（电力系统及其自动化专业论文）vschvdc提高系统频率和电压稳定性研究.pdf

二匕d口 尸f 月 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 v s c 一 h v d c提高系统频率和电 压稳定性研究 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 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。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已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 :韧、和日期 : 飞 沁6 . 户 、 3 口 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 : 一 上区一 日期: 全鱼立至 导师签名: 合 叮 异 期: 夕， 。 2/1 夕 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1引言 电力的发展是从直流电开始的，早期的直流电不需要经过换流，直接从直流电 源送往直流负荷， 例如， 1 8 82年爱迪生电 气照明公司在伦敦建立了 第一座直流发电 站， 这一阶段发电、 输电 和用电 均为直流电 11 闷。 但是由 于其存在无法实 现变压、 输电 线路的功率损失较大及不易联成大的电网等问题，所以直流输电的发展受到制 约。 自 从 1 8 8 8年由费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电以来， 交流输电和交流输电方式联网得到了迅速的发展。但直流输电有交流输电所不能取 代之处，如远距离电缆送电、不同频率电网之间的联网等。 自 从 1 9 5 4年瑞典在其本土到哥特兰岛之间建成了世界第一条海底电缆的高压 直流输电线路以来，高压直流输电在很多方面得到了广泛的应用.而我国的直流输 电从1 9 8 7 年12月舟山工程投运开始，直流输电技术在我国电力系统的西电东送、 南北互供以及全国联网工程中会起到越来越重要的作用。但是，直流输电也存在一 些固有的缺陷，如费用相对较高、换相失败的危险和受端网络必须是一个有源系统 等3 1 . 随着九十年代初电力半导体技术尤其是大功率、高频率的可关断器件绝缘栅双 极晶体管 ( i g b t ，i n s u l at e dg at eb i p o l artrans i s t o r )的快速发展，1 9 9 0 年m c g i l l 大学的 b oon 一 teck o oi 等首先提出了用脉宽调制技术 ( p wm，p ul se widi h m o d u l at i o n )控制的电压源型换流器 ( v s c ， vol t 叱e s o urc e c o n v e rt e r )进行直流输 电 的概念，即基于电 压源型换 流器的高压直流输电( v s c 一 h v d c ， voit ag esour ce c o n v erterb a s e d h i g h vol t a g e d i r e ctc u rr e n t ， 亦称轻型直流输电) 技术。 v s c 一 h v d c 除可解决高压直流输电上述存在的问题，还它具有能给无源网络提供电源;其换流 站设备小型化和标准模块化，可大大缩短建设时间;更符合环保和 “ 绿色电力”的 需要; 可实现交流系统的非同步联网， 但与交流联网不同的是， v s c-h v d c可提高 联网后两侧交流系统的运行灵活性，基本不增加交流系统的短路容量;可运行在有 功和无功四个象限状态，能对有功功率和无功功率同时且独立进行控制，提高交流 系统电压和频率稳定性等优点。基于以上原因，随着全控型器件的快速发展， v s c 一 h v d c这一多功能联网方法，将会在未来的联网工程中得到更多的应用4 一 71 。 12v s c 一 h v d c的简介 华北电力大学硕士学位论文 自从人 b b公司 四9 7 年赫尔斯扬项目的试验成功以来， v s c 一 h v d c技术得到迅 速发展，到现在己经有 8 条v s c 一 h v d c线路投入了运行，2 0 0 9 年挪威的v 自 l h all 工 程将会投入运行，目前v s c 一 h v d c的传输容量己 达 35o mw，因此 v s c 一 h v d c不 仅适用于与弱系统的连接，也可用于两个较大容量交流电网互联。 1 . 2 ， ivs c 一 h v d c的运行机理 v s c 一 h v d c由 换流桥、 换流电 抗器、 直流电 容器和交流滤波器组成。 其基本原 理如图1 一 1 所示， 两侧换流器均采用两电平六脉动， 换流桥每个桥臂均由多个i g b t 或i g c t等全控型器件串联而成。每个 i g b t旁有一个反并联的二极管，除了 作为 主回路以外， 还起到保护和续流的作用。 