（电力电子与电力传动专业论文）多回送出直流输电对交流系统影响的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多回送出直流输电对交流系统影响的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盗缝拯 e l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：望巡 日 期：兰翠5 。三至 导师签名：鲰屈尘 日期：举 1 1 选题背景及其意义 第一章引言 现代电力系统的显著特征是形成大规模互联电网。在我国，这种特征更为突出，今 后几十年内我国电力系统的发展战略是。西电东送、南北互供、全国联网”哪，其经济 效益非常明显，可以解决各地区闻能源资源与负荷分布的不平衡，以最有效的方式利用 经济的能源：可以利用时差和季节差错开负荷高峰，减少电力系统总的备用容量：便于在 系统中发生故障时各区域间相互进行功率支援，提高系统运行的可靠性等。另一方面， 互联电网的缺点是，系统的结构和运行方式越来越复杂多变，由于对事故的连锁反应， 可能出现大面积停电，近来世晃上连续发生的大停电事故证明了这一点阱咖。 由于高压直流输电( h v d c ) 具有许多独特的优点，在远距离输电、异步联网、海底输 电等方面获得了广泛的应用此外，通过合理的直流控制系统设计可以显著地提高整个 交、直流互联电网的安全稳定水平。因此，越来越多的电力系统采用交、直流互联电网 阶m 。例如，随着三峡电站的发电运行，考虑到减小华中、华东两大互联电网在技术上、 调度管理上的复杂性，增加鼹大电网运行管理的独立性；三峡电站向华东送电采用5 0 0 k v 纯直流输电方式。即从左一、右二各出一回5 0 0 k v , 3 g w 直流线路送电到华东电网。 从而形成交、直流输电线并列运行的三峡交、直流混合输电系统。因此，对大规模多回 直流与交流互联电力系统中存在的问题和对策进行研究具有重大的理论和现实意义。 1 1 1 直流输电系统的特点 与交流输电相比，直流输电具有非同步联络能力、无稳态电容电流、线路输送容量 大、网损小、功率容易控制等优点。目前，直流输电因其技术和经济上的独特优势，在 远距离大容量输电和大区联网两方面已得到了十分广泛的应用。直流输电系统的换流器 是由电子开关器件构成的，具有短时的过负荷能力，其输出变量( 直流电压和电流) 可以 快速调节，因而可以通过快速改变直流输电系统传输功率的设定值，来改善交流系统的 动态性能。作为电力系统动态调节的手段，直流输电系统最重要和最常用的功能是阻尼 低频振荡阻卜“4 和提高电力系统的暂态稳定性“甜“町。直流系统的传输容量通常很大，与大 型发电厂相当，若能加以适当的控制，它可对交流系统的暂态稳定提供有力的支持。因 此，若假定未受扰动的交流端能够提供所需的直流功率改变，则直流系统可提供给受扰 动端很大的功率支持。 尽管如此，直流输电系统也有自己的一些弱点。例如，作为一种频率不敏感负荷， 相应于交流系统中的某一扰动，直流系统本身并不为发电机提供同步功率，相反，它还 会对发电机提供负的阻尼转矩；又如，当交流电压下降时，以定熄弧角工作的逆交器的 功率因数会下降，继而引起交流电压的下降，并有可能导致交流系统发生电压失稳：另 外，为换流器提供无功补偿的电容器和滤波器也会对交流电压的恢复产生不利影响。交 直流输电系统中交直流间的相互作用十分复杂，当交流系统较弱或交流系统负荷较重 时，系统的运行便可能产生一系列问题，如逆变器发生换相失败、直流系统在扰动后难 以快速恢复、产生交流过电压，还可能引起谐波不稳定等问题卧“”。此外，直流输电系 统对交流系统中发生的故障相当敏感，当逆变站交流母线电压下降1 0 - 1 5 时就将不可 避免地导致逆变器换相失败，这意味着直流系统功率输送的短时中断，因此要求这时的 直流系统能快速进行自我恢复以缓解交流系统内功率的不平衡。 华中电网通过多回直流输电将三峡的水电输送到华东及广东电网中去，一定程度上 缓节了华东的电力供应紧张的局面，但同时也对华中电网带来了一定的问题。比如，如 何才能更好地对多个直流输电子系统进行调制，以改善交流系统的暂态性能；不同直流 输电子系统间的控制是否需要协调等等。总之，当2 个或多个换流站交流母线间的电气 联系较强时，交直流系统之间、直流与直流系统之间的相互作用很强，某些不良的相互 作用可能会导致系统整体性能的下降，甚至威胁到系统的安全稳定运行 1 1 2 直流输电在我国应用现状 上世纪8 0 年代建成浙江穿山半岛至舟山岛的l o o k v 直流海底电缆送电实验工 程，额定输电容量5 0 1 唧，输送距离1 3 1 5 k m 。1 9 9 0 年湖北葛洲坝至上海的葛南双极直 流输电线路投运，额定容量1 2 g - ，额定电压5 0 0 k v ，送电距离1 0 4 5 k m 。它既是我 国第1 条长距离大容量高压直流输电线路，又是区域电网直流互联工程，中国电力 从此进入交直流混合输电的时代。 2 0 0 1 年6 月广西天生桥至广州北郊的天广双极直流输电线路投运，额定容量 1 8 g w ，额定电压5 0 0 k v ，送电距离9 6 0 k m ，这是我国第2 条长距离大容量高压直流 输电线路。 