含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)：建模、特性分析與控制策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)以及能源結(jié)構(gòu)的深度調(diào)整，電力傳輸技術(shù)在保障能源供應(yīng)和促進(jìn)能源高效利用方面發(fā)揮著愈發(fā)關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)的交流輸電方式在應(yīng)對(duì)長(zhǎng)距離、大容量輸電以及復(fù)雜電網(wǎng)運(yùn)行需求時(shí)，逐漸暴露出一些局限性，如輸電距離受限、線路損耗大、系統(tǒng)穩(wěn)定性易受影響等。在此背景下，高壓直流輸電（HVDC）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展?；陔妷涸磽Q流器的高壓直流輸電（VSC-HVDC）系統(tǒng)，作為HVDC技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新成果，近年來在全球范圍內(nèi)取得了顯著的進(jìn)展。相較于傳統(tǒng)的基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電（LCC-HVDC）系統(tǒng)，VSC-HVDC系統(tǒng)展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。在控制性能方面，VSC-HVDC系統(tǒng)憑借其全控型電力電子器件（如絕緣柵雙極型晶體管IGBT等），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率的獨(dú)立、快速且精確的控制。這一特性使得它在應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的電力系統(tǒng)運(yùn)行工況時(shí)，展現(xiàn)出卓越的靈活性和適應(yīng)性。例如在新能源并網(wǎng)場(chǎng)景中，新能源發(fā)電具有波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，VSC-HVDC系統(tǒng)可以有效地調(diào)節(jié)這些不穩(wěn)定因素，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；在城市電網(wǎng)供電中，能快速響應(yīng)負(fù)荷變化，確保電壓穩(wěn)定。在電能質(zhì)量方面，VSC-HVDC系統(tǒng)通過采用先進(jìn)的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，能夠顯著減少諧波的產(chǎn)生，為電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能輸出，降低了對(duì)電網(wǎng)其他設(shè)備的諧波干擾，提高了整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。在與電網(wǎng)連接方面，VSC-HVDC系統(tǒng)對(duì)受端電網(wǎng)的強(qiáng)度要求較低，能夠與弱交流系統(tǒng)甚至無源網(wǎng)絡(luò)可靠連接，拓展了電力傳輸?shù)膽?yīng)用范圍。這一優(yōu)勢(shì)為偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力供應(yīng)以及海上風(fēng)電等新能源的開發(fā)利用提供了有效的解決方案。例如我國一些偏遠(yuǎn)的海島地區(qū)，通過VSC-HVDC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的電力供應(yīng)；海上風(fēng)電場(chǎng)距離陸地較遠(yuǎn)，且附近電網(wǎng)相對(duì)薄弱，VSC-HVDC技術(shù)使得海上風(fēng)電能夠順利并入陸地電網(wǎng)。隨著新能源在電力系統(tǒng)中的占比不斷提高，VSC-HVDC系統(tǒng)作為新能源并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)手段，其重要性日益凸顯。大規(guī)模新能源發(fā)電，如風(fēng)電、光伏等，具有分布分散、出力不穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)的接納和消納能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。VSC-HVDC系統(tǒng)能夠有效地解決新能源并網(wǎng)過程中的諸多問題，實(shí)現(xiàn)新能源電力的高效傳輸和穩(wěn)定接入，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展。在“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，新能源的大規(guī)模開發(fā)和利用成為必然趨勢(shì)，VSC-HVDC系統(tǒng)在這一進(jìn)程中將發(fā)揮不可或缺的作用。此外，在構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的宏偉愿景中，VSC-HVDC系統(tǒng)也具有重要的戰(zhàn)略意義。全球能源分布極不均衡，通過VSC-HVDC技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨國界的能源優(yōu)化配置，將能源資源豐富地區(qū)的電力輸送到能源需求旺盛的地區(qū)，提高能源利用效率，促進(jìn)全球能源的互聯(lián)互通和協(xié)同發(fā)展。然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，VSC-HVDC系統(tǒng)不可避免地會(huì)面臨各種故障的威脅。從內(nèi)部故障來看，換流器中的電力電子器件長(zhǎng)期在高電壓、大電流以及復(fù)雜的電磁環(huán)境下運(yùn)行，容易因器件老化、過熱、過電壓等原因發(fā)生故障，如IGBT的短路、開路故障等；直流側(cè)的電容、電感等元件也可能出現(xiàn)參數(shù)漂移、損壞等問題，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。從外部故障來看，交流系統(tǒng)的短路、接地等故障會(huì)通過電氣聯(lián)系對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓、電流出現(xiàn)異常波動(dòng)；同時(shí)，惡劣的自然環(huán)境（如雷擊、暴雨、大風(fēng)等）也可能引發(fā)線路故障，進(jìn)而影響VSC-HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這些故障一旦發(fā)生，如果不能及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)、診斷和保護(hù)，將會(huì)對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)本身以及與之相連的電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果。一方面，故障可能導(dǎo)致VSC-HVDC系統(tǒng)的停機(jī)，影響電力的正常傳輸，造成大面積的停電事故，給社會(huì)生產(chǎn)和人民生活帶來極大的不便，同時(shí)也會(huì)給電力企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，故障還可能引發(fā)電力系統(tǒng)的電壓崩潰、頻率失穩(wěn)等連鎖反應(yīng)，威脅整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至引發(fā)系統(tǒng)性的電力災(zāi)難。綜上所述，深入研究含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)的建模、分析與控制相關(guān)問題具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過精確的建模，可以深入了解系統(tǒng)的運(yùn)行特性和內(nèi)在規(guī)律，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；全面的分析能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，為制定有效的預(yù)防措施和應(yīng)對(duì)策略提供依據(jù)；有效的控制策略則可以確保系統(tǒng)在各種工況下都能安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的整體性能和可靠性。這不僅有助于保障能源的可靠供應(yīng)，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)，還能促進(jìn)電力系統(tǒng)向更加智能化、綠色化的方向發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)建模方面，國內(nèi)外學(xué)者取得了豐碩的成果。國外研究起步較早，在基礎(chǔ)理論和模型構(gòu)建方面進(jìn)行了深入探索。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)1]基于電路基本原理和電磁暫態(tài)理論，建立了詳細(xì)的VSC換流器開關(guān)函數(shù)模型，能夠精確描述換流器在不同工況下的電氣特性，為系統(tǒng)的暫態(tài)分析提供了有力工具。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)2]針對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提出了考慮直流電容電壓動(dòng)態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型，該模型能夠更準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)在功率波動(dòng)時(shí)的響應(yīng)情況。國內(nèi)學(xué)者結(jié)合實(shí)際工程需求，對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化和完善。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)3]考慮到我國電網(wǎng)中存在大量諧波源以及復(fù)雜的運(yùn)行工況，在傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)上加入了諧波分析模塊，建立了適用于我國電網(wǎng)環(huán)境的含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)諧波模型，有效提升了對(duì)系統(tǒng)諧波特性分析的準(zhǔn)確性。然而，目前的建模研究仍存在一些不足之處。部分模型在追求高精度的同時(shí)，忽略了模型的計(jì)算效率，導(dǎo)致在大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真中計(jì)算負(fù)擔(dān)過重，難以滿足實(shí)時(shí)分析和控制的需求。此外，對(duì)于多端VSC-HVDC系統(tǒng)以及與其他新型電力系統(tǒng)元件（如分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)等）融合后的建模研究還不夠深入，缺乏統(tǒng)一、通用的建模方法。在系統(tǒng)分析領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用多種理論和方法對(duì)含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)進(jìn)行了全面剖析。國外研究注重系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性分析，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)4]運(yùn)用小信號(hào)穩(wěn)定性分析方法，深入研究了VSC-HVDC系統(tǒng)在不同控制策略下的穩(wěn)定性邊界，提出了基于特征值分析的穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)5]通過概率分析方法，對(duì)系統(tǒng)在隨機(jī)故障情況下的可靠性進(jìn)行了評(píng)估，為系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行提供了重要參考。國內(nèi)學(xué)者則在系統(tǒng)暫態(tài)特性和電能質(zhì)量分析方面取得了顯著進(jìn)展。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)6]利用時(shí)域仿真和頻域分析相結(jié)合的方法，詳細(xì)研究了系統(tǒng)在故障情況下的暫態(tài)響應(yīng)過程，揭示了暫態(tài)過程中各電氣量的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)7]針對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波問題，提出了基于諧波潮流計(jì)算的電能質(zhì)量分析方法，有效評(píng)估了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。但是，當(dāng)前的分析方法仍存在一些局限性。在多時(shí)間尺度分析方面，缺乏能夠同時(shí)考慮電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過程的統(tǒng)一分析框架，導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)行為的理解不夠全面。而且，對(duì)于VSC-HVDC系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的交互作用機(jī)制研究還不夠深入，難以準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的運(yùn)行性能。在控制策略研究方面，國內(nèi)外學(xué)者不斷創(chuàng)新，提出了一系列先進(jìn)的控制方法。