中压直流配电系统阻抗稳定性研究与分析

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为落实国家“双碳”政策、实现可持续发展,分布式可再生清洁能源受到的关注度越来越高,使得输配电系统高效、稳定运行的要求也在不断提高。中压直流输配电能实现可再生能源电力的汇集与消纳、不同交流配电区域的互联,且提升了高密度、窄通道的负荷区域供电容量,在未来电网的发展中极具潜力。由于不存在无功波动,所以直流母线电压稳定是衡量中压直流配电系统稳定的唯一指标,但系统中的电力电子变换器常表现为恒功率负载,其负阻抗特性易导致母线电压不稳定,影响负荷的正常运行,甚至导致保护系统误动作,危害整个电网的稳定性。论文以此为背景,开展的研究工作如下:第一,针对中压直流配电系统的关键设备——模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)和输入串联输出并联直流变压器(input series output parallel dc transformer,ISOP DCT),研究了其工作原理、数学模型和控制策略等。分析了中压直流配电系统的Middlebrook稳定判据、幅值相位稳定判据和基于无源性的稳定判据。建立了MMC的输出阻抗扫描模型和ISOP DCT的输入阻抗广义平均模型,作为中压直流配电系统的源阻抗与荷阻抗。第二,针对中压直流配电系统母线电压振荡案例,基于稳定判据与建立的阻抗模型,对系统进行了阻抗稳定性分析。讨论了控制参数优化对系统稳定性的影响,并提出一种阻抗相位重塑(impedance phase reshaping,IPR)方法来削弱ISOP DCT的负阻抗特性,实现中压直流母线电压振荡迅速抑制。其中,控制器参数优化包含系统源侧MMC和荷侧ISOP DCT控制参数的优化,IPR控制方法包括阻抗模型的建立、阻抗相位判定区间的收敛、阻抗相位控制器设计与参数的选取。第三,基于RT-LAB平台搭建了中压直流配电系统电压振荡案例的实时仿真模型并进行仿真验证。对建立的荷阻抗广义平均模型与实际扫描结果作对比,验证了理论建模的准确性;对中压母线电压进行快速傅里叶变换得到主要谐振频率,验证了振荡案例中谐振频率分析的正确性;对提出的IPR方法与传统控制器参数优化方法进行了系统稳定性及暂态特性对比,验证了所提IPR方法能实现母线电压振荡迅速抑制,动态响应较好,且母线电压质量较高,实现了中压直流配电系统的可靠运行。
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