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复杂交直流输电系统次同步振荡的分析与控制

伍凌云  
【摘要】: 随着电力电子技术的发展,高压直流输电系统在我国的应用日趋广泛。目前,南方电网的输电系统已经形成“六交三直”西电东送的大通道,天广、贵广、三广等多条直流相继投运,云广、贵广Ⅱ直流也在规划与建设中。与交流系统相比,高压直流输电(HVDC)具有非同步联络、无稳态电容电流、线路输送容量大、网损小等优点,目前在远距离输电、异步联网、海底输电等方面已经得到了广泛的应用。而且,因为其传输容量可以快速调节,所以通过合理的直流控制系统设计可以很好的改善交流系统的动态性能,增强系统的可控性,从而提高整个交、直流互联电网的安全稳定水平。因此,越来越多的电力系统采用交、直流互联电网,交直流混合输电势必成为我国电力系统发展的必然趋势。但是,直流系统的投运会使电力系统进一步复杂化,直流系统或交流系统受扰后,邻近直流系统之间、直流与交流系统之间的相互作用,可能会导致系统性能的下降,甚至威胁到系统的安全稳定运行。其中高压直流输电系统的快速控制引起系统的次同步振荡SSO(Sub-Synchronous Oscillation)就是一类严重的系统稳定性问题,不但会使系统产生振荡现象,而且极易造成汽轮发电机组的大轴损毁。准确分析系统的次同步振荡特性以及采取有效抑制措施对保持系统稳定运行有重要意义。 本学位论文致力于研究复杂交、直流输电系统中次同步振荡特性的分析方法与抑制措施,对实际工程中出现的SSO安全稳定问题提供有效的、可实现的研究及解决方案。本文首先总结了三十多年来国内外电力系统次同步振荡的研究现状,包括所采用的分析方法、抑制措施以及控制策略等方面的研究成果。然后结合了数值仿真计算及系统辩识理论提出了适用于复杂直流输电系统SSO特性的分析方法,在此基础上结合先进的控制理论对抑制次同步振荡的控制策略进行了研究。全文由以下几个部分组成: 第一部分简要介绍了现有的SSO分析方法,然后对复杂交、直流系统的SSO研究提出较为完整的时域与频域相结合的仿真分析方法。将暂态力矩仿真计算方法进行扩展,结合傅立叶分析技术,准确求出系统的次同步振荡的模式。对已往的次同步电气阻尼系数仿真求解方法进行改进,提出定点阻尼系数求解方法,避免了在注入扰动时由于换流器作用造成的各频率值之间的相互干扰。 第二部分基于系统辩识理论,解决了在次同步振荡模式分析时求解高维系统特征值的困难。对采用Prony算法分析复杂交、直流混合输电系统中次同步振荡模式方法的适用性进行了研究。对使用Prony方法进行次同步振荡分析时的参数选择作了探讨;针对系统存在的高频噪声影响,提出了对Prony算法适用于次同步振荡模式分析的改进措施;采用冲击响应法辩识出可用于次同步振荡研究的数学模型,最后使用暂态力矩仿真方法在PSCAD/EMTDC上对其进行仿真验正。 第三部分在Prony系统辩识算法基础上,利用不同信号辩识结果对控制器输入信号进行比较选择,之后采用极点配置方法设计了符合工程实际应用的附加直流阻尼控制器。 第四部分基于Prony辩识方法得出系统的线形模型,经过基于最优Hankel最小阶逼近的模型降阶方法的变换,得出了可用于描述系统的次同步振荡特性的低阶模型,然后根据H_∞控制理论的混合灵敏度问题设计了直流系统附加次同步阻尼控制器。该控制器可以考虑系统中存在的低频未知扰动和系统模型高频不确定因素,电磁暂态仿真结果证明了该控制装置有很好的鲁棒性能。 第五部分将相位补偿方法与模糊免疫控制算法相结合,设计了一种快速抑制次同步振荡的HVDC附加阻尼控制器。采用基于次同步振荡的机理的阻尼控制器设计的工程应用方法和模糊免疫控制算法结合进行控制器的设计,该控制器可根据系统工况对其参数进行自适应调整,对不同条件下激发的次同步振荡能快速有效的抑制,具有很强的自适应功能,而且易于工程实现。


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