國外研究側(cè)重于智能控制策略的應(yīng)用，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)8]將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于VSC-HVDC系統(tǒng)的功率控制中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的自適應(yīng)控制。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)9]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)的控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。國內(nèi)學(xué)者則在傳統(tǒng)控制策略的改進(jìn)和協(xié)同控制方面開展了大量研究。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)10]針對(duì)傳統(tǒng)比例積分（PI）控制在應(yīng)對(duì)系統(tǒng)快速變化時(shí)存在的不足，提出了自適應(yīng)PI控制策略，有效提升了系統(tǒng)的控制精度和魯棒性。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)11]研究了VSC-HVDC系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的功率平衡和穩(wěn)定運(yùn)行。然而，現(xiàn)有的控制策略仍面臨一些挑戰(zhàn)。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和運(yùn)行工況的日益復(fù)雜，單一的控制策略難以滿足系統(tǒng)全方位的控制需求，需要進(jìn)一步研究多目標(biāo)、多層次的協(xié)同控制策略。此外，在控制策略的工程實(shí)現(xiàn)方面，還需要解決控制器的可靠性、成本和兼容性等問題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)展開，涵蓋建模、特性分析和控制策略設(shè)計(jì)等多方面內(nèi)容。在建模方面，將基于電路基本原理、電磁暫態(tài)理論和電力電子技術(shù)，分別構(gòu)建VSC換流器的詳細(xì)開關(guān)函數(shù)模型以及考慮線路參數(shù)分布特性的直流輸電線路模型。同時(shí)，綜合考慮交流系統(tǒng)元件的特性，建立含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)不同的仿真需求和時(shí)間尺度，對(duì)模型進(jìn)行降階和簡(jiǎn)化處理，以提高模型的計(jì)算效率和適用性。在特性分析部分，運(yùn)用小信號(hào)穩(wěn)定性分析、時(shí)域仿真和頻域分析等方法，深入研究系統(tǒng)在正常運(yùn)行和故障情況下的穩(wěn)定性、暫態(tài)特性以及電能質(zhì)量。通過小信號(hào)穩(wěn)定性分析，確定系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行邊界和關(guān)鍵影響因素；利用時(shí)域仿真詳細(xì)模擬系統(tǒng)在故障發(fā)生、發(fā)展和恢復(fù)過程中各電氣量的動(dòng)態(tài)變化；借助頻域分析評(píng)估系統(tǒng)的諧波特性和頻率響應(yīng)特性，全面揭示系統(tǒng)的運(yùn)行特性和內(nèi)在規(guī)律。控制策略設(shè)計(jì)方面，在深入研究傳統(tǒng)PI控制、矢量控制等方法的基礎(chǔ)上，引入自適應(yīng)控制、智能控制等先進(jìn)理論和技術(shù)，設(shè)計(jì)適用于含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)的多目標(biāo)協(xié)同控制策略。該策略將綜合考慮系統(tǒng)的有功功率、無功功率、電壓和頻率等多個(gè)控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的優(yōu)化控制。同時(shí)，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制策略的有效性和優(yōu)越性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。在研究方法上，首先采用文獻(xiàn)研究法，全面搜集和整理國內(nèi)外關(guān)于含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)建模、分析與控制的相關(guān)文獻(xiàn)資料，深入了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)已有研究成果和存在的問題，為本研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研究思路。其次，運(yùn)用仿真分析法，借助MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等專業(yè)電力系統(tǒng)仿真軟件，搭建含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況進(jìn)行模擬和分析。通過仿真研究，深入探究系統(tǒng)的運(yùn)行特性和控制策略的性能，為理論研究提供直觀的數(shù)據(jù)支持和驗(yàn)證手段。最后，采用案例研究法，選取國內(nèi)外典型的含VSC-HVDC的交直流電力工程案例，如我國的舟山多端柔性直流輸電工程、南澳多端柔性直流輸電工程以及國外的一些相關(guān)工程，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行深入分析和總結(jié)。通過案例研究，將理論研究成果與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，驗(yàn)證研究成果的可行性和實(shí)用性，同時(shí)為實(shí)際工程的優(yōu)化和改進(jìn)提供參考依據(jù)。二、VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)概述2.1VSC-HVDC基本原理VSC-HVDC系統(tǒng)主要由換流器、直流輸電線路和控制器等關(guān)鍵部分構(gòu)成，各部分相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)高效的電力傳輸與靈活控制。換流器作為VSC-HVDC系統(tǒng)的核心組件，采用電壓源換流器（VSC）結(jié)構(gòu)。它由多個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂包含多個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等全控型電力電子器件。以兩電平VSC換流器為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含上、下兩個(gè)橋臂，通過對(duì)IGBT的精確控制，實(shí)現(xiàn)交流電與直流電之間的雙向轉(zhuǎn)換。在整流過程中，換流器將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，為直流輸電線路提供穩(wěn)定的直流電壓和電流；在逆變過程中，則將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔埽伻虢涣麟娋W(wǎng)。直流輸電線路是VSC-HVDC系統(tǒng)中連接送端和受端換流站的紐帶，負(fù)責(zé)直流電能的傳輸。根據(jù)實(shí)際工程需求，可選用架空線路或電纜線路。架空線路具有成本較低、建設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于陸地長(zhǎng)距離輸電；電纜線路則具有占地少、電磁干擾小等優(yōu)勢(shì)，常用于城市電網(wǎng)或海底輸電等場(chǎng)景。例如，在海上風(fēng)電并網(wǎng)項(xiàng)目中，海底電纜能夠有效避免對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響，確保風(fēng)電穩(wěn)定傳輸至陸地電網(wǎng)?？刂破髟赩SC-HVDC系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的調(diào)控作用，它通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電氣量（如電壓、電流、功率等），依據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略和算法，精確地發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器中IGBT的通斷控制，進(jìn)而達(dá)成對(duì)系統(tǒng)有功功率、無功功率、電壓和電流等關(guān)鍵參數(shù)的有效調(diào)節(jié)。常見的控制器采用比例積分（PI）控制算法，通過對(duì)誤差信號(hào)的比例和積分運(yùn)算，快速準(zhǔn)確地調(diào)整控制信號(hào)，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定的工作點(diǎn)。此外，隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能算法也逐漸應(yīng)用于VSC-HVDC系統(tǒng)的控制器中，以提升系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的自適應(yīng)控制能力和魯棒性。VSC-HVDC系統(tǒng)的工作原理基于脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。以正弦脈寬調(diào)制（SPWM）為例，控制器首先根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行需求，計(jì)算出期望的輸出電壓波形，然后將其與一個(gè)高頻三角波載波進(jìn)行比較。當(dāng)正弦波信號(hào)大于三角波信號(hào)時(shí)，控制相應(yīng)的IGBT導(dǎo)通；當(dāng)正弦波信號(hào)小于三角波信號(hào)時(shí)，IGBT關(guān)斷。通過這種方式，在換流器的交流側(cè)輸出一系列寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖電壓波形，這些脈沖電壓波形經(jīng)過濾波后，可得到接近正弦波的交流電壓，實(shí)現(xiàn)交流電與直流電之間的高效轉(zhuǎn)換。在這個(gè)過程中，通過精確控制PWM信號(hào)的脈沖寬度和相位，能夠靈活地調(diào)節(jié)換流器輸出電壓的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制。例如，當(dāng)需要增加有功功率傳輸時(shí)，可通過調(diào)整PWM信號(hào)，增大換流器輸出電壓與交流電網(wǎng)電壓之間的相位差，使有功功率從送端向受端傳輸；當(dāng)需要調(diào)節(jié)無功功率時(shí)，則可通過改變PWM信號(hào)的脈沖寬度，調(diào)整換流器輸出電壓的幅值，實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的吸收或發(fā)出。2.2系統(tǒng)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)VSC-HVDC系統(tǒng)在電力傳輸領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，使其成為現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展中備受矚目的關(guān)鍵技術(shù)。在有功和無功功率控制方面，VSC-HVDC系統(tǒng)憑借其全控型電力電子器件，具備卓越的獨(dú)立控制能力。它能夠根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)需求，迅速、精確地調(diào)整有功功率和無功功率的傳輸，實(shí)現(xiàn)兩者的解耦控制。這種特性使得VSC-HVDC系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的電網(wǎng)運(yùn)行工況時(shí)，表現(xiàn)出極高的靈活性和適應(yīng)性。例如，在新能源發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的場(chǎng)景中，由于新能源發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，VSC-HVDC系統(tǒng)可以通過靈活調(diào)節(jié)有功功率，有效地平滑新能源發(fā)電的功率波動(dòng)，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，通過精確控制無功功率，維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在對(duì)受端電網(wǎng)的要求方面，VSC-HVDC系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的LCC-HVDC系統(tǒng)對(duì)受端電網(wǎng)的強(qiáng)度有較高要求，需要較強(qiáng)的交流系統(tǒng)來提供換相所需的無功功率和電壓支撐。而VSC-HVDC系統(tǒng)由于采用了全控型器件和PWM技術(shù)，其換流過程不受交流系統(tǒng)電壓的影響，能夠在弱交流系統(tǒng)甚至無源網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)定運(yùn)行。這一特點(diǎn)使得VSC-HVDC系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力供應(yīng)、海上風(fēng)電并網(wǎng)以及孤島供電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在海上風(fēng)電開發(fā)中，海上風(fēng)電場(chǎng)通常遠(yuǎn)離陸地，附近的交流電網(wǎng)相對(duì)薄弱，VSC-HVDC系統(tǒng)能夠克服這一難題，將海上風(fēng)電高效、穩(wěn)定地傳輸?shù)疥懙仉娋W(wǎng)。