为将三峡电力外送，已经建成了三条高压直流输电线路。第1 条从三峡左岸至 江苏常州，已于2 0 0 3 年5 月投产，额定容量3 g w ，额定电压5 0 0 k v ，送电距离9 7 0 k m 。 第2 条为三峡至广东惠州，已于2 0 0 4 年2 月投产，额定容量3 g w ，额定电压- - b 5 0 0 k v ，送 电距离9 7 5 k m ，是目前国家电网与南方电网输送电力的唯一通道。第3 条从三峡右岸 至上海地区，目前也已投入运行，额定容量3 g w ，额定电压5 0 0 k v ，送电距离1 0 0 0k m 。 届时包括葛南线在内，将通过3 条高压直流输电线路西电东送7 2 g w 。 十五期间需向广东地区输送i o g w 的电力，其中7 8 g w 由3 条直流线路输送，第1 条为天广双极直流输电线路；第2 条即为三峡至广东惠州：第3 条从贵州安顺至广东 肇庆( 贵广一回) ，额定容量3 g w ，额定电压5 0 0 k v ，送电距离9 4 0 k m 。此外，贵广二 2 回高压直流工程( 3 g 霄) 已进入大规模的电器安装阶段，计划于2 0 0 7 年并网运行。 联接西北与华中电网的灵宝背靠背直流换流站( 位于河南省灵宝县) 是我国第1 个区域电网背靠背直流联网工程，于2 0 0 5 年6 月投产，传输容量3 6 0 1 佣，直流电流3 k a ， 西北侧交流电压3 3 0 k v ，华中侧交流电压2 2 0 k v 。值得一提的是，此换流站由国内自 主成套设计，采用引进了国际先进技术的国产设备，包括换流阀、换流变压器、直 流平波电抗器、直流控制保护设备等。 为确保三蛱电力外送，已运行十多年的葛南直流线直流控制保护系统的更新改 造工程于2 0 0 5 年6 月竣工 与此同时，直流输电技术的广泛应用也将带来了一定的技术和管理上的新问题， 比如，由于多条直流线将电能从华中电网送出，换流站间的电气距离很近，相互间的作 用很强，他们的暂态行为将对华中电网安全稳定运行产生重要影响。因此，解决好包含 多回直流的交直流电力系统存在的问题，实现直流输电系统对交流输电系统的紧急功率 支援，对于华中电网具体工程的规划、设计和运行均具有重要作用。 i 2 直流输电模型及控制策略的研究现状 为了准确模拟交直流系统的动态行为，要求对直流系统及其控制器的模拟要具有 一定的精度n 町，当前世界各国主要电力系统分析程序均考虑直流输电环节，但采用的模 型各异，精度不一，没有统一的标准，且此类软件中的直流线模型普遍存在一定的不足， 如b p a 的直流模型功能相对简单；p s a s p 中的直流模型对换向失败以及无功补偿模拟 的不够准确“町；虽然p s s e 的直流模型c d c a b i 是详细的直流模型，但它只是一个单极 的直流模型，并且缺乏直流的辅助功能控制模块。 直流系统的稳态及动态性能如何，很大程度上取决于对其所采用的控制方式和策 略。利用直流输电系统对交流输电系统进行紧急功率支援，实际上就是研究在大扰动发 生后，对直流系统应采取何种控制策略的问题。目前，对直流输电系统控制策略的研究 多是针对单端直流输电系统的，有关多回直流输电系统控制策略的研究则很少，这与多 回直流输电系统出现的时间较短有关。但作为研究的基础和借鉴，仍有必要对前人的成 果做一分析和总结 1 2 1 直流输电数学模型 在电力系统稳定分析中所采用的直流输电数学模型根据所研究问题的性质取不同 水平的精度。不同精度模型的区别首先在于换流器的数学描述。通常在稳定计算中正序 交流网络使用复数有效值方程，这意味着不计基波以外的暂态行为。与此相应，稳定计 算中换流器模型一般以稳态方程式表示( 与潮流计算的方程相同) ，只有在考虑交流系 统发生不对称故障对直流换流阀工况的影响，并希望能精确计算其结果时才在稳定计算 3 中用电磁暂态方程式描述换流阀的动作行为。不同精度模型的另一个主要区别是直流输 电线的数学描述。精确的描述应考虑直流线路电磁暂态，即线路电流和两端直流电压之 间的关系用l - - r 或l - - - r - - c 电路的电磁暂态微分方程式表示，当不考虑暂态过程时， 可简化为电阻电路的代数方程。各种精度模型的第三个主要区别是调节器的模拟。直流 输电的调节器包括整流站和逆变站的阀控和站控调节，对直流输电稳态运行和暂态行为 有相当大的影响。在精确的计算中，考虑所有快速调节的环节，用详细的调节器框图来 模拟。但遥常由于一些环节的时间常数太小，可近似地将电流、电压控制回路、触发回 路等对交流电压的变化，以及对直流电流、电压、熄弧角给定值变化等的反应看成是瞬 时的；甚至认为这些调节器是理想的，可以不计调节器的动作时间这样做的结果是， 或者对这些调节器的作用只做动态的功能模拟，或者将这些调节器的作用用稳态的代数 方程描述。 不同精度的直流模型要求采用不同的积分步长。考虑换流阀、直流线路r - l _ c 电路 电磁暂态过程和快速调节器的动作，需要积分步长很小，如小于0 0 0 0 1 秒。