基于电压源换流器的高压直流输电系统控制策略研究

作为新一代直流输电技术,基于电压源换流器的高压直流输电凭借其独特的技术优点取得了飞速的发展,并已在新能源发电系统联网、电网非同步互联、无源系统供电、无功补偿等场合得到实际工程应用。在我国,VSC-HVDC的研究尚处于起步阶段。本论文着重开展了VSC-HVDC技术的数学建模和控制策略的研究。论文的主要工作和取得的创新性成果如下: 1.建立了系统标幺值模型,分析了VSC-HVDC的运行原理和稳态功率特性。明确了系统主电路参数对运行特性的影响,在此基础上提出了一种功率定义下的换流电抗、直流电压和直流电容以及频域下的交流滤波器参数设计方法。 2.设计了一种基于无差拍控制的VSC-HVDC直接电流离散控制器。针对控制系统存在的VSC电压输出能力限制、PI控制器积分饱和现象和离散采样时间延迟问题,提出了相应的解决方法,推导了其电流内环控制器与功率外环离散控制器的设计原则。 3.推导了换流站网侧与VSC交流侧功率节点以及换流电抗与损耗电阻上的瞬时功率方程,在此基础上提出了一种换流站网侧功率节点控制并补偿换流电抗与损耗电阻瞬时二倍频功率的不平衡控制策略,设计了该控制策略下的双序矢量控制器模型。同时针对传统dq软件锁相环在电压不平衡时锁相速度慢的缺点,提出了一种基于前置相序分解的频率自适应dq锁相环,提高了不平衡控制算法的动态性能与稳态特性。 4.对VSC阀在交流电网低电压故障下的过流现象进行分析并提出了一种考虑正负序分量影响的指令电流限制器,保证了故障限流效果。分析比较了VSC阀电流裕度穿越法和指令电流限制器穿越法的特性,在此基础上提出一种结合正负序指令电流限制器与控制模式切换的交流电网低电压穿越控制方法,从而解决交流电网低电压故障时系统稳定与VSC过流问题。 5.在分析现有VSC-HVDC拓扑的基础上,从降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率和简化主电路拓扑结构三个方面出发,将传统直流输电中常用的变压器隔离式多模块结构引入VSC-HVDC系统,并针对该模块级联式拓扑提出一种系统协调控制与模块独立运行相结合的新型控制策略。针对该拓扑下送端站存在的各模块直流侧电容电压均衡问题,提出了一种基于有功分量调节的直流侧电压控制方法。