在電能質(zhì)量改善方面，VSC-HVDC系統(tǒng)表現(xiàn)出色。通過采用先進(jìn)的PWM技術(shù)，VSC-HVDC系統(tǒng)能夠有效地減少諧波的產(chǎn)生。其輸出的交流電壓和電流波形接近正弦波，大大降低了對(duì)電網(wǎng)其他設(shè)備的諧波干擾。同時(shí)，VSC-HVDC系統(tǒng)還可以通過靈活控制無功功率，快速響應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化，有效抑制電壓波動(dòng)和閃變，提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。例如，在城市電網(wǎng)中，負(fù)荷波動(dòng)較大，VSC-HVDC系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓，及時(shí)調(diào)整無功功率輸出，保持電壓的穩(wěn)定，為城市居民和企業(yè)提供高質(zhì)量的電能。在多端系統(tǒng)構(gòu)建方面，VSC-HVDC系統(tǒng)具有天然的優(yōu)勢(shì)。多個(gè)VSC換流器可以方便地連接到同一直流母線上，形成多端VSC-HVDC系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有靈活的運(yùn)行控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)電源和負(fù)荷之間的高效電力傳輸和分配。在多端VSC-HVDC系統(tǒng)中，各換流站可以根據(jù)自身的功率需求和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，獨(dú)立地控制有功功率和無功功率的傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。例如，在一個(gè)包含多個(gè)分布式電源和負(fù)荷中心的區(qū)域電網(wǎng)中，多端VSC-HVDC系統(tǒng)可以將分布式電源發(fā)出的電能高效地輸送到各個(gè)負(fù)荷中心，同時(shí)協(xié)調(diào)各電源和負(fù)荷之間的功率平衡，提高整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)行效率和可靠性。2.3在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景VSC-HVDC憑借其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)的多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用價(jià)值，有力地推動(dòng)了電力傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性。在新能源并網(wǎng)方面，以海上風(fēng)電為例，我國的江蘇如東海上風(fēng)電場(chǎng)采用VSC-HVDC技術(shù)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源豐富、不占用陸地土地資源等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也面臨著遠(yuǎn)離陸地、海上環(huán)境復(fù)雜等挑戰(zhàn)。VSC-HVDC系統(tǒng)通過海底電纜將海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電能傳輸?shù)疥懙仉娋W(wǎng)。其獨(dú)立控制有功和無功功率的能力，能夠有效應(yīng)對(duì)海上風(fēng)電的間歇性和波動(dòng)性，確保風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的穩(wěn)定，提高了海上風(fēng)電并網(wǎng)的可靠性和電能質(zhì)量。在城市電網(wǎng)供電中，VSC-HVDC系統(tǒng)同樣發(fā)揮著重要作用。以廣州柔性直流輸電工程為例，該工程應(yīng)用于廣州城市電網(wǎng)中。隨著城市的快速發(fā)展，城市電網(wǎng)的負(fù)荷不斷增長(zhǎng)，對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量提出了更高的要求。VSC-HVDC系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)負(fù)荷變化，精確控制無功功率，有效維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，減少電壓波動(dòng)和閃變，為城市居民和企業(yè)提供高質(zhì)量的電能。同時(shí)，其占地面積小的特點(diǎn)，也能有效緩解城市土地資源緊張的問題，在城市電網(wǎng)建設(shè)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。對(duì)于孤島供電場(chǎng)景，VSC-HVDC系統(tǒng)為孤島地區(qū)提供了可靠的電力供應(yīng)解決方案。以我國舟山群島的部分島嶼為例，這些島嶼遠(yuǎn)離大陸，傳統(tǒng)的交流輸電方式難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠的供電。VSC-HVDC系統(tǒng)通過海底電纜與大陸電網(wǎng)相連，能夠獨(dú)立控制有功和無功功率，為孤島提供穩(wěn)定的電力。即使在交流系統(tǒng)較弱或無源的情況下，也能保障孤島地區(qū)的電力需求，提高了孤島供電的可靠性和穩(wěn)定性。在異步電網(wǎng)互聯(lián)方面，VSC-HVDC系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻率或相位的交流電網(wǎng)之間的互聯(lián)。例如，在歐洲的一些跨國電網(wǎng)互聯(lián)項(xiàng)目中，不同國家的電網(wǎng)可能存在頻率和相位的差異。VSC-HVDC系統(tǒng)可以在不依賴于交流系統(tǒng)同步運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)電力的雙向傳輸和功率調(diào)節(jié)，有效解決了異步電網(wǎng)互聯(lián)的難題，促進(jìn)了區(qū)域電網(wǎng)之間的電力資源優(yōu)化配置。三、含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)建模3.1系統(tǒng)元件建模3.1.1電壓源換流器（VSC）建模電壓源換流器（VSC）作為含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)的核心元件，其精確建模對(duì)于系統(tǒng)分析與控制至關(guān)重要。在構(gòu)建VSC數(shù)學(xué)模型時(shí)，開關(guān)函數(shù)法是一種常用的方法。以三相兩電平VSC為例，設(shè)開關(guān)函數(shù)S_{ai}、S_{bi}、S_{ci}分別表示A、B、C三相橋臂的上橋臂開關(guān)狀態(tài)，取值為1表示開關(guān)導(dǎo)通，取值為0表示開關(guān)關(guān)斷。則VSC交流側(cè)輸出電壓u_{ai}、u_{bi}、u_{ci}可表示為：\begin{cases}u_{ai}=S_{ai}V_{dc}-\frac{1}{3}(S_{ai}+S_{bi}+S_{ci})V_{dc}\\u_{bi}=S_{bi}V_{dc}-\frac{1}{3}(S_{ai}+S_{bi}+S_{ci})V_{dc}\\u_{ci}=S_{ci}V_{dc}-\frac{1}{3}(S_{ai}+S_{bi}+S_{ci})V_{dc}\end{cases}其中，V_{dc}為直流側(cè)電壓。通過開關(guān)函數(shù)，能夠清晰地描述VSC內(nèi)部開關(guān)器件的通斷狀態(tài)對(duì)交流側(cè)輸出電壓的影響，從而準(zhǔn)確模擬VSC在不同工況下的電氣特性。這種方法適用于對(duì)VSC暫態(tài)過程進(jìn)行詳細(xì)分析，在研究VSC啟動(dòng)、故障暫態(tài)等快速變化的過程中，能夠提供高精度的模型支持。狀態(tài)空間平均法也是VSC建模的重要手段。該方法將VSC在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行平均化處理，得到其狀態(tài)空間平均模型。假設(shè)VSC的狀態(tài)變量為x=[i_{a},i_,i_{c},V_{dc}]^T，輸入變量為u=[u_{sa},u_{sb},u_{sc}]^T，輸出變量為y=[u_{a},u_,u_{c},P,Q]^T，其中i_{a}、i_、i_{c}為交流側(cè)電流，u_{sa}、u_{sb}、u_{sc}為交流系統(tǒng)電壓，u_{a}、u_、u_{c}為VSC交流側(cè)輸出電壓，P、Q分別為有功功率和無功功率。根據(jù)電路基本原理和能量守恒定律，可建立如下狀態(tài)空間平均方程：\dot{x}=Ax+Buy=Cx+Du其中，A、B、C、D為系數(shù)矩陣，其具體形式與VSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略相關(guān)。狀態(tài)空間平均法適用于對(duì)VSC的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，能夠有效簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，降低計(jì)算復(fù)雜度，在系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)仿真和控制器設(shè)計(jì)中具有廣泛應(yīng)用。開關(guān)函數(shù)法和狀態(tài)空間平均法各有優(yōu)劣。開關(guān)函數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠精確描述VSC內(nèi)部的開關(guān)動(dòng)作過程，對(duì)VSC的暫態(tài)特性模擬精度高；缺點(diǎn)是模型復(fù)雜度較高，計(jì)算量大，在大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真中可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率低下。狀態(tài)空間平均法的優(yōu)勢(shì)在于模型簡(jiǎn)潔，計(jì)算效率高，便于進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的分析和控制；不足之處是對(duì)VSC的高頻特性描述不夠準(zhǔn)確，在研究VSC的諧波特性等方面存在一定局限性。3.1.2直流輸電線路建模直流輸電線路是連接VSC換流器的關(guān)鍵部分，其參數(shù)特性對(duì)含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)的性能有著重要影響。在計(jì)算直流輸電線路的電阻時(shí)，可根據(jù)導(dǎo)線的材料、截面積和長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于常用的銅或鋁導(dǎo)線，電阻R的計(jì)算公式為：R=\rho\frac{l}{S}其中，\rho為導(dǎo)線的電阻率，l為導(dǎo)線長(zhǎng)度，S為導(dǎo)線截面積。例如，某直流輸電線路采用鋁導(dǎo)線，長(zhǎng)度為100km，截面積為500mm^2，鋁的電阻率取2.83\times10^{-8}\Omega\cdotm，則該線路的電阻為：R=2.83\times10^{-8}\times\frac{100\times1000}{500\times10^{-6}}=5.66\Omega直流輸電線路的電感主要由導(dǎo)線的自感和互感組成。對(duì)于單根導(dǎo)線，其自感L可通過以下公式計(jì)算：L=\frac{\mu_0}{2\pi}\ln\frac{D}{r}l其中，\mu_0為真空磁導(dǎo)率，D為導(dǎo)線間的幾何平均距離，r為導(dǎo)線半徑，l為導(dǎo)線長(zhǎng)度。當(dāng)考慮多根導(dǎo)線的互感時(shí)，計(jì)算會(huì)更為復(fù)雜，需綜合考慮各導(dǎo)線之間的相對(duì)位置和電流分布情況。直流輸電線路的電容主要是導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與地之間的電容。對(duì)于架空線路，可采用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算單位長(zhǎng)度的電容C：C=\frac{2\pi\varepsilon_0}{\ln\frac{D}{r}}其中，\varepsilon_0為真空介電常數(shù)。電纜線路的電容計(jì)算則需考慮絕緣材料的介電常數(shù)和電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為建立考慮線路分布參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，可將直流輸電線路看作是由無數(shù)個(gè)微小的單元段組成，每個(gè)單元段包含電阻、電感、電容和電導(dǎo)。采用行波理論，可推導(dǎo)出線路電壓u(x,t)和電流i(x,t)滿足的電報(bào)方程：\begin{cases}\frac{\partialu(x,t)}{\partialx}=-Ri(x,t)-L\frac{\partiali(x,t)}{\partialt}\\\frac{\partiali(x,t)}{\partialx}=-Gu(x,t)-C\frac{\partialu(x,t)}{\partialt}\end{cases}其中，x為線路長(zhǎng)度方向的坐標(biāo)，t為時(shí)間，R、L、C、G分別為單位長(zhǎng)度的電阻、電感、電容和電導(dǎo)。通過求解電報(bào)方程，能夠準(zhǔn)確描述直流輸電線路上電壓和電流的分布及變化情況，為含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)分析提供精確的線路模型。3.1.3交流系統(tǒng)建模交流系統(tǒng)作為含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)的重要組成部分，其準(zhǔn)確建模對(duì)于系統(tǒng)的整體分析至關(guān)重要。交流系統(tǒng)電源通常采用同步發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行等效。