为此，有 的程序在计算时，直流系统和交流系统取不同的积分步长，即在交流系统积分一步的同 时，直流系统积分若干步，如p s s e ，n e t m a c 等，这样做，既保证了直流系统的计算精 度，又减少了整体计算的时间。对大多数交直流系统稳定程序，换流阀、调节器等直流 系统部件均取简化模型，因而直流部分和交流部分取同一积分步长。 尽管i e e e 直流系统动态特性和模拟工作组( w o r k i n gg r o u po i ld y n a m i c p e r f o r m a n c e a n dm o d e l l i n go fd cs y s t e m s ) 早在1 9 8 4 年就提出了一份关于两端直流输电暂态稳定和 静态稳定功能模型的报告，以简化和统一模型结构，但实际上很难做到各程序的统一和 一致。为此，有的程序采用了用户自定义的模型结构，如中国电科院开发的p s a s p 程序， 直流模型包括调节器的结构均可由用户自己定义，根据工程实际和计算要求，合理选择 模型的结构和模拟的精度。 1 2 2 直流输电基本控制策略 作为不同电网间能量交换的一种途径，直流输电系统通常需按计划输送一定的功 率，当利用直流输电系统对交流系统提供紧急支援时，人们关注的也是其传送功率的大 小。因此，对直流输电系统的控制，本质上是控制其传输的功率。当两侧交流系统中的 电压波动不大时，在整流侧采用定电流控制，在逆变侧采用定熄弧角控制，便能满足按 一定功率输送的要求。而为了快速、精确地调节功率，通常还可在整流侧采用定电流控 制( 或定功率控制) ，在逆变侧采用定直流电压控制，这样便可实现对直流电流和直流电 压的直接控制，进而控制通过直流系统传输的有功功率和两侧换流器消耗的无功功率 稳态期间，在直流系统的逆变侧采用定交流电压控制。“，可以有效地控制交流换相 电压，并能减少交流或直流扰动发生后，系统恢复过程中交流电压的波动：在逆变侧采 4 用定功率因数控制嘲，还可使轻载时过剩的无功功率较小，受端的无功功率基本保持平 衡：若在逆变侧采用定无功功率控制，则可保持逆变侧消耗的无功功率恒定。这几种调 节方式都是利用了换流器的无功调节功能，以定电流调节和定直流电压调节为基础，通 过改变电压和电流的整定值来实现预期的控制。 在上述的各种直流系统控制方法中，存在着如下不足：1 ) 它们多为基于比例积分的 调节策略，当系统稳态运行或系统中仅存在小扰动时，采用上述控制策略一般能较好地 满足系统运行的需要，但当系统的运行点改变或大扰动发生时，它们常常不能保证系统 仍具有良好的性能。2 ) 直流输电系统采用的常规控制策略实际上是针对长输电线路的， 由于直流输电系统分布的地域通常很广，其两端之间的通信有一定的困难，因而导致采 用常规的控制策略时，位于直流系统两端的控制量之间往往得不到很好的协调。例如， 当整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制时，逆变侧仅控制熄弧角，而没有 考虑到整流侧定电流控制的要求，整流侧仅控制直流电流，也未能考虑逆变侧定熄弧角 控制的要求嘲，它们实际上是两个相互分离的控制。然而，直流线路的动态是由整流侧 和逆变侧的两个控制量共同决定的，两个缺少相互协调的独立的控制很难使整个系统具 有较好的性能。3 ) 当整流侧采用定功率控制时，由于该控制属于较高一级( 系统级) 的控 制，信号的形成需经过一定的延迟、比较、计算和判断等环节，与属于装置级的电流控 制相比，响应速度较慢，这一特性对于需要快速功率支援的弱交流系统的稳定帮助不大。 鉴于上述原因，人们在直流输电系统控制策略的改进方面作了大量的研究，主要从 以下两种途径，一是从控制方法上进行改进，二是在已有的常规控制上加入一些辅助控 制，其典型的方法为直流调制。 1 2 3 直流输电系统的功率调制 直流调制的原理是在已有的直流输电控制系统中加入附加的直流调制器，从两端交 流系统中提取反映系统异常( 如大幅度的功率突变、大的频率改变等) 的信号，来调节直 流输电线路传输的功率，使之快速吸收或补偿其所连交流系统中的功率过剩或缺额，起 到紧急支援和阻尼振荡的作用。 直流调制可分为大方式调制和小方式调制。大方式调制的目的在于提高交流系统的 暂态稳定性，功率调制幅度可达直流联网线路额定传输功率的2 0 9 6 5 0 9 6 。小方式调制的 目的在于提高交流联网线路的动态稳定性，抑制功率振荡，其功率调制幅度一般只有直 流联网线路额定传输功率的3 - 1 0 。 利用直流调制来改善系统性能的一个最为成功的例子是美国西部的太平洋联络线 魄叮，由于采用了小方式直流调制措施，不但起到了抑制低频振荡的作用，还使原来的交 流联网线路的输送容量由2 1 0 0 唧增大到2 6 0 0 硼 5 1 3 多回直流输电对交流输电系统的紧急功率支援 与通常的电力系统紧急控制措施( 如切除发电机、汽轮机快速控制汽门、发电机励 磁紧急控制、动态电阻制动、串联或并联电容器强行补偿、集中切负荷等) 相比，利用 直流输电系统对交流系统进行紧急功率支援具有以下优点：1 ) 快速可靠：2 ) 调节的容量 可以很大：3 ) 对系统造成的经济损失很小。上述优点使得利用直流输电系统对交流系统 进行紧急功率支援成为一种经济可行的控制手段。 