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模块化多电平换流器机电暂态模型研究及应用

模块化多电平换流器机电暂态模型研究及应用

作者：夏黄蓉华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着经济的发展,社会对远距离大容量输电和新能源发电并网的需求越来越多,交流输电在不断提高电压等级和输送容量的发展过程中显现出一些缺陷,基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术(Modular Multilevel Converter based High Volta... 详细信息

随着经济的发展,社会对远距离大容量输电和新能源发电并网的需求越来越多,交流输电在不断提高电压等级和输送容量的发展过程中显现出一些缺陷,基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current, MMC-HVDC)具有开关频率低,损耗小,便于实现高压大容量输送,控制灵活,可靠性高,谐波含量小等优点,具有广阔的应用前景,近年来成为研究热点。随着电平数的升高,MMC的子模块数急剧上升,其电磁暂态仿真模型包含大量开关器件,导致仿真速度非常缓慢,不利于潮流计算和系统稳定性分析,阻碍了MMC-HVDC的研究和应用。因此,需要建立MMC机电暂态模型,对其进行快速的仿真计算。本文首先研究了MMC及其子模块的通用拓扑及运行原理和数学模型。建立基于dq旋转坐标系的外环电压控制器和内环电流控制器,可以实现有功无功的解耦控制。研究了最近电平逼近调制和电容电压排序控制,对MMC进行调制和均压控制。推导了基于两倍频负序dq旋转坐标变换的环流抑制控制器,用以消除相间二次环流。然后,本文建立了MMC交流侧、直流侧、控制和调制环节的机电暂态模型,并考虑了MMC-MTDC的简化机电暂态模型。在Matlab中建立MMC简化机电暂态模型,与PSCAD/EMTDC中的电磁暂态模型进行稳态输出功率和暂态运行情况下的波形对比,从而验证所提MMC机电暂态模型的正确性。并且通过仿真时间的对比,证明了机电暂态模型大大提高了仿真效率,适用于大规模MMC-MTDC系统仿真。最后,本文建立了MMC动态相量模型,并利用Matlab编程实现。此外本文还研究了MMC动态相量模型在内部环流分析中的应用。在Matlab中建立MMC动态相量模型和用以计算交直流侧电压电流各次谐波的通用矩阵,计算交直流侧变量各次谐波,同时与PSCAD/EMTDC中搭建的模型进行对比,验证动态相量模型及环流谐波分析策略的可靠性。

关键词：模块化多电平换流器机电暂态动态相量

考虑交流非对称的HVDC换流器开关函数模型及其应用

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考虑交流非对称的HVDC换流器开关函数模型及其应用

作者：贠飞龙华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

高压直流输电技术的广泛应用,使得直流系统建模成为该领域的研究重点。换流器作为直流系统最重要的器件,其模型的准确性直接决定了直流系统建模的有效性。传统的换流器开关函数模型应用于交流系统非对称运行状态时,计算精度降低。为了... 详细信息

高压直流输电技术的广泛应用,使得直流系统建模成为该领域的研究重点。换流器作为直流系统最重要的器件,其模型的准确性直接决定了直流系统建模的有效性。传统的换流器开关函数模型应用于交流系统非对称运行状态时,计算精度降低。为了提高换流器开关函数模型的计算精度,本文详细分析了三相非对称运行状态下换流器的换相过程,并着重考虑了直流侧二次谐波电流对换相持续时间的影响,建立了考虑阀导通偏移和换相角不等的换流器开关函数模型,相较传统的换流器开关函数模型,本文建立的模型能够显著提高分析精度。本文所建立的考虑交流非对称情况的HVDC换流器开关函数模型,在三个方面进行了应用：第一,将所建立的换流器开关函数模型应用于动态相量理论中。采用从PSCAD中采样、利用动态相量理论在MATLAB下编程实现计算,对换流器开关函数模型在动态相量理论中的应用进行了初探,验证了动态相量理论的分析精度的可靠性。第二,采用考虑交流非对称的换流器开关函数模型进行含直流馈入的交流系统故障分析研究。进一步建立了直流侧等值谐波阻抗模型及直流控制系统稳态响应模型,形成适用于交流系统故障计算的直流系统模型,并与传统的交流系统故障分析模型联立,形成了最终的含直流馈入的交流系统故障分析模型,通过仿真与计算验证了模型的有效性以及求解算法的收敛可靠性。第三,针对交流系统故障引发直流换相失败机理展开深入分析。基于HVDC换流器开关函数建模中对换流阀换相过程的分析,进一步分析了交流故障瞬间换流阀的实际触发导通过程,在此基础上,对交流系统故障引发直流换相失败的机理进行分析,提出了一种换相失败的预测方法,基于所做的对交流故障引发直流换相失败的机理分析,可以为解释换相失败下的一些特性提供理论参考。

