文章目录

摘要

Abstract

变量和符号索引

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 课题研究的问题

1.3 课题研究现状

1.4 本文的研究内容及各章节安排

2 基本学术思想与研究思路

2.1 引言

2.2 装备内电势及其幅相运动方程的概念

2.3 电力系统动态电压稳定分析的研究范畴及思路

2.4 本章小结

3 转子转速控制时间尺度下的装备建模

3.1 引言

3.2 基于幅相运动方程的同步发电机建模

3.3 基于幅相运动方程的双馈风机建模

3.4 基于幅相运动方程的同步发电机和双馈风机模型验证

3.5 本章小结

4 直流电压控制时间尺度下的装备建模

4.1 引言

4.2 基于幅相运动方程的直驱风机建模

4.3 基于幅相运动方程的直驱风机模型验证

4.4 本章小结

5 基于幅相运动方程的电压幅值-相位运动机理研究

5.1 引言

5.2 内电势幅相运动方程的物理解释

5.3 内电势幅值动态的仿真解释

5.4 虚拟电容器特性对多机动态无功功率分配的影响

5.5 内电势相位-幅值动态机理及分析

5.6 关于传输线路特性对电压幅值运动影响研究的探索与思考

5.7 本章小结

6 交流电流控制时间尺度电压动态稳定研究

6.1 引言

6.2 直驱风机网侧变流器基本控制策略及其数学模型

6.3 网侧变流器端电压动态变化机理及其小干扰分析模型

6.4 端电压动态稳定分析

6.5 对相关问题的讨论

6.6 仿真及实验验证

6.7 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文与申请专利

附录2 攻读博士学位期间参与项目

文章摘要:在保障能源安全、保护生态环境、应对气候变化的驱动下,大量的可再生能源发电、高压直流输电以及电力电子负荷接入电力系统中。我国电力系统正不可避免地面临着电力电子化的趋势。电力电子装备在序贯控制下所体现的多时间尺度特性决定了系统动态电压稳定问题也可以分为转子转速、直流电压和交流电流控制时间尺度。在电力电子化电力系统中,由于电力电子装备复杂的物理结构和控制系统以及局部不理想的电网条件,使得所面对的系统动态电压稳定问题变得异常严峻,国内外电网的实际运行中都曾出现过大量与电压动态稳定相关的事故发生。对电力装备建立适用于系统动态电压稳定分析的模型并分析其系统行为的动态特性具有重要的现实意义和实践意义。本文回顾了适用于系统动态电压稳定分析的装备模型建模和分析方法的研究现状,并总结了现阶段对于电力装备动态特性描述和分析的不足。认为过去的建模工作普遍存在特殊化、数学化和结构化的特点,难于适应未来复杂系统的动态电压稳定研究。因此,本文提出了幅相运动方程的概念,并利用内电势表示装备在系统运行中的状态,进而提出了基于幅相运动方程的电力装备的建模方法。从本质上来讲就是将装备的动态特性用输入/输出不平衡无功/有功功率与内电势幅值/相位关系来表示。这种建模方法从系统具体问题出发,是一种普适的物理化描述装备系统行为动态特性的方法。基于幅相运动方程,本文分别给出了幅值和相位运动的物理化解释,并分析了装备内电势幅值-相位运动的机理及相关影响因素。本文还简单探索了线路传输无功功率的特性对系统动态电压幅值稳定的影响。在交流电流控制时间尺度,本文选择在静止坐标系对装备进行建模,并研究分析了系统动态电压稳定的影响因素。具体内容分为以下几个方面:（1）介绍了电力电子装备序贯控制的特性,以及电力电子化电力系统动态电压稳定问题所具有的多时间尺度特性。同时将动态电压稳定问题根据装备典型控制环路带宽及对应的储能元件大小分为:转子转速控制时间尺度、直流电压控制时间尺度和交流电流控制时间尺度。进而从时间尺度、扰动特征和研究场景三个维度形成了系统动态电压稳定分析的研究思路。（2）选择装备内电势表征其在系统中运行状态,并提出幅相运动方程的概念用于对装备系统行为的动态特性进行描述,即将装备系统行为动态特性描述为输入/输出不平衡无功/有功功率与内电势幅值/相位的关系。同时本文在转子转速控制时间尺度下以同步发电机和双馈风机为例,在直流电压时间尺度下以直驱风机为例,给出了两个时间尺度下电力装备的具体建模方法。在单机并入电网的场景中,通过时域仿真以及特征根分析对比,验证了所提出的电力装备模型的准确性和合理性。最后总结归纳了基于幅相运动方程的电力装备建模的一般方法和步骤。（3）将装备内电势幅值运动类比为实际物理系统中电容器电压变化,内电势相位运动类比为转子旋转中位置的变化,从而赋予装备内电势幅值/相位的运动以物理意义。介绍了虚拟电容器的时变容抗特性,并简单分析了其对多同步发电机系统动态无功功率分配的影响。在单台双馈风机并网的场景中解释了装备内电势幅值-相位运动机理,并分析了装备控制器参数对内电势幅值-相位动态特性的影响。本文还探索了线路线路无功功率传输特性对系统电压动态的影响。（4）在交流电流控制时间尺度下,本文选择在静止坐标系对装备进行建模研究系统动态电压稳定。分析了变流器端电压动态变化机理,并根据此理解给出了分析动态电压稳定问题的小干扰分析模型。分别研究了电流控制器、电压前馈补偿以及电网强度对端电压稳定性的影响。本文还分析了影响端电压动态稳定性的关键参数,这可以对于不同电网强度下变流器电流控制器的设计提供指导。