同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型考慮了其電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)過程，包括電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程。以派克變換后的dq坐標(biāo)系下的模型為例，電壓方程可表示為：\begin{cases}u_epxsnit=-R_{a}i_ipuxhgu-\omegaL_{q}i_{q}+\omega\psi_{f}\\u_{q}=-R_{a}i_{q}+\omegaL_hgferwvi_iplrymu\end{cases}其中，u_yooufvi、u_{q}為d、q軸電壓，i_rwcewag、i_{q}為d、q軸電流，R_{a}為定子電阻，L_gfdyqev、L_{q}為d、q軸電感，\omega為電角速度，\psi_{f}為勵(lì)磁磁鏈。變壓器在交流系統(tǒng)中起著電壓變換和電氣隔離的作用，其等效電路模型通常采用T型等效電路。T型等效電路包含勵(lì)磁支路和串聯(lián)阻抗支路，勵(lì)磁支路用勵(lì)磁導(dǎo)納Y_m表示，反映變壓器的勵(lì)磁特性；串聯(lián)阻抗支路用電阻R_T和電感X_T表示，體現(xiàn)變壓器繞組的電阻和漏抗。變壓器的變比k定義為一次側(cè)電壓與二次側(cè)電壓的比值，在等效電路中通過理想變壓器元件來實(shí)現(xiàn)電壓的變換。交流輸電線路的等效電路模型根據(jù)線路長(zhǎng)度和參數(shù)特性的不同而有所差異。對(duì)于短線路（一般長(zhǎng)度小于100km），可采用集中參數(shù)的π型等效電路，該電路由串聯(lián)電阻R、電感L和并聯(lián)電容C組成，能夠較為準(zhǔn)確地描述線路的電氣特性。對(duì)于中等長(zhǎng)度線路（100-300km），考慮到線路參數(shù)的分布特性，可采用修正的π型等效電路，在串聯(lián)支路中增加了一個(gè)集中參數(shù)的電感來模擬線路的分布電感。對(duì)于長(zhǎng)線路（大于300km），則需采用分布參數(shù)模型，將線路看作是由無數(shù)個(gè)微小的單元段組成，每個(gè)單元段包含電阻、電感、電容和電導(dǎo)，通過求解電報(bào)方程來描述線路上電壓和電流的分布及變化情況。在實(shí)際建模過程中，交流系統(tǒng)各元件的參數(shù)可通過設(shè)備銘牌數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或理論計(jì)算等方法獲取。例如，同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)可從其銘牌上獲取額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速等信息，并結(jié)合電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行特性進(jìn)行計(jì)算；變壓器的參數(shù)可通過短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)來確定其短路阻抗、勵(lì)磁導(dǎo)納等參數(shù)；交流輸電線路的參數(shù)則可根據(jù)導(dǎo)線的型號(hào)、規(guī)格以及線路的長(zhǎng)度、架設(shè)方式等進(jìn)行計(jì)算。通過準(zhǔn)確獲取和設(shè)置各元件的參數(shù)，能夠構(gòu)建出精確的交流系統(tǒng)模型，為含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)的分析與控制提供可靠的基礎(chǔ)。3.2整體系統(tǒng)建模方法3.2.1基于電磁暫態(tài)的建?；陔姶艜簯B(tài)的建模方法，是含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵手段，其原理緊密依托于電路基本定律和電磁暫態(tài)理論。在構(gòu)建模型時(shí)，將系統(tǒng)中的各類元件，如VSC換流器、直流輸電線路、交流系統(tǒng)元件等，均視為由電阻、電感、電容等基本電路元件組成的復(fù)雜電路網(wǎng)絡(luò)。以VSC換流器為例，運(yùn)用開關(guān)函數(shù)精確描述其內(nèi)部電力電子器件的通斷狀態(tài)，進(jìn)而建立起能夠反映換流器在不同工況下電氣特性的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于直流輸電線路，充分考慮其電阻、電感、電容等參數(shù)的分布特性，采用分布參數(shù)模型進(jìn)行建模，以準(zhǔn)確描述線路上電壓和電流的分布及變化情況。在實(shí)際應(yīng)用中，基于電磁暫態(tài)的建模方法展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它能夠精確地模擬系統(tǒng)在各種暫態(tài)過程中的動(dòng)態(tài)行為，如短路故障、雷擊等情況下系統(tǒng)電壓、電流的快速變化。通過詳細(xì)考慮系統(tǒng)中各元件的電磁特性和暫態(tài)過程，該建模方法為深入研究系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、故障分析以及保護(hù)策略的制定提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。例如，在研究VSC-HVDC系統(tǒng)在交流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)，基于電磁暫態(tài)的建?？梢詼?zhǔn)確捕捉到故障瞬間換流器的電流急劇上升、直流電壓的大幅波動(dòng)等暫態(tài)現(xiàn)象，為分析故障對(duì)系統(tǒng)的影響以及制定有效的保護(hù)措施提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。然而，這種建模方法也存在一定的局限性。由于其對(duì)系統(tǒng)元件的描述極為詳細(xì)，導(dǎo)致模型的復(fù)雜度大幅增加，計(jì)算量也隨之劇增。在進(jìn)行大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真時(shí)，需要消耗大量的計(jì)算資源和時(shí)間，這在一定程度上限制了其在實(shí)時(shí)仿真和在線分析中的應(yīng)用。此外，基于電磁暫態(tài)的建模方法對(duì)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性要求極高，參數(shù)的微小偏差可能會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。而在實(shí)際電力系統(tǒng)中，部分元件的參數(shù)難以精確測(cè)量，這也給建模帶來了一定的困難。3.2.2基于穩(wěn)態(tài)相量的建模基于穩(wěn)態(tài)相量的建模方法，是含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)分析中的重要工具，其核心思路是在正弦穩(wěn)態(tài)假設(shè)的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)中的電壓、電流等電氣量用相量形式來表示。在這種建模方式下，系統(tǒng)中的元件，如VSC換流器、變壓器、輸電線路等，均通過其在穩(wěn)態(tài)下的等效電路和相量關(guān)系來描述。以VSC換流器為例，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，可將其等效為一個(gè)受控電壓源或電流源，通過相量形式的功率方程和電壓電流關(guān)系，來描述其與交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)之間的功率傳輸和電氣聯(lián)系。在系統(tǒng)潮流計(jì)算和穩(wěn)定性分析中，基于穩(wěn)態(tài)相量的建模方法具有廣泛的應(yīng)用。在潮流計(jì)算方面，通過建立系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓方程和功率平衡方程，利用相量形式的電氣量進(jìn)行迭代求解，能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算出系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相位、支路的功率分布等重要信息。這對(duì)于電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)度以及經(jīng)濟(jì)分析等方面具有重要的指導(dǎo)意義。例如，在規(guī)劃新建含VSC-HVDC的交直流輸電工程時(shí)，利用基于穩(wěn)態(tài)相量的潮流計(jì)算模型，可以預(yù)測(cè)不同運(yùn)行方式下系統(tǒng)的潮流分布，評(píng)估系統(tǒng)的輸電能力和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，為工程的可行性研究和方案優(yōu)化提供依據(jù)。在穩(wěn)定性分析方面，基于穩(wěn)態(tài)相量的建模方法通過對(duì)系統(tǒng)線性化處理，建立狀態(tài)空間模型，運(yùn)用特征值分析、靈敏度分析等方法，來研究系統(tǒng)在小擾動(dòng)下的穩(wěn)定性。通過分析系統(tǒng)特征值的分布情況，可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并確定影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素和薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，利用靈敏度分析可以研究系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)穩(wěn)定性的影響，為系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和參數(shù)優(yōu)化提供參考。例如，在研究VSC-HVDC系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的相互作用對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響時(shí)，基于穩(wěn)態(tài)相量的建模和分析方法可以清晰地揭示兩者之間的功率耦合關(guān)系和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為制定有效的協(xié)調(diào)控制策略提供理論支持。該建模方法的特點(diǎn)在于計(jì)算效率高，能夠快速地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)估，適用于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的研究。然而，由于其基于正弦穩(wěn)態(tài)假設(shè)，忽略了系統(tǒng)中的暫態(tài)過程和高頻分量，在研究系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、故障分析以及電磁兼容等問題時(shí)存在一定的局限性。3.3建模案例分析——以某實(shí)際工程為例3.3.1工程概況本次選取的實(shí)際工程為某地區(qū)的含VSC-HVDC的交直流輸電工程，該工程在當(dāng)?shù)仉娏鬏斨邪l(fā)揮著關(guān)鍵作用。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，送端連接著一座大型風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)包含多臺(tái)不同型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，通過集電線路將電能匯聚到送端換流站。送端換流站采用基于模塊化多電平換流器（MMC）的VSC技術(shù)，具有較高的電能轉(zhuǎn)換效率和良好的輸出特性。直流輸電線路采用電纜線路，全長(zhǎng)約150km，將送端換流站與受端換流站連接起來。受端換流站與當(dāng)?shù)氐慕涣麟娋W(wǎng)相連，為該地區(qū)的負(fù)荷中心提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。交流電網(wǎng)中包含多個(gè)同步發(fā)電機(jī)、變壓器以及大量的負(fù)荷，負(fù)荷類型涵蓋工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷等，不同類型的負(fù)荷具有不同的用電特性。該工程的主要參數(shù)如下：送端風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量為300MW，風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速為12m/s，切入風(fēng)速為3m/s，切出風(fēng)速為25m/s。送端換流站的額定容量為350MVA，直流側(cè)額定電壓為±200kV，交流側(cè)額定電壓為220kV。直流輸電線路的電阻為0.05Ω/km，電感為0.2mH/km，電容為0.1μF/km。受端換流站的額定容量為350MVA，交流側(cè)額定電壓為110kV。交流電網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)的額定功率為100MW，額定電壓為10.5kV，變壓器的變比為220/110kV，短路阻抗為10%。在運(yùn)行方式上，該工程主要采用定功率控制方式，送端換流站根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電功率，將直流功率穩(wěn)定地傳輸?shù)绞芏藫Q流站。受端換流站則根據(jù)交流電網(wǎng)的負(fù)荷需求，調(diào)節(jié)輸出的有功功率和無功功率，維持交流電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定。在正常運(yùn)行情況下，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地將風(fēng)電場(chǎng)的電能輸送到負(fù)荷中心，滿足當(dāng)?shù)氐挠秒娦枨蟆．?dāng)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，送端換流站能夠快速響應(yīng)，通過調(diào)節(jié)自身的控制策略，確保直流功率的穩(wěn)定傳輸。