【《VSC-HVDC系统数学模型分析概述》2000字】

1.VSC-HVDC系统数学模型分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u569VSC-HVDC系统数学模型分析概述 1312941.1AC区域 110431.1.1AC区域数学模型 184661.2VSC换流站数学模型 2107671.1.1VSC换流站分类 22211.1.2abc坐标系下VSC数学模型 4128171.1.2两相旋转（dq）坐标系下VSC数学模型 573701.3常用换流站控制器 6174231.4小结 7为了更好地研究VSC-HVDC输电系统频率附加控制策略，在研究开始之前我们必须对系统的各个部分进行深入研究，要充分了解各个部分的数学模型和运行机理，背靠背VSC-HVDC结构如图2-1所示。本章在进行深入的理论学习的基础上，建立了VSC-HVDC输电系统各部分数学模型，主要包括：AC区域、VSC换流站以及换流站控制器结构等几个系统的关键部分。图1.1背靠背VSC-HVDC输电系统结构1.1AC区域1.1.1AC区域数学模型在每个AC区域中都包含有多个发电机和负载，但本文研究的频率调节问题响应时间很短，因此在频率控制研究中，AC区域被简化为一个聚合同步发电机，简化后的结构如图2-2所示。可以由同步发电机的转子运动方程得到第i个AC区域的频率变化规律表示为：(2-1)式中，Ji为i区域的转矩惯量；fac,i为i区域的频率，facnom,i为其额定值；Pmi和Pe分别为输入电机的机械功率、和发电机的电磁功率；Dgi是i区域发电机阻尼系数。图2-2AC区域结构图参与一次频率调节的发电机机械功率Pmi可以由本地调速器进行调节，表示如下：(2-2)式中，σi为发电机下垂；Tsmi为本地功率调节时间常数；Pnom,i是i区域发电机的额定机械功率。本文采用频率相关荷载模型来表示荷载总和，如式(2-3)所示：(2-3)其中P0li为Pli额定频率值时的值，视为用户对电网的需求，Dli为阻尼系数。假设1换流器是一种能够瞬时跟踪功率参考信号,并且在交流、直流电网中间不消耗任何功率的无损设备。本文将从交流区域注入直流电网的功率Pidc作为驱动变量。由于频率的变化是迟缓的,直流电网可以当作是一种阻性网络。通过欧姆定律，Pidc满足：(2-4)其中Vidc是换流器对应直流侧的电压;Rij则为AC区域i与区域j之间相连接的电缆电阻值，如果AC区域i与区域j不互连,则认为Rij趋向于无穷大。1.2VSC换流站数学模型1.1.1VSC换流站分类VSC换流站具有多种结构，目前最为常见的三种典型结构分别为两电平VSC、三电平VSC和模块化多电平VSC，其结构分别如图2-3、2-4、2-5所示。图2-3两电平VSC结构图图2-4三电平VSC结构图图2-5模块化多电平VSC结构图1.1.2abc坐标系下VSC数学模型这里分析一个单个换流站的数学模型，其余换流站模型与该分析类似。单个送端换流站结构如图2-6所示。图2-6单个换流站结构图由基尔霍夫电压定律可以得到：(2-7)其中L和R表示变压器和串联滤波器的电感和电阻。usa、usb、usc表示交流电网三相电压；uca、ucb、ucc表示换流站端口的三相电压；ia、ib、ic为三相交流电流。PCC处电压方程可以改写为：(2-8)换流器传输的功率方程为(2-9)1.1.2两相旋转（dq）坐标系下VSC数学模型在建立基于VSC换流站的MT-HVDC输电系统数学模型时，最常使用的两种坐标系分别为abc坐标系和两相dq同步旋转坐标系。abc坐标系与dq坐标系的转换关系如图2-7所示，图中ω表示系统角频率，θ表示d轴超前q轴的角度，θ=ωt。图2-7abc-dq参考系对应关系(2-10)将式(2-22)变形为如下形式(2-11)利用Park变换将式(2-24)转换在d-q参考系中得：(2-12)式中，usd、id、usq、iq为PCC点测得的d轴电压及电流、q轴电压及电流；ucd、ucq分别为VSC端口d轴与q轴电压。在d-q参考系中，电网电压定向于d轴，则usq=0，可得流经PCC点的有功、无功功率表示为:(2-13)在整个MT-HVDC传输系统中，功率损耗相对于传输功率损耗而言非常小，所以在理想情况下分析时可以忽略不计，认为换流站交流侧有功功率约等于换流站直流侧功率，即(2-14)由上述分析可知，只要分别控制isd、isq就可以控制VSC换流器传输的有功功率、无功功率，因此将isd称为有功电流，isq称为无功电流。换流器在两相dq旋转坐标系下的数学模型如下所示(2-15)1.3常用换流站控制器目前用于VSC换流站的控制器一般是基于帕克变换和比例积分控制原理构造的。将交流系统中的三相abc变量通过一定对应关系转换到两项dq坐标系中，以便于分别对有功和无功进行控制。一般在构建控制器时，通常采用PI控制器来调节各个变量。VSC换流站常用控制器如图2-8所示，内环采用电流解耦控制器，外环采用电压或功率控制器。图2-8VSC换流站常用控制框图如图2-8所示，交流区域电压和电流信号都使用帕克变换为dq参考系。图中箭头的方向为电流的方向或信号流动的方向。于是，AC电流动力学方程可以表示为(2-16)式中，ω为AC区域频率；id、iq为帕克变换后的d、q轴电流；usd、usq为帕克变换后电网的d、q轴电流；Vxd是AC电网电压的直流分量（Vxd为0）。使用控制方式(2-17)式中，kpc=L/τ，kpc=L/τ，于是，控制器内环动力学行为表示为(2-18)式中，id*、iq*分别为d、q轴电流参考点，他们由外环控制设定。1.4小结为了进行VSC-HVDC附加频率控制研究，本章首先研究了系统各部分数学模型，如AC区域、VSC换流站以及换流站控制