交流系統(tǒng)故障時VSC-HVDC系統(tǒng)的控制與保護(hù)策略研究.pdf

1、交流系統(tǒng)故障時VSC-HVDc系統(tǒng)的控制與保護(hù)策略直接關(guān)系到VSC-HVDC系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行性能，具有明顯的工程應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義。本文采用理論分析和仿真驗(yàn)證相結(jié)合的研究手段，重點(diǎn)研究了交流系統(tǒng)故障時VSC-HVDC系統(tǒng)的控制與保護(hù)策略及其相關(guān)技術(shù)。研究的主要內(nèi)容如下： (1)研究和建立了理想條件和交流系統(tǒng)電壓不平衡等兩種情況下VSC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在建立理想條件下VSC換流站的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用瞬時對稱分量理論和廣

2、義同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)關(guān)系，建立了交流系統(tǒng)電壓不平衡時VSC換流站的低頻動態(tài)數(shù)學(xué)模型。分析了兩種情況下VSC換流站交直流兩側(cè)的有功平衡關(guān)系，結(jié)果表明，交流系統(tǒng)不對稱故障引起的負(fù)序分量不僅導(dǎo)致VSC換流站的直流側(cè)電壓和輸送的有功功率都產(chǎn)生二倍頻波動量，而且會增大換流電抗器的損耗。 (2)研究了同步相位與瞬時對稱分量的實(shí)時檢測技術(shù)，它是交流系統(tǒng)故障時VSC-HVDC保護(hù)控制系統(tǒng)的重要組成部分?；诳臻g矢量的同步相位和對稱分量的實(shí)時檢測電路將

3、正序電壓的q軸分量作為PLL的輸入信號，因此在能快速檢測對稱分量的同時又消除了負(fù)序分量對PLL性能的影響?；趶V義同步坐標(biāo)變換的同步相位和對稱分量的頻率自適應(yīng)檢測電路不僅能消除負(fù)序分量對PLL性能的影響，而且它又適用于交流系統(tǒng)頻率變化的場合。 (3)研究了VSC-HVDC在理想情況下的控制策略。將電機(jī)領(lǐng)域中的雙閉環(huán)控制理論應(yīng)用于VSC—HVDC系統(tǒng)的控制器設(shè)計，設(shè)計了基于串級PI調(diào)節(jié)的VSC換流站控制系統(tǒng)。這種控制器具有物理意義

4、清晰、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。基于非線性系統(tǒng)的反饋線性化控制理論，設(shè)計了基于輸入輸出反饋線性化的電流解耦控制器，從而簡化了VSC的控制器設(shè)計、改善了控制器性能。上述兩種控制系統(tǒng)都采用內(nèi)環(huán)電流控制，能實(shí)現(xiàn)VSC換流站的限流控制，避免了VSC換流站的過電流和過電壓。設(shè)計了向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC系統(tǒng)的控制器，并在變頻、調(diào)壓和負(fù)荷擾動等多種工況下驗(yàn)證控制器性能。同時，研究了VSC-HVDC系統(tǒng)的起動控制，提出了一種復(fù)合起動控制策略，它能有效地

5、抑制VSC在起動過程中的過電流。 (4)將VSC-HVDC系統(tǒng)的控制策略研究從理想情況深入到交流系統(tǒng)發(fā)生故障的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，研究了交流系統(tǒng)故障時VSC-HVDC系統(tǒng)的控制與保護(hù)策略。主要有：以抑制負(fù)序電流為目標(biāo)，設(shè)計了一種采用雙電流控制環(huán)結(jié)構(gòu)的VSC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)，它能較好地抑制不對稱故障所引起的負(fù)序電流，具有良好的控制性能和限流能力。提出了一種負(fù)序電壓實(shí)時補(bǔ)償?shù)腣SC-HVDC不平衡控制策略。該控制器不僅能夠有效地抑制

6、負(fù)序電流，而且簡化了控制器結(jié)構(gòu)，提高了控制器性能。針對直流電壓控制要求較高的VSC-HVDC系統(tǒng)，設(shè)計了一種采用加入適當(dāng)負(fù)序電流的有功平衡控制策略，它能有效地抑制不對稱故障引起的有功功率和直流電壓的二倍頻波動量，從而減小一側(cè)交流系統(tǒng)不對稱故障引起的負(fù)序分量對另一側(cè)交流系統(tǒng)的影響。分析了故障發(fā)生在VSC-HVDC不同側(cè)的交流系統(tǒng)時對VSC換流站直流電壓控制的影響并提出了相應(yīng)的對策。結(jié)果表明，通過換流站控制模式的自動轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓的控

7、制和VSC換流站的限流，因而提高了VSC-HVDC系統(tǒng)的連續(xù)安全運(yùn)行能力。對所設(shè)計的以抑制負(fù)序電流為目標(biāo)和以抑制VSC換流站直流側(cè)電壓波動為目標(biāo)的兩類控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析比較。得出的結(jié)論是，對于直流電壓控制要求較高的VSC-HVDC系統(tǒng)，可以采用以抑制VSC直流側(cè)電壓波動為目標(biāo)的控制系統(tǒng)，以抑制負(fù)序電流為目標(biāo)的VSC控制系統(tǒng)則適合應(yīng)用于經(jīng)直流線路進(jìn)行功率輸送的VSC-HVDC系統(tǒng)。比較而言，基于負(fù)序電壓補(bǔ)償?shù)腣SC不平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、

8、控制性能好，因此更具工程意義。 (5)對VSC-MTDC系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究。在PSCAD/EMTDC上構(gòu)筑了一個5端的VSC-MTDC仿真平臺，設(shè)計并驗(yàn)證了主從式單點(diǎn)直流電壓控制策略。系統(tǒng)采用這種控制方式時，有功調(diào)節(jié)和直流電壓控制都具有很好的剛性，但其運(yùn)行可靠性不高、運(yùn)行方式也不靈活。隨之，提出了一種基于直流電壓偏差控制的多點(diǎn)直流電壓控制策略。換流站采用這種控制策略后，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況能自動切換控制模式，確保定直流電壓控制