关键词：换流器开关函数模型动态相量故障分析换相失败

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直流配电网谐振特性分析

直流配电网谐振特性分析

作者：冯俊杰华南理工大学

学位级别：硕士

随着智能电网技术的发展,电网消纳各种逆变型分布式能源、接入新型直流负荷和电力电子化的需求不断增长。直流配电网具有可控性高、消纳能力强、供电质量好以及不存在频率稳定和无功补偿问题等优点,已成为新的发展趋势。然而,由于大量... 详细信息

随着智能电网技术的发展,电网消纳各种逆变型分布式能源、接入新型直流负荷和电力电子化的需求不断增长。直流配电网具有可控性高、消纳能力强、供电质量好以及不存在频率稳定和无功补偿问题等优点,已成为新的发展趋势。然而,由于大量电力电子装置的接入,导致谐波成分多样和系统频率特性复杂,使得直流配电网的谐振风险大大增大,严重影响系统的安全稳定运行。因此,本文围绕直流配电网的谐振特性开展研究工作,主要内容包括:(1)基于动态相量研究建立了直流配电网关键元件及网络的数学模型,包括三相并网换流器(G-VSC)、三相交流负载接口换流器(L-VSC)、双向隔离型DC/DC换流器的序分量动态相量模型和单相电压源型换流器(SPVSC)、直流线路、直流负荷的动态相量模型,通过方程联立,得到了状态空间方程描述的直流配电网数学模型。(2)提出了基于节点阻抗矩阵的直流配电网谐振特性分析方法。在各元件的数学模型基础上,通过方程简化,建立了直流配电网中各关键元件的稳态等值电路模型,进而构成直流配电网的等值电路模型,并用节点阻抗矩阵描述各节点间电流电压关系。通过分析节点阻抗矩阵的自阻抗和互阻抗频率特性,获得系统的谐振特性以及直流线路参数、换流器支撑电容等对谐振特性的影响。(3)提出了基于小干扰模型的直流配电网谐振特性分析方法。基于直流配电网的动态相量状态空间方程,建立了直流配电网小干扰模型。通过求取特征值对系统进行了模态分析,获得了直流配电网的谐振模式。通过灵敏度分析,以及研究系统主导特征根随控制参数、功率以及直流侧支撑电容等的变化情况,识别了引起直流配电网谐振问题的主要成因。(4)利用小干扰模型分析了单相并网换流器作为主控单元的直流配电网谐振特性,获得了单相并网和三相并网两种并网方式下直流配电网谐振特性异同及其影响因素,重点分析了加装直流侧二次纹波滤波器对单相换流器并网的直流配电网谐振特性的影响。本文通过对直流配电网谐振特性的相关研究,可为不同拓扑下直流配电网谐振特性的分析提供理论基础和研究方法,为谐振抑制策略的提出提供理论支撑。

关键词：电能质量直流配电网谐振换流器动态相量节点阻抗矩阵小干扰模型

特高压直流分层接入方式下系统故障对交流保护的影响

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特高压直流分层接入方式下系统故障对交流保护的影响

作者：王童辉华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

我国能源资源与负荷中心具有空间逆向分布的特征,这就决定了具备大容量、远距离输电能力的特高压直流输电技术成为缓解矛盾的重要手段。然而,随着直流输电容量和着陆点密度的不断增加,现有直流单层接入方式将造成受端交流系统潮流疏散困... 详细信息

