高压直流输电无功补偿的研究

0毕 业 设 计（论 文）院 系 某某学院或系专业班级 某某专业 0401 班生姓名 某某某指导教师 某某某二 年六月毕 业 设 计（论 文）题目 高压直流输电无功补偿的研究院 系 电气与电子工程学院专业班级 电气 0906 班学生姓名 周呈指导教师 文俊二一三年六月0摘 要高压直流输电在输电领域中是一个较新且较活跃的领域之一，它在远距离大功率输电及大区域电网并联方面起到了至关重要的作用。我国目前已有十多项高压直流输电工程投入运行，它们在国家电力网络构架中起到了优化网络的能源配置、保障国家的能源安全、以及促进国民经济的发展方面起到了重要的作用。本文围绕直流输电工程需要吸收无功做足分析计算及讨论。在高压直流输电工程中，利用普通晶闸管换流阀对高压直流输电换流站进行换流的，一般情况下采用电网电源的换相技术，但是这种方法的特点是当换流器在运行时需要从电网中吸收大量的无功功率。为了保证换流站和交流系统的稳定性，我们需要对换流站的无功消耗、无功补偿、及无功平衡进行分析和计算。本文重点分析研究高压直流输电换流器吸收无功的机理、影响因素以及对换流器进行无功补偿的分析讨论。在 Matlab 或 PSCAD/EMTDC 仿真软件上建立高压直流输电系统的仿真模型，利用所建的仿真模型，仿真计算高压直流输电换流器对无功方面的要求和关系。并对上述仿真结果进行分析、比较，给出合理解释，并提出高压直流输电无功补偿的合理化建议。关键词：高压直流输电，无功功率，无功补偿，换流器，仿真建模1ABSTRACTIn the field of transmission ,HVDC is a new and active area, it is in long-distance power transmission and large regional grid parallel has played a crucial role.China currently has more than a dozen high-voltage direct current transmission project put into operation, they are in national electricity network architecture optimized energy network configuration, ensuring national energy security, and promoting the development of the national economy plays an important role.This paper focuses on the DC transmission project needs to absorb reactive power to have enough analysis ,discussion and calculation.In HVDC transmission project, the commutation for HVDC converter station with the use of ordinary thyristor valves, for under normal circumstances,using mains power supply commutation technology, but the characteristics of this method is that when the converter at runtime need to absorb a large amount of reactive power from the grid. To ensure the converter station and communication system stability, we need to give converter station reactive power consumption, reactive power compensation, and reactive power balance analysis and calculations.This paper focuses on analysis of HVDC converter absorbs reactive mechanism, influencing factors and the analysis and discussion of reactive power compensation of the converter .In Matlab simulation software to build HVDC system simulation model, using the built simulation model, simulation HVDC converters requirements and relationships of reactive power .The simulation results were analyzed and compared, given a reasonable explanation, and proposed HVDC reactive power compensation rationalization proposals.KEY WORDS: HVDC，Reactive power，converter ，reactive power compensation，Simulation and Modeling 2目 录摘 要 1ABSTRACT2第 1 章 前言 .11.1 高压直流输电及无功补偿背景 .11.2 高压直流输电发展及现状 .31.2.1 针对高压直流输电的研究现状 .31.2.2 针对换流站无功补偿及限制的现状 .41.3 本文主要内容 .5第 2 章 换流站无功及无功补偿 .62.1 高压直流输电系统的工作原理及运行方式 .62.2 换流站的无功平衡及无功原理 .72.2.1 换流器的功率因数 .72.2.2 换流器的无功功率消耗 .82.2.3 换流站内的无功平衡 .92.3 换流站的无功补偿 .102.3.1 交流系统的无功补偿能力 .102.3.2 选择无功补偿的装置 .112.3.3 无功补偿与配置的综合考虑 .112.4 无功对交直流系统的影响 .12第 3 章 换流站的无功补偿装置及容量的确定 .123.1 换流站的无功补偿装置 .123.1.1 机械投切式无功补偿装置 .123.1.2 同步调相机 .133.1.3 静止无功补偿装置 .143.2 换流站无功补偿容量及分组容量的确定 .153.2.1 容性无功补偿设备容量的确定 .163.2.2 感性无功补偿设备容量的确定 .163.2.3 无功分组容量的确定 .163.2.3.1 无功大组容量的估算 .173.2.3.2 无功小组容量的估算 .173.2.4 换流站无功补偿容量的校核 .173.3 无功补偿装置的控制 .17第 4 章 仿真建模及结论分析 .18第 5 章 结论与展望 .23参 考 文 献 .233附 录 .25致 谢 .260第 1 章 前言1.1 高压直流输电及无功补偿背景我国幅员辽阔，发电能源的分布和用电负荷的分布又极不平衡。江浙等东部沿海地区及广东地区经济比较发达，电力负荷分布比较密集，对能源需求较高，而能源却极为匮乏；西部地区经济比较落后，用电需求和负荷较低，对能源需求较小，而能源却比较丰富。我国的这一客观现实决定了我国跨区域电力大规模流动的必然性。随着人口的不断增加，国民经济的快速增长，土地资源越发的匮乏和宝贵，电力的发展和建设越来越受到走廊资源和站址资源的限制。我国的这一国情决定了建设和发展高压直流输电（HVDC）具有重大的经济意义和技术创新意义。随着我们国家在南北互供和西电东送以及全国联网等逐步实施的能源发展战略有较大的发展，世界上在远距离大功率大容量等方面的输电网络格局已在我国的大部分大区域电网中出现 1,2。而在当今的输电环境中，高压直流输电由于其特有的运行稳定且可靠、调节迅速、线路运行时消耗较小3,4还有没有稳定的安全性问题等优点而越来越受到人们的重视 10。但是不管是在逆变站侧还是在整流站侧，不管是从交流系统中还是从无功补偿设备中，在运行时的高压直流输电总是要消耗相当多的容性无功功率，为了保障直流系统及交流系统的安全稳定，使整个高压直流输电系统及换流站内的无功功率实现平衡条件，需要在两边换流站交流母线上装设一定容量的无功补偿设备。换流站的无功平衡显示出了无功补偿在控制、配置以及调节等方面对客观及主观因素的要求，它是指无功补偿控制的电压模式下和交流系统对无功功率的补偿能力以及这些无功补偿设备对直流系统的无功补偿能力这三个方面之间的平衡 10。本文从分析换流站内的功率因数到简述高压直流系统的无功平衡，并分析了在不同的运行方式下换流站内的无功功率消耗，然后描述了换流站内的容性无功补偿容量和感性无功补偿设备容量以及无功分组容量的确定，最后仿真模拟了直流输电系统在投入不同无功补偿装置下运行并得出结论。直流输电和交流输电相比具有诸多的优点：首先，制造直流输电线路的成本较低，因此可以减少电缆花费产生的费用；其次，直流系统在运行时线路的功率损耗较小，因此其在运行时输电节能成效比较明显；还有，由于可以铺设海底电缆，直流输电可以通过海下电缆输电。除了直流输电经济方面的优点，直流输电在技术方面也有很多长处。直流输电系统的运行能限制交流系统内的短路电流，而且直流输电系统具有比较强的稳定性，直流输电具有比较快的调节速度，而且运行可靠。在正常运行的情况下能够稳定的输出功率，在直流系统出现故障的时候可以紧急支援故障部分，因为由于直流输电的特点，是由晶1闸管换流器组成的，因此故障时直流系统可以实现通过晶闸管控制迅速调整功率、完成功率潮流翻转。另外，直流输电系统内并没有充电电容电流，直流电压分布比较稳定，负载及其功率没有发生电压不正常且不需要并联电抗器。高压直流输电比较适合用于下面的场合：相同频率不同期或者不相同频率之间的交流输电系统之间的传输纽带；通过海底电缆输电；大功率较长距离输电；用城市之间的地下电缆向城市输送电能；配电网增加电容或者交流系统之间相连时，高压直流传输系统可以限制故障时的短路电流；新能源可以采用高压直流输电系统进行输电。高压直流输电可以完成大区域电网互联，在交流系统里，所有的和交流系统相连的同步发电机需要保证同步运行方式，由于直流线路传输的是纯有功功率，并没有电抗，因此当两个交流系统采使用直流线路连接时，不存在稳定问题，这样就表明运用直流输电可以不受输电距离方面的的制约。在交流系统日益发展的今天，大区域交流电网不可避免的出现了多多少少的问题，而采用直流输电线路传输电能则可很好地解决这些问题。随着高压直流输电技术的日益发展和成熟以及输电设备的研发日益加快，保障了高效、稳定的运行下的高压直流输电，高压直流输电在远距离大功率输电及大区域电网之间互联方面显示出极大的优越性。