非理想电网条件下柔性直流输电系统运行理论及稳定控制方法研究

In order to improve the uninterrupted operation ability of voltage source converter high voltage direct current (VSC-HVDC), it is urgent to study stability control of VSC-HVDC to enhance its safe and stable operation under non ideal grid conditions. According to operation mechanism of VSC-HVDC under grid voltage harmonic distortion and three-phase unbalanced voltage, the mathematical model of VSC-HVDC is established based on the extended instantaneous power theory under non ideal grid conditions, and the multi-vector and multi-step prediction model predictive control algorithm are built using model predictive control theory, and then the advanced controller is designed. Considering the complex dynamic interaction behavior of side-by-side converters connected large scale wind power, the mathematical model of VSC-HVDC connected wind farms is established, and the fault influence mechanism and fault current characteristics between different converters are analyzed when asymmetric fault is happened at ac side, and then the fault ride-through method and strategy on wind farms in a VSC-HVDC is designed. Innovative theories and basic method researchs for development of VSC-HVDC under non ideal grid conditions are explored.

为了提高柔性直流输电系统的不间断运行能力，研究非理想电网条件下直流系统的稳定控制技术并增强其安全稳定运行已成为当务之急。项目根据电网电压谐波畸变、三相不平衡复杂运行条件下柔性直流系统的运行机理，基于扩展瞬时功率理论建立非理想电网条件下直流系统数学模型，利用模型预测控制理论构建基于多矢量与多步预测的模型预测控制算法以及先进控制器的设计。考虑大规模风电场接入多个并列式换流器之间的复杂动态交互行为，并建立风电场柔性直流输电系统的数学模型，分析交流侧不对称故障时不同换流器之间的故障影响机理以及故障电流特性，设计风电场柔性直流系统的故障穿越方法及策略。力图为非理想电网条件下柔性直流输电系统的发展探索创新理论与基础方法研究。

由于非理想电网条件对电力电子变换器的高效率稳定运行具有诸多的负面影响，研究并提出能够适应非理想电网的柔性直流输电系统增强控制的基础理论与关键技术，具有重要的意义。由于模型预测控制具有鲁棒性强、原理简单等特点在变换器、电机等领域得到广泛探索研究，但仍存在计算量大、功率脉动大以及采样频率高等问题。因此，基于非理想电网条件下电网与变换器之间的动态交互行为与作用机理，首先突破单矢量模型预测控制的局限，提出了在扩展瞬时功率理论下基于有限控制集的多矢量模型预测控制与通用型模型预测控制，有效降低了功率脉动大小；提出一种双矢量模型预测直接功率控制改进方法，通过提前判断当前电压矢量组合中的特殊类型的占空比，加快了占空比的计算速度，较大幅度地降低了算法执行时间；另外还验证了基于多步预测的模型预测控制方法的可行性及鲁棒性。为了进一步降低有限集模型预测控制的算法复杂度与计算量，提出了基于瞬时功率理论与扩展瞬时功率的低复杂度快速模型控制方法，主要包括单矢量、双矢量以及三矢量控制方法，所有方法是以负的复功率共轭作为控制变量，仅需要一次计算就可判断得到最优电压矢量，有效降低了算法的复杂性，并提高了该方法的实用性。此外，分析了换流器之间的耦合作用机理，提出了一种风电并网条件下换流器故障穿越方法，在单相与三相故障条件下都能实现换流器直流电压较为稳定地过渡。本项目的研究加快了模型预测控制及故障穿越技术在非理想电网条件下的实用进程，为柔性直流输电系统的高效稳定运行的理论体系与工程实用化奠定了基础。