柔性直流电网小信号建模及稳定性分析

基于电压源型换流器(voltage source converter,VSC)的柔性直流输电技术具有有功无功控制解耦、能连接无源网络等优点,且不存在换相失败问题。采用柔性直流输电技术构建直流电网是实现大规模新能源并网和远距离外送的优选方案。小信号稳定性是柔性直流电网运行与规划中需要重点关注的问题之一。目前关于柔性直流电网的小信号模型和小信号稳定性分析尚缺乏规范化的建模和系统性的分析。本文围绕柔性直流电网的小信号建模和小信号稳定性分析,系统研究了柔性直流电网常用的三类VSC的状态空间模型、稳态解析模型和小信号模型的统一建模方法,研究了柔性直流电网规模化高效建模、参数对小信号稳定性影响及提高小信号稳定性方案等关键技术问题,主要工作如下:(1)提出了两电平VSC、基于半桥型子模块的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)和半桥、全桥子模块混合构成的混合型MMC的状态空间模型、稳态解析模型和小信号模型的统一建模方法,并通过与电磁暂态仿真模型对比验证了建模方法的准确性。该套建模理论规范了换流器的电气系统与控制系统、外界交流系统、直流网络的接口,从而方便地联接换流器状态空间模型和其他子系统的状态空间模型,高效地构建柔性直流电网的状态空间模型及小信号模型,为解析分析柔性直流电网的动态特性和稳定性提供了理论工具。(2)提出了实现柔性直流换流器稳态运行特性完全解析的分析计算方法。已知各换流器的稳态功率运行点,利用换流器稳态模型解析地计算包括换流器内部电气动态在内的所有电气量和包括桥臂调制信号在内的所有控制量的稳态值,实现柔性直流换流器在任意功率运行点下的闭环稳态解析分析。根据换流器在运行过程中需要考虑的与电气量和控制量有关的约束条件,提出了换流器功率运行区间的计算方法,分析了换流器参数和各约束条件对功率运行区间的影响,为定量分析换流器的功率运行能力和参数优化设计提供了理论工具。(3)针对大规模柔性直流电网小信号建模的问题,提出了适用于复杂拓扑的柔性直流电网模块化建模的方法。将柔性直流电网划分成交流系统、换流器和直流网络三个子系统,分别建立各子系统的状态空间模型及小信号模型,通过换流器与交直流系统之间的电气耦合关系,建立子系统之间的连接方程,从而模块式地构建柔性直流电网的状态空间模型和小信号模型。换流器模型采用了带控制标志位的控制器框架,用同一套控制架构描述不同运行方式,大大简化了复杂运行方式下柔性直流电网的小信号建模。(4)研究了直流线路限流电抗器对柔性直流电网小信号稳定性的影响。利用根轨迹法计算了限流电抗器的临界值,分析了系统拓扑结构和换流器功率运行点对稳定性分析结果的影响,揭示了其内在交互影响机理,为实际工程中限流电抗器的取值、柔性直流电网拓扑规划和换流器功率运行点设置提供了参考。基于参与因子的分析,设计了换流器阻尼控制的优选输入信号和安装位置。通过分析引入阻尼控制后的系统小信号动态,提出了阻尼控制参数的优化选取方案。通过电磁暂态仿真验证了模态分析的准确性和阻尼控制的有效性,为提高柔性直流电网运行稳定性提供了解决方案。(5)研究了内环控制、外环控制、下垂系数、信号滤波器带宽等控制参数对系统小信号稳定性的影响,利用根轨迹法计算了各类控制参数的临界值,分析了相应的不稳定模态与主导参与状态变量,揭示了不同控制参数对系统小信号稳定性的影响规律。分析了系统功率运行点对稳定性分析结果的影响,揭示了部分控制参数引起的不稳定现象不依赖于换流器功率运行状态的现象。为维持系统小信号稳定性,给出了各控制参数的取值建议和换流站功率运行点的设置建议。