交直流混合输电系统中级联变流器双向阻抗匹配特性的研究

Compared with conventional AC transmission system, DC systems have the following advantages: Cost-effective; Lower power loss; No reactive power compensation and synchronization issues. As a matter of fact, nesting DC power transmission system in AC system, for sure, will incur uncertainty to the AC system. Therefore this research is aiming to investigate these uncertain influences of DC power transmission system to the AC system by modelling the terminal converter of DC transmission system and evaluating the performance through the impedance interaction criterion. The objective is to enhance the system stability and capability of hybrid DC and AC power transmission system. In this project, the impedance modelling will be performed by both the control block diagrams and the small signal modellings, hence the influence of the DC system on the AC system can be evaluated and improved with better performance. This research will not only build the real time simulation model of hybrid DC and AC power transmission system, but also the low voltage level experiment setup, thus the performance of existing and developed active control strategies can be evaluated, and attempts and solutions from the view of passive components will also be conducted, which are all helping to enhance system stability and capability.

与传统交流输电系统相比，直流输电系统具有明显的优势：线路造价低，线路损耗较小，不存在无功补偿与同步运行的问题等。在传统交流输电系统中嵌入直流输电系统会给交流系统带来明显的不确定性。本课题旨在通过对交直流混合输电系统端口变流器输入侧与输出侧阻抗进行建模，应用阻抗匹配理论，分析交直流混合输电系统的稳定性，通过变流器双向阻抗协调控制增强系统的稳定性，以及分析功率流动方向和载荷大小对阻抗匹配特性的影响，最后扩展阻抗匹配的应用，达到改善交直流混合输电系统的兼容性和稳定性，扩展阻抗匹配理论应用的结果。本课题将采用系统框图及小信号建模的方式对交直流输电系统级联变流器的输入输出阻抗建模，结合网侧阻抗特性，评估系统稳定性，并研究传输功率方向和载荷的变化对稳定性的影响，再优化变流器自身输入输出阻抗特性，使其阻抗具有双端友好特性。本课题将会构建变流器阻抗测试实验平台，并在直流输电实验平台上验证理论成果的有效性。

直流输电系统与交流输电系统相比，具有明显优势：线路造价低，损耗小，不存在无功补偿和同步运行相关问题。但交直流混合输电系统中，系统稳定性受运行工况、功率传输大小及方向等因素影响，产生的振荡问题明显。本项目主要研究交直流混合输电系统端口变流器阻抗稳定特性：首先建立端口变流器的输入输出侧双侧阻抗模型，然后通过阻抗匹配稳定性分析理论，评估系统的阻抗稳定特性；针对系统中的不稳定因素，通过双向阻抗协调控制，增强系统的稳定性，并且分析功率流动方向和载荷大小对阻抗匹配特性的影响，开发弥补传输功率变化所引起的稳定裕度降低的不足；最终扩展阻抗匹配的应用，改善交直流混合输电系统的兼容性和稳定性。.本项目的主要研究成果如下：.（1）建立了端口变流器输入输出侧双侧的阻抗模型，包括AC/DC整流器DC侧输出阻抗模型、DC/AC逆变器DC侧输入阻抗模型、DC/AC逆变器AC侧输出阻抗模型，分析了功率传输方向和载荷大小对端口阻抗特性的影响。结果表明，变流器阻抗模型低频段受控制器影响较大，高频段受滤波器，采样延时影响较大。.（2）分析了功率传输方向和载荷大小变化两个因素对系统DC侧和AC侧稳定性的影响，结果表明传输功率增大，功率模式下变流器阻抗增益减小；功率正向反向切换时，变流器负阻抗会在输入输出侧发生转移。本项目分别针对DC侧和AC侧的稳定性问题提出了阻抗重塑控制策略，以改善变流器端口阻抗特性，消除功率双向传输下的稳定性差异问题，且综合考虑DC侧与AC侧双侧的稳定性问题，提出了阻抗协调重塑控制策略，提升交直流混合输电系统双侧的稳定性。.（3）基于虚拟惯性控制技术，利用直流电压变化率与惯性参数耦合的机理，提出一种能够实现直流电压灵活动态调节的灵活类虚拟同步发电机控制，使直流母线的惯性灵活可调，增强直流侧稳定性与适应性。.（4）搭建了两端柔直系统低压实验平台，实验结果验证了功率传输方向和载荷大小变化两个因素对系统DC侧和AC侧稳定性的影响，同时也验证了所提阻抗协调重塑控制的有效性。