（电力系统及其自动化专业论文）交直流混合系统电压稳定性分析的研究.pdf

x婴型查羔堡堂堡堡苎! ! 塑! ! 矩阵的工作量；引入线性搜索以扩大收敛域，具有全局收敛性和局部超线性收 敛性。 然后，本文又将求解电压崩溃临界点的非线性规划模型和算法进一步推广 到多馈入和多端交直流输电系统中。由于随着换流站容量的增大，直流输电可 靠性的提高和成本的降低，以及直流断路器制造问题的逐步解决，直流输电向 多端系统和多馈入系统发展已是现实的问题。该模型计及了各直流子系统与交 流系统之间以及各直流子系统之间的相互影响。此法能够考虑各种不等式约束 条件，具有较强的鲁棒性和收敛性，且能方便地考虑直流系统的不同运行状态和 控制方式对电压稳定的影响，更加接近实际情况。算例系统的仿真结果表明， 增加交流系统的强度能提高系统的电压稳定裕度；换流站进行无功补偿有利于 电压稳定，其中以s v c 的效果最好；电压关联型的负荷对电压稳定是最有利的， 具有恒定阻抗的负荷较有利于电压稳定；此外，采用适当的直流控制方式比如 整流侧定电流，逆变侧定电压，也可减少电压崩溃的发生。另外，多馈入直流 输电系统中减小两直流输电子系统间的电气距离，多端亩流输电系统中选择容 量最大的换流站按定触发角或定熄弧角特性运行，也有利于换流站交流母线的 电压稳定性。 最后，本文讨论_ r 电压稳定预防和校正措施，从发电系统、传输系统两方 面来提高系统的短路比，负荷系统控制功率消耗，t t v d c 系统中合适无功补偿、 适当的控制方式以及在电压稳定监测和控制中采用新技术，都是可以提高电压 稳定性的。 关键词：电力系统电压稳定h v d c 多馈入直流输电系统多端直流输电系 统非线性规划序列次规划法 i i 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) v o l l a g es t a b i l i t ya n a 【y s i so fa c d c c o m b i n e ds y s t e m e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：z h a n gm e i a d v i s o r ：l i u t i a n q i w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，d e m a n do fp o w e ri nv a r i o u s i n d u s t r i e sh a si n c r e a s e d s h a r p l y a s ar e s u l to fi t st e c h n i c a la n de c o n o m i c a l a d v a n t a g e s ，h v d ct e c h n o l o g y h a sb e e n p l a y i n g a n i m p o r t a n tr o l e i nt h e d e v e l o p m e mo fp o w e ri n d u s t r ys u c hi t sl o n gd i s t a n c eg r e a tc a p a c i t yt r a n s m i s s i o n a l t h o u g ha c d cc o m b i n e dt r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e nt h ei n e v i t a b l et r e n d , i th a s a l s ob r o u g h tas e r i e so fn e w p r o b l e m s t h ep h e n o m e n o no fv o l t a g ei n s t a b i l i t yo nt h e c o n v e r t e rb u si sa ni m p o r t a n tp r o b l e ma f f e c t i n gn o r m a lr u n n i n go f h v d c ，e s p e c i a l l y h v d cs y s t e mc o n n e c t e dt ow e a ka cs y s t e m t h i si sac h a l l e n g ef o rf e a s i b i l i t ya n d c o n t r o lo fh v d c ，s ohi sn e c e s s a r yt os t u d ym a t h e m a t i c a lm o d e la n da r i t h m e t i cf o r v o l t a g es t a b i l i t ya s s e s s m e n to l lc o n v e r t e rb u so f a c i x ? p o w e rs y s t e m i no r d e rt of i n dp r o p e rm e t h o dt oe v a l u a t ev o l t a g es t a b i l i t yo fa c d cs y s t e m ， t h i sp a p e rs l i m su pa n de v a l u a t e sm e t h o d so fs t a t i cv o l t a g es t a b i l i t ya n a l y s i sf o r a c d cs y s t e mf i r s t l y t h ed i v e r s i t yo fh v d cc o n t r o lf a s h i o na n dr u n