同時(shí)，受端換流站也能夠根據(jù)交流電網(wǎng)的變化，及時(shí)調(diào)整輸出功率，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。3.3.2模型搭建與參數(shù)設(shè)置依據(jù)前文闡述的建模方法，借助MATLAB/Simulink軟件搭建該工程的仿真模型。在構(gòu)建VSC換流器模型時(shí)，選用開關(guān)函數(shù)法對(duì)其進(jìn)行建模，以精確模擬換流器內(nèi)部電力電子器件的通斷狀態(tài)。通過設(shè)置開關(guān)函數(shù)的相關(guān)參數(shù)，如開關(guān)頻率、調(diào)制比等，使其能夠準(zhǔn)確反映換流器在不同工況下的運(yùn)行特性。對(duì)于直流輸電線路，考慮到其長(zhǎng)度和參數(shù)分布特性，采用分布參數(shù)模型進(jìn)行建模。在模型中，根據(jù)線路的實(shí)際參數(shù)，設(shè)置電阻、電感、電容等參數(shù)值，以準(zhǔn)確描述線路上電壓和電流的分布及變化情況。交流系統(tǒng)部分，同步發(fā)電機(jī)采用考慮電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)過程的詳細(xì)模型，通過設(shè)置發(fā)電機(jī)的額定功率、額定電壓、電抗等參數(shù)，模擬其在不同運(yùn)行條件下的輸出特性。變壓器采用T型等效電路模型，根據(jù)其銘牌數(shù)據(jù)設(shè)置變比、短路阻抗等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬變壓器的電壓變換和電氣隔離作用。交流輸電線路則根據(jù)其長(zhǎng)度和參數(shù)特性，選用合適的等效電路模型進(jìn)行建模，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。各元件參數(shù)設(shè)置的依據(jù)主要來源于工程設(shè)計(jì)文件、設(shè)備銘牌數(shù)據(jù)以及實(shí)際測(cè)量結(jié)果。例如，VSC換流器的開關(guān)頻率設(shè)置為2kHz，這是根據(jù)工程中所選用的IGBT器件的性能以及系統(tǒng)對(duì)諧波抑制的要求確定的；調(diào)制比設(shè)置為0.85，以保證換流器能夠在高效運(yùn)行的同時(shí)，輸出滿足要求的電壓和電流波形。直流輸電線路的電阻、電感、電容等參數(shù)，是根據(jù)電纜的型號(hào)、規(guī)格以及線路的實(shí)際長(zhǎng)度，通過理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量相結(jié)合的方式確定的。同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)，如額定功率、額定電壓、電抗等，直接取自發(fā)電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)；變壓器的變比、短路阻抗等參數(shù)，則根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。交流輸電線路的參數(shù)設(shè)置同樣參考了線路的設(shè)計(jì)資料和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)。通過準(zhǔn)確設(shè)置各元件的參數(shù)，確保所搭建的仿真模型能夠真實(shí)地反映該工程的實(shí)際運(yùn)行情況。3.3.3模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證所搭建模型的準(zhǔn)確性和有效性，將仿真結(jié)果與該工程的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。選取了多個(gè)典型的運(yùn)行工況進(jìn)行研究，包括正常運(yùn)行工況、負(fù)荷突變工況以及風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)工況等。在正常運(yùn)行工況下，對(duì)比仿真模型計(jì)算得到的送端換流站交流側(cè)電壓幅值和相位、直流輸電線路的電流以及受端換流站交流側(cè)的有功功率和無功功率等電氣量，與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的偏差均在允許范圍內(nèi)。例如，仿真計(jì)算得到的送端換流站交流側(cè)電壓幅值為220.5kV，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為220.3kV，偏差僅為0.09%；受端換流站交流側(cè)的有功功率仿真值為295MW，實(shí)際值為293MW，偏差為0.68%。在負(fù)荷突變工況下，當(dāng)受端交流電網(wǎng)的負(fù)荷突然增加20%時(shí)，仿真模型能夠準(zhǔn)確地模擬出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。送端換流站迅速調(diào)整輸出功率，以滿足負(fù)荷增加的需求，直流輸電線路的電流也相應(yīng)增大。通過對(duì)比仿真結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)各電氣量的變化趨勢(shì)和幅值基本一致。例如，直流輸電線路電流的仿真曲線和實(shí)際測(cè)量曲線在負(fù)荷突變后的上升趨勢(shì)和峰值大小都非常接近，驗(yàn)證了模型在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的準(zhǔn)確性。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)工況，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率在10分鐘內(nèi)從200MW波動(dòng)到250MW時(shí)，仿真模型能夠及時(shí)反映出功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。送端換流站通過調(diào)整控制策略，穩(wěn)定直流功率的輸出，受端換流站也相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸出功率，維持交流電網(wǎng)的穩(wěn)定。對(duì)比仿真結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在功率波動(dòng)過程中的各項(xiàng)電氣量變化情況高度吻合，進(jìn)一步證明了模型的有效性。通過對(duì)多個(gè)典型運(yùn)行工況下仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的詳細(xì)對(duì)比分析，結(jié)果表明所搭建的含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性和有效性，能夠可靠地模擬系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，為后續(xù)對(duì)該系統(tǒng)的分析與控制研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)特性分析4.1穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性分析4.1.1功率傳輸特性在含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，VSC換流器的功率傳輸特性是理解系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。以三相VSC換流器為例，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，其有功功率P和無功功率Q的傳輸與換流器交流側(cè)電壓U_{c}、交流系統(tǒng)電壓U_{s}、兩者之間的相位差\delta以及換流電抗器電抗X密切相關(guān)。有功功率計(jì)算公式為：P=\frac{U_{s}U_{c}}{X}\sin\delta無功功率計(jì)算公式為：Q=\frac{U_{s}(U_{s}-U_{c}\cos\delta)}{X}從有功功率公式可以看出，當(dāng)相位差\delta在0到90^{\circ}之間時(shí)，隨著\delta的增大，有功功率P逐漸增大，表明VSC換流器能夠通過調(diào)整相位差來靈活控制有功功率的傳輸方向和大小。當(dāng)\delta為正值時(shí)，有功功率從VSC換流器流向交流系統(tǒng)；當(dāng)\delta為負(fù)值時(shí)，有功功率則從交流系統(tǒng)流向VSC換流器。例如，在新能源并網(wǎng)場(chǎng)景中，若風(fēng)電場(chǎng)通過VSC-HVDC系統(tǒng)接入電網(wǎng)，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率增加時(shí)，可通過增大相位差\delta，將更多的有功功率輸送到電網(wǎng)中。無功功率方面，當(dāng)U_{c}\cos\delta<U_{s}時(shí)，Q為正值，VSC換流器吸收無功功率；當(dāng)U_{c}\cos\delta>U_{s}時(shí)，Q為負(fù)值，VSC換流器發(fā)出無功功率。通過調(diào)節(jié)U_{c}和\delta，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的精確控制。在城市電網(wǎng)中，VSC-HVDC系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)情況，及時(shí)調(diào)整無功功率的輸出，當(dāng)電網(wǎng)電壓偏低時(shí)，VSC換流器發(fā)出無功功率，提高電網(wǎng)電壓；當(dāng)電網(wǎng)電壓偏高時(shí)，吸收無功功率，降低電網(wǎng)電壓，從而維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。在不同的運(yùn)行條件下，VSC-HVDC的功率傳輸特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓U_{s}發(fā)生波動(dòng)時(shí)，若保持U_{c}和\delta不變，有功功率和無功功率都會(huì)受到影響。當(dāng)U_{s}降低時(shí)，有功功率P和無功功率Q都會(huì)減??；反之，當(dāng)U_{s}升高時(shí)，P和Q都會(huì)增大。在實(shí)際運(yùn)行中，VSC-HVDC系統(tǒng)需要具備快速響應(yīng)能力，能夠根據(jù)交流系統(tǒng)電壓的變化，及時(shí)調(diào)整控制策略，以維持功率的穩(wěn)定傳輸。同樣地，換流電抗器電抗X的變化也會(huì)對(duì)功率傳輸產(chǎn)生影響。當(dāng)X增大時(shí)，有功功率和無功功率都會(huì)減小，這意味著在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，需要合理選擇換流電抗器的參數(shù)，以確保系統(tǒng)能夠滿足功率傳輸?shù)男枨蟆?.1.2電壓電流特性在含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，各節(jié)點(diǎn)電壓和線路電流的分布規(guī)律及影響因素對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。從交流系統(tǒng)側(cè)來看，節(jié)點(diǎn)電壓的大小和相位受到多種因素的綜合影響。電源的出力情況是一個(gè)關(guān)鍵因素，當(dāng)電源輸出功率增加時(shí)，若負(fù)荷不變，節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)相應(yīng)升高；反之，當(dāng)電源輸出功率減少時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)降低。在一個(gè)包含多個(gè)同步發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的交流系統(tǒng)中，若某臺(tái)發(fā)電機(jī)的出力突然增加，會(huì)導(dǎo)致與其相連的節(jié)點(diǎn)電壓上升，進(jìn)而影響整個(gè)交流系統(tǒng)的電壓分布。線路阻抗也對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓有著顯著影響。線路電阻會(huì)導(dǎo)致電壓降落，電阻越大，電壓降落越大，使得線路末端節(jié)點(diǎn)電壓降低。線路電感會(huì)影響電壓的相位，當(dāng)線路電感較大時(shí)，電壓相位會(huì)發(fā)生較大變化，從而影響系統(tǒng)的功率傳輸和穩(wěn)定性。某條交流輸電線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)且電阻較大，在輸送一定功率時(shí)，線路末端節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)明顯低于首端節(jié)點(diǎn)電壓，可能會(huì)影響到該節(jié)點(diǎn)所連接的負(fù)荷正常運(yùn)行。在VSC-HVDC系統(tǒng)中，直流側(cè)電壓的穩(wěn)定是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。直流側(cè)電容對(duì)直流電壓起著重要的支撐作用，電容值越大，直流電壓的波動(dòng)越小。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率突變時(shí)，直流側(cè)電容能夠儲(chǔ)存或釋放能量，緩沖功率變化對(duì)直流電壓的影響。在送端換流站，若風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電功率突然增加，直流側(cè)電容可以暫時(shí)儲(chǔ)存多余的能量，避免直流電壓瞬間升高；當(dāng)發(fā)電功率減少時(shí)，電容釋放能量，維持直流電壓穩(wěn)定。控制策略也對(duì)直流電壓的穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。