换流电抗器是v s c与交流侧能量交换的纽 带，同时起到滤除交流侧电流谐波的作用，直流侧并联的电容器起到为逆变器提供 电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波的作用.由于i g b t开关 频率较高， 交流电压只含有少量的高次谐波， 经过一个小容量的高通滤波器 ( h p f) 后就可以得到很好的正弦交流电压，减少了 滤波器的投资。电压源型换流器的交流 侧输出电压是由直流电压通过换流阀的通断形成的，不需要交流系统提供换相电 压， 因此换流器既可作整流器运行也可作逆变器运行， 取决于有功功率的流动方向。 交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波。 换流器通常采用脉宽调制( p wm， p ul sewid th m o d u l at i o n ) 控 制技术 8 一 14 1 。 v s c直 流 输 电 线v s c 月 今 日日 李 月r 不 日 电抗器 滤波器 一 曰 丁日土 丁.妇日土 uc曰 酥 电 苏 尹 ee 日一 i州 滤波器 图1 一 i v s c 一 h v d c系统原理图 设 交 流 母线电 压 基 波分量 为us， 换 流 器 输出 电 压的 基 波 分 量为姚， uc滞 后 于 矶的 角度为占 ， 换流电 抗器电 抗为耳. 忽 略 谐 波 分 量时， 换 流器 所 吸 收的 有 功 功 率和无功功率分别为: 尸 = 竺 丛5 1。 ， 苏 ( 1 一 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 q二姚( u s一 铸co s 句 凡 ( 1 一 2 ) 由式 ( 卜1) 可见，有功功率的传输主要取决于乙 当少0时，v s c吸收有功功 率，相当于在传统 h v d c中做整流器运行;当水0时，v s c发出有功功率，相当于 在传统 h v d c中做逆变器运行。因此通过对咨 角的控制，就可以控制直流电流的方 向及输送功率的大小。 由 式( 1 一 2 ) 可见， 无功功率的 传输主要取决于( 外 uccos 句 ， 当( 叭一 认cos 司 0 时， v s c吸 收无功功率;而当姚 一 件。司 几 凡。 7 ) 阎 4 5 。，否则，定电压换流站可能进入不稳定运行区。 ( 8)一般v s c换流器的损耗小于额定容量的5 %， 这决定了 换流器的等效损耗 电阻r的取值。 1 . 2 . zv s c 一 h v d c的投运工程状况 从1 997 年赫尔斯扬项目的试验成功，到现在已经有8 条v s c 一 h v d c线路投入 华北电力大学硕士学位论文 了商业运行，2 0 09年挪威的val h all工程将会投入运行，以下为10项工程的简介。 其具体的技术参数如表1 一 1 示。 ( 1 ) 赫尔斯扬( h e l l sj o n ) 1程 1 9 97年在瑞典投运， 连接着赫尔斯扬与瑞典中部的格兰斯堡的电网， 它是世界 上第一个以v s c为基础的h v d c输电系统的工业试验工程。当时是利用一条暂时 没有使用的长 10k m 、电压 10k v的输电线路进行试验的。从运行的情况来看， 它可 以向无源网络输送电能并且能独立的控制电压和频率。 ( 2 )哥特兰岛( g o t l and ) 工程 1 9 9 9 年在瑞典投运， 连接着哥特兰岛的南部和维斯比 城市的电网， 它是世界上 第一个商业化运行的 v s c 一 h v d c输电系统。它解决了风力发电所带来的电能质量 问 题( 电压和无功支撑) ，而且以地下电缆传输电能， 对环境的影响相对较小. ( 3 ) tja e r e b o r g l程 2 0 0 0年在丹麦投运，连接着位于丹麦西部的电网，它是第一个风力发电的 v s c 一 h v d c示范工程，该工程主要为了解决风力发电引起的无功功率和电压问 题。 ( 4 ) 伊格帕斯( e a g l e p a s s ) 1程 2 0 0 0年在美国投运，连接着美国电网与墨西哥电网，它是世界上第一个采用 v s c 一 h v d c技术实现电网背靠背互联的工程。它增加了向e aglep as s 的输电能力， 解决了e aglep as s 电网的电 压不稳定性，同时也解决了美国电网与墨西哥电网 之间 电能交换容量的限制问 题。 它最大可传输功率为3 6 m w， 或以s t a t c o m方式运行， 为两端电网提供 3 6 mv ar的无功补偿容量。 ( 5 )d i r e c t l i nk l程 2 0 0 0 年在澳大利亚投运， 连接着位于新南威尔士(ne wsouth wales ) 和昆 士兰州 ( q ue en sl an d)的电网，并在两个电网之间进行电能交易。它的传输电能根据 n e m m c o ( n at i o n a l e l e c t ri c i t y m a r k e t m 即 a g e m e nic o m p an y l i m i t e d) 市 场的价格决 定，工程主要目的是解决异步联网中电力交易的快速控制问题和满足环境要求。 ( 6 ) c r o s s s o und c a b l e 工程 2002年在美国投运， 连接着位于纽黑文困e w h ave n) 与圣汉姆( s h or eham) 的非同 期电网.