限流电抗器电抗值对VSC-MTDC系统故障特性和稳定性的影响研究

摘要

风能、太阳能等清洁能源在发电领域的占比正日渐加重，由于清洁能源具备的分散性和间歇性的特点，相比传统的交流输电，高压直流输电技术逐渐获得了更广泛地应用。其中，基于模块化多电平换流器（MMC）的高压柔性直流输电技术（VSC-HVDC），以其模块化程度高、波形质量好等优点，在实际工程中获得更多关注。本文研究的工程背景为张北柔性直流输电示范工程，该工程是基于MMC的多端柔性直流输电系统（MMC-MTDC），考虑直流侧限流电抗器的影响，对系统的大干扰故障特性和小干扰稳定性两方面内容进行深入研究。 本文首先介绍MMC及柔性直流输电系统故障保护、稳定性分析相关的国内外研究现状。对于MMC和子模块的基本拓扑及基本运行原理进行详细介绍，对于直流输电系统的网络拓扑结构、稳态控制策略也进行了调研。 在系统的大干扰故障方面，限流电抗器能够抑制快速上升的故障电流，为保护系统提供动作时间。因此需要确立其与系统故障暂态特性的内在联系，以选取合适的限流电抗器参数。本文以对称双极MMC-HVDC系统发生直流侧单极接地故障为例，分别建立换流站及系统整体的等效模型，推导故障电流与限流电抗器L的简化关系式。在此基础上，明确限流电抗器电抗值大小对于单个换流站及系统故障暂态特性的影响，并从满足系统故障保护要求的角度出发，归纳明确的限流电抗器电抗范围的计算方法。 在系统的小干扰稳定性方面，限流电抗器会影响系统的动态响应速度和稳定性，因此选择合适的限流电抗器参数亦十分关键。本文建立了单个换流站的小干扰Thevenin等效模型，并与直流线路网络模型组合，推导出系统整体的小干扰数学模型。基于该模型，探究影响系统小干扰稳定性的主要因素，通过绘制系统根轨迹曲线，明确限流电抗器参数对系统小干扰稳定性的影响，从而根据系统的稳定性要求，确定相应的限流电抗器取值范围。 基于现有的限流电抗器参数设计方法，本文结合系统的大干扰故障特性和小干扰稳定性两方面的要求，总结出一种改进的限流电抗器参数设计方法。最后，以张北柔性直流输电工程为背景搭建仿真模型，验证了本文提出的故障电流简化表达式、系统小干扰数学模型及改进的限流电抗器参数设计方法的正确性。

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