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VSC-HVDC系统及其在电网恢复中的应用研究
作 者: 李广凯
导 师: 李庚银;赵成勇
学 校: 华北电力大学(河北)
专 业: 电力系统及其自动化
关键词: VSC-HVDC 稳态特性 暂态特性 混合直流输电 电网恢复
分类号: TM76
类 型: 博士论文
年 份: 2008年
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内容摘要
电压源换流器型直流输电(Voltage Source Converter-Based HVDC,VSC-HVDC)是一种新的直流输电技术,它具备有功无功快速独立控制、可以向远距离小功率无源网络供电、可以向系统发出无功功率、易于构成多端网络等特点。VSC-HVDC技术涉及电气技术、现代电力电子技术、自动控制理论等诸多学科领域。由于其出现和发展时间还不长,许多基础理论和相关的应用基础问题还需要深入探讨。本文针对VSC-HVDC的稳态特性、暂态特性和与传统直流输电相结合的新型输电方式以及在电网恢复中的应用几个方面进行研究,取得以下几个方面的成果。1.推导了VSC-HVDC功率传输方程的直角坐标形式,采用逆系统方法设计了基于有功、无功功率独立调节的VSC-HVDC控制系统,实现了VSC的有功、无功四象限独立、灵活调节。当实际交流系统三相交流电压不对称时,VSC传输功率会发生波动,从而影响VSC-HVDC系统的运行。根据瞬时无功功率理论,推导出了消除VSC传输功率波动需满足的输出正、负序电压间的关系式。采用不对称触发以及逆系统方法设计VSC的传输功率控制系统,消除了系统电压不对称带来的有功功率波动。分析了基于VSC-HVDC的配电网的结构、有功、无功功率运行特性,及对交流系统的调压作用。2.提出了基于SPWM控制和开关函数的VSC-HVDC系统暂态模型,分析了VSC-HVDC系统的开关特性和暂态运行机理,分析了其在负荷变化和故障时候的暂态运行原理。提出了基于能量守恒原理的VSC-HVDC系统暂态模型,分析了VSC-HVDC系统的能量变化过程和暂态运行机理,推导了VSC-HVDC整流侧换流器、逆变侧换流器及直流部分的能量平衡关系。3.结合传统HVDC技术成熟、成本低廉的优点和VSC-HVDC运行控制方式灵活的优点,提出一种新的混合直流输电(Hybrid HVDC)方式,并探讨其结构组成、技术特点、运行特性、运行机理、调节方式和调节特性,给出Hybrid HVDC的有功无功运行图。4.分析了用于电网互联的VSC-HVDC在电网大停电时的自保护问题,提出通过“软关断”策略使VSC-HVDC能够平稳退出功率输送,不发生剧烈的变化和设备的破坏,但还保持直流电压,进入热备用状态。分析了利用VSC-HVDC进行电网恢复的过电压抑制问题,提出了VSC-HVDC在一侧交流系统大停电情况下的软启动方法,避免了长线路合闸操作过电压和变压器空充过电压。基于Lyapunov稳定理论,采用基于Backstepping设计方法的VSC-HVDC控制策略应用于电网恢复,用以提高电网恢复中的稳定性。
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全文目录
中文摘要 5-6 英文摘要 6-11 第一章 绪论 11-20 1.1 课题背景 11-12 1.2 VSC-HVDC 技术分析 12-15 1.2.1 VSC-HVDC 技术简介 12-13 1.2.2 VSC-HVDC 的基本结构与组成 13-14 1.2.3 已投运的主要VSC-HVDC 工程 14-15 1.3 VSC-HVDC 的研究现状及主要相关问题 15-17 1.3.1 国内外研究现状 15-16 1.3.2 VSC-HVDC 的主要相关问题 16-17 1.3.3 VSC-HVDC 系统的应用 17 1.4 电网恢复中的主要问题 17-18 1.5 本文的主要工作 18-20 1.5.1 VSC-HVDC 的基本工作原理、稳态模型及其在配网中的应用 18 1.5.2 VSC-HVDC 的暂态模型和运行特性研究 18-19 1.5.3 VSC 与传统直流输电结合的混合直流输电研究 19 1.5.4 VSC-HVDC 在电网恢复中的应用研究 19-20 第二章 VSC-HVDC 的稳态特性分析 20-46 2.1 VSC-HVDC 的功率传输方程及功率独立控制 20-31 2.1.1 VSC 的运行机理 20-21 2.1.2 VSC 功率传输方程的直角坐标变换 21-22 2.1.3 VSC 的稳态模型 22-23 2.1.4 基于稳态模型的VSC 