图 1-1 直流输电系统原理图1换流变压器 2换流器 3平波电抗器 4交流滤波器5直流滤波器 6接地装置 7控制保护装置 8远东通信系在当今的高压直流输电工程中，高压直流输电换流站一般是使用普通晶闸管换流器实现换流的，这种方法一般采用的是基于电网电源的换相技术，但是2这种方法的特征是当换流器在正常工作时需要从外部交流系统中吸收相当多的无功功率。换流站的整流换流站和逆变换流站从外部电网源中吸取的无功功率与换流站和外部电网之间交换的有功功率是成正向关系的，整流换流站侧吸收的无功功率大约为吸收有功功率的 30%50%，逆变换流站侧吸收的无功功率大约为吸收有功功率的 40%60%。不管是整流站侧还是逆变站侧都将吸收一定的容性无功功率，而且吸收的数值不仅和换流站的运行方式及无功控制方式有关，还和高压直流系统输送的直流功率数值有关。由于有晶闸管触发角的存在，使换流器在运行时交流侧电流总是滞后于电压。无功功率补偿的基本原理就是，是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。通常在额定负荷运行时，换流器所消耗的无功功率可达额定输送功率的3060，因此换流站需要投入相当多的无功补偿装置。但是当高压直流系统低负荷运转时，换流站内无功功率的消耗将快速减小，当如果无功补偿设备提供的无功功率不变时，交流电网将吸收来自高压直流系统换流站交流母线侧无功补偿装置产生的过剩的无功功率，从而引发换流站的交流母线侧电压的迅速上升。因此，为了保障直流系统及周边交流系统的安全及稳定性，必须对投入的无功补偿装置进行控制 14。由于高压直流系统的无功功率的不稳定或者不足、过剩将会直接导致电网电压的不稳定，如果严重时甚至会波及到整个交直流系统的安全可靠运行，因此，为了保障换流站安全稳定运行，必须保证合理的进行无功补偿。无功功率对交流系统的影响：引起导线、变压器及发电机等许多电气设备容量的增大；而且无功功率会引起用电设备容量的增大；无功功率会直接引起电流变大，并且增加总功率大小，这样的话，测量仪表控制设备等保护装置的规格容量大小等参数都需要做出调整；而且由于无功功率增加能直接导致整个回路的电流大小增加，从而导致回路中电能的消耗也增加；无功功率还会使电气设备的电压最大最小值拉大，而且电压还会在冲击性无功功率负载下导致剧烈波动，并导致电能质量的降低。由于对无功功率不正确的控制，导致整个交流系统产生巨大的冲击并带来损失，所以我们应当合理的对高压直流输电系统装设无功补偿设备。电网电源不能作为唯一的无功功率电源给正常运行时的换流站提供无功功率，并且电网电源和其所连接的高压直流输电系统是不应该有过多的无功功率3输入输出。这是因为在高压直流输电系统和电网之间进行大量的无功功率吸收与输出时，会伴随着无功功率损失，而且这样的话，换流站的交流母线侧电压会大幅降低并且不稳定。因此，为了保障高压直流输电系统安全稳定的工作，我们必须同时考虑直流系统内无功功率的特性来安装适合的无功补偿装置。1.2 高压直流输电发展及现状1.2.1 针对高压直流输电的研究现状1928 年，具有栅极控制功能的汞弧阀成功问世，让高压直流输电的实施得到了实现。首先，海底电缆输电使用了高压直流输电技术进行输电。首先，1967 年在意大利投入运行的撒丁岛高压直流工程和 1954 年在瑞典投入运行的哥特兰岛高压直流工程是在在高压直流输电开发运行的早期。远距离大功率输电然后也应用了高压直流输电技术。到 2006 年的时候，全世界已经有 80 多个开发投入运营的高压直流输电工程。在这 80 多个高压直流输电工程中，利用汞弧阀组成的高压直流输电工程差不多有 11 个，它们几乎都是高压直流输电技术刚开始的前 25 年的研究并投入运行的项目。其他的晶闸管高压直流输电工程都是近期的研究发展成果。在这些全部的高压直流输电工程中，有大约所有工程的 ，大约为 28 个工程是背靠背高压直流输电工程，剩下的 为远距离高压31 32直流直流输电工程。我国开始进行高压直流输电的研究是从二十世界五十年代开始的，而我国的高压直流输电技术获得关键性大幅度提升是从二十世纪八十年代末开始的，到目前为止，已经有 10 多个竣工并且投入运营的高压直流输电工程，按照目前的进度和计划，在 2020 年前我国将有至少 30 个高压直流输电工程建成并投入运行。我国第一条100kV 高压直流输电工程是在 1987 年建成并投入运行的，在我国舟山地区的跨海高压直流输电工程技术得到解决以来，我国的高压直流输电技术发展迅速，上海-葛洲坝和广州-天生桥等远距离大功率高压直流输电工程陆续建成并投入运行。2003 年五月五号的七点，常州长沙500kV 的高压直流输电工程成功结束了 176 个实验测试并投入试运营，它的运行成为了世界上高压直流输电工程中输送电能功率最大的项目。它的试运行奠定了三峡水电厂电力向外输送的基础，并且增加了西电东送线路容量，贯彻落实了这一政策。国家电网公司为了实现最近建设电网的新要求，规划了在 2010 年的时候完成建设至少十个大型的高压直流输电工程。到目前为止，我国已经完成建设全球输送功率最大800kV 高压直流输电工程，除此之外，还有众多的1000kV，800kV，660kV，等高压直流输电工程正在建设，这些措施进一步贯彻落实了我国的西电东送这一政策。4高压直流输电仍将是我国从今往后几十年重点发展的项目，高压直流输电和大电网交流输电之间相互配合相互补充 6。1.2.2针对换流站无功补偿及限制的现状现今，并联无功补偿装置是目前世界上投入运行的高压直流输电工程无功补偿的主要措施，选择什么样的无功补偿装置主要取决于当地的交流系统强度。一般的情形下，当交流系统的短路比不大于 3 的时候，电网的稳定性较弱，我们应该考