【摘 要】
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高比例可再生能源电力系统的大力发展是实现世界经济可持续发展的必由之路。然而近年来,可再生能源的大量并网激发了一系列不明机理的振荡问题,严重威胁了电力系统的安全和可靠性。小信号稳定性分析是分析动力系统振荡问题的基础方法,也是电力系统暂态稳定分析的铺垫。对高比例可再生能源电力系统进行小信号稳定性分析是一项重要且基础的工作。电力电子变换器是可再生能源电力系统中的主要设备之一。相比于传统同步机,电力电子变
【基金项目】
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国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目:复杂网络的广延同步与智能电网的动态稳定研究(1181101136)
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高比例可再生能源电力系统的大力发展是实现世界经济可持续发展的必由之路。然而近年来,可再生能源的大量并网激发了一系列不明机理的振荡问题,严重威胁了电力系统的安全和可靠性。小信号稳定性分析是分析动力系统振荡问题的基础方法,也是电力系统暂态稳定分析的铺垫。对高比例可再生能源电力系统进行小信号稳定性分析是一项重要且基础的工作。电力电子变换器是可再生能源电力系统中的主要设备之一。相比于传统同步机,电力电子变换器种类多、控制阶次高、惯量低,同时具有多时间尺度、序贯切换等特性。风电场、光伏电站等可再生能源场站往往包含大量的电力电子变换器,它们以某种特定的拓扑连接成集电系统再并入大电网。面对复杂的拓扑结构、多样化的电力电子设备,可再生能源电力系统的统一建模和稳定性分析存在不少困难。学者们尝试用各种各样的视角和研究方法提取出可再生能源电力系统的共有特征,加深对其内在运行机制的理解。本文研究电压时间尺度下的多电压源型并网变换器(VSC)馈入系统的小信号稳定性,系统中每台VSC彼此相连且与无穷大母线相连。分设备、网络和全系统三个部分完成系统的非线性建模并在稳态工作点线性化。在时域中建立由多个矩阵方程构成的系统线性模型。不同于传统的建模方法,网络矩阵方程建立在各个设备的dq坐标系下以简化整个系统的建模。通过矩阵运算得到了统一的多VSC系统的特征矩阵表达式,其可方便地拓展到任意数量的多机系统。在频域中,应用阻抗法得到了系统的闭环传递矩阵函数。假设多馈入系统的设备相同且每台设备的并网电抗也相同,根据矩阵论中对称矩阵的相关定理,将多馈入电力系统的特征矩阵分块对角化,或将系统的闭环传递矩阵函数对角化,从而实现对多馈入系统的解耦。多馈入系统解耦出的子系统包括一个精确的单VSC无穷大系统和多个近似的单VSC无穷大系统。本文证明了解耦出的精确单VSC无穷大系统对原系统的小信号稳定性起到决定作用,是基础的结构单元。同时说明设备的并网电抗是关键的网络参数。并且,通过对比多链条系统及其解耦子系统的特征值,证明多机系统的解耦不局限于某一特定设备。解耦理论的关键在于系统中设备参数及其工作点相同,可拓展至更为丰富的应用场景。仿真部分通过在Matlab中绘制根轨迹和时域波形验证了文章的主要理论。最后总结了文章的创新点,并对未来的工作提出展望。
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