n i n gf a s h i o n r e s u l t si nc o m p l e x i t yo fa s s e s s m e n tm e t h o do fc o n v e r t e rb u sv o l t a g es t a b i l i t y u n t i l n o w ，t h e r ei sn os y s t e m i ca n a l y t i c a lm e t h o d m o s tm e t h o d sa d o p t e da r ee x t e n d e d f r o mt r a d i t i o n a lm e t h o d sf o ra cs y s t e m t h ed i f f i c u l t yf o re x t e n s i o ni su n i n t e r r u p l e d c o n s i d e r a t i o no fo v e r f l o wo fh v d cs y s t e mv a r i a b l e sa n da d j u s t m e n to fh v d c c o n t r o lf a s h i o nw i t ht h ei n c r e a s eo f l o e d a n dt h ed e c l i n eo f c o n v e r tb u s v o l t a g e a st h en o n l i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lo fa n a l y s i so fv o l t a g es t a b i l i t yf o ra c s y s t e mh a sb e e np r o p o s e d , t h i sp a p e rc o n s o l i d a t e sa cp a t t e ma n dd cp a t t e r na n d m 四川大学硕七学位论文( 2 0 0 6 ) c o n v e r t s t h ec a l c u l a t i o n o f p o i n t o f c o l l a p s e ( p o c ) o f a c d cs y s t e m t oa p r o b l e mo f o p t i m i z i n gl o a d w h i c hi ss o l v e db ys e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n gm e t h o d ( s q p ) t h i sm e t h o dc a np r e s e n tt h ed i s t a n c ef r o mi n i t i a lp o i n tt op o i mo fc o l l a p s e c o n s i d e r i n go v e r f l o wo fh v d cs y s t e mv a r i a b l e sa n da d j u s t m c n to fh v d c c o n t r o l f a s h i o n s q ph a sn o tt h ep r o b l e mo fs t r i c tr e s t r i c t i o nt oi n i t i a lp o i n t , u s e sb f g s c o r r e c t i o ne x p r e s s i o no fq u a s i n e w t o nt or e d u c 2t h ec o m p u t a t i o no f h e s s i a nm a t r i x a n di m p o r t sl i n e - s e a r c hi oe x p a n dc o n v e r g e n c er e g i o n s q pa l g o r i t h mh a sg l o b a l c o n v e r g e n c ea n dl o c a ls u p e r l i n e a rc o n v e r g e n c e a n dt h e n , t h en o n l i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e la n da l g o r i t h mo fc a l c u l a t i o no f p o i n to fc o l l a p s ei se x t e n d e di n t om u l t i i n f e e dh v d cs y s t e ma n dm u l t i t e r m i n a ld c t r a n s m i s s i o ns y s t e m w i t i lt h ei n c r e a s i n go fc o n v e r t o rc a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo f h v d c t h ed e v e l o p m e n to fm i d ca n dm t d ch a sb e c o m e 锄i n e v i t a b l et r e n d t h e p r o p o s e da p p r o a c hi sa f f a b l et od i s p o s eo fa l l k i n d so fi n e q u a l i t yc o n s t r a i n t