它通过高性能的挤塑海底电缆进行连接，提高了康涅狄格和新英格兰电网 的稳定性，也对长岛电网提供紧急功率支援，同时，也增加纽约和新英格兰电力市 场的竞争力。 ( 7 ) mu rray l i n k l程 华北电力大学硕士学位论文 表卜工 己投运和即将投运的v s c 一 h v d c 工程主要技术指标 流压v 直电瓜 工程 国家 投入运 行 时间 直流 电流 la 线路长 度/ k m 主要原因 3547236 he l l s i o n go t l 助d tja e r e b o r g e agle p as s di r e ctl i n k c ros ， 一 s o u n d c 日 b l e m u r ra y l i n k t t o l l a e stl i n k v 么 l h a l l 瑞典 瑞典 丹麦 美国 / 墨西哥 澳大利亚 1 9 9 7 刀3 1 9 9 90 6 2 0 0 0 . 0 8 2 0 0 0 _ 0 9 2 0 0 0 . 1 21 吕 0 10工业试验 2 x 70 风力发电( 电 压支撑). 2 x 4 3 风力发电，示范工程 背靠背 电力交易，系统互联， 6 x 5 9 电力交易，系统互联， 地下电缆 电压控制 地下电缆 美国2 0 0 2 . 0 7 1 0 / 1 0士1 01 5 0 名 0 / 8 0士吕 03 5 0 1 0 . 5 1 1 0 . 5土93 5 吕 1 3 2 / 1 3 2 士1 5 夕 1 1 0 0 1 3 2 / 1 1 0士8 03 4 2 3 4 5 / 1 3 8 士1 5 0 1 1 7 5 1 3 2 /22 0 士1 5 0 1 4 0 0 5 6 / 1 3 2士6 04 0 0 4 0 0 /33 0 士1 5 0 1 2 3 0 3 0 0 / 1 1士1 5 0 2x4 0 2x1 8 0 4 x7 0 2x7 4 2 9 2 电力交易，系统互联，海底电缆 电力交易，系统互联， 绿色环保，海底电缆 电力交易，系统互联， 绿色环保，海底电缆 地下电缆 nn 盛jo j凡乙 澳大利亚 娜威 爱沙尼亚 娜威 2 0 0 2 . 0 7 2 0 0 5 刀2 2x4 2 2 0 0 6 . 1 2地下电缆 2 0 0 9 2002年在澳大利亚投运， 连接着位于澳大利亚南部的 瑞尔兰德( rive ri and) 和维 多利亚州( vi ct or i a) 的圣路易斯(s unr ays i a)电网。 它是世界上目 前投运中最长的地下 电 缆， 工程的目 的是使澳大利亚南部电网 和维多利亚州 ( vict or i a) 电网非同期互联 和在解除管制的电力市场中具有更强的竞争实力。 ( 8 ) tro l l a工程 2 0 0 5 年在挪威投运，连接着位于kos s nes 和 t r 0 l l a的电网。它是世界上第一 个在海上天然气钻井平台上传输电能， 整流侧在地面站的k oss nes ， 逆变侧在trol l a 海上平台，该工程具有重量轻，占 地面积小和环境保护等特点。 ( 9 ) e s t l i nk 工程 2006年在爱沙尼亚投运， 连接着芬兰湾畔、 塔林和赫尔辛基电网。 它通过高性 能的挤塑海底电缆进行连接，主要目的是提高了北欧电力市场和波罗的海诸国的电 力传输能力。 ( 1 0 ) val hal l l程 2 0 0 9 年将在挪威投运，连接着位于挪威的lis ta电网和海岛的val h a l l .它是娜 威的第二条v s c 一 h v d c线路，主要目的是向海岛的val h al l 油田开发送电，取代本 地燃气轮机发电，减少环境污染。 12 . 3vs c 一 h v dc的应用领域 华北电力大学硕士学位论文 随着电力电子技术的发展，全控型电力电子器件性能及单管容量的迅速提高， v s c 一 h v d c应用领域将不断向 输电网扩展。由于v s c 一 h v d c在经济上具有明显的 优越性，它在以下应用领域将可能发挥极大的作用: ( 1) 向偏远地区供电。对于一些偏远的小城镇、村庄或岛屿等用电地区，其 负荷通常较小然而波动较大，因此通过长距离的交流线路对这些地区供电既不经济 有时又受交流传输功率极限的限制， 因而不是一个较好的选择， 而传统h v d c又不 能向 无源网络供电， 而在输电性能上， v s c 一 h v d c可以向无源纯负荷供电，且不受 输电距离的限制，因此v s c 一 h v d c是向偏远小负荷地区供电较理想的选择。 ( 2) 远距离电缆送电场合，如大城市配电网增容改造、海底电缆送电等。 ( 3) 环保型再生能源接入电网，如风力发电、太阳能发电以及小型水电厂等。 ( 4 )不同额定频率或相同额定频率的交流系统间的非同步运行;非同步运行 的独立电网之间需要交换较小容量的有功时亦可采用 v s c 一 h v d c进行联网，用来 改善系统的运行性能，提高其电能质量。 ( 5) 满足电力市场交易对输电网络的要求，很好地适应电力市场对于电能传 输的要求，提高电能交易的自由度。 