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电压源换流器直流输电(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)又称柔性直流输电,采用全控型电力电子器件,不会发生换相失败,并且可以对有功功率与无功功率进行独立调节,因此相比于传统直流输电技术更适用于向弱交流电网供电。一般而言,评价交流电网强度的指标主要有:交流电网短路比(Short Circuit Ratio,SCR)和交流电网惯性时间常数(Inertia Constant)。当交流电网强度较弱时,工程中普遍采用的矢量电流控制器(Vector Current Control)有可能导致柔性直流输电系统失稳,并且随着交流系统变弱这种趋势更加明显。因此,为保证柔性直流系统的阻尼特性、稳定运行能力以及系统快速响应等实际工程需求,非常有必要研究联接弱交流电网的柔性直流输电系统小信号稳定性问题,揭示影响系统稳定运行的机理,提出改善系统阻尼特性的控制策略。为此,本文将着重开展如下研究,以得到具有重要理论和工程应用价值的成果。(1)VSC-HVDC系统数学模型与控制策略为了给本文提供重要的数学模型支撑,首先建立了联接弱交流电网VSC-HVDC系统非线性数学模型。其中,交流电网采用等值同步发电机串联线路等效阻抗来模拟,可以考虑交流电网的频率特性;电压源换流器分别采用两电平VSC与MMC拓扑,控制系统均采用经典的矢量电流控制;同时为了构建完整的柔性直流输电系统小信号模型,开发了不同状态空间方程之间的接口,通过对比PSCAD/EMTDC中的系统时域仿真模型以及MATLAB中搭建的非线性数学模型的计算结果,验证了非线性数学模型的正确性。(2)联接弱交流电网VSC-HVDC系统阻尼特性研究基于开发的联接弱交流电网VSC-HVDC系统数学模型,研究了交流电网SCR与惯性时间常数对系统阻尼特性的影响,结果表明系统小信号稳定裕度会随着交流电网SCR或惯性时间常数的降低而减小。相比于交流电网SCR,惯性时间常数的影响较小,只有当SCR较低时减小交流电网的惯性时间常数才会导致系统小信号失稳。研究了控制器参数对弱交流电网VSC-HVDC系统小信号稳定裕度的影响,其中影响较大的有锁相环(Phase-Locked-Loop,PLL)参数和外环控制器参数。同时,等值同步发电机的励磁控制器参数对系统的阻尼特性也有较大影响。对比了交流电网采用等值同步发电机模型串联线路等效阻抗的形式以及理想电压源串联线路等效阻抗的形式,结果表明由于采用理想电压源串联线路等效阻抗的形式忽略了交流电网的频率特性,对联接弱交流电网VSC系统的小信号稳定域评估会产生较大的影响,倾向于得到系统小信号稳定的结果。分别研究了采用两电平VSC与MMC时直流系统小信号稳定域,发现当MMC子模块电容较小,电容电压波动过大时,MMC内部动态过程与PLL之间会产生较强的相互作用进而发生高频振荡,严重影响系统的稳定运行;在增大MMC子模块电容容值后,MMC与两电平VSC在联接弱交流电网时的小信号稳定域基本一致。(3)联接弱交流电网VSC-HVDC系统先进控制器设计提出了利用虚拟电阻增强联接弱交流电网VSC-HVDC系统小信号稳定性的方法。对已有功率同步控制方法(Power Synchronization Control,PSC)进行改进,通过附加虚拟电阻控制策略,可以等效增大换流阀侧电阻,从而抑制换流器的高频振荡。同时,研究表明由于PSC控制器本身类似于间接电流控制,当交流电网较强时该控制器并不能保证换流器的响应速度。同时,提出了附加阻尼环节的新型锁相环来增强联接弱交流电网VSC-HVDC系统小信号稳定性的方法,通过在PLL中增加阻尼环节来增强系统的小信号稳定性,该方法通过降低控制器的响应速度来增强系统阻尼特性,从而提高系统的稳定运行能力。考虑到交流电网强度通常是变化的,综合考虑控制器的阻尼特性与快速响应特性,提出了交流电网强度自适应虚拟阻抗控制器,该控制器通过改变换流器电气量的测量点来虚拟地改变换流器阀侧阻抗与交流电网阻抗之间的关系。具体而言,当电网较弱时,将一部分虚拟阻抗转移到换流器阀侧来虚拟改变系统短路比,增强系统阻尼特性;当交流电网较强时,减小虚拟阻抗,从而在保证系统小信号稳定运行的前提下提高换流器的响应速度。(4)联接弱交流电网双馈入VSC-HVDC系统稳定性分析研究了联接弱交流电网双馈入VSC-HVDC系统的稳定性问题,重点关注了双馈入VSC之间的电气距离对系统小信号稳定性的影响。研究表明,当双馈入VSC之间的电气距离过短时,双馈入VSC的控制器会激发线路电抗与无功补偿电容之间的谐振,从而引发系统的高频振荡,但是可以通过在控制器中增加虚拟电阻控制环节改变控制器的谐振频率来抑制高频振荡;当双馈入VSC之间的电气距离过长时,在换流器输出的无功功率达到系统稳态运行电流约束条件后,无功类控制器将从定交流电压控制转变为定无功功率控制,此时公共连接点交流电压会在一定程度下降,从而降低系统的小信号稳定裕度,但是可以通过采用虚拟阻抗控制器来改变换流器控制参数的测量点,以增强系统小信号稳定性。