本文是一篇电气自动化论文，本文重点研究基于模糊控制的风机接入的电网换相换流器高压直流输电系统（Line-Commutated Converter High Voltage Direct Current，LCC-HVDC）送端暂态过电压分阶段抑制策略。
第1章 绪论
1.1 研究的背景及意义
电能作为我国目前主要的二次能源，已经广泛应用在农业、工业、国防科技、交通运输以及人民生活等国家和社会体系的各个领域，电力经济在当前的国民经济中占有极大的比重。我国幅员辽阔，地大物博，风能、水能、光伏能源与核能等新能源资源丰富，但东西部能源分布并不均衡，主要集中于西部与北部。我国大用电量地区主要集中在东部沿海省份，西部地区能源丰富但综合用电量较少。基于上述情况，我国为应对未来庞大的电力需求以及进行长距离、经济高效的电力传输，已构建高压直流输电系统[1][2]。在“西部大开发”和“西电东送”战略框架下，我国电力系统已构建起基于特高压直流输电与特高压交流输电的混合输电形式[3]，旨在实现从能源富集的西部地区向电力需求量大的中部及东部沿海地区进行高效、远距离电力传输[4]。在迈向能源均衡发展的征程中，我国电力系统已构建起纵横交织、交直流混合连接的电网架构[5]。
为了应对传统能源短缺的问题，全球各国走上了发展可再生清洁能源之路。我国的风电机组装机容量在2024年12月前已达到5.2068亿千瓦，和上年同期相比增长了18%，占全国发电总装机容量的15.5%，成为世界第一风电大国。由此可知，新型电力系统的特性体现在新能源机组与电力电子设备在电力系统中的占比逐年升高。这些新特性为传统电力系统的正常运行带来了众多新的挑战[6][7]。新能源机组的出力波动和间歇性对电力系统运行产生负面影响，而储能设备和负荷的增多进一步加剧了这一问题，导致系统不确定性增加。随着大量新能源发电的接入和电力电子设备的引入，电力系统惯性降低，抗干扰能力减弱。同时，电网结构的复杂性提升，运行方式多样化，为电力系统的安全稳定运行带来了更大的风险和挑战。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 交直流混联电网电压稳定研究现状
随着我国能源结构的加速转型，新能源在电力系统中的占比日益提高，大量新能源接入交直流混联电网已成为趋势。这一发展态势对电压稳定产生了复杂且多维度的影响，相关研究也在不断深入和拓展。
在理论研究方面，众多学者聚焦于新能源发电的间歇性和波动性对电压稳定的作用机制。新能源发电如风力发电和光伏发电，其出力受自然条件影响显著，这种不确定性会导致电网节点电压的频繁波动[11]。研究人员运用潮流计算、电压稳定性分析等方法，建立数学模型来量化新能源接入规模、接入位置与电压稳定性之间的关系[12]。通过仿真分析发现，当新能源在某些薄弱节点集中接入时，可能会使局部电压支撑能力下降，引发电压越限问题，尤其在电力系统负荷高峰时段或新能源出力低谷期，电压稳定裕度会明显减小[13]。
我国利用高压直流输电虽实现了长距离电能的大规模输送，然而长期以来交直流输电系统一直存在无功功率匮乏的问题，这极大地限制了其调节电压的能力，成为电力系统发展的一大阻碍。在这一输电体系中，高压直流输电与交流系统之间相互作用，由此引发了换相失败以及暂态电压失稳等新型电压问题[14]，严重威胁着电力传输的稳定性与安全性。交直流混联电网的电压稳定问题，即在确保无功支持的基础上，使系统各节点电压维持在稳定区间内的技术问题[15]。如今，电网结构呈现出高度复杂的态势，不仅采用了风火联合发电的能源输送模式，而且在直流输电环节，还融合了柔性直流与传统的电网换相换流器直流共同馈入的方式，构成了混合多馈入的交直流电力系统架构[16]。这种复杂的配置使得直流系统的参数设置对整个系统性能的影响更为敏感和显著，稍有变动就可能导致系统运行状态的大幅波动，对电压稳定构成巨大压力，进而对电力供应的可靠性和稳定性提出了更高的要求与挑战。
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第2章 风机接入的LCC-HVDC送端电力系统暂态过电压基本原理
2.1 风机接入的LCC-HVDC结构拓扑 从交直流混联系统中选取一条典型的LCC型直流输电线路，如图所示：
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在模拟送受端交流系统时通常使用戴维南等效电路模型。为进行三相交流电源的建模，利用固定的内部参数以及变化的外部信号对电源进行控制，该电压源具备特定的电源参数和零序阻抗。在模型组件中，零序阻抗的支路可以被轻松地整合。远程控制可以通过调整网络中的总线电压来实现，同时，电源输出功率的调节可通过改变内部相角来完成。发电机与一个预设的等效阻抗串联，这种等效电路的使用，能够较为准确地模拟系统在面临干扰或波动时的短期和长期动态响应。
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2.2 直流送端暂态过电压产生原理
2.2.1 直流系统换相失败情况分析