通過調(diào)節(jié)換流器的控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的精確控制。在定直流電壓控制策略下，控制器會(huì)根據(jù)直流電壓的實(shí)際值與設(shè)定值的偏差，調(diào)整換流器的調(diào)制比和相位，使直流電壓保持在設(shè)定值附近。線路電流方面，交流輸電線路電流主要取決于線路兩端的電壓差和線路阻抗。根據(jù)歐姆定律，電流與電壓差成正比，與線路阻抗成反比。當(dāng)線路兩端電壓差增大時(shí)，線路電流會(huì)增大；當(dāng)線路阻抗增大時(shí)，線路電流會(huì)減小。在某條交流輸電線路中，若線路兩端的電壓差為10kV，線路阻抗為5Ω，則線路電流為2kA。若電壓差增大到15kV，線路電流將增大到3kA。直流輸電線路電流則主要由送端和受端換流站的功率控制決定。當(dāng)送端換流站向受端換流站輸送功率時(shí)，直流輸電線路電流會(huì)隨著功率的增加而增大。若送端換流站的功率從100MW增加到200MW，在直流電壓不變的情況下，直流輸電線路電流將相應(yīng)增大。此外，直流輸電線路的電阻和電感也會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生一定的影響，電阻會(huì)導(dǎo)致電流產(chǎn)生一定的損耗，電感則會(huì)影響電流的變化速率。4.2暫態(tài)響應(yīng)特性分析4.2.1故障暫態(tài)特性在含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，交流側(cè)短路故障是較為常見且影響嚴(yán)重的故障類型之一。當(dāng)交流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)的電氣量會(huì)發(fā)生劇烈變化。以三相短路故障為例，短路瞬間，交流系統(tǒng)電壓會(huì)急劇下降，趨近于零。這是因?yàn)槎搪伏c(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)低阻抗路徑，大量電流涌入，導(dǎo)致電壓被短路。以某實(shí)際工程為例，在交流側(cè)發(fā)生三相短路故障的瞬間，故障點(diǎn)附近的交流母線電壓幅值從額定值110kV迅速下降到接近0kV，下降幅度超過99%。由于交流側(cè)電壓的驟降，VSC換流器交流側(cè)的電壓也隨之降低，導(dǎo)致?lián)Q流器的輸出電流急劇增大。換流器為了維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，會(huì)試圖從交流系統(tǒng)吸收更多的功率，從而使得電流進(jìn)一步增大。根據(jù)基爾霍夫電流定律和歐姆定律，在短路故障發(fā)生時(shí)，交流系統(tǒng)與換流器之間的電流關(guān)系可表示為：i_{c}=\frac{V_{dc}}{Z_{s}+Z_{c}}其中，i_{c}為換流器交流側(cè)電流，V_{dc}為直流側(cè)電壓，Z_{s}為交流系統(tǒng)等效阻抗，Z_{c}為換流器等效阻抗。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，正常運(yùn)行時(shí)換流器交流側(cè)電流為1kA，當(dāng)交流側(cè)發(fā)生三相短路故障時(shí)，根據(jù)上述公式計(jì)算得到電流迅速增大到10kA以上，增大了10倍。直流側(cè)電壓在交流側(cè)短路故障初期會(huì)出現(xiàn)快速下降。這是因?yàn)閾Q流器輸出電流的急劇增大，導(dǎo)致直流側(cè)電容通過換流器向交流側(cè)釋放大量能量，使得直流側(cè)電壓降低。同時(shí)，直流輸電線路中的電流也會(huì)發(fā)生變化，由于直流側(cè)電壓的下降，線路電流會(huì)逐漸減小。在某實(shí)際工程中，交流側(cè)短路故障發(fā)生后的0.05s內(nèi)，直流側(cè)電壓從額定值±200kV下降到±150kV，下降了25%；直流輸電線路電流從正常運(yùn)行時(shí)的1.5kA減小到1kA，減小了33%。直流側(cè)短路故障同樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，直流線路中的電流會(huì)瞬間急劇增大。這是因?yàn)槎搪饭收鲜沟弥绷骶€路的阻抗幾乎為零，根據(jù)歐姆定律I=\frac{V}{R}（其中I為電流，V為電壓，R為電阻），在電壓不變的情況下，電阻趨近于零，電流會(huì)趨近于無窮大。雖然實(shí)際系統(tǒng)中存在電感等元件限制電流的增長(zhǎng)速度，但電流仍會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速上升到很高的值。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，直流側(cè)短路故障發(fā)生瞬間，直流線路電流從正常運(yùn)行時(shí)的1kA迅速增大到10kA以上，增大了10倍。VSC換流器為了維持直流側(cè)電壓，會(huì)迅速調(diào)整控制策略，增大換流器交流側(cè)的輸出電流。然而，由于直流側(cè)短路故障的影響，換流器的控制難度增大，可能導(dǎo)致控制效果不佳。交流系統(tǒng)也會(huì)受到直流側(cè)短路故障的影響，交流電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓崩潰。在某實(shí)際工程中，直流側(cè)短路故障發(fā)生后，交流系統(tǒng)電壓幅值在短時(shí)間內(nèi)下降了20%，若故障持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)引發(fā)交流系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大面積停電事故。4.2.2擾動(dòng)暫態(tài)特性在含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，負(fù)荷突變是一種常見的運(yùn)行擾動(dòng)情況，對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)特性有著顯著影響。當(dāng)負(fù)荷突然增加時(shí)，交流系統(tǒng)的功率需求瞬間增大。由于系統(tǒng)的功率平衡被打破，交流系統(tǒng)電壓會(huì)出現(xiàn)下降。以某實(shí)際工程為例，當(dāng)負(fù)荷突然增加20%時(shí)，交流母線電壓幅值在0.1s內(nèi)從額定值110kV下降到105kV，下降了4.5%。為了維持系統(tǒng)的功率平衡，VSC換流器會(huì)迅速做出響應(yīng)。換流器通過調(diào)節(jié)控制策略，增加有功功率的輸出，以滿足負(fù)荷增加的需求。這會(huì)導(dǎo)致直流輸電線路的電流增大。根據(jù)功率公式P=UI（其中P為功率，U為電壓，I為電流），在直流電壓不變的情況下，有功功率的增加會(huì)使得電流增大。在該工程中，負(fù)荷突變后，直流輸電線路電流從正常運(yùn)行時(shí)的1.5kA增大到1.8kA，增大了20%。在這個(gè)過程中，VSC換流器的無功功率控制也起到重要作用。換流器會(huì)根據(jù)交流系統(tǒng)電壓的變化，調(diào)節(jié)無功功率的輸出，以維持交流系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓下降時(shí)，換流器會(huì)增加無功功率的輸出，提高交流系統(tǒng)電壓。換流器通過調(diào)整自身的控制參數(shù)，改變交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，從而實(shí)現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)荷突然減小時(shí)，交流系統(tǒng)的功率需求瞬間減小。這會(huì)導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓上升，VSC換流器會(huì)相應(yīng)地減少有功功率的輸出，直流輸電線路的電流也會(huì)隨之減小。在某工程中，負(fù)荷突然減小15%后，交流母線電壓幅值在0.1s內(nèi)從110kV上升到113kV，上升了2.7%；直流輸電線路電流從1.5kA減小到1.2kA，減小了20%。換流器還會(huì)調(diào)整無功功率的輸出，以防止交流系統(tǒng)電壓過高。新能源出力波動(dòng)也是影響含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)特性的重要因素。以風(fēng)力發(fā)電為例，由于風(fēng)速的隨機(jī)性，風(fēng)電場(chǎng)的出力會(huì)不斷波動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速突然增大時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電功率迅速增加。這會(huì)導(dǎo)致VSC換流器送端的有功功率輸入增大。在某含風(fēng)電場(chǎng)的VSC-HVDC系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)增大3m/s時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率從100MW增加到150MW，增大了50%。為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，VSC換流器會(huì)迅速調(diào)整控制策略，將多余的有功功率通過直流輸電線路輸送到受端。這會(huì)使得直流輸電線路的電流增大，受端換流器會(huì)根據(jù)交流系統(tǒng)的需求，將直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率輸出。在功率傳輸過程中，VSC換流器會(huì)通過調(diào)節(jié)自身的控制參數(shù)，確保直流側(cè)電壓和交流側(cè)電壓的穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速突然減小時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電功率迅速減小。VSC換流器送端的有功功率輸入減少，換流器會(huì)相應(yīng)地減少直流功率的輸出，直流輸電線路的電流也會(huì)減小。在某工程中，風(fēng)速突然減小2m/s后，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率從150MW減小到100MW，減小了33%；直流輸電線路電流從2kA減小到1.5kA，減小了25%。受端換流器會(huì)根據(jù)交流系統(tǒng)的功率需求，調(diào)整自身的控制策略，維持交流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。4.3穩(wěn)定性分析4.3.1小信號(hào)穩(wěn)定性分析小信號(hào)穩(wěn)定性分析是研究含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)在微小擾動(dòng)下能否保持穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵方法。在進(jìn)行小信號(hào)穩(wěn)定性分析時(shí)，首先需建立系統(tǒng)的線性化模型。以某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)中的VSC換流器、同步發(fā)電機(jī)、變壓器等元件的動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行線性化處理。對(duì)于VSC換流器，在其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)附近進(jìn)行泰勒展開，忽略高階項(xiàng)，得到線性化后的狀態(tài)方程。設(shè)VSC換流器的狀態(tài)變量為x_{vsc}，輸入變量為u_{vsc}，則線性化后的狀態(tài)方程可表示為：\Delta\dot{x}_{vsc}=A_{vsc}\Deltax_{vsc}+B_{vsc}\Deltau_{vsc}其中，A_{vsc}和B_{vsc}為線性化后的系數(shù)矩陣，\Deltax_{vsc}和\Deltau_{vsc}分別為狀態(tài)變量和輸入變量在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近的增量。對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，同樣在其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)附近對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程、電壓方程等進(jìn)行線性化處理。設(shè)同步發(fā)電機(jī)的狀態(tài)變量為x_{gen}，輸入變量為u_{gen}，則線性化后的狀態(tài)方程為：\Delta\dot{x}_{gen}=A_{gen}\Deltax_{gen}+B_{gen}\Deltau_{gen}其中，A_{gen}和B_{gen}為同步發(fā)電機(jī)線性化后的系數(shù)矩陣。將系統(tǒng)中各元件的線性化模型組合起來，得到含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)的整體線性化狀態(tài)空間模型：\Delta\dot{x}=A\Deltax+B\Deltau其中，\Deltax為系統(tǒng)的狀態(tài)變量增量向量，\Deltau為系統(tǒng)的輸入變量增量向量，A和B為系統(tǒng)的系數(shù)矩陣。通過對(duì)該線性化模型進(jìn)行特征值分析，可以判斷系統(tǒng)的小信號(hào)穩(wěn)定性。計(jì)算系統(tǒng)矩陣A的特征值\lambda_i（i=1,2,\cdots,n，n為系統(tǒng)的狀態(tài)變量個(gè)數(shù)），若所有特征值的實(shí)部均小于零，則系統(tǒng)在該運(yùn)行點(diǎn)是小信號(hào)穩(wěn)定的；若存在實(shí)部大于零的特征值，則系統(tǒng)是小信號(hào)不穩(wěn)定的。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，計(jì)算得到系統(tǒng)矩陣A的特征值為\lambda_1=-2.5+j3.2，\lambda_2=-1.8-j2.1，\lambda_3=-3.0等，所有特征值實(shí)部均小于零，表明該系統(tǒng)在當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)是小信號(hào)穩(wěn)定的。