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多端柔性直流输电系统小信号模型及解耦控制

杨洁  
【摘要】:作为典型的高阶多输入多输出动态系统,多端柔性直流输电系统各换流站之问存在复杂的耦合作用。系统内各换流站作为子系统,均具备各自独立的控制环。这些控制环由于直流系统的互联作用而相互耦合。系统内任一换流站的扰动,如风电等新能源发电功率的频繁波动、无源网络负荷的周期性变化等,均会导致系统有功潮流及直流电压的波动,并进一步引起互联其他换流站及交流系统的扰动。这种耦合作用可能会导致系统动态性能及稳定性的恶化,尤其对无源网络、新能源发电及弱交流系统等对公共连接点电压稳定性有较高要求的换流站运行不利。本文旨在理清小扰动情况下这种耦合作用的机理,揭示其产生的原因及影响因素,开展VSC-MTDC系统解耦控制策略研究,削弱换流站之间的交互作用,使VSC-MTDC系统由复杂高阶强耦合系统降阶为多个低阶系统的简单组合,并在此基础上进一步优化各换流站的解耦性能和鲁棒性。本文首先通过理论分析和推导,建立了适用于多种应用场景混合及任意拓扑结构的多端柔性直流输电系统小信号模型。通过同步旋转坐标系的合理选择与转换,消除换流站所连交流系统短路容量对小信号模型准确性的影响,然后根据电压源换流器调制原理,分析暂态情况下换流器交直流侧耦合机理并推导换流器线性化方程,然后分别构建控制器和直流网络的线性化方程,最后形成适用于多种应用场景混合及任意拓扑结构的多端柔性直流输电系统通用小信号模型。通过电磁暂态模型与小信号模型的仿真对比,验证了该小信号模型较现有模型具备更好的准确性,为后续多端柔性直流输电系统耦合机理及解耦控制策略研究奠定基础。稳定性分析是耦合机理及解耦控制策略研究的前提,本文基于模态分析法和相关因子矩阵,判断多端柔性直流输电系统的稳定性及各状态变量之间的交互作用关系,然后分析了现有特征值灵敏度分析方法的局限性,并提出一种改进的特征值灵敏度分析方法,该方法可直接揭示特征值与系统参数及控制参数之间的灵敏度关系,可用于辨明系统不稳定症结及稳定性优化方向,保障系统稳定性。本文在小信号模型及稳定性分析的基础上,采用小信号分析法,从非直流电压控制换流站之间的耦合以及直流电压控制换流站与非直压控制换流站之间的耦合两方面,揭示多端柔性直流输电系统内换流站之间的耦合作用机理。研究表明,这种耦合作用是由换流站直流侧电压之间的交叉耦合和换流站自身的交直流耦合共同作用产生,且与直流电压、直流线路阻抗、换流器直流侧电容、换流器调制度以及换流站向直流系统注入的有功功率等因素相关。基于耦合机理分析,本文采用状态变量反馈解耦理论,分别从无通信手段和有通信手段两方而,提出了本地直流电压反馈控制、广域直流电压反馈控制以及直流电流反馈控制三种VSC-MTDC系统解耦控制策略。通过仿真试验证明,以上三种解耦控制策略均能实现非直压控制换流站之间的解耦以及直压控制换流站对非直压控制换流站的单向解耦,且不改变系统全局稳定性和换流站动态响应特性。本文最后基于VSC-MTDC系统解耦控制策略,在考虑换流站不确定性摄动的情况下,以换流站内的鲁棒稳定性、鲁棒性能及解耦性能为优化目标,采用混合灵敏度H∞控制和内模控制等多变量反馈控制理论,为与有源网络连接的换流站和与无源网络连接的换流站设计了有功无功控制器及交流电压控制器。通过对比分析证明,该控制器较对角PI控制器具备更好的鲁棒性和解耦性能。


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