动态相量理论在柔性交流输电系统仿真中的应用研究

论文摘要

进入21世纪以来,由于大型电力系统的互联具有诸多优势,已经成为现代电力系统发展的重要方向之一,但电网互联也使得现代电力系统规模日益庞大,其结构和运行方式变得越来越复杂。与此同时,柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System, FACTS）取得了长足的发展,大大提高电力系统的可控性、灵活性和可靠性,但随之而来的是各种电力电子装置在电力系统中的大量应用,使得电力系统中同时包含了连续事件和离散事件,系统的分析更加复杂化。传统的准稳态模型难以反映快速变化的电磁暂态过程,而电磁暂态模型虽然能准确反映电磁暂态过程,但计算速度太慢难以完成大型电力系统的仿真。这些新的特点对电力系统的建模和仿真提出了更高的要求。静止同步无功补偿器（STATCOM）作为FACTS家族中一种重要的补偿装置,具有响应速度快、传输容量大、控制性能好的优点,代表了无功补偿技术发展的新方向。本文选择对其进行研究具有一定的理论和实践意义。动态相量理论于1991年提出,是一种源于平均方法理论的新方法,该理论突破了传统电力系统模型正弦准稳态的假定,在电力系统建模仿真研究中取得了很大发展。论文主要从STATCOM的时域模型和动态相量模型这两个方面展开研究：首先,总结概述了无功补偿技术和含FACTS装置的电力系统建模与仿真技术的发展。在介绍STATCOM工作原理的基础上,提出了主电路优化措施,研究了间接电流控制策略,建立和分析了其时域数学模型。本文在MATLAB/Simulink平台下实现了STATCOM时域模型在变工况条件下的系统仿真,并验证了所提方案的可行性和有效性。其次,将动态相量法与传统相量法进行了对比研究。动态相量模型是对时域微分方程进行了平均运算,因此具有大信号、时不变的特性。在稳态时,动态相量模型就蜕变为电路理论中的相量模型,体现了电力系统的物理本质。以Buck-boost变换器为例,从时域模型出发详细推导了其对应的动态相量模型,对两种模型的仿真波形及仿真计算耗时进行了对比,突出阐述了动态相量法的优点,为采用动态相量法研究STATCOM奠定了基础。最后,运用动态相量法,以STATCOM时域模型为基础推导出了其对应的动态相量模型,同时对电源、传输线和负荷等相关电力系统元件进行了动态相量模型的推导和建模。将动态相量模型仿真结果与时域模型仿真结果进行了对比,结果表明,采用动态相量法对STATCOM进行建模仿真具有仿真精度高、运算速度快的优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 无功补偿的意义
• 1.2 无功补偿装置的发展及应用
• 1.3 STATCOM的国内外研究现状
• 1.4 含FACTS装置电力系统建模与仿真技术概述
• 1.5 本文的研究意义及主要工作
• 2 STATCOM补偿原理及其应用
• 2.1 STATCOM的基本原理
• 2.2 STATCOM对功率因数的提高和系统电压的调节作用
• 2.3 STATCOM的主电路结构及优化措施
• 2.3.1 STATCOM主电路基本类型
• 2.3.2 电压型变流器（VSC）的基本原理
• 2.3.3 三电平电压型逆变器
• 2.4 三电平STATCOM的时域数学模型
• 3 三电平STATCOM控制策略及时域系统级仿真
• 3.1 三电平STATCOM控制策略
• 3.1.1 电流间接控制
• 3.1.2 电流直接控制
• 3.2 瞬时无功功率理论及其在STATCOM控制中的应用
• 3.3 基于电流间接控制的三电平STATCOM时域系统级仿真
• 3.3.1 电流间接控制时的仿真系统构成
• 3.3.2 48脉冲变流器的结构组成
• 3.3.3 触发脉冲发生器的结构组成
• 3.3.4 仿真结果分析
• 4 动态相量理论及其在电力系统中的应用
• 4.1 动态相量理论概述
• 4.1.1 传统相量
• 4.1.2 动态相量
• 4.2 动态相量法在电力电子装置建模仿真中的应用算例
• 5 三电平STATCOM的动态相量法建模与仿真
• 5.1 三电平STATCOM的动态相量模型
• 5.2 相关电力系统元件的动态相量模型
• 5.2.1 电压源的动态相量模型
• 5.2.2 传输线的动态相量模型
• 5.2.3 RL负荷的动态相量模型
• 5.3 仿真结果分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果