利用直流输电系统对交流系统进行紧急支援，一般涵盖如下几种情形：1 ) 当系统中 有交直流并联线路存在时，若交流线路出现故障，可以利用直流线路的备用容量或短时 过负荷能力来承担原有交流线路输送的部分( 或全部) 传输功率；2 ) 当系统中存在多条直 流线路时( 如多馈入或多端直流输电系统) ，若其中的一条( 或几条) 直流线路因故退出运 行，则可利用其余仍正常运行的直流线路的备用容量或短时过负荷能力，来承担已退出 运行的直流线路的部分( 或全部) 传输功率：3 ) 当某一侧的交流系统中突然出现大量的功 率缺额( 或增加) 时，可利用与其相连的直流系统传输功率的快速可控性，来补充部分( 或 全部) 的功率缺额( 或增加) ，以缓解交流系统中的功率不平衡。 为了使直流输电系统能对交流系统进行紧急功率支援，还要求直流系统和两侧的交 流系统本身应具备以下几个条件：1 ) 与受端换流站相连的交流系统必须具有一定的功率 输送裕额，即被支援的系统网络能够允许由直流系统支援的功率通过，这要求在电网的 建设时期应适当考虑到受端系统在紧急情况下的受电能力：2 ) 若需由直流系统支援的功 率额较大，还应看支援功率侧( 通常是整流侧) 是否能够提供所需的支援功率，以使该侧 系统的性能指标也处在允许的范围内：3 ) 利用直流输电系统对交流系统进行紧急功率支 援的本质是对直流系统进行大方式调制，即通过选取一定的调制信号，来改变直流系统 传输功率的整定值。这时的直流功率调制幅度可达直流线路额定传输功率的2 0 至5 0 * , 6 。 由于直流换流器的过载能力很小，采用大方式调制时，常要求直流换流装置在正常运行 时留有相应的容量裕度。 在很多文献中，都涉及了利用直流输电系统的快速可控性，来实现直流输电系统对 交流输电系统的紧急功率支援。例如在瑞典的直流输电系统中，将该功能用于改善交流 系统的稳定性随蚓，在美国西部的直流输电系统中也利用了直流系统的功率调制功能来 改善交流系统的稳定性能吼捌。j a g d i s h 等人针对尼尔森河这一具体的直流输电工程，设 计了一些辅助的功率控制功能，展示了直流输电系统的快速可控性在改善交流系统性能 方面的独到优势伽。将直流输电系统的过负荷能力与电压支持设备相结合并用以增强交 流系统的稳定性，是一种很好的想法。为此，l e e 等人作了有益的尝试，并将该方法应 用于美国西部的交直流电力系统中伽1 。j o h n s o n 等也将一种直流输电系统的紧急功率支 援策略“”应用于西德尼直流输电工程，计算机仿真结果表明，通过直流调制可以实现 直流输电系统对交流输电系统的紧急功率支援。 6 多回直流输电系统的出现增加了交直流电力系统的可控性，也使得利用直流输电系 统对交流输电系统进行紧急支援的可能性大为增加。但由于多回直流输电系统出现的时 间很短，到目前为止，仍很少有人在研究中涉及到这一问题。d e n i s 等人基于特征值分 解等方法研究了多回直流输电系统的电压和功角稳定性，并考虑了负荷特性对它们的影 响，不过其所用方法本质上仍属于小扰动稳定性研究的范畴嘲一嘲。随后，他们又从理论 上研究了直流输电系统中存在的分叉现象口刀，并进一步考虑了动态系统模型对含单馈入 直流输电线路的交流系统功角稳定性的影响嗍。d e n i s 等人的工作从搞清多回直流输电 系统的电压和功角稳定性本质的意义上讲是开创性的，但其研究内容更多的是侧重于多 回直流输电系统电压和功角稳定性的机理，而很少涉及到利用多回流输电系统的快速可 控性来实现对交流系统进行紧急功率支援。 过去，直流输电系统常常被作为一种在不同的电力大系统中进行功率交换的有效 途径，事实上，直流输电系统( 尤其是多回直流输电系统) 可以作为一种改善交流系统动 态性能的有效工具：在紧急情况下，利用直流系统的快速可控性，可为交流系统提供紧 急帮助。虽然为了实现上述目标，需对直流控制系统作一定的资金投入，但与常规的紧 急控制方式相比( 如可控串补) ，仍要经济得多。上述原因使得开展直流输电系统对交流 输电系统的紧急功率支援研究具有非常重要而现实的意义。 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作主要有以下几个方面： 一在p s s p 用户自定义环境下建立了高压直流潮流用户自定义模型，此自定义的 直流模型采用注入功率法处理交直流潮流计算，将直流环节作为交流电网的负荷。此方 法既可用于两端直流输电，也可用于多端直流输电。 二在p s a s p 用户自定义环境下建立了高压直流暂态稳定用户自定义模型，暂态稳定 白定义模型由两大部分组成：换流器模型和控制系统模型。换流器模型与潮流下的模型 相类似；控制系统模型采用详细模型，包含了直流的基本控制功能及辅助控制功能模型。 三将用户自定义模型应用到e p r i - 3 6 系统中，在多种工况下验证所建的自定义控制 系统模型是合理的。 四在p s a s p 用户自定义环境下建立了直流调制功能模块即辅助功率频率控制器。 五将包含辅助功率频率控制器的用户自定义直流模型应用于2 0 0 6 年华中电网中， 实现了交流系统发生大扰动时，通过辅助频率控制改善交流系统频率功能；以及直流系 统发生双极闭锁下，实现在多回直流输电线路中功率的平稳转移功能。