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交流系统不对称下MMC-HVDC的动态特性与小信号稳定性探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着电力需求的不断增长以及可再生能源的大规模开发利用，高效、灵活的输电技术成为现代电力系统发展的关键。基于模块化多电平换流器（ModularMultilevelConverter，MMC）的高压直流输电（HighVoltageDirectCurrent，HVDC）技术，即MMC-HVDC，因其具有开关频率低、输出波形质量高、谐波含量少、模块化设计便于扩展等显著优势，在长距离大容量输电、海上风电并网、异步电网互联等领域得到了广泛应用。例如，我国的舟山多端柔性直流输电工程、南澳多端柔性直流输电工程等，均采用了MMC-HVDC技术，有效解决了海岛供电和风电并网等难题，提高了电力系统的稳定性和可靠性。

在实际电力系统运行中，交流系统不对称的情况时有发生，如单相接地故障、两相短路故障以及负荷不对称等。交流系统不对称会导致MMC-HVDC系统中出现负序分量，引发功率波动、电流畸变、子模块电容电压不平衡以及桥臂环流增大等问题。这些问题不仅会影响MMC-HVDC系统自身的稳定运行，降低输电效率和电能质量，还可能对与之相连的交流系统产生不利影响，甚至引发连锁故障，威胁整个电力系统的安全稳定运行。因此，深入研究交流系统不对称时MMC-HVDC的动态模型和小信号稳定性，对于保障MMC-HVDC系统在复杂工况下的可靠运行，提高电力系统的稳定性和可靠性具有重要的理论意义和工程实用价值。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对MMC-HVDC在交流系统不对称时的动态模型和小信号稳定性展开了广泛研究。在动态模型方面，早期研究主要集中在建立MMC的基本数学模型，如基于开关函数的模型，通过描述子模块的开关状态来建立数学关系，但该模型计算复杂，不利于实时仿真和分析。随着研究的深入，一些简化模型被提出，如平均值模型，其忽略了开关过程的细节，以平均值来描述MMC的运行特性，降低了计算量，适用于系统级的稳态分析。在交流系统不对称情况下，有学者考虑了负序分量的影响，建立了包含正序和负序分量的双同步旋转坐标系下的模型，能够更准确地描述系统在不对称工况下的动态特性。

在小信号稳定性研究方面，常用的方法包括特征值分析、阻抗分析法等。特征值分析通过求解系统线性化后的状态方程的特征值，来判断系统的稳定性，如文献通过特征值分析研究了MMC-HVDC系统中不同控制参数对小信号稳定性的影响。阻抗分析法从系统的输入输出阻抗角度出发，分析系统在小扰动下的稳定性，有学者利用阻抗分析法研究了MMC-HVDC与交流系统之间的相互作用对稳定性的影响。

然而，目前的研究仍存在一些不足之处。一方面，现有的动态模型在准确性和计算效率之间难以达到最佳平衡，部分模型虽然准确性高，但计算复杂，难以应用于实际工程的快速分析；另一方面，对于小信号稳定性的研究，多集中在单一因素对稳定性的影响，缺乏对多种因素综合作用以及复杂工况下系统稳定性的全面深入分析。此外，针对交流系统不对称时MMC-HVDC的控制策略优化研究还不够完善，如何在保证系统稳定运行的同时，提高系统的动态性能和抗干扰能力，仍有待进一步探索。

1.3研究内容与方法

本文主要围绕交流系统不对称时MMC-HVDC的动态模型和小信号稳定性展开研究，具体内容如下：

建立交流系统不对称时MMC-HVDC的动态模型：综合考虑MMC的拓扑结构、子模块工作原理以及交流系统不对称的影响，建立一种既能准确描述系统动态特性，又具有较高计算效率的动态模型。该模型将充分考虑正序和负序分量在系统中的传输和相互作用，为后续的稳定性分析和控制策略设计提供基础。

分析交流系统不对称对MMC-HVDC小信号稳定性的影响：基于所建立的动态模型，运用小信号稳定性分析方法，深入研究交流系统不对称程度、故障类型以及系统参数等因素对MMC-HVDC小信号稳定性的影响规律。通过特征值分析、参与因子分析等手段，识别出影响系统稳定性的关键因素和主导模态，为系统的稳定运行提供理论依据。

提出交流系统不对称时MMC-HVDC的控制策略优化方案：针对交流系统不对称时MMC-HVDC系统出现的问题，如功率波动、电容电压不平衡等，提出相应的控制策略优化方案。通过改进现有的控制算法，增加对负序分量的抑制和补偿环节，提高系统在不对称工况下的动态性能和稳定性。

在研究方法上，本文将采用理论分析、数学建模和仿真验证相结合的方式。首先，通过理论分析深入研究MMC-HVDC的工作原理和运行特性，以及交流系统不对称对其产生影响的内在机理；然后，运用数学工具建立系统的