随着电力电子技术的进步， 全控型器件的性能及容量的不断提高， v s c 一 h v d c 系统将不断向输电网扩展。 1 . 2 . 4v s c 一 h v d c的控制方法 在 v s c 一 h v d c中，v s c通常采用正弦脉宽调制 ( s p wm)技术，s p wm 的基 本原理是:把给定的正弦波 ( 期望的输出电压波形)与三角载波比较来决定每个桥 臂的开通、关断时刻。当直流侧电压恒定时，s p wm的调制度 ( 正弦给定信号与三 角载波幅值之比， 在0 一 1 的范围内) 决定v s c输出电压的幅值， 正弦给定信号的频 率与相位决定v s c输出电压的频率与相位。 又由1 . 2 . 1 节分析可知，v s c吸收的有功功率和无功功率分别取决于v s c输 出电压的相位和幅值， 所以通过控制s p wm给定正弦信号的相位， 就可以控制有功 功率的大小及输送方向， 通过控制s p wm的调制度就可以控制无功功率的大小及性 质 ( 容性或感性) ，从而可以实现对有功功率、无功功率同时且相互独立的调节。 在正常的输电模式下，每一端换流站都不受另一端换流站的影响而独立地控制 无功潮流。但是，进入直流电网的有功潮流必须平衡。就是说，送端电网的有功减 去系统的损耗必须等于受端接受的有功.任何差异都将造成系统的直流电压迅速上 升或降低。 为了实现这种功率平衡， 由其中的一个换流站控制直流电压。 这就是说， 另一个换流站可在系统给定的极限内提供有功，而控制电压的这一端的换流站将调 华北电力大学硕士学位论文 节其功率信号以保证平衡 ( 即保持恒定的直流电压) 。依据简单的直流电压测量便 可实现平衡，不需要换流站之间的通信。 在基于v s c的直流输电系统中， 其换流站主要有5 种基本控制方式: 定直流 电压控制， 这种控制方式利用直流电压的变化量去调节v s c交流输出端电压与所联 交流系统电压之间的相位差，以使被控的直流电压达到其设定值;定直流电流控 制， 这种控制方式利用直流电流的变化量去调节v s c交流输出端电压与所联交流系 统电压之间的相位差，以使被控的直流电流达到其设定值;定有功功率控制，这 种控制方式控制利用v s c传送的有功功率的变化量去调节v s c交流输出端电压与 所联交流系统电压之间的相位差，以使被控v s c所传送的有功功率达到其设定值; 定交流电压控制， 这种控制方式利用v s c 所联交流母线电压幅值的变化量去调节 v s c交流输出端电压的幅值，以使被控交流母线电压的幅值达到其设定值。 定无 功功率控制，这种控制方式利用 v s c吸收或发送的无功功率的变化量去调节v s c 交流输出端电压的幅值，以使被控 v s c吸收或发送的无功功率达到其设定值; 以上这五种基本控制方式， 、 和是通过调节v s c交流输出端电压与所联 交流系统电压之间的相位差来实现的， 和是通过调节v s c交流输出端电压的幅 值来实现的，且这两种调节可以同时且相互独立的进行。因此，v s c 一 h v d c两端 v s c的控制方案选择的原则是:每端 v s c可以有两种基本控制方式，首先一端采 用，另一端可以则从和中任选一种， 其次每端v s c再从和中任选一种。 其中方式、 、适用于与有源交流网络相联的情况，方式适用于给无源网络 供电的情况。 1 . 2 . sv s c 一 h v d c的技术特点 v s c 一 h v d c的可关断器件不仅能对开通时刻进行控制， 还能对关断时刻进行控 制。由可关断器件组成的换流阀称为可关断换流阀。可关断换流阀可组成自 换相换 流器，自 换相换流器有电流源换流器和电压源换流器两种。电流源换流器的直流电 流只有一个极性，其潮流反转是由直流电压的极性反转来实现的，直流电流的方向 保持不变;电压源换流器的直流电压只有一个极性，其潮流反转是通过直流电流的 反向来实现的。普通的晶闸管只能构成电流源换流器，而有关断能力的半导体器件 则两种换流器均能构成，但 v s c h v d c属于电压源换流器。在电压源换流器中由 于直流电流可以是任一方向，换流阀应具有双向导通的能力;另一方面由于直流电 压极性保持不变，换流阀不需要有电压反向的功能.因此这种可关断换流阀通常由 具有可关断能力的器件与一个反并联二极管所组成，是一种非对称关断装置，即对 直流电流的一个方向具有关断能力，而对另一方向则无关断能力。 与传统的h v d c相比，v s c 一 h v d c具有以下技术特点: 华北电力大学硕士学位论文 ( l) v s c电流能够自 关断， 可以工作在无源逆变方式， 不需要外加换相电压， 从而克服了传统h v d c受端必须是有源网络的根本缺陷， 使为远距离的孤立负荷送 电成为可能。 ( 2 )vs c设备采用标准模块化设计， 占 地面积小， v s c 一 h v d c更符合环保和 “ 绿 色电力”的需要;克服了传统h v d c需要快速通信设备的缺陷。 ( 3) v s c的有功 和无功在四 个象限 151 运行，它的控制量是 p w m的相位和调 制波， 可以同时且相互独立控制有功和无功功率， 控制更加灵活方便; 而传统h v d c 在两个象限运行， 它的控制量只有触发角，不可以单独控制无功功率。 ( 4) v s c 一 h v d c系统潮流翻转时直流电流方向反向， 而直流电压极性保持不 变，该特点有利于构成既能方便地控制潮流又能有较高可靠性的并联多端直流系 统; 克服了传统h v o c多端系统并联连接时潮流控制不便、 串联连接时又影响可靠 性的缺点。 ( 5) v s c可以不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到 s t 幻，c o m ( s tatic s yn chron业s c o mpe n sator )的 作用， 动态补 偿交流母线无功功率， 稳定 交流母 线电 压;克服了传统h v d c需要大量的无功功率进行补偿缺陷。 ( 6 ) v s c交流侧电流可以 被控制， 所以不会增加系统的短路容量，这意味着 增加新的v s c 一 h v d c线路后，交流系统的保护整定值以及断路器无需更换。 ( 7) v s c通常采用 p wm控制技术，开关频率较高，经过低通滤波后就可得 到所需的交流电压， 所需滤波装置的容量也大大减小; 克服了传统h v d c需要安装 滤波器的缺陷. ( 8 ) v s c 一 h v d c的一个固有特征是能够提高系统阻尼， 因此v s c 一 h v d c不但 不会引起发电机组的次同步振荡，而且还会提高发电机组的次同步振荡阻尼。 1 . 3电网黑启动过程中的问题分析 随着电力系统跨区域互联的不断增加，电网的规模越来越大，各子系统之间的 相互影响也愈加强烈，子系统局部的故障，可能由于保护或自 动装置的不正确动作 而导致大面积的停电事故。大停电后的电网恢复问题十分复杂而又关系到国计民 生， 如何确保发生大停电事故后快速地恢复电网的正常运行， 成为电力工作者十分 关注而迫切需要解决的问题。随着 v s c 一 h v d c的应用日 益广泛，因此， 研究连接 v s c 一 h v d c的电网的大停电恢复问题具有很重要的意义。 大停电 的电网 恢复 可通过黑启 动tl s 一 19( bl ac k- st art) 实 现。 所谓黑 启动 是指整 个系统因故障停电后，通过系统内 具有自 启动能力的机组或系统外电源来启动，带 动无自 启动能力的机组，逐渐扩大系统输电范围， 最终实现整个系统恢复的过程。 g 华北电力大学硕士学位论文 黑启动的过程分为黑启动电源恢复阶段、 网络恢复阶段、 负荷恢复阶段等几个阶段。 本文主要研究黑启动的负荷恢复阶段. 只有对厂用电要求很低的粥气轮机和水轮机组才有可能作为系统内自启动的 机组。燃气轮机的功率通常较小，水电厂通常离其他电源和负荷中心距离较远，这 些都增加了黑启动后续阶段的难度。 系统内自 启动的机组在负荷恢复时是先恢复非自启动机组的启动负荷，再恢复 小的直配负荷，后恢复直配大负荷和电网负荷的原则进行。国内黑启动主要采用系 统内自 启动能力的机组12 卜 23。作为系统内自 启动的过程十分复杂，消耗很长时间， 且恢复过程电压和频率的稳定性较差等诸多缺陷.由于负荷恢复过程中发电机的时 间常数大，系统容量很小，此时小系统不断外扩，需不断送线路、带负荷，每步操 作都对系统有很大的冲击，使系统的频率和电压变化较大，系统运行比较困难，使 得负荷的增加速度受到限制，影响了系统的恢复速度。 14本课题的主要工作 国内v s c 一 h v d c技术研究比国外晚， 但是v s c 一 h v d c的研究也日趋成为一个 热点。目 前己 经有浙江大学、华北电力大学、中国电力科学研究院、东南大学、华 中科技大学等高等学校和科研机构进行相关的 研究12 2 一 26。 由于我国缺乏相应的工程 经验，国家电网公司已计划在 “ 十一五”期间进行 v s c 一 h v d c的试点工程建设， 从而进行v s c 一 h v d c系统的研究是十分必要的。 v s c 一 h v d c具有诸多优点 其中可作为交流系 统黑启动的系统外电源127 ， 已 经 在美国e ag lep as s 工 程和挪威的tr of 1 a钻井平台 工 程中 作为建设目 的之一得到 体 现。鉴于电网黑启动过程存在的问题和 v s c 一 h v d c的特点，本文利用它对有功功 率和无功功率独立且同时地快速控制的特点，在黑启动的恢复过程， 提高了系统的 恢复速度，且恢复过程改善了系统频率和电压的稳定性。本文应用仿真软件 外c a d/e m 丁 d c进行了 几个方面的仿真研究: 1 . 4 . 1在负荷恢复阶段v s c 一 h v d c与发电机调速器的协调控制 在负荷恢复阶段，可能出现频率下降超过稳定范围，针对此问题本文采用频率 作为控制量，经过一定的逻辑判断后发出 控制操作指令，它能够在系统破坏之前， 使电 力系统恢复有功功率平衡，频率趋于稳定128 ， 本文建立的系统模型的控制方式为:整流侧采用定直流电压，逆变侧采用频率 作为控制量定有功功率;利用 v s c 一 h v d c对有功功率和无功功率同时且独立地快 速控制的特点，提出了一种 v s c 一 h v d c与发电机协调控制方法，该控制方法可提 9 华北电力大学硕士学位论文 高负荷恢复速度，并可提高系统的频率稳定性。 1 4 . 