关键词：
电力电子变流器
频率耦合效应
高精度建模
调制器
特定谐波消除脉宽调制
LCC-HVDC
稳定性分析
摘要：
随着高比例可再生能源与电力电子装备的广泛接入,电力系统动态行为日趋复杂,宽频振荡问题频发。现有电力电子装备的建模过程中常常忽略了调制器的非线性行为,从而导致模型在高频段失真,特别在大功率低开关频率的电力电子装备模型失真现象尤为严重。因此,传统模型难以准确预测系统宽频振荡行为。由于调制器的输出信号具有非光滑、离散、多周期以及状态依赖性等特征,因此,其动态行为表征是电力电子装备精确建模的主要难点。
基于全控型器件的变流器是现代电力电子装备的主流;基于半控型器件的换相换流器虽属上一代电力电子设备,但它在高压直流输电系统中仍被广泛应用。因此,本文主要以载波调制和特定谐波消除脉宽调制(Selected Harmonic Elimination Pulse-Width Modulation,SHEPWM)下的现代电力电子装备以及以换相换流器为代表的上一代电力电子设备为对象,围绕考虑频率耦合效应的电力电子变流器精确建模及稳定性分析展开研究,主要聚焦于调制器、相控触发器等典型非线性环节精确建模难题,构建了涵盖多频耦合效应的典型变流器的精确模型,模型精度在Nyquist频率以上,为分析电力系统的宽频振荡奠定了模型基础。此外,还揭示了关键非线性环节频率耦合效应及其对系统稳定性的影响机理,为复杂工况下电力电子系统优化设计提供了理论支撑。本文具体工作如下:
(1)建立了Buck变换器的统一扩展频率模型,揭示了不同调制方式对系统动态特性的影响差异,为调制模式选择与宽频振荡分析提供了理论依据。通过Laplace位移定理和频移操作将调制器引入的边带谐波纳入建模框架,建立了适用于一般调制模式的Buck变换器统一扩展频率模型,理论模型在开关频率范围内与测量结果一致。在频域框架下揭示了不同调制模式对系统动态特性的影响差异,阐明了前沿调制、后沿调制及对称调制对系统稳定裕度的影响规律,为调制模式选择与宽频振荡分析提供了理论依据。
(2)构建了考虑PWM影响的单相并网变流器多频导纳模型,在准确表征变流器宽频动态行为的同时增强了模型的可解析性,揭示了变流器与电网交互产生宽频振荡的失稳机理。本文基于广义谐波线性化方法,考虑调制器非线性与多时间尺度特性,通过解析调制器载波边带与工频分量的动态交互路径,建立了调制器精确模型与单相并网变流器多频导纳模型。接着,本文提出了主导边带筛选降阶方法,将高阶导纳矩阵简化为5×5的低阶矩阵,避免了载波比增加时模型计算量骤增的问题,在减小模型计算量的同时几乎不损失模型精度。最后,通过高频谐振实例,验证了该模型对系统高频不稳定分析的准确性。
(3)首次建立了考虑SHEPWM调制效应的单相变流器多频阻抗模型,为基于SHEPWM的低频变流器分析与控制奠定了模型基础。通过谐波消去方程建立了开关角扰动与输出电压谐波的动态映射关系,考虑SHEPWM谐波静态优化特性及调制过程的非平滑、多周期特征,建立了SHEPWM调制器的精确模型,填补了SHEPWM调制器精确数学建模的空白。接着,将SHEPWM调制器模型嵌入闭环控制分析框架,揭示了闭环反馈作用下控制环节、SHEPWM调制器以及电路拓扑之间不同频率分量的耦合交互关系,建立了考虑SHEPWM非线性的低频变流器系统的多频阻抗模型。最后,基于该模型分析了控制参数与开关切换角对系统稳定性的影响,为大功率低开关频率变流器系统的精细化分析与设计奠定了模型基础。
(4)构建了换相换流器高压直流输电系统(Line-Commuted Converter-Based High-Voltage Direct Current,LCC-HVDC)送端变流器多频解析模型,精确刻画了换相过程非线性、相控触发器周期性等特征对模型的影响,得到了迄今为止最为准确的换相换流器小信号模型。本文考虑相控触发器的非线性、周期性特征与换相过程的多模式切换动态,构建了计及换相过程非线性动态的相控触发器精确模型,深化对晶闸管变流器的精细化模型认知。接着,分析了相控触发器、电流控制器、锁相环以及变流器拓扑等环节的频率耦合关系及其传播路径,兼顾模型精度与建模复杂度建立了LCC-HVDC送端变流器的精确数学模型,揭示了控制参数对系统稳定性的影响规律,为LCC-HVDC系统的谐波抑制与参数整定提供了新思路。
最后,对全文工作进行了总结,并对将来围绕电力电子变流器精确建模研究方向进行了展望。
图89幅,表11个,参考文献157篇
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