特征值的分布還能反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。特征值的實(shí)部決定了系統(tǒng)響應(yīng)的衰減速度，實(shí)部的絕對(duì)值越大，響應(yīng)衰減越快；虛部則決定了系統(tǒng)響應(yīng)的振蕩頻率，虛部越大，振蕩頻率越高。當(dāng)系統(tǒng)受到微小擾動(dòng)時(shí)，若特征值實(shí)部較小，系統(tǒng)響應(yīng)衰減緩慢，可能會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的振蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，通過分析特征值的分布，可以評(píng)估系統(tǒng)在小擾動(dòng)下的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供重要依據(jù)。4.3.2電壓穩(wěn)定性分析在含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，電壓穩(wěn)定性是保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)，其受到多種因素的綜合影響。從VSC-HVDC系統(tǒng)自身特性來看，VSC換流器的控制策略對(duì)電壓穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。在定直流電壓控制策略下，換流器通過調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，來維持直流電壓的穩(wěn)定。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓下降時(shí)，換流器會(huì)增加交流側(cè)輸出電壓的幅值，以提高直流電壓；反之，當(dāng)交流系統(tǒng)電壓上升時(shí)，換流器會(huì)降低交流側(cè)輸出電壓的幅值。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，當(dāng)交流系統(tǒng)電壓下降5%時(shí)，采用定直流電壓控制策略的換流器將交流側(cè)輸出電壓幅值提高了8%，有效維持了直流電壓的穩(wěn)定。換流器的容量也對(duì)電壓穩(wěn)定性有顯著影響。若換流器容量不足，在系統(tǒng)負(fù)荷增加或發(fā)生故障時(shí)，可能無法提供足夠的無功功率支持，導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓下降。某城市電網(wǎng)中，由于VSC-HVDC換流器容量有限，在夏季用電高峰期，當(dāng)負(fù)荷突然增加時(shí)，交流系統(tǒng)電壓出現(xiàn)了明顯的下降，影響了部分用戶的正常用電。交流系統(tǒng)的強(qiáng)度是影響電壓穩(wěn)定性的重要外部因素。交流系統(tǒng)強(qiáng)度通常用短路比（SCR）來衡量，SCR越大，表明交流系統(tǒng)強(qiáng)度越強(qiáng)。當(dāng)交流系統(tǒng)強(qiáng)度較弱時(shí)，其對(duì)電壓波動(dòng)的支撐能力有限，VSC-HVDC系統(tǒng)的接入可能會(huì)加劇電壓的不穩(wěn)定。在某偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力系統(tǒng)中，交流系統(tǒng)強(qiáng)度較弱，SCR僅為2.5，當(dāng)接入VSC-HVDC系統(tǒng)后，在負(fù)荷變化時(shí)，交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)明顯增大，電壓穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。負(fù)荷特性同樣對(duì)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。不同類型的負(fù)荷具有不同的電壓-功率特性，如恒功率負(fù)荷在電壓下降時(shí)，會(huì)吸收更多的功率，進(jìn)一步加劇電壓的下降。在某工業(yè)園區(qū)，大量采用恒功率負(fù)荷的企業(yè)在生產(chǎn)過程中，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，由于恒功率負(fù)荷的特性，導(dǎo)致電壓進(jìn)一步下降，甚至出現(xiàn)電壓崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。為了評(píng)估系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，常用的指標(biāo)包括電壓穩(wěn)定裕度和靈敏度分析。電壓穩(wěn)定裕度反映了系統(tǒng)距離電壓崩潰點(diǎn)的距離，裕度越大，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性越好。靈敏度分析則用于研究系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響程度。通過計(jì)算負(fù)荷變化對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的靈敏度，可以確定哪些節(jié)點(diǎn)的電壓對(duì)負(fù)荷變化最為敏感，從而有針對(duì)性地采取措施來提高電壓穩(wěn)定性。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，通過計(jì)算得到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)A的電壓對(duì)負(fù)荷變化的靈敏度為-0.8，表明負(fù)荷每增加1%，節(jié)點(diǎn)A的電壓將下降0.8%，該節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性相對(duì)較差，需要重點(diǎn)關(guān)注。4.3.3頻率穩(wěn)定性分析在含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，頻率穩(wěn)定性是保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要指標(biāo)，其受到多種因素的綜合影響。VSC-HVDC系統(tǒng)的功率控制策略對(duì)頻率穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，VSC-HVDC系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)有功功率的傳輸來參與頻率調(diào)節(jié)。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，VSC-HVDC系統(tǒng)的送端換流器可以迅速增加有功功率的輸出，將更多的電能輸送到受端，以補(bǔ)充系統(tǒng)的功率缺額，從而抑制頻率的進(jìn)一步下降。其響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)能力對(duì)頻率穩(wěn)定性有著重要影響。如果VSC-HVDC系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，無法及時(shí)跟蹤系統(tǒng)頻率的變化，就難以有效地參與頻率調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率失穩(wěn)。某海上風(fēng)電場(chǎng)通過VSC-HVDC系統(tǒng)接入電網(wǎng)，在風(fēng)速突然變化導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)時(shí)，若VSC-HVDC系統(tǒng)的響應(yīng)速度跟不上頻率變化的速度，就會(huì)使電網(wǎng)頻率出現(xiàn)較大波動(dòng)。交流系統(tǒng)的發(fā)電-負(fù)荷平衡是影響頻率穩(wěn)定性的核心因素。當(dāng)發(fā)電功率與負(fù)荷功率不平衡時(shí)，系統(tǒng)頻率會(huì)發(fā)生變化。在某實(shí)際電力系統(tǒng)中，由于部分發(fā)電機(jī)組故障退出運(yùn)行，發(fā)電功率突然減少，而負(fù)荷功率沒有相應(yīng)降低，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率迅速下降。儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置也可以對(duì)頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)頻率下降時(shí)釋放能量，補(bǔ)充功率缺額；在頻率上升時(shí)吸收能量，抑制頻率升高。在某地區(qū)電網(wǎng)中，配置了大規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，有效地平抑頻率波動(dòng)，提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。為了評(píng)估系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，常用的指標(biāo)包括頻率偏差、頻率變化率等。頻率偏差反映了系統(tǒng)實(shí)際頻率與額定頻率的差值，頻率變化率則表示單位時(shí)間內(nèi)頻率的變化量。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，規(guī)定頻率偏差的允許范圍為±0.2Hz，頻率變化率的允許范圍為±0.5Hz/s。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頻率偏差和頻率變化率，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。五、含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)控制策略5.1常規(guī)控制策略5.1.1雙閉環(huán)控制策略基于電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，是含VSC-HVDC交直流電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的經(jīng)典控制方式，其工作原理建立在對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵電氣量的精確監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)基礎(chǔ)之上。外環(huán)控制主要負(fù)責(zé)對(duì)電壓的精確調(diào)節(jié)，以確保系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。通過高精度的電壓傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓，并將其與預(yù)先設(shè)定的參考電壓值進(jìn)行細(xì)致比較，從而獲取電壓誤差信號(hào)。此誤差信號(hào)被輸入到精心設(shè)計(jì)的電壓控制器中，該控制器通常采用比例積分（PI）控制算法。PI控制器根據(jù)誤差信號(hào)的大小和變化趨勢(shì)，通過比例環(huán)節(jié)快速響應(yīng)誤差的變化，積分環(huán)節(jié)則用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，兩者協(xié)同作用，計(jì)算出精確的電壓指令信號(hào)。該電壓指令信號(hào)被送入功率電子器件（如VSC換流器）中，通過精確調(diào)節(jié)換流器的開關(guān)狀態(tài)，改變其輸出電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的間接控制。內(nèi)環(huán)控制則聚焦于對(duì)電流的精準(zhǔn)調(diào)控，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。利用高性能的電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出電流，并將其與由外環(huán)控制器輸出的電壓指令信號(hào)所確定的電流參考值進(jìn)行對(duì)比，得到電流誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)被輸入到電流控制器中，同樣采用PI控制算法。電流控制器依據(jù)誤差信號(hào)，通過比例和積分運(yùn)算，精確計(jì)算出相應(yīng)的電流指令信號(hào)。此電流指令信號(hào)被送入功率電子器件中，通過精細(xì)調(diào)節(jié)功率電子器件的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制，進(jìn)而滿足負(fù)載的需求。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，采用雙閉環(huán)控制策略后，系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，電壓能夠穩(wěn)定在額定值的±1%以內(nèi)，電流的波動(dòng)也能控制在極小的范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)受到外部擾動(dòng)，如負(fù)荷突然增加10%時(shí)，電壓外環(huán)能夠迅速響應(yīng)，通過調(diào)整控制信號(hào)，使電壓在0.1s內(nèi)恢復(fù)到額定值的±2%以內(nèi)；電流內(nèi)環(huán)則能夠快速調(diào)節(jié)電流，滿足負(fù)荷增加的需求，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這充分展示了雙閉環(huán)控制策略在維持系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的卓越能力。在動(dòng)態(tài)性能方面，雙閉環(huán)控制策略表現(xiàn)出色。當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行工況發(fā)生快速變化時(shí)，如新能源發(fā)電的功率突然波動(dòng)，雙閉環(huán)控制策略能夠迅速響應(yīng)。