀拓扑结构的柔性直流输电系统。第二部分通过柔性直流输电系统的交流侧分析整个系统的稳定性。首先,根据dq旋转坐标系下的电流环控制结构图,构建换流站的等效电路,推导换流站的等效导纳。然后,采用注入非特征谐波电流法检测交流电网阻抗。最后,根据奈奎斯特稳定判据,通过交直流阻抗比的频域特性对柔性直流输电系统的稳定性进行判断。仿真表明,通过合理的控制参数配置,能够使柔性直流输电系统的稳定性显著改善。最后,本文提出采用等时间常数原则设计柔性直流换流阀动态模拟系统。通过开关函数建立了基于模块化多电平换流器(Modular Multi-level Converter,MMC)的柔直换流阀RLC等效模型;根据相似性定理,利用积分相似法得到MMC柔直换流阀动模系统的相似条件,提出了用于MMC柔直换流阀动模系统设计的等时间常数相似判据。该相似判据不但能够满足电路功率特性的约束,而且可以保证MMC柔直动模系统与实际工程具有相似的过渡过程。基于小干扰稳定性分析方法,对动模系统的控制参数进行整定。根据MMC柔直动模系统的无源逆变和STATCOM充电、解闭锁过程和稳态运行的实验结果,进一步验证和修改完善了本文的柔性直流输电系统数学模型和柔直换流阀数字仿真模型。