辅助功率频率 控制功能的加入明显提高了整个华中交直流系统的安全性和经济性。 7 2 1 直流输电模型分类 第二章直流输电概述 研究交直流系统之间的相互影响，特别是系统发生干扰或故障后交直流系统的动态 行为，是交直流电力系统分析的重要内容。为了进行这些动态分析，首先要研究建立直 流环节的数学模型。 与电力系统中同步发电机原动机调节和励磁调节系统不同，直流环节通常不采用固 定结构的数学模型，这是因为不同的直流输电工程采用不同结构的调节系统，以适应不 同的交流系统条件，因此，采用灵活结构的模型是比较适合的。 根据所研究问题的性质采用不同精度的直流模型，在电力系统分析范围内，有三种 精度水平的模型： 第一种是潮流计算用的稳态模型，假定直流系统所相连的交流三相是平衡的，考虑 直流环节的稳态特性，带负荷调节分接头的换流变压器分接头动作控制交流电压，其控制 器动作看作瞬时完成，不考虑调节器动作过程，有时可以用代数方程模拟。 第二种是用于稳定分析( 包括小干扰的静态稳定分析和大干扰的暂态稳定分析) 的 准稳态模型。同样假定直流系统所相连的交流三相是平衡的，不过此时采用较为详细的调 节器控制直流系统； 第三种是电磁暂态模型，计及交流系统不平衡的条件，直流控制器采用详细模型。 这里主要介绍准稳态模型： & 换流阀的功能即交直流系统之间的联结仍用平均值方程表示，即仍用潮流计算中 使用的稳态方程式模拟。 b 准稳态模型中直流线路的模拟根据不同的精度要求可以采用不同的模拟回路。 c 准稳态模型必须描述直流调节器的动态特性。除此，稳态模型已有的功能也应包 括。 以上准稳态模型可用于三相平衡运行方式的分析，对不平衡故障方式则只能是用来 做近似计算。对不平衡状态的精确分析，特别是比较精确计算换相失败的条件，只能应 用更为精确的数学模型，即电磁暂态模型。 2 2 直流输电稳态特性 双极1 2 脉冲换流器两端直流输电系统如图2 _ 1 所示。其稳态运行简化示意图和直流 等值电路见图2 - 2 ( a ) 、( b ) 8 平波电抗器 图2 - l双极1 2 脉冲两端直流输电系统 器 两端双极直流输电系统的运行，按照直流系统一次接线方式的不同，可分为双极运行、 单极大地回线运行、单极金属回线运行、单极双导线并联大地回线运行等4 种方式。其 中双极运行为正常方式，单极运行为特殊方式。然而从稳态运行方式的计算分析来看， 无论双极运行或者单极运行，都可采用图2 - 2 ( b ) 所示的等值电路，用相同的稳态运行基 本方程式来描述。 由图2 - 2 ( b ) 可得，两端直流输电稳态运行方式直流系统的方程式是 珞s 口- ( 心+ j k + m + c o s #r 9 1 、 ( b ) 直漉穗态运行辱值电路 图2 - 2 两端直流输电稳态运行示意图和等值电路 其中心- 导局- w l d ，一导舀- w l q ，邑，局为换向电抗( i 代表整流侧，j 代表逆变侧，下同) ，其存在是由于换相时从一个阀导通到另一个导通过程中，阀电流不 能突变造成的，在建模时用换流变压器漏抗代替，j k 为直流线路阻抗，屹为理想空载直 流电压，a ，卢分别为整流站触发延迟角和逆变站的触发超前角。 由上式得出直流线路电流l ，以下各式均为标幺值方程，标幺化过程见下节： 9 一 直流电压珞、图2 - 2 ( b ) 可得 - 傩口一足d i j 一c o s p + 岛厶 不难得出直流输送有功功率p 。和无功功率幺 己- l 乓一，d 玩- 掣s m 羔s m ( 鏊挚忍 + ， 锄- 等s m ( 黎半岛 锄“z y + ， ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 这组方程有别于p s a s p 自带的直流模型的无功求解，1 ) 此无功计算更为准确。p s a s p 的无功计算采用的是 线- p , t m 呜 蜴一弓t a n 蚂 ( 2 9 ) ( 2 _ 1 0 ) 其中： o o s 嚷a 老 ( 2 _ 1 1 ) 瞄竹- 苦( 2 - 1 2 ) 此种方法计算无功较为粗略；2 ) 无功计算时包含了熄弧角p ，对于逆变侧引用此角 度可以较为准确的估计换相失败嗍，应注意有功和无功功率的方向。在整流侧，凡口 方向指向直流换流变压器；在逆变侧，另方向指向交流系统，易方向指向换流变压器。这 表明，无论有功功率方向如何，交流系统总是向直流系统提供无功功率。 考虑整流侧和逆变侧交流母线处无功补偿容量，实际注入到交流电网的无功功率为： q 一线+ q ( 2 1 3 ) q j - q 。+ q 0 ( 2 1 4 ) 2 3 直流输电控制特性 现将华中电网实际直流系统的整流器和逆变器的控制方式组合下的系统稳态运行 控制特性以及在p s a s p 中的实现介绍如下： 1 0 图2 - 3 华中高压直流控制系统特性曲线 图2 3 中直线段1 、啊为整流侧的控制特性。其中咖为恒电流控制的结果，是恒电 流段；1 表示触发角口不变情况下f 5 - 与f | 为线性关系，是恒触发角段。1 段的方程式为： 屹瞄a 一孚“( 2 - 1 5 ) 当屹和口为定值时，匕与l 的关系为线性。 