電壓外環(huán)首先對(duì)電壓的變化做出反應(yīng)，調(diào)整電壓指令信號(hào)；電流內(nèi)環(huán)則根據(jù)新的電壓指令信號(hào)，快速調(diào)節(jié)電流，使系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)工況的變化。在某風(fēng)電場(chǎng)通過VSC-HVDC系統(tǒng)接入電網(wǎng)的實(shí)際案例中，當(dāng)風(fēng)速突然變化導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力在短時(shí)間內(nèi)增加20%時(shí)，雙閉環(huán)控制策略能夠在0.2s內(nèi)使系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，有效抑制了功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。5.1.2功率控制策略在含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，有功功率和無功功率的獨(dú)立控制策略是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。定有功功率控制策略在實(shí)際應(yīng)用中，通過精確檢測(cè)VSC換流器交流側(cè)的有功功率，并將其與預(yù)先設(shè)定的有功功率參考值進(jìn)行細(xì)致比較。當(dāng)檢測(cè)到的有功功率與參考值存在偏差時(shí)，控制器會(huì)依據(jù)偏差的大小和變化趨勢(shì)，運(yùn)用先進(jìn)的控制算法，如PI控制算法，精確計(jì)算出需要調(diào)整的控制量。通過調(diào)節(jié)換流器的觸發(fā)角、調(diào)制比等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，確保換流器輸出的有功功率穩(wěn)定在設(shè)定值附近。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，采用定有功功率控制策略后，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷需求發(fā)生變化時(shí)，控制器能夠快速響應(yīng)，在0.1s內(nèi)調(diào)整換流器的控制參數(shù)，使有功功率的偏差保持在設(shè)定值的±2%以內(nèi)，有效保障了系統(tǒng)的功率平衡。定無功功率控制策略同樣基于對(duì)VSC換流器交流側(cè)無功功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過高精度的無功功率檢測(cè)裝置獲取當(dāng)前的無功功率值，并與設(shè)定的無功功率參考值進(jìn)行對(duì)比。一旦出現(xiàn)偏差，控制器會(huì)迅速啟動(dòng)，根據(jù)偏差信息，利用PI控制算法等先進(jìn)控制手段，計(jì)算出相應(yīng)的控制信號(hào)。通過調(diào)整換流器的控制參數(shù)，改變其交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的精確控制，維持系統(tǒng)的無功功率平衡。在某城市電網(wǎng)中，采用定無功功率控制策略的VSC-HVDC系統(tǒng)，能夠根據(jù)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)情況，及時(shí)調(diào)整無功功率輸出，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，迅速增加無功功率輸出，使電網(wǎng)電壓在0.05s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，有效提高了電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。這些功率控制策略在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。在新能源并網(wǎng)場(chǎng)景中，定有功功率控制策略可以確保新能源發(fā)電能夠穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送功率，減少功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響；定無功功率控制策略則可以根據(jù)電網(wǎng)的需求，靈活調(diào)節(jié)無功功率，維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，提高新能源并網(wǎng)的可靠性。在異步電網(wǎng)互聯(lián)場(chǎng)景中，功率控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)不同電網(wǎng)之間的功率協(xié)調(diào)傳輸，促進(jìn)區(qū)域電網(wǎng)之間的能源優(yōu)化配置，提高整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。5.2應(yīng)對(duì)特殊工況的控制策略5.2.1電網(wǎng)故障時(shí)的控制策略在電網(wǎng)故障情況下，VSC-HVDC系統(tǒng)的控制策略對(duì)于保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。故障穿越控制是確保VSC-HVDC系統(tǒng)在電網(wǎng)故障期間能夠持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。以低電壓穿越為例，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落故障時(shí)，VSC-HVDC系統(tǒng)需快速響應(yīng)，維持自身穩(wěn)定運(yùn)行并向電網(wǎng)提供必要的支持。此時(shí)，系統(tǒng)可采用基于虛擬同步機(jī)控制的故障穿越策略，該策略模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，使VSC換流器在故障期間具備一定的慣性和阻尼特性。在某實(shí)際工程中，當(dāng)交流系統(tǒng)電壓跌落至額定值的60%時(shí)，采用虛擬同步機(jī)控制的VSC-HVDC系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整控制參數(shù)，保持直流電壓穩(wěn)定，并向電網(wǎng)注入無功功率，有效支撐了電網(wǎng)電壓，使系統(tǒng)在故障期間保持穩(wěn)定運(yùn)行。限流控制也是應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障的重要手段。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，VSC-HVDC系統(tǒng)的電流會(huì)急劇增大，可能對(duì)設(shè)備造成損壞。為解決這一問題，可采用基于電流預(yù)測(cè)的限流控制策略。該策略通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電流，并利用預(yù)測(cè)算法提前預(yù)估電流的變化趨勢(shì)。當(dāng)檢測(cè)到電流超過設(shè)定的限流閾值時(shí)，控制器迅速動(dòng)作，通過調(diào)整VSC換流器的調(diào)制比和觸發(fā)角，限制電流的增長(zhǎng)。在某含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中，采用基于電流預(yù)測(cè)的限流控制策略后，當(dāng)交流側(cè)發(fā)生三相短路故障時(shí)，能夠在0.01s內(nèi)將電流限制在額定電流的2倍以內(nèi)，有效保護(hù)了系統(tǒng)設(shè)備。故障穿越控制和限流控制相互配合，能夠顯著提高VSC-HVDC系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時(shí)的應(yīng)對(duì)能力。故障穿越控制確保系統(tǒng)在故障期間持續(xù)運(yùn)行，為電網(wǎng)提供支持；限流控制則保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備免受過大電流的損害，保障系統(tǒng)的安全。在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)電網(wǎng)的具體情況和VSC-HVDC系統(tǒng)的特性，合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化這兩種控制策略，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。5.2.2新能源接入時(shí)的控制策略隨著新能源在電力系統(tǒng)中的大規(guī)模接入，VSC-HVDC系統(tǒng)與新能源發(fā)電的協(xié)調(diào)控制成為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在新能源接入場(chǎng)景下，VSC-HVDC系統(tǒng)與新能源發(fā)電的協(xié)調(diào)控制策略能夠有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。以風(fēng)電場(chǎng)通過VSC-HVDC系統(tǒng)接入電網(wǎng)為例，由于風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)電場(chǎng)的出力波動(dòng)較大。為了平抑風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，可采用基于功率協(xié)調(diào)的控制策略。該策略通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)的出力和電網(wǎng)的負(fù)荷需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整VSC-HVDC系統(tǒng)的功率傳輸。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力增加時(shí)，VSC-HVDC系統(tǒng)迅速將多余的功率輸送到電網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力減少時(shí)，VSC-HVDC系統(tǒng)減少功率輸出，維持電網(wǎng)的功率平衡。在某風(fēng)電場(chǎng)通過VSC-HVDC系統(tǒng)接入電網(wǎng)的工程中，采用基于功率協(xié)調(diào)的控制策略后，風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響降低了50%，有效提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。VSC-HVDC系統(tǒng)在新能源接入場(chǎng)景下還可發(fā)揮其靈活的無功功率控制能力，為新能源發(fā)電提供電壓支撐。在光伏電站接入電網(wǎng)時(shí)，由于光照強(qiáng)度的變化，光伏電站的輸出功率會(huì)發(fā)生波動(dòng)，可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定。VSC-HVDC系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)電壓的變化，快速調(diào)節(jié)無功功率輸出，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，VSC-HVDC系統(tǒng)發(fā)出無功功率，提高電網(wǎng)電壓；當(dāng)電網(wǎng)電壓上升時(shí)，吸收無功功率，降低電網(wǎng)電壓。在某光伏電站通過VSC-HVDC系統(tǒng)接入電網(wǎng)的項(xiàng)目中，VSC-HVDC系統(tǒng)能夠在0.05s內(nèi)響應(yīng)電網(wǎng)電壓變化，調(diào)節(jié)無功功率輸出，使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在額定值的±2%以內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)VSC-HVDC系統(tǒng)與新能源發(fā)電的高效協(xié)調(diào)控制，還需考慮通信延遲和數(shù)據(jù)傳輸可靠性等因素。可采用分布式協(xié)同控制技術(shù)，通過建立高效的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)VSC-HVDC系統(tǒng)與新能源發(fā)電設(shè)備之間的實(shí)時(shí)信息交互和協(xié)同控制。利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和通信技術(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，確?？刂撇呗缘挠行?shí)施。在某大規(guī)模新能源接入的交直流電力系統(tǒng)中，采用分布式協(xié)同控制技術(shù)后，VSC-HVDC系統(tǒng)與新能源發(fā)電設(shè)備之間的通信延遲降低了30%，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度得到顯著提升。5.3智能控制策略的應(yīng)用探索5.3.1模糊控制在系統(tǒng)中的應(yīng)用模糊控制作為一種智能控制策略，在含VSC-HVDC的交直流電力系統(tǒng)中展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。其應(yīng)用原理基于模糊集合理論和模糊邏輯推理，能夠有效地處理系統(tǒng)中的不確定性和非線性問題。在VSC-HVDC系統(tǒng)中，模糊控制的實(shí)現(xiàn)過程如下：首先，選取合適的輸入變量和輸出變量。通常將VSC換流器交流側(cè)的電壓偏差、電流偏差以及功率偏差等作為輸入變量，將換流器的調(diào)制比、觸發(fā)角等控制量作為輸出變量。通過對(duì)這些變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)運(yùn)行特性，制定模糊控制規(guī)則。這些規(guī)則以模糊語言的形式表達(dá)，如“如果電壓偏差很大且電