我国能源资源与负荷中心具有空间逆向分布的特征,这就决定了具备大容量、远距离输电能力的特高压直流输电技术成为缓解矛盾的重要手段。然而,随着直流输电容量和着陆点密度的不断增加,现有直流单层接入方式将造成受端交流系统潮流疏散困难,同时给电压稳定带来一系列问题。特高压直流分层接入交流系统是一种创新型的接入方式,极大提升了电网安全稳定运行的能力,但同时也对受端交流系统继电保护提出了新要求。本文针对特高压直流分层接入系统的暂态特性及其对受端交流系统继电保护的影响和对策进行了深入的研究。主要研究内容及成果如下:基于动态相量理论,建立了高压直流输电系统在换相失败下注入交流系统的等值工频电流模型。结合换流桥的换相过程,分析了典型换相失败情景下的等值工频电流开关函数和相对应的暂态特性。依据锡盟-泰州±800kV特高压直流分层接入实际工程参数,在PSCAD平台上搭建了直流分层接入系统电磁仿真模型,验证了理论的正确性,同时得出了直流分层接入系统故障等值工频电流的暂态特性。在分析了直流分层接入系统故障等值工频电流暂态特性的基础上,对直流分层接入方式下受端交流系统纵联电流差动保护和纵联突变量方向保护的动作特性进行了适应性分析,揭示了直流分层接入对交流电网纵联电流差动保护和纵联突变量方向保护的影响机理。并且基于直流分层接入系统电磁仿真模型,验证了理论分析的正确性。进一步在研究特高压直流分层接入交流系统的互联电网中,发现由于直流系统换相失败时其故障电流受控制策略影响而呈现出含有大量非周期分量的畸变波形,可能导致交流电网传统工频保护出现误动。针对以上问题,在分析同步发电机和直流系统故障电流波形特征的基础上,提出了基于波形相似度的纵联保护新原理,利用欧式距离和皮尔逊相关性度量方法构造了保护判据,并且通过仿真计算,验证了保护判据的准确性。

关键词：直流分层接入换相失败动态相量开关函数保护适应性波形相似度

含统一潮流控制器装置的电力系统动态混合仿真接口算法研究

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中国电机工程学报 2005年第16期25卷 1-7页

作者：刘皓明朱浩骏严正戚庆茹李扬蔡泽祥倪以信东南大学电气工程系江苏省南京市210096 清华港大深圳电力系统研究所广东省深圳市518055 上海交通大学电气工程系上海市徐汇区200030 北京国电华北电力工程有限公司北京市海淀区100084 华南理工大学电力学院广东省广州市510640 香港大学电机电子工程系

提出了一种新的含UPFC装置的电力系统动态混合仿真接口算法,算法中对UPFC采用动态相量建模,对电力系统网络则采用成熟的机电暂态仿真。仿真中UPFC并联侧采用定交流母线电压控制和定直流电容电压控制,串联侧采用定线路潮流控制。文中推导... 详细信息

提出了一种新的含UPFC装置的电力系统动态混合仿真接口算法,算法中对UPFC采用动态相量建模,对电力系统网络则采用成熟的机电暂态仿真。仿真中UPFC并联侧采用定交流母线电压控制和定直流电容电压控制,串联侧采用定线路潮流控制。文中推导了UPFC的动态相量模型,讨论了与网络机电暂态模型的接口算法。研究分析和算例仿真表明:使用动态相量建模可精确地仿真UPFC的电磁暂态(EMT)过程,且仿真速度快;文中所提混合仿真方案能保证较快的仿真速度和优良的仿真精度,具有较好的收敛性,且可用于含UPFC等FACTS装置的系统发生不对称故障时的暂态稳定分析。

关键词：电力系统暂态稳定混合仿真接口算法动态相量统一潮流控制器

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考虑换相失败的换流站开关函数模型

考虑换相失败的换流站开关函数模型

作者：王超华北电力大学

学位级别：硕士

随着我国直流输电技术的快速发展,我国已经形成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混合输电系统。这使得交直流系统的相互影响更为突出,导致电网的稳定问题复杂化,直流系统间相互影响的加强也增强了发生相继换相失败的危险性。换相... 详细信息

随着我国直流输电技术的快速发展,我国已经形成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混合输电系统。这使得交直流系统的相互影响更为突出,导致电网的稳定问题复杂化,直流系统间相互影响的加强也增强了发生相继换相失败的危险性。换相失败是直流输电系统最常见的故障之一,为完善直流系统动态相量模型,体现换相失败对直流系统的影响,本文提出一种能体现换相失败影响的开关函数模型。根据直流系统发生换相失败后换流阀通断状态的改变,逐个分析其对应时间内的开关函数状态。在研究换流器开关函数及换流阀换相过程的基础上,归纳出系统发生换相失败后,开关函数的变化规律。基于此建立相应的数学模型,利用正常换相的三相开关函数模型的叠加来实现换相失败对系统的影响。该模型物理过程清晰,数学表达易于实现,且容易编程实现。算例分析表明本文提出的开关函数模型能够体现直流系统的换相失败对直流电压和电流产生的影响,这对直流系统动态相量模型的广泛应用具有重要的意义。