sa n d s h o w si t ss t r o n gr o b u s t n e s sa n dg o o dc o n v e r g e n c e t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tk i n d so f h v d cc o n t r o la n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no nt h ev o l t a g es t a b i l i t ya r e i n t r o d u c e d n u m e r i c a le x a m p l e sp r o v et h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dm o d e la n d a l g o r i t h m t h er e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s eo fa cs y s t e ms h o r tc i r c u i tr a t i o 、v o l t a g e a s s o c i a t e dl o a dc h a r a c t e r i s t i c s 、a d e q u a t er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dd c c o n t r o lm e t h o dc a l li m p r o v et h es y s t e mv o l t a g es t a b i l i t y i na d d i t i o n , r e d u c t i o no f e l e c t r i cd i s t a n c eb e t w e e nt w oh v d cs u b s y s t e m si nm i d ca n ds e l e c t i n gt h e c o n v e r t o rw h i c hh a st h em a x i m a lc a p a c i t yt oc o n t r o ld cv o l t a g ei nm t d cc a l la l s o b ep r o p i t i o u st ov o l t a g es t a b i l i t yo nc o n v e r t o rb u s f i n a l l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sp r e v e n t i v ea n dc o r r e c t i v ec o n t r o lm e a s u r e s n o t o n l yp r o p e rm e a s u r e si ng e n e r a t i o ns y s t e m 、t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dl o a ds y s t e m ，b u t a l s oa d e q u a t er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dd cc o n t r o lm e t h o do f h v d cs y s t e m c a ni n c r e a s et h e1 0 a dp o w e rm a r g i na n da v o i dv o l t a g ec o l l a p s e k e y w o r d s ：h v d c ；v o l t a g es t a b i l i t y ；m u l t i - i n f e e dh v d cs y s t e m ；m u l t i t e r m i n a ld c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ；s e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g m e t h o d ； i v 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第一章绪论 1 1 交直流混合系统电压稳定研究的意义 随着社会政治，经济，文化的发展，人民生活水平逐步提高，电能需求量 也日益增加，发电设备的容量及其出力不断增长，同时供电范围也相应的扩大， 负荷也越来越重，大容量发电机组，交流超高压线路及直流输电和新型控制装 置等得到了普遍应用。现代电力系统发展的一个趋势是邻近电力系统的互联。 从运行的经济和安全性看，系统互联带来了巨大的效益。以高参数、大机组、 大电厂、大电网、商电压、远距离及高度自动化为特征的大电力系统具有许多 突出的优点：有利于大范围的优化配置资源；大电网可以安装大机组，大机组 效率高，有利于节省投资，节约燃科，降低发电成本，加快电力建设速度；提 高供电可靠性，各地区各类电源互为备用，增强了抗事故的能力；利用不同地 区的时差，错开高峰负荷，减少了备用机组容量；利用水、火、核电之间的互 补调节，实现水、火、核电的经济调度；大电网能承受较大冲击负荷，改善电 能质量。大电力系统是电力工业发展的客观要求和必然趋势。我国的水能资源 可供开发的蕴藏量为3 8 0 g w ，位于世界之首，但分布不均，西南占全国的6 7 9 。 我国己探明的煤炭储量达8 7 0 g t ，华北占全国的6 4 。以上动力资源9 0 分布在 京广铁路以西，而电力负荷却主要分布在沿海一带。