柔性直流输电网络直流电压时间尺度稳定性机理及优化控制研究

As a practical grid technology, Voltage Source Converter Multi-Terminal High Voltage Direct Current (VSC-MTDC) system is applied to solve large scales of renewable energy integration and transmition problems and further decrease effects of renewable energy integration on stability of grid. This project focuses on modeling, stability analysis and optimization control of VSC-MTDC network connected to weak ac grid in DC-link voltage time scale. To begin with, VSC-MTDC system dynamics model in DC-link voltage time scale is built with multi timescales theory and linearization scheme. Based on the proposed model, damping component and restoring component are defined to reveal stability mechanism of VSC-MTDC network in DC-link voltage time scale. Furthermore, control parameters optimization scheme and DC-link voltage time scale stabilizer are presented to improve stability of VSC-MTDC network in DC-link voltage time scale. Lastly, we build time domain simulation model and physics experiment platform of VSC-MTDC network, verifying aforementioned stability mechanism analysis and optimal control method. The research achievements in the project will give the theoretical foundation and technical support for the development and application of VSC-MTDC.

多端柔性直流输电作为一种适用的电网技术，可以有效解决大规模可再生能源并网送出的问题，减小可再生能源接入对电网的负面影响。本项目针对多端柔性直流输电系统连接弱交流电网时稳定运行中面临的实际问题，研究柔性直流输电网络直流电压时间尺度建模、稳定性机理以及优化控制方法。首先，基于多时间尺度理论和线性化方法，建立柔性直流输电网络直流电压时间尺度的动力学模型；在此模型基础上，提出通过计算阻尼分量和恢复分量来判断系统稳定性的方法以及不稳定类型，以揭示柔性直流输电网络连接到弱交流电网的直流电压时间尺度稳定性机理；接着，分别通过优化控制参数和设计直流电压时间尺度稳定器这两种方法来提高柔性直流输电网络直流电压时间尺度的稳定性；最后，构建柔性直流输电网络的时域仿真平台以及物理实验平台，对以上稳定性机理分析以及优化控制方法进行验证。本项目的研究成果将为多端柔性直流输电技术的发展和应用提供理论依据和技术支撑。

“远距离、大规模、高集中”的开发模式是我国风力发电的重要特征。我国风力资源主要分布在“三北地区”，然而负荷中心在东南沿海一带，风能资源禀赋与负荷中心呈现逆向分布特征。我国在甘肃、内蒙古、新疆、吉林、江苏等省和地区将建立7个千万千瓦级以上的大型风电基地，除了江苏海上风电基地外，其它基地与用电负荷中心的距离均超过800公里。但是，传统的交流电网结构、运行以及控制技术不能够应对大规模风电高集中、远距离接入电力系统带来的挑战。多端柔性直流输电作为一种适用的电网技术，可以有效解决大规模可再生能源远距离送出的问题，减小可再生能源接入对电网的负面影响。本项目针对多端柔性直流输电系统连接弱交流电网时稳定运行中面临的实际问题，研究了柔性直流输电网络直流电压时间尺度建模、稳定性机理以及优化控制方法。首先，基于多时间尺度理论和线性化方法，建立柔性直流输电网络直流电压时间尺度的动力学模型。该模型包括直流电压控制、锁相控制、无功控制等直流电压时间尺度控制系统，明确了物理含义。然后，提出通过计算阻尼分量和恢复分量来判断系统稳定性的方法以及不稳定类型，研究了不同工作点、不同电网强度以及不同控制参数对系统直流电压时间尺度稳定性的影响。接着，通过设计直流电压时间尺度稳定器来提高柔性直流输电网络直流电压时间尺度的稳定性，该稳定器检测并网变换器直流电压时间尺度的振荡信号，补偿阻尼分量的不足以增强并网变换器的稳定性，其本质作用相当于增加直流电压控制系统中的阻尼分量。本项目设计的直流电压时间尺度稳定器适用于基于VSC并网的电气设备，例如风机、光伏、柔性直流输电等，可以提高VSC并网设备的直流电压时间尺度稳定性，并节约硬件投入，降低成本，有较大的市场应用价值。