关键词：高压直流换相失败开关函数动态相量

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电网低频振荡动态过程的信号特征及相量表征

电网低频振荡动态过程的信号特征及相量表征

A dynamic phasor estimation algorithm based on angle-shifted energy operator

2013年中国电机工程学会年会

作者：陈玉林侯学勇王亮常宝立南京南瑞继保电气公司

同步相量测量是电力系统动态过程监测的有效手段。电网低频振荡是一种典型的电网动态过程,并已成为影响电网安全稳定运行的主要因素。电力系统低频振荡的原因、机理和形式多种多样,分析电网振荡过程中信号的特征,有利于为同步相量的动... 详细信息

同步相量测量是电力系统动态过程监测的有效手段。电网低频振荡是一种典型的电网动态过程,并已成为影响电网安全稳定运行的主要因素。电力系统低频振荡的原因、机理和形式多种多样,分析电网振荡过程中信号的特征,有利于为同步相量的动态量测提供理论指导,从而使得同步相量能尽可能真实地表征电网的动态过程。本文分析了典型的单机无穷大系统和多机系统的负阻尼低频振荡,并对单机无穷大系统的低频振荡进行了仿真分析。分析表明:低频振荡时电网中电压、电流、功率具有较为复杂的数学形式,相量的幅值、角度、频率均可能动态变化;动态信号包含多个频率成分,不同测点的信号频率成分和信号形态存在差异;简单的幅值、相角调制信号模型不足以表征实际的电网动态信号,需从实际应用角度提出工程实用的动态相量模型和计算方法。

关键词：低频振荡信号特征同步相量测量动态相量

来源： cnki会议评论

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中国科学：技术科学英文版 2013年第6期56卷 1322-1329页

作者： JIN XiaNing WANG FuPing WANG ZanJi State Key Laboratory of Power System Department of Electrical EngineeringTsinghua University

Under dynamic conditions, the signals of power system have time-varying magnitude and frequency, which might lead to considerable errors for synchrophasor measurement. The traditional discrete Fourier transform (DFT) based algorithms used in Phasor Measurement Unit (PMU) are hard to meet the requirements of measurement accuracy because of the existence of spectral leakage. A dynamic phasor measurement algorithm is proposed in this paper in which the input sampled data are considered as non-stationary signals with amplitude modulation-frequency modulation (AM-FM) form, and the measurement is achieved by AM-FM demodulation. An angle-shifted energy operator (ASEO) is used to extract the instantaneous amplitude and low pass differential filter is introduced for frequency estimation. Simulation results indicate that the proposed algorithm can effectively improve the phasor measurement accuracy and has very short response time for PMU under dynamic conditions.

关键词：估计算法动态相量测量算法同步相量测量单元角位移离散傅里叶变换非稳态信号测量精度

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高压直流输电系统不对称故障建模与仿真

中国电业(技术版) 2013年第7期 18-21页

作者：雒文博赵国良承德供电公司

传统的基于动态相量法的HVDC模型解析表达式是在理想条件下导出的,其换流器的数学模型仅考虑了交流侧的基波分量和直流侧的直流分量。当发生不对称故障时,该模型不能正确反映出HVDC系统的动态特性。为了解决这种模型在系统发生不对称故... 详细信息

传统的基于动态相量法的HVDC模型解析表达式是在理想条件下导出的,其换流器的数学模型仅考虑了交流侧的基波分量和直流侧的直流分量。当发生不对称故障时,该模型不能正确反映出HVDC系统的动态特性。为了解决这种模型在系统发生不对称故障情况下的计算精度和仿真速度的问题,文章考虑了交流基波电压不对称和直流电流中存在纹波的非理想运行工况,并建立了基于三相动态向量的HVDC系统动态模型。该模型能够反映当系统发生不对称故障时HVDC系统的动态特征。算例结果表明,HVDC动态相量模型和相应的EMT模型相比,不仅具有良好的精度,而且大大减少了仿真时间。

关键词：电力系统高压直流输电暂态稳定不对称故障动态相量