2在负荷恢复阶段 v s c 一 h v d c与发电机励磁系统的协调控制 在负荷恢复阶段，控制方式为整流侧定直流电压，逆变侧采用电压作为控制量 定无功功率;仿真分析各种调压方法，由于v s c 一 h v d c的控制速度快但容量有限， 而发电机容量大但调节速度慢，结合两者的特点，提出了一种 v s c 一 h v d c与发电 机励磁协调控制方法。本文的理论分析和仿真结果初步说明了使用 v s c 一 h v d c与 发电机协调控制方案进行电网黑启动的可行性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 v s c 一 h v d c与调速器协调控制提高系统频率稳定性研究 在第一章中， 对v s c 一 h v d c的技术特点进行了讲述，鉴于v s c 一 h v d c所具有 的诸多优点， v s c 一 h v d c将在未来的电网互联工程中有广泛的应用。 本章先分析发 电机调速器对电力系统频率的响应特性，然后研究了 v s c 一 h v d c逆变侧交流电网 在电网恢复时 v s c 一 h v d c与发电机调速器的协调控制策略，并根据此控制原理， 设计了相应的有功功率控制器， 对新型调频控制策略在p s c a d z e mt d c软件平台下 进行了仿真验证。 2 ， 1发电机调速器对电力系统频率响应特性研究 2 ， ， 。 1传统调频方法 频率是电力系统电能质量指标中最重要的参数之一，电力系统频率变化过大会 对发电 机和系统的安全运行带来严重影响。因此，把电力系统频率变化控制在很小 的范围内是电 力系统安全稳定运行的主要目 标之一。 传统的调频方法t29 刁 0 有以 下三 种: ( 1)调速器完成的一次调频: 变化周期在 1 05 以内， 针对变化幅度较小的随机 负荷分量。 这类负荷的变化率最大及负荷每小时改变方向的次数可达数百次。 (2 )调频器进行的二次调频:变化周期在 1 05到数分钟之间，针对变化幅度大 的负荷分量。属于这类负荷的主要有电炉、轧钢机械和电力机车等;这类负荷的变 化率较大及负荷每小时改变方向的次数在二三十次之间。 (3 )三次调频: 变化周期长达s m in以上， 针对变化缓慢的持续变动负荷。引起 负荷变化的主要原因是各行各业的作息制度、人民的生活方式和天气的变化等。这 类负荷的变化率小及负荷一昼夜改变方向的次数在十几次到数十次之间。 根据上面论述的传统调频措施，结合快速控制的特点，选择调速器的一次调频 来改善系统频率的稳定 性。 这种调频方式要比 二次调频( 调度根据电网频差以 负荷指 令的形式分配给机组的调频方式) 更直接更快速。 2 ， 1 . 2发电机的调速器分类及物理建模 发电机组的类型有蒸汽发电机组 组和燃气轮机的发电功率变化范围大 燃气机组、核电机组和水电机组等。水电机 响应速率高，且易于改变调节方向;蒸汽发 电机组和核电机组的响应速率低，且不易改变调节方向。 华北电力大学硕士学位论文 发电机组的调速器类型有多种，按照调速器各部件原理结构可分为:机械液压 调速器、电气液压调速器和微机调速器;也可分为水轮调速器和汽轮调速器两大类 型等。 汽轮发电机转速一般都是3 0 00和m in， 人容量的电机几乎全设计成隐极式转子。 汽轮机调速器的控制装置的发展经历了几个阶段:机械液压式控制系统 ( mh c ， m e c h ani c a l 一 h ydr aul i cc o n tr o l ) 、电气液压式控制系统 ( e h c ，e l e c t ro 一 h y d ra u l i c c o ntro l ) 和数字式电 气液压控制系统 ( d eh ， d i g i t a l e l e c tr o 一 h y d r aul i c c o ntro l ) 。 机 械液压式控制和电气液压式控制的传递函 数见文献 31 ， 数字式电气液压控制的传递 函数为 1321 : 。 闭= 一生 一 一上 一 一 . t s i s +it 不 华 11 +1 口仔t 天 1 1 1 5 +1 t r 石 rjs +1 ( 2 一 1 ) 式中几 * 为油动机时间常数， tvh : 为高压缸容积时间常数， 几拼为再热容积时间 常数，ah为高压缸功率占整个汽轮机功率的份额。 最早的水轮机调速器都是机械液压调速器，2 0世纪 50 年代以后，电液调速器 得到较为广泛 的应用 。水轮机 的调速器控制方式包括机械水压控制 ( m e c h ani c a l 一 h y d r aul i cc o n t ro l s ) ，p i d控制 ( p id， c o nt r o l si n c l u d i n gp i l o t s e rv o d y n ami c s )和甩负荷控制 ( e n h anc e d c o n t ro 1 s fot l o a d r ej e c t i o n s t u d i e s )。机械水 压控 制和甩负 荷控制的 传递函 数见 文献 33 ， 而 经典 的pi d 控制的 传 递函 数 为 t341: 附( 5 ) 二 ，+ 进 二十 月 进三二= 鱼止工 几 + 51 +t i ， sb t t 己流1 +t l v s ( 2 一 2 ) 式 中 : 价为 比 例 增 益， 取 值 为 众 5 一 20; ki为 积 分 增 益， 取 值 为 (005 1 0) 1 /s ; ko 为微分增益，取值为0 5 ;bt 为暂态差值系数， 取值为1 % 1 00%:几为缓冲时间常数， 取值为1 2 05; tn 为加速度时间常数， 取值为 25; tl v 为加速度环节惯性时间 常数。 