基于电压源换流器的高压直流输电系统数学建模与仿真分析

随着可关断器件性能的改进以及容量的提升，基于电压源换流器(VSC)和脉宽调制(PWM)技术的新一代高压直流输电(VSC-HVDC)已经成为现实。VSC-HVDC以其独特的技术优点，正吸引着国内外电力学者以及电力规划、设计和运行人员越来越多的关注。在我国，对该项输电技术的研究尚属于起步阶段。本论文着重研究VSC-HVDC输电系统的数学建模、仿真方法以及其对交流输电系统暂态特性的影响。 本论文首先分析了电压源换流器的稳态功率特性，确定了对应VSC稳态运行状态的四个变量。建立了适用于牛顿法潮流计算的VSC-HVDC稳态数学模型，鉴于VSC-HVDC输电系统中各VSC的控制对象大多为交流变量的特点，提出了VSC-HVDC交直流混合系统潮流的交替求解算法，算法中计及了VSC的容量约束。该潮流算法可为含有VSC-HVDC装置的系统暂态仿真提供变量初值。 基于节点电流注入法，建立了VSC-HVDC输电系统的暂态稳定分析模型，该模型包括：VSC交流侧准稳态模型、直流输电系统内部动态模型以及控制系统模型三个部分。利用电力系统分析综合程序(PSASP)提供的用户自定义(UD)功能，实现了对VSC-HVDC交直流并联、并列输电系统的暂态稳定分析。 建立了VSC-HVDC小干扰稳定分析模型。通过对频域响应的系统辨识以及时域响应的Prony辨识，分别在单机交直流并联以及多机交直流并列输电系统中，得到了VSC-HVDC有功功率设定值与其交流并联、并列输电线路有功功率之间的开环传递函数。在此基础上，并利用极点配置技术，设计了VSC-HVDC的附加低频振荡阻尼控制器。系统的大扰动非线性仿真表明，配备附加阻尼控制器的VSC-HVDC能够显著增加系统的振荡阻尼，有效地抑制低频振荡。 采用单极性二值逻辑开关函数，建立了VSC-HVDC的开关函数暂态模型，该模型是对VSC-HVDC拓扑变换过程的详细描述，因此可精确地反映出VSC-HVDC内部各物理量的变化过程。进一步通过忽略开关函数中的高频分量，建立了同步旋转dq0坐标系下的VSC暂态模型，并设计了相应的解耦控制器，实现了VSC交流有功功率和无功功率的独立控制。 基于隐式梯形积分算法，建立了VSC-HVDC详细的电磁暂态仿真模型，并基于PSASP提供的用户自定义程序接口(UPI)功能，提出了VSC-HVDC／AC交直流机电电磁混合仿真算法。通过与电磁暂态仿真软件PSCAD／EMTDC中仿真电路模型计算结果的对比，验证了VSC-HVDC电磁暂态仿真模型以及混合仿真算法的正确性。此外，还分析了VSC交流侧采用电磁暂态模型与采用准稳态模型时的仿真计算精度。 利用PSCAD／EMTDC搭建了多端VSC-HVDC的仿真电路模型，设计了VSC向无源网络供电时的控制系统。仿真分析了无源阻感负荷功率波动、感应电动机再生反馈电力、有源网络不对称短路故障等扰动，对多端VSC-HVDC运行特性的影响。