图2 - 3 中直线段删、h c 为逆变侧的控制特性。其中h c 为恒电流段；删为定熄弧 角段，哪段的方程式为： 一o c o s y o 一3 x d o i x k ( o 一厶) ( 2 1 6 ) 当和r 为定值时，与l 的关系为线性正比例关系。 在正常运行状态下，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制，即直流系 统运行于a 点，通过调节分接头维持整流侧触发角口和逆变侧r 角在正常范围内。如果整 流侧电压下降，整流侧定电流控制器输出到换流站的触发角口将减小维持直流电流恒定， 即控制曲线1 向下平移，当口被调节到其下限8 一时，此时整流侧被限制在定“血控制曲 线上，即g h 曲线。随着整流侧交流电压的降低，控制曲线g i 向下平移，直流系统将运 行于b 、c 各点。c 点为整流侧定a m ，逆变侧定电流控制特性的交点，此时 z d2 出一厶( 2 - 1 7 、 式中j 一为直流电流指定值，j - 为电流变化余裕值。如果逆变侧交流电压下降而整流 侧交流电压保持正常时，运行点移动到d 点，它是整流侧定电流控制特性与逆变侧定熄弧 角下移控制特性的交点。 2 和3 两条平行的曲线为逆变侧电压控制曲线，电压控制曲线主要用于降压方式，其 也有利于正常运行方式。因为在正常运行方式下，电压控制器的参考值为正常电压的 1 2 5 p u ，当交流系统过电压时，电压控制器动作，有效抑制电压升高，并防止直流过电 压给阀造成影响。2 曲线为正常运行曲线，3 曲线为降压运行曲线 1 1 第三章b v d o 用户自定义潮流模型实现 在p s a s p 中建立直流模型包括两部分；一部分是潮流计算模型，另一部分为稳定计 算模型，潮流模型是交直流系统分析的基础，也是为稳定模型提供初始条件的一个环节。 由于p s a s p 是机电暂态仿真程序，其仿真步长为毫秒级，无法描述开关的动作状态， 因此，换流器表达式基于下述基本假设： a ) 直流电流l 没有脉波。 b ) 整流器和逆变器的交流系统由恒定频率、对称的、完全正弦的电压源和对称阻抗 组成的。这就是假定由于滤波的作用，由换相系统产生的谐波电流和电压不会传 输到交流系统中去。 c ) 换流变压器是不饱和的。 3 1 交直流潮流计算方法 在实际中应用的交直流系统潮流计算方法基本上可分为两种类型；其是根据在交流 系统潮流计算中如何处理直流输电环节的方法来区分的鲫0 第一类解法称为注入功率法( 坷e dp 弧惯m e t h o d s ) 。这种方法将直流环节作为交流 电网的负荷。既可用于两端直流输电，也可用于多端直流输电。其求解步骤简述如下： ( 1 ) 换流器参数和直流输电电流五已知，用估计的换流器交流电压k 、k ，计算直流 输电作为负荷吸收的有功和无功功率尼、纵尽苏 ( 2 ) 用已知负荷求解交流潮流，得到换流器交流电压的改进值； ( 3 ) 重复以上两个步骤，直到交流潮流收敛并满足直流输电的运行条件为止。 第二类解法称为集成法( i n t e g r a t e dm e t h o d s ) 。这种方法主要适合于在交流系统牛 顿法潮流计算中应用。其基本思想将直流系统参数归入交流电网的雅可比矩阵。即雅可 比矩阵除包括交流网参数外，还包括直流换流器和直流输电线路的参数。这种方法也能 够考虑直流终端控制的条件并进一步修改于卜p 分解法的潮流计算。 两种方法各有其优点集成法类型的牛顿法和卜口分解交直流潮流计算能提供好的 计算效率，但计算程序比较复杂。注入功率法的优点是可在现有任何潮流计算程序中增 加直流输电的功能。因此每一种潮流算法的计算效率和收敛性的特点可以保持不变。 基于上述特点，在p s a s p 中建立的直流系统模型采用第一种方法：注入功率法。 3 2 直流输电模型标幺化 为了进行交直流混合系统分析计算，交流和直流部分必须采用统一的标么值系统。 1 2 这是实现直流系统簿流系统相连的必要条件，因为p s a s p 提供给用户自定义模型的接 口是一标幺化的值；采用如下原则能有效地对直流模型进行标幺化 交流部分的标么值系统与般交流系统相同，在p s a s p 中其基准功率取1 0 0 m v a ；基 准电压取各电压等级的平均额定电压，如l l s k v 、2 3 0 k v 、5 2 5 k v 等。 直流部分标么值系统基准值的选择，按下列原则进行： ( 1 ) 直流基准功率岛与交流基准功率s 相同，即交流与直流采用同样的基准功率： 西- s ；m 4 - 3 v ；| r ；- 聒巧 ( 3 1 ) 序 由于石- 尝石，因此 ( 2 ) 直流基准电压与交流基准电压有如下关系： 瞄丝聒( 3 - 2 ) 刃墙 式中瞄为交流基准电压，曙为直流基准电压，石为交流基准电流，石为直流基准电 流，庙为换流变压器变比的基准值 由上式可得出换流变压器基准变比： ”等等 仔s ， 直流电阻基准值z ； 乙- 若 c ， 珥至 唁一玺妒一等 吃。粤宇圪器圪昙蹦 式中：口为极数，e 0 为交流母线电压，为变压器实际变比 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 3 3 潮流用户自定义数学模型 采用注入功率法建立直流潮流模型，其计算的已知条件是直流系统参数包括直流线 路、换流变压器参数、无功补偿容量参数和直流系统运行参数等。