一次调频功能是通过调节汽轮机的进汽阀门或水轮机的进水阀门的开度，利用 机组的蓄热来快速响应电网频率的变化。 本章采用水轮发电机供电系统如图2 一 1 。 华北电力大学硕士学位论文 匕认协洛一 动沙 厂 子 一二 h m gov 图2 一 1 水轮发电机供电系统 2 . 1 . 3调速器对电网频率的响应特性仿真 为验证调速器对有功功率的快速调节能力， 利用p s c a d /em t d c软件对水轮调 速器的三种控制方式进行了仿真和对比分析。 图2 一 1 所示水轮发电机供电系统中给出了发电机、输电线、电动机、负荷等的 接线图。图中左侧为发电机，主要电气元件有调速器、水轮机、发电机、励磁机. 右侧为负荷，主要包括电动机、负荷和各种测量元件，包括三相电压表、瞬时有功 功率/ 无功功率表、频率表及相位( 差) 表。 系统的参数为:发电机组的额定有功功率为 12o m w，线电压为 138kv ，线电 流为5. dzk a;感应电动机的线电压为 138kv ，相电流为 1 . ika ;系统在255时投入 1 5 mw，在 6 0 5 时投入 s mw，在 1 4 0 5 时甩 s mw 负荷的仿真结果如图 2 一 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 、八u1曰n :自. 勺ot了气 22.1，.1 1 25 i u o 有功功率 、nn 月 月了气一zn甘 5 0 . 4 0 5 0 一 2 1) 八ucn00nu n。八u42n 504949494949 星 t/s 图2 一 2水轮机的调速器响应特性仿真 2 . 55投入 巧mw时pid控制的频率降低为49， 25h z ，巧5 后频率趋于稳定;机 械水压控制的频率降低为4 912h z ， 2 05后频率趋于稳定: 甩负荷控制的频率降低为 4 9 . i h z ， 2 8 ， 后频率趋于稳定。 在6 0 5 时投入s mw时p i d控制的频率降低为4 9 .3 8 h z ， 705 后频率趋于稳定; 机械水压控制的频率降低为49， i h z ， 7 35后频率趋于稳定; 甩 负荷控制的频率降低为49.08h z ， 9 05后频率趋于稳定。 在 1 405 甩出s m w时pi d 控制的频率上升为 5 0 . 53h z ，1 5 0 5后频率趋于稳定;机械水压控制的频率上升为 5 0 5 5 h z ，1 6 0 5 后频率趋于稳定;甩负荷控制的频率上升为50 6 h : ，1 7 55后频率趋 于稳定。 仿真结果表明pid控制的水轮机调速器的响应特性比机械水压控制的水轮机调 速器的响应特性好，因此采用pid控制水轮机调速器。 2 ， 2基于v s c 一 h v d c的有功无功独立控制策略 目 前， 基于v s c的直流输电系统供电 有源网络时， 通常采用一端换流站控制直 流线路电 压， 另一端 控制直流线路电 流的 控制方式135 一 刘。 采用 这种控制 策略时 ， 对 华北电力大学硕士学位论文 传输的功率的控制需要两端的换流站配合共同完成。对于以潮流为控制目标的情 况，调节起来不够灵活、方便。另外，该策略由两端换流站设定值的乘积决定传输 的功率。由于换流站本身也存在功率损耗，换流站吸收和输出的功率是不同的，因 此在以传输到受端网络的有功功率为控制目 标时，如果采用该策略，则控制的精确 性可能会受到影响。由于直流线路电压是和有功功率的平衡密切相关的，直接对 v s c传输功率进行控制，整个输电系统的稳定性也可以得到提高。因此， 本章采用 了一侧换流站定直流电压另一侧换流站定有功功率的向 有源网络供电控制策略。根 据此控制策略，设计了基于有功功率和无功功率独立调节的v s c 一 h v d c控制系统。 221 v s c的稳态模型 v s c联接有源交流网络时的稳态物理模型如图2 一 3 所示，l为换流电抗器的等 效电感;v s c被简化为比例放大器， r为其功率损耗的等效电阻;占 为交流侧系统 电压相位超前v s c左侧电 压基波相位的角度; 凡、 g为交流系统输出的有功功率和 无功功率;尸 。 、q 。 为v s c吸收的有功功率和无功功率。 令x二 口 乙、 r a =arcta fi 万 、 y = 满声 : 由图 2 一 3 可知: 几= 认 矶ysin 必十 a)一 叨ysin a ( 2 一 3 ) 吼= u ， u o y c o s 必+ a ) 一 u 了 y c o s a 只= u，矶y s i n ( 占 一 a ) + 川y s in a ( 2 一 4 ) ( 2 一 5 ) q.二 几 几 认ycos ( 占 一 。 )+衅ycos 。 ( 2 一 6 ) 凡必凡qc从i x 二 l i ne 图2 一 3 v s c的稳态物理模型 式( 2 一 3)一 归一 6 ) 即图 2 一 3中各处有功功率和无功功率同 乱和咨间的基本关系 华北电力大学硕士学位论文 式;式中电压变量均为线电压，功率变量均为三相功率。