高压直流输电系统的稳定性分析

论文摘要

维持高压直流输电系统的稳定、可靠运行是一项基本的要求。HVDC工程单极大地回路引起的直流偏磁、电力系统背景谐波和各种电力系统扰动等都有可能使HVDC系统运行于非理想的环境,在一定条件下甚至会导致HVDC系统稳定被破坏的严重后果。本文立足于交、直流系统的相互作用关系,以HVDC系统的稳定性为目标,重点研究了以下问题。(1)逆变器正斜率伏安特性对HVDC稳定性的影响工程上使用逆变器正斜率伏安特性的本意为解决整流器和逆变器伏安特性多个交点的问题,但本文也证明,从小信号扰动的观点看,与负斜率伏安特性相比正斜率伏安特性可以使控制系统无条件满足稳定性的要求,不必对控制系统和一次回路参数作出任何要求。(2) HVDC的小信号模型及稳定性分析在HVDC准稳态模型的前提下,针对HVDC换流器的常见控制模式,推导了各自的小信号状态方程。在建立小信号状态方程后,利用特征根分析的方法分析系统的小干扰稳定性,分析了控制系统参数对HVDC系统稳定性的影响。(3) HVDC换流器阻抗频率特性与谐波不稳定谐波不稳定曾引起多个直流工程的闭锁,而HVDC换流器的阻抗频率特性是分析和解决谐波不稳定的一个重要因素。从分析换流器工作过程出发,基于开关函数理论,提出换流器阻抗频率特性的计算方法。该方法能准确确定从换流器交、直流端口向对侧看入的阻抗频率特性,因而将交、直流系统等效到同一电路系统中研究。该方法可用于交直流系统的谐波不稳定分析,仿真结果也证明行之有效。(4)交流系统单相接地故障对HVDC的影响分析交流系统故障时,HVDC的稳定运行将遭到破坏。针对交流系统常见的单相接地故障,深入分析了交流系统单相接地故障时换流器的动态行为,为求解换流器不对称运行产生的非特征谐波,提出改进的开关函数法。该方法解决了开关函数法不能应用于阀不对称运行的难题,可用于直流谐波保护定值校验的辅助手段。(5)抑制变压器直流偏磁的接地电阻配置方法直流偏磁引起的系统谐波增大和换流母线电压畸变会恶化HVDC换流器的运行环境,导致发生谐波不稳定等。针对传统方法不能解决全网变压器直流偏磁的问题,以使全网变压器中性点接地电流均不超标为目标,基于伴随网络的灵敏度分析,提出接地电阻的优化配置方法。以直流偏磁比较严重的南方电网的仿真分析表明该方法能够有效抑制中性点的直流电流,彻底解决电网中普遍存在的直流偏磁问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 高压直流输电的概况及发展
• 1.2 HVDC 在实际应用中出现的若干问题
• 1.3 HVDC 系统的稳定性分析与研究现状
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 逆变器正斜率伏安特性对系统稳定性的影响
• 2.1 HVDC 的伏安特性
• 2.2 HVDC 逆变器正斜率伏安特性的实现方法
• 2.3 HVDC 逆变器正斜率伏安特性对系统稳定性的影响
• 2.3.1 控制系统的稳定性
• 2.3.2 系统稳定性分析
• 2.4 小结
• 第三章 HVDC 的小信号模型及稳定性分析
• 3.1 HVDC 的准稳态模型
• 3.2 HVDC 换流器的基本控制方式
• 3.3 控制系统的小信号模型
• 3.3.1 定电流控制的小信号模型
• 3.3.2 定β控制的小信号模型
• 3.3.3 定α控制的小信号模型
• 3.3.4 定γ控制的小信号模型
• 3.3.5 定电压控制的小信号模型
• 3.3.6 定功率控制的小信号模型
• 3.4 HVDC 系统小信号状态方程的建立和模型验证
• 3.4.1 HVDC 系统小信号状态方程的建立
• 3.4.2 仿真工具
• 3.4.3 实例验证
• 3.5 基于小信号模型的系统稳定性分析
• 3.5.1 比例环节系数对特征根分布的影响
• 3.5.2 积分环节系数对特征根分布的影响
• 3.5.3 比例-积分环节同步放大倍数对特征根分布的影响
• 3.6 小结
• 第四章 换流器的阻抗频率特性与谐波不稳定
• 4.1 HVDC 的谐波不稳定现象
• 4.1.1 按相控制方式产生的谐波不稳定
• 4.1.2 非无穷大系统产生的谐波不稳定
• 4.2 HVDC 换流器的阻抗频率特性
• 4.2.1 开关函数理论
• 4.2.2 换流器直流等值阻抗
• 4.2.2.1 换流器直流等值阻抗的计算
• 4.2.2.2 换流器直流等值阻抗的近似计算
• 4.2.3 换流器的交流等值阻抗
• 4.2.4 算法验证
• 4.3 HVDC 换流器的阻抗频率特性用于谐波不稳定分析
• 4.4 抑制 HVDC 谐波不稳定的对策
• 4.5 小结
• 第五章 交流系统接地故障对 HVDC 的影响分析
• 5.1 分析交流系统接地故障对 HVDC 影响的重要意义
• 5.2 换流器的动态行为分析
• 5.2.1 交流系统单相接地故障的特性
• 5.2.2 故障期间 PLL 特性分析
• 5.3 阀的换相分析
• 5.4 改进的开关函数法
• 5.5 谐波计算的等值电路
• 5.6 算例验证
• 5.7 小结
• 第六章 用于抑制变压器直流偏磁的接地电阻优化配置
• 6.1 电力变压器的直流偏磁现象及其成因
• 6.2 直流偏磁的解决方案
• 6.3 用于抑制变压器直流偏磁的接地电阻优化配置
• 6.3.1 HVDC 接地极电流的感应电位
• 6.3.2 直流电流的计算
• 6.3.3 接地电阻的优化配置
• 6.3.4 算例验证
• 6.4 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• A.1 定电流控制的小信号模型
• A.2 定β控制的小信号模型
• A.3 定α控制的小信号模型
• A.4 定γ控制的小信号模型
• A.5 定电压控制的小信号模型
• A.6 定功率控制的小信号模型
• 攻读博士学位期间发表的学术文章
• 攻读博士学位期间参加的科研工作