其中 ( 1 ) 线路、换流变压器参数 忍：直流系统的回路电阻； 盂，而：分别为整流和逆变侧的等值换相电抗，一般以换流变压器的漏 抗代替； n l 、勘分别为换流变压器的实际标幺变比； ( 2 ) 无功补偿容量参数 如、虬分别为整流和逆交侧的无功补偿容量( 包括滤波器在内的无功补偿) ； ( 3 ) 直流系统运行参数 o h 为整流侧触发角运行给定值； 帕为逆变熄弧角运行给定值； 五：为直流电流给定值； 为整流侧直流电压给定值； 曰为直流系统运行极数。 根据上述已知参数进行直流系统计算，得出注入交流系统 j 两节点的有功和无功 功率，k 珐，k 彩以便进一步进行交流系统潮流迭代。在每次迭代计算过程中，假定 直流系统的控制方式是固定的：整流侧恒电流、逆变侧恒熄弧角。 ( 1 ) 已知忍、屁、局、厶珞、西、帕及交流节点电压队哆求取换流变压器变比 毋和交流节点注入功率号、p ，计算公式如下： 吆。以+ 粤l ) ， ( 3 8 ) 吩- v , o 么b ) ( 3 9 ) - 一厶r ( 3 1 0 ) - 畅+ 孚i 。) l c o s 凡 ( 3 - 1 1 ) 弹一b ) ( 3 1 2 ) 也一c o s - 1 謦一c o s a ) ( 3 - 1 3 ) 肛一4一口(3-14) 卢。c o s 。夸一c o s , ) ( 3 - 1 5 ) | i - p 一， 由以上方程可得交流节点注入功率： 昆- 尾，d b = p d a ：玩- 笔鬻篑铲巳 岛一笔等券局 ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 _ 1 9 ) ( 争2 0 ) 考虑i 、j 节点的无功补偿容量，实际的交流电网i 、j 节点注入的无功功率为 q q 名+ q 0 ( q _ j 乞彤2 ) ( 3 2 1 ) 岛岛+ 岛( 岛。哆) ( 3 - 2 2 ) 以上计算过程参与交流系统潮流计算的迭代，收敛后，即得既满足直流系统给定 运行条件，又满足交流系统运彳亍方式的交直流系统潮流解。 1 5 第四章i i v d c 用户自定义稳定模型实现 4 1 准稳态直流输电模型的暂态稳定程序 由两端直流输电系统的等效电路，图2 _ 2 ( b ) 所示可得到从整流侧流向逆变侧的 直流电流为： l 专群 ( 4 1 ) 由图2 - 2 ( b ) 以及上式可以看出，不管是直流电压( 屹屹) 还是直流电流都决定于 口，卢，圪和圪四个量，因此上述四个量是直流输电系统的控制量，且除此之外没有其他 的量可以作为控制量。因此直流输电的基本控制手段就是控制由上述四个量以满足直流 输电系统的各种运行要求在上述四个控制量中，口，声分别是整流侧和逆变侧的触发控 制角，具有极快的响应速度，通常在1 - 4 m s 之内；圪和圪分别对应整流侧和逆变侧换流 变压器的阀侧空载直流电压，可以通过调节变压器分接头加以控制，但其响应速度与触 发控制角相比要慢得多，通常换流变压器档需要3 - 5 s 。因此在交流系统或者直流系统发 生故障的暂态过程中，直流输电系统能够发挥控制作用的只有整流侧和逆变侧的触发角 口，声，换流变压器的分接头调节在暂态过程中可以认为不起作用。更一般的情况是，对 于交流系统中的快速电压变化，直流输电系统通过调节触发控制角来维持其性能，而对 于交流系统中的缓慢电压变化，直流输电通过调节换流变压器分接头来使触发角维持在 其额定值附近。 选择最大角输出 图4 1 准稳态直流输电模拟框图 1 6 图4 _ l 示出的是两端直流输电及其调节系统模型框图；其工作流程如下： ( 1 ) 获取直流系统整流侧的电压值，其经过一阶惯性环节后进入低压限流环节 ( v d c o l ) ，经v i ) c o l 输出的电流值作为整流和逆变的控制系统的电流整定值匕；j 女女 与实际的直流电流l 比较，差值进入两侧换流器的控制系统。 ( 2 ) 整流和逆变两侧都装有定电流控制器和定电压控制器。整流侧在正常运行方 式下，由于p o 比实际的k 大，即a v o ，逆变侧工作模式应被选中为定熄弧角 控制方式。同时通过式，c o s 一，( 2 9 , f _ ，+ c o s 口) ，获取，与r m 比较，若r r m ，输出触发 延迟角a 传递到逆变侧换流器方程；若y 。，则认为发生换相失败，进入换相失败再 启动环节。 ( 4 ) 若由于整流侧电压降低或逆变侧电压升高造成i d 实际值过小，整流侧 a - l j 0 。过小，定电流控制器输出达到其限值a 。，此时整流侧定电流控制器将不 能继续维持l l 。，造成l 减少。与此同时，若i d 减少到使逆变侧，- i , 一j 0 。+ j _ 0 1 ) ，a f c 动作增加直流输送 功率；当故障切除后，换流站母线频率逐步趋于稳定范围，直流传输功率跟随频率的变 化，在故障发生4 秒钟后，直流输送功率恢复到计划的传输功率量如( d ) 所示，达到 了支援两侧频率的变化的目的。 