由式( 2 一 3)一( 2 一 6)可知， 调节uc和占即可控制有功功率和无功功率的大小及流动方向。 直流线路电 压 uc的值由伪和m决定， 设所采用p wm技术的直流电 压利用率 为 1 ，即 0 蕊材簇1 ，有如下关系: m _ ， u 一万u “ ( 2 一 7 ) 创爪毛占 簇哟的值由交流系统电压同调制波之间的相位差决定， 调节调制波的相 位即可改变阳勺 大小。 式 ( 2 一 3) 一 ( 2 一 7) 就是v s c的基本方程式. 2 . 2 . zpid控制原理 v s c 一 h v d c的控制采用pid控制。 pi d控制是历史最悠久、 生命力最强的控制 方式，尽管出现了很多新的控制方法，但目前正在运行的控制回路中，90%以上还 是pi d控制器。 p i d控制经历6 0 多年至今仍被广泛应用， 说明pi d控制具有很强的生命力。 以 往人们认为pid仅适用于慢过程控制，但近一二十年来的电气传动， 机电工程都普 遍采用了pid控制。 大量的智能控制领域都应用pid控制的基本模式或算法， 如基 于神经网络的pid控制器、基于模糊规律的pid控制，基于遗传算法的自适应pid 控制等。pid控制器具有系统的鲁棒性与初步人工智能的特点，且算式实现简单。 pi d控制器的这些特点， 足以证明pid控制在当前及今后相当一段时间内的重要性。 下面介绍一下pid控制算法的基本原理。 pid控制系统的结构如图2 一 4 所示，其中虚线框内为pid控制器。pid控制器 的 输出 值 v( t) 取决于系统给定 值r( t) 和系统输出 值y( o 的 偏差e( t) 、 偏差的 积分、 偏 差的微分的线形加权组合，即 v(t) 一 k，e (t)+ 青 沙 几孚， 二 二 “ ， 十 尤 了 ( 2 一 8 ) 或写成传递函数形式 g (s ) 一 婴= 、 尸 1 十 拼 + 二 ，) 一 、 十 乙l s )1 ， 52 k， - - 二 十人 。 5 月 沪 ( 2 一 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中， ti为积分时间常数: to为微分时间常数: 局为比例系数; ki= 价/ ti为积 分系数;ko= 肠to为微分系数。 尸+e 被控对象 图2 一 4 p i d 控制系统结构框图 pid控制器各校正环节的作用如下: ( 1) 比例环节:成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器 立即产生控制作用，以减少偏差。但比例控制不能消除稳态误差，稳态误差的大小 主要与放大器倍数有关，放大倍数越大，偏差越小; ( 2 )积分环节:主要用于消除静差，提高系统的无差度。只要系统存在误差， 积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差。但是，积分作用太强会使系 统超调加大，甚至使系统出现振荡;积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时 间常数越大，积分作用越大，反之则越强。 3 )微分环节: 反映偏差信号的变化趋势 ( 变化速率) ， 并能在偏差信号变得 太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度、减 少调节时间、提高系统的稳定性、同时加快系统的动作速度、减小调节时间。但微 分环节对高频干扰比较敏感，容易引起控制过程振荡。 如果这三个部分配合适当，便可以得到快速敏捷、平稳准确的调节效果。 2 . 2 . 3基于稳态模型的v s c功率传输方程及功率控制系统设计 v s c 一 h v d c系统与有源交流网络相连时， v s c为双输入 ( p wm的调制波相位 爵口 调制度m)、双输出 ( v s c所吸收的无功和直流电压或直流电流)的被控对象; 与无源交流网 络相连时， v s c是一个双输入(p w m的相位与调制度) 、 双输出 ( 交流 电 压 和直 流电 压或 直流电 流 ) 或单 输出( 交 流电 压) 的 被 控 对 象 139 闷 11 。 考虑到v s c 对交流侧系统的影响，控制从交流侧系统吸收的无功功率 qs很有必要:有功功率 p 。 同直流线路电压的变化有直接的关系，因此对直流侧线路电压进行控制时很关心 变量pc; 若要对交流侧系统进行控制， 则需关注变量几。 因此， v s c的输出量可以 华北电力大学硕士学位论文 有 两 种组合，以 下分别 对取pc、 9和凡、 必为 被控制量的 情况进行讨论. 2 . 2 . 31pc、q s 的传输特性分析 由于三角函数的影响， v s c的功率传输特性比较复杂，使得对功率的控制存在 一定的困难。为了消除三角函数的影响，对其进行如下坐标变换。 a= u 。 cos ( 占 一 a ) b= u 二 s i n ( 占 一 a ) ( 2 一 1 0 ) fj飞l 取 将式( 2 一 1 0 ) 、( 2 一 1 1 )代入式( 2 一 3 ) 、( 2 一 6 ) ，化简可得: 忿= 一 矶ya十 衅y co s a( 2 一 1 1 )