换相失败是交直流系统中常见的现象。当逆变侧完成一次换相之后，由于反向电压的作用，本应退出运行的换流阀失去了阻断能力，当阀电压为正时，原来应该关断的阀又重新导通，导致换相失败。在换相失败期间，直流功率产生剧烈波动，整流器吸收的无功也在快速改变，但系统的无功补偿装置是机械投切，切换动作需要时间，导致无功补偿装置仍处于投送状态，使得换流站间无功交互大幅改变，导致换流母线电压产生暂态过电压。 在研究换流站换相失败导致的暂态电压上升机理时，目前多采用分阶段解构暂态过电压演化进程的分析方法。目前，一般将暂态过电压的产生过程分为直流电流上升阶段、直流电流下降阶段分别进行暂态电压分析，具体情形如下[14]：
（1）直流电流上升阶段。当换相失败发生时，逆变侧将形成非计划性旁通对，触发直流侧短路故障。此时直流回路阻抗骤降，引发直流电流大幅上升。整流侧换流阀为维持换相能力，其消耗的无功功率迅速增长，从送端交流系统吸收大量无功功率，导致送端交流母线电压快速跌落，严重时可能引发电压崩溃的连锁反应。
（2）直流电流降低阶段。在这一阶段，低压限流环节发挥作用，整流侧的触发角会被大幅调整，导致直流电流急速减小甚至直接消失。此时，整流器本身所需的无功功率突然变少，但配套的滤波设备还在运行。滤波设备持续产生的多余无功功率会反向馈入交流电网，导致送端电压出现短时间异常升高的现象。这种情况如果发生在电网强度较低处，可能引发设备保护动作，直接切断电路。
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第3章 基于直流短路比的风机接入LCC-HVDC系统暂态过电压评估方法 .................. 17
3.1 山西某电网LCC-HVDC系统典型电压问题分析 .................. 17
3.2 基于直流短路比的暂态过电压评估指标 .............................. 18
第4章 基于模糊控制的风机接入LCC-HVDC系统暂态过电压抑制策略 ...................... 29
4.1 计及暂态电压稳定的最优潮流计算 ........................... 29
4.2 基于模糊控制的暂态过电压抑制策略 .................................. 30
结论..................45
第4章 基于模糊控制的风机接入LCC-HVDC系统暂态过电压抑制策略
4.1 计及暂态电压稳定的最优潮流计算
最优潮流（Optimal Power Flow，OPF）计算方法目前在电力系统领域得到了广泛应用，其不仅用于经济调度方面，在暂态稳定分析工作中同样发挥着重要效能。在当前电力系统实际应用中，考虑暂态稳定性约束的最优潮流（Optimal power flow constrained by Transient Stability，OTS）方法是在OPF方法基础上进行的优化方法。这种方法能够兼顾电力系统的安全性与经济性，使其可以有效地协调并解决电力系统中暂态稳定与经济运行这两方面问题。OTS方法通过把暂态稳定约束条件融入到最优潮流模型，在暂态稳定性与经济性并存的现状中可以非常高效地应对各类复杂问题，为电力系统的稳定、高效运行提供有力保障。
计及暂态电压稳定的最优潮流计算所需的约束主要以系统调控成本为目标函数，涉及的约束分为系统潮流约束、发电机及系统节点电压幅值约束、新能源场站短路比约束以及暂态过电压评估指标约束。
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结论
近年来，随着高压直流输电线路的比例和传输容量每年的上升，交直流混合电网的输电能力不断增长。在实际系统运行时发生交流系统的故障干扰与直流线路的功率波动都可能对交直流混合电网的电压稳定性造成影响。因此，确保交直流混合电网电压的安全稳定运行变得尤为重要。本研究针对含风电机组的LCC-HVDC系统，利用模糊控制技术进行的暂态电压稳定分析和控制技术研究，对于维护现代电力系统的安全稳定运行具有显著的意义。文中取得的主要结论如下：
（1）阐述了含风电机组的LCC-HVDC系统送端产生暂态过电压的基本原理。研究表明：直流系统发生故障后，换流阀导通错误、输电线路闭锁措施与低压限流环节限制等问题导致整流侧无功功率出现盈余，是LCC-HVDC系统送端产生暂态过电压的根本原因。同时，送端暂态过电压幅值受风电场无功调节能力、直流功率传输水平及交流系统短路比的多重影响。为后续基于模糊控制的含风电机组的LCC-HVDC系统的暂态电压稳定分析和控制方法在多机系统中的应用提供理论基础。
（2）提出了一种利用直流短路比来评估风电并网系统暂态电压稳定性的新方法。通过公式推导，建立了送端母线暂态电压与直流短路比之间的联系，并由此创建了一个新的暂态过电压判别指标。这一指标简化了判断电力系统暂态电压不稳定性的过程，实现了对系统暂态电压稳定性的快速准确评估。
（3）制定了一种基于模糊控制的暂态过电压分阶段抑制策略。为使模糊控制器更为有效，首先分析了改进低压限流环节（VDCOL）的原则，设计了一种基于Tanh函数的改进VDCOL曲线。利用该曲线对VDCOL进行控制，能够有效抑制送端暂态过电压。进而根据计及暂态电压稳定的最优潮流计算，设计一种针对送端系统无功补偿装置的模糊控制器，并给出了合理的暂态电压分阶段抑制策略，形成了较为完善的暂态电压稳定控制方案。结果表明该控制策略可有效抑制送端系统暂态过电压。
参考文献（略）