6 4 2 双极闭锁 为了验证a p f c 的有效性，设置龙泉一政平直流线在1 秒时发生双极闭锁故障，6 秒 时恢复，仿真结果如下图： 图6 - 8 双极闭锁直流输送功率 叶( ( b ) 直流母线电压 从图6 _ 8 可以看出，在1 秒龙政直流线发生双极闭锁时，华东地区损失了大量的有 功功率，此时其他两条送往华东的直流线进行紧急功率支援，其中三沪线功率提升到其 输送功率的1 5 倍，考虑到葛上直流系统设备较老，功率提升能力有限的实际特点，允 许葛上直流多传输3 0 9 6 的功率；直流功率的大幅度提升，导致换流站无功补偿不足，引 起换流站直流母线电压的降低，见图6 - 8 ( b ) 所示。实际转移的功率达到1 8 6 g w ，具 有可观的经济效益。 4 0 c a ) 三峡右岸发电机功角 l l i l l l 自 ( c ) 葛上附近的发电机功角 ( b ) 三峡左岸发电机功角 ( d ) 龙政交流母线频率 图6 - 9与直流线相关的发电机功角曲线及龙政交流母线频率 从图6 啕可见，利用紧急功率转移控制可以有效抑制功角振荡，控制效果良好。整 流侧交流系统频率也得到很好的控制。 ( a ) 渝万县母线电压 束毫曩母t 电压 裂兰黧蕊懿 备“二一二夸，二一一；。一# o f 鼻穹一一 4 一一：一一攀嘤! 罂一4 一一址一i 一二：土二 商捌车嚣三 ( b ) 宋家坝母线电压 时一静 ( c ) 鄂三峡右母线电压 御 ( d ) 鄂三峡左母线电压 图6 - - 1 0 与直流线相关的母线电压 从6 - - 1 0 可以看出，当直流发生双极闭锁时，与龙政直流相连的交流母线( 渝万县) 电压的升高趋势被有效的抑制。由于直流功率提升的影响，与其他两条直流相连的交流 母线电压有着一定程度的降低，那是由于功率提升引起换流站无功补偿不足造成的；龙 政直流恢复运行时，母线电压也都恢复到正常值以内，且整体趋势比无a p f c 作用下的 效果好 时一静 ( a ) 湖北河南相连的一条交流线传输功率 御 ( b ) 湖北湖南相连的一条交流线传输功率 图6 - 1 l区域联络线功率传输 龙政直流双极闭锁时，华中、华北系统主力发电机相对功角以及主要枢纽点电压均 能保持稳定，但剩余功率大量流向与湖北相连的区域电网，如河南、四川以及华北地区， 大大增加了这些区域电网的负担，a p f c 的加入，使得大量的剩余功率仍被转移到华东电 网，一方面减轻了以上区域电网的压力，另方面也使得华东不会因为损失大量功率造成 巨大的经济损失。图6 1 l 为与湖北相连的两条交流线的传输功率变化图。 7 1 本论文工作总结 第七章总结与展望 总结本文的工作取得结论及成果如下： 1 ) 本文利用p s a s p 的用户自定义环境建立了高压直流用户自定义模型；为了准确 模拟交直流系统的动态行为，要求对直流系统及其控制器的模拟要具有一定的精度，当 前世界各国主要电力系统分析程序均考虑直流输电环节，但采用的模型各异，精度不一， 没有统一的标准，且此类软件中的直流线模型普遍存在一定的不足，不贴近工程实际。 因此本文所建的用户自定义的直流模型是以应用与实际的控制系统为参考，除了包含直 流系统的基本控制功能如低压限流控制器、定电流控制器、定电压控制器、定熄弧角控 制器之外，还包含了一些辅助功能控制模块，如分接头调节、无功功率控制功能。 2 ) 将此自定义的直流模型用于e p r i - 7 和e p r i 一3 6 节点中，通过潮流结果比较以及 暂态稳定仿真分析可以得出，此自定义直流模型较好的反应了控制器的控制特性。 3 ) 本文所建的直流模型具有以下几个方面的优点：换流站无功消耗采用精确公式 计算而得，此方程有别于p s a s p 自带的直流模型的无功求解，计算的更为准确，更贴近工 程实际；对换相失败的判断采用检测熄弧角，与r 比较，当熄弧角小于r 认定换向 失败，进入换相失败再起动环节，而不是根据母线电压的降低量来判断，且无功计算时 包含了熄弧角的，对于逆交侧引用此角度可以较为准确的估计换相失败；无功调节通 过调节流入交流系统的无功，达到控制电压的目的，对提高受端为弱交流系统的电压稳 定有着积极的作用；由于能够动态的观测测量量与整定量的差值的大小，因此容易根 据偏差量有效的调节p i 参数，达到参数优化的目的；可扩展性，可以在此模型的基础 上增加别的功能，使其更加完善；能够灵活的选择控制方式。 4 ) 针对多回直流输电系统的出现增加了交直流电力系统的可控性，也使得利用直流 输电系统对交流输电系统进行紧急支援的可能性大为增加的特点，利用高压直流用户自 定义模型的可扩展性，实现了对直流输电两端的频率控制以及直流线单极、双极闭锁下 的紧急功率转移控制，达到了利用直流对交流系统进行紧急功率支援，协调直流线间的 配合，更好的满足了国调对多回直流输电间功率及频率控制的要求。 7 2 后续工作的展望 我国的华中一华东多回h v d c 输电系统是一种特有的电网结构，国内外对这样复杂系统 的理论研究和实际经验均非常缺乏。直流功率调制是一种具有巨大潜力的待挖掘的电力系 统调控功能，本文仅针对工程应用的角度提出了一种可用的辅助功率频率控制器，实现 交直流系统辅助频率控制及直流间的紧急功率转移控制，尚缺乏理论支持；并且在进