功率传输方程及功率控制系统设计 23-27 2.1.5 基于有功无功独立调节的VSC-HVDC 控制系统设计 27-28 2.1.6 仿真分析 28-31 2.2 三相电压不对称时VSC-HVDC 系统的控制策略 31-39 2.2.1 不对称电压对VSC 的影响 31 2.2.2 VSC 瞬时功率表达式 31-33 2.2.3 VSC 直流侧有功功率波动的消除 33-34 2.2.4 VSC 功率传输方程的直角坐标形式 34 2.2.5 VSC 传输功率独立控制系统及供电无源网络控制系统设计 34-37 2.2.6 仿真分析 37-39 2.3 基于VSC 的直流配电网分析 39-45 2.3.1 引言 39 2.3.2 电路结构和基本原理分析 39-41 2.3.3 仿真研究 41-45 2.4 本章小结 45-46 第三章 VSC-HVDC 的暂态特性分析 46-56 3.1 VSC-HVDC 的暂态特性研究概述 46 3.2 基于SPWM 控制的VSC-HVDC 暂态特性研究 46-52 3.2.1 VSC-HVDC 的基本原理 46-47 3.2.2 基于SPWM 控制的VSC-HVDC 暂态模型 47-50 3.2.3 VSC-HVDC 暂态模型分析 50-51 3.2.4 仿真分析 51-52 3.3 基于能量守恒的VSC-HVDC 的暂态分析 52-55 3.3.1 基于能量守恒原理的暂态模型 52-54 3.3.2 基于能量守恒的暂态模型分析 54 3.3.3 仿真结果及分析 54-55 3.4 本章小结 55-56 第四章 混合直流输电方式研究 56-72 4.1 HVDC 与VSC-HVDC 的优势和不足 56-58 4.2 混合直流输电的结构和原理 58-66 4.2.1 引言 58 4.2.2 混合直流输电的结构与基本原理分析 58-60 4.2.3 混合直流输电系统基本原理仿真研究 60-65 4.2.4 混合直流输电的优势和应用前景 65-66 4.3 混合直流输电运行机理与特性分析 66-71 4.3.1 混合直流输电系统的数学模型和运行机理 66-68 4.3.2 混合直流输电系统运行机理仿真研究 68-71 4.4 本章小结 71-72 第五章 VSC-HVDC 在电网恢复中的应用研究 72-104 5.1 引言 72 5.2 交流电网故障时VSC-HVDC 的自保护和热备用研究 72-81 5.2.1 VSC-HVDC 用于联网的可行性分析 72-74 5.2.2 交流电网故障情况下VSC-HVDC 的自保护和热备用研究 74-75 5.2.3 交流电网故障时VSC-HVDC 控制器的设计 75-76 5.2.4 交流电网发生故障时VSC-HVDC 的仿真分析 76-81 5.3 电网恢复中存在的问题分析 81-83 5.4 电网恢复中VSC 带长交流线路过电压分析 83-87 5.4.1 引言 83 5.4.2 VSC-HVDC 的基本控制方式 83-84 5.4.3 仿真分析 84-87 5.5 VSC-HVDC 的“软启动”控制策略研究 87-94 5.5.1 操作过电压 88-89 5.5.2 VSC-HVDC 作为在电网恢复中的的运行原理和规律研究 89-90 5.5.3 VSC-HVDC 的“软启动”控制策略研究 90 5.5.4 “软启动”空载长线路时VSC-HVDC 控制器的设计 90-91 5.5.5 启动空载长线路的仿真分析 91-94 5.6 基于BACKSTEPPING 的VSC-HVDC 控制策略及其在电网恢复中的应用研究 94-102 5.6.1 概述 94-95 5.6.2 VSC-HVDC 的数学模型 95-96 5.6.3 基于Backstepping 的VSC-HVDC 控制策略 96-100 5.6.4 VSC-HVDC 在电网恢复中的应用研究 100 5.6.5 系统仿真分析 100-102 5.7 本章小结 102-104 第六章 结论与展望 104-106 6.1 结论 104-105 6.2 展望 105-106 参考文献 106-114 致谢 114-115 个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表 115-118
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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 输配电工程、电力网及电力系统 > 电力系统的自动化
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