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基于虚拟同步机的柔性直流输电换流器的控制技术研究

吴夕纯  
【摘要】:目前,在VSC-HVDC的建模、分析以及控制等方面都已有了深入研究和探索。同时,着眼于VSC-HVDC的诸多优点,越来越多相关工程已展开建设或投入运行。但在一些应用领域上,还存在问题亟待解决。高通量VSC-HVDC的接入,使得电网的整体旋转惯量减小,难以对系统起到电压幅值和频率支撑作用。与此同时,针对风电、光伏、储能等应用场景,VSG技术被提出,将VSG技术引入VSC-HVDC换流器控制中,能够提高换流器参与电网调频的能力,实现对电网的友好支撑。因此,本文主要围绕基于虚拟同步发电机的柔性直流输电换流器控制技术展开研究。首先从理论研究及工程应用两个方面对VSC-HVDC的发展进行了概述。同时对VSG的发展现状进行了简述,综合分析了基于VSG技术的VSC-HVDC系统的应用范围和发展前景以及存在的缺陷和不足。介绍了VSC-HVDC的系统结构和基本原理,对采用MMC拓扑结构的HVDC系统稳态控制策略进行了研究。其次详述了VSG的基本原理,设计了应用于VSC-HVDC系统受端换流器的VSG整体控制策略。配合虚拟调速系统以及虚拟励磁系统,研究了一种基于VSG控制下的通用策略,可适用于有源网络以及无源网络两种运行状态。分析了两种不同运行状态转换过程,介绍了基于矢量控制的运行转换切换策略,与此同时提出了一种基于虚拟电流控制的VSG运行状态切换策略。接着对电网中发生的不平衡问题进行了分析,应用正负序分离方法实现系统电压、电流的正、负序分量的分离。同时考虑三种不同故障,提出了相应的改进VSG控制策略。针对有源网络下电网电压不平衡问题,利用参考电流生成环节,考虑满足三种控制目标下电压、电流矢量约束关系,在内环电流控制上对参考电流进行补偿,实现负序电流、有功功率以及无功功率二倍频波动分量的抑制。针对无源网络下负载不平衡问题,在不取消内部电压-电流级联控制的基础上,对输出电压负序分量采用负序环进行控制,有效地减小了电压不平衡度。针对送端故障问题,设计了一种VSG潮流平衡控制以防止直流电压的快速跌落。最后在PSCAD/EMTDC搭建了稳态情况下和电网故障下仿真模型,对所提出的VSG控制算法和改进策略进行了验证。


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