随着可再生能源的大规模开发利用和电网中可再生能源电力比重的增加,电力网络的运行特征发生了重大的改变,现代电力系统已呈现出以化石能源为主体、可再生能源为补充、大容量发电、远距离输送、集中调度控制与管理等特征。高压直流输电在远距离输电和区域互联电网中起到了十分重要的作用。相比于传统直流输电(line commutate converter based high voltage direct current,LCC-HVDC),柔性直流输电技术(voltage sourced converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)不仅具有可控性好、响应速度快,可以为无源受端网络供电等特点,还能够快速独立地调节有功功率和无功功率,提高现有交流网络的输电能力和电压、功角稳定性,因此具备提高交流系统可控性和运行稳定性,以及故障后快速恢复的能力。与此同时,柔性直流输电技术没有无功补偿问题、没有换相失败问题,具有谐波水平低、潮流反转容易、占地面积小等特点,使得柔性直流输电技术特别适用于连接分散的可再生能源电源、大规模电场并网、交流电网非同步互联、无源电网(孤岛)供电、城市电网增容改造等领域。目前,柔性直流输电虽然所占的输电容量份额较少,但由于其自身独特的优势,同时得益于电力电子技术的快速进步,VSC-HVDC已展现出强劲的发展势头。从第一个VSC-HVDC系统工程投运以来,短短二十年时间,VSC-HVDC系统的额定传输功率从最初的3 MW增大到现在的3000 MW,直流额定电压从当初的±10 kV发展至现在的±350 kV,在建工程已达±500 kV。随着VSC-HVDC系统电压等级越来越高、传输容量越来越大,我国交直流电力系统的稳定性问题也会日益突出。本文基于VSC-HVDC系统数学模型,从交、直流系统接口入手,探索了基于VSC-HVDC的交直流电力系统稳态特性,主要研究内容如下:(1)研究了VSC-HVDC系统的准稳态模型一般的VSC-HVDC系统建模方法是在进行数学建模以前,在物理层面就进行适当的简化处理,再进行相应的数学分析和计算。本文提出的方法是,首先基于dq0坐标系建立了VSC-HVDC系统单元主要电气元件(包括交流变压器、交流滤波器、换相电抗器、直流线路与电容)的详细数学模型,并给出了详细的换流器交流侧传递函数,然后根据研究需要联立各元件传递函数,并整理为输入输出标准式,最后再使用模型简化技术(Pade approximation and modified Routh array,PAMRA)根据对模型详细程度的要求,简化VSC-HVDC系统模型及其控制系统。(2)设计了双环结构的直接电流控制参数双环结构的直接电流控制参数的设计分为内环控制参数设计和外环控制参数设计两部分。首先,基于未简化的VSC-HVDC系统准稳态模型,采用模型简化技术PAMRA将内环电流控制器降阶为一阶系统,并与内环PI环节串联形成内环电流控制的一阶闭环传递函数。这样一来可根据对内环电流控制系统的响应速度要求(即一阶闭环传递函数的响应时间),决定内环电流控制系统PI控制器参数。然后根据不同控制方式,分别建立内环电流控制器输出,经外环有功功率PI控制器、外环无功功率PI控制器,以及外环交流电压PI控制器、外环直流电压PI控制至内环电流控制器输入的输入(内环电流控制器输出)—输出(内环电流控制器输入)模型。其中,后两者是基于小信号模型建立的。最后,再次采用PAMRA技术对模型进行简化处理。若将其降阶为二阶系统,可根据二阶系统的频域、时域指标显式表达式计算外环控制系统的PI控制器参数。通过与ABB HVDC Light模型的对比,表明该设计方法取得的效果良好。(3)提出了一种交替迭代潮流计算方法传统的LCC-HVDC系统,其控制方程主要是与LCC内部变量、直流网络内部变量相关,因而能够较方便地独立列写交、直流方程进行交替求解;而在VSC-HVDC四种控制方式中,定有功功率控制方程、定无功功率控制方程和定交流电压控制方程与交流网络公共节点的有功功率、无功功率和交流电压幅值有关,定直流电压控制方程与直流电压有关,且有功功率类控制方程和无功功率类控制方程各选取一个作为VSC控制方程。因此,相对于传统的LCC-HVDC系统,VSC-HVDC系统与交流系统的耦合性更强。本文在VSC-HVDC系统稳态模型的基础上,充分考虑直流系统控制方式和交直流耦合特性,提出了一种交替迭代潮流计算方法。该方法的基本思想是:首先根据直流系统的控制方式和初始值,直接解出传递给交流网络的接口给定量(功率和电压),然后交流网络基于接口给定量进行潮流计算。交流网络待直流迭代收敛后,检查上次给定量是否发生变化,若发生改变,根据新值重新计算;若未发生改变,则此时迭代收敛结果即为潮流计算结果。仿真计算验证了该方法具有良好的使用效果。(4)提出了交流系统对VSC-HVDC系统单元的支撑强度量化指标VSC-HVDC可以为交流网络主动提供可控的有功功率和无功功率,并通过一定的控制方法实现有功功率和无功功率的解耦控制,因此,对于VSC-HVDC系统单元,无功功率也是其“功率贡献”的一部分。鉴此,本文提出视在功率等效有效短路比指标,用以量化交流系统对VSC-HVDC系统单元的支撑强度。视在功率等效有效短路比计及网络节点互阻抗和自阻抗、节点电压矢量、所有VSC系统单元的有功功率和无功功率。通过仿真实验说明了用视在功率有效短路比表征交流系统对VSC-HVDC系统单元的支撑强度的可行性。(5)VSC-HVDC系统单元稳态运行分析基于系统网络在交直流公共节点处的等效稳态潮流方程,从潮流方程可解、系统可控、以及静态电压稳定和功角稳定四个方面形成VSC稳态安全约束条件,形成稳定运行判据。并研究稳定运行判据随视在功率有效短路比变化的规律,分析VSC-HVDC联于弱交流网络时无法稳定运行的主要因素,提出了四种控制方式下临界视在功率有效短路比的数值计算方法。最后通过PSCAD仿真验证了所提方法的准确性。(6)交直流混联系统静态电压稳定在线评估本文改进了一种交流系统静态电压稳定在线评估方法,并将其推广至交直流混联电力系统中。该方法基于潮流方程的可解性,充分考虑相关支路对被测线路的影响,利用同步测量获得的支路潮流、节点电压等电气量,经简单在线计算得出被测节点的电压稳定指标。同时提出使用在线电压稳定有功功率指标和在线电压稳定无功功率指标分别表征节点的有功功率裕度和无功功率裕度,并由综合考虑了有功功率和无功功率的电压稳定指标作为负荷节点的在线电压稳定裕度指标,计算简单、快速,具有一定的工程实用价值。