动力资源与电力负荷的分 布不均的特点决定了我国发展的“西电东送”、“北电南送”的格局。我国正在 实行的全国电网互联和西电东送的战略，是我国国民经济持续发展的需要，是 建立和健全电力市场机制的基础，是缩小东西部经济发展差距的一项重大措施。 在克服大系统互联困难的研究中，人们又想到了直流输电，高压直流输电 技术为这种发展趋势提供了最好的解决方案。近年来，高压直流输电( h v d c ) 以其技术上、经济上和安全性等方面特有的优越性，如无功角稳定问题，无电 晕损耗、无功损耗，抗干扰能力强，造价低，调节速度快，传输功率大，可快 速改善电力系统有功潮流分布以及能改善系统稳定性等，在大容量远距离输电、 区域互联等方面得到广泛的应用，对我国电力工业的发展起到十分重要的作用。 现代大电力系统往往是交直流混合输电系统。我国的高压直流输电研究从2 0 世 四川大学硕七学位论文( 2 0 0 6 ) 纪5 0 年代末才开始，虽然起步较晚，但其发展前景是广阔的。为了配合三峡等 多个大型水利水电工程，适应“西电东送”、“北电南送”与全国联网发展战略 的需要，我国己建成和规划了多条直流输电线路，特别是负荷最为集中的广东、 华东地区都将成为三条及以上直流线路的落点。1 9 8 7 年我国自行建成舟山1 0 0 k v 海底电缆直流输电，1 9 8 9 年葛洲坝一上海直流工程投运，2 0 0 1 天生桥一广州直流 工程投运，继贵广一回工程正式投入运行之后，贵广二回项目又得到国家发改 委的肯定性批复。继三峡- 常州直流工程、三峡一广东直流工程正式通过国家验 收后，三峡一上海直流输电项目( 三上直流) 正式开建。据有关资料，十一五”期 间，还将有西北银南至华北天津东等直流输电工程计划建设，到2 0 2 0 年，我国 直流输电工程将有约2 2 项，其总容量超过6 0 0 0 万千瓦。我国已成为世界范围 内直流输电应用前景最为广阔的国家。随着三峡工程的建成，在2 0 1 0 2 0 2 0 年 问我国将形成以三峡电站为中心的全国统一电网，目前各孤立的区域电网将用 直流或交流联成一个统一的整网。以及随着“西电东送”战略的实施。多回直流 输电线路落点于同一交流电网，即多馈入直流输电系统( m i d c ，m u l t i - i n f e e d d i r e c tc u r r e n t ) 的出现将是不可避免的，我国己跨入交直流混合大电网时代， 采用交直流输电已成为必然趋势。 大电力系统运行的突出问题是：调度复杂；系统稳定( 角度稳定、频率稳定 和电压稳定) 问题更突出：事故造成的损失巨大。由于环保的制约以及电力市场 的竞争机制使电网运行在电压裕度很低的工作点，所以电压稳定问题变得越来 越严重。由于电压崩溃而导致电力系统瓦解的事故在国内外的一些大电网曾多 次发生，如1 9 7 8 年1 2 月9 日的法国电压崩溃事故、1 9 8 7 年7 月2 3 日的日本东 京大停电、1 9 9 6 年7 月2 日的美国西部( w s c c ) 大停电以及2 0 0 3 年8 月1 4 日发 生的美加停电事件，其停电范围之大、时b j 之长、影响之广、危害之深都是史 无前例的，被称为“世界电力发展史上最大的事故”，这一系列停电事故都 造成了巨大的经济损失和社会生活紊乱，电压崩溃己成为威胁系统安全运 行的重要问题之一。 高压交流输电带来巨大效益的同时，也带来了运行的复杂性，随之而来将 出现一系列技术上和管理上的新问题。交直流混合系统的运行会出现许多严重 的技术问题，其中之一就是与直流系统相连的弱交流系统的电压稳定性问题。 与交流系统相连的h v d c 给电力系统带来不良的负荷特性。随着h v d c 在电力系 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 统的快速应用，每个换流站所消耗的无功功率随传输功率的增加而增加，直流 系统的无功在全系统所占的比例都在增长。对交直流联合电力系统，当h v d c 为 负荷地区提供电力时，换流站消耗的无功功率可为直流系统所传输有功功率的 5 0 6 0 ，即与h v d c 联接的交流系统变得很弱。这使得与直流端相连的交流端的 电压稳定性问题变得日益严重，尤其是对受端为弱交流系统。在m i d c 系统中， 某一直流系统换流母线的电压除了受到所在系统的影响外，还受到与其相联的 其他直流系统的影响，而换流母线的电压质量直接影响到直流输电系统的换流。 换流站交流母线的电压稳定问题是困扰直流输电系统正常运行的一个重要问题， 特别在受端系统较弱时更是如此“。交流系统故障及切除后，作为对交流系统 紧急支援的一种手段，直流输电系统的快速恢复将有助于缓解交流系统的功率 不平衡。但有时，过快的直流功率恢复却又可能造成后继的换相失败和交流系 统的电压失稳。这实际上对i v d c 的可行性和它的控制提出了挑战。所以进行交 直流混合系统换流站交流母线电压稳定性评估的模型和算法研究是十分必要的， 能够判断电力系统具有多大的电压稳定裕度，并指出采取合适的控制措施使电 力系统运行在安全裕度之内，可以作为调度运行人员判断电压稳定性程度的一 种简单、快捷的工具，预防电压崩溃事故的发生。但直到目前为止，还没有形成 系统化的分析方法。直流端控制方式和运行方式的多样性使得寻找评价交直流 混合系统电压稳定性的方法比较复杂。 1 2 交直流混合系统电压稳定性的研究现状 电压稳定作为电力系统稳定的一个方面，是当今许多电力系统所面临的挑 战性问题。近年来，针对电压稳定问题各国己开展了大量的研究，并已取得了 很大的进展，建立了电压稳定问题的系统模型，提出了电压稳定判据、电压稳 定裕度指标和电压稳定的预防校正控制措施。但与成熟的功角稳定性相比，不 仅电压稳定问题的理论体系还没建立，甚至对电压失稳的机理部尚未达成共识， 对各种电力系统元件对电压稳定性的影响也是看法不一，这些都有待于深入细 致的研究。早期的研究普遍认为电压稳定是一个静态问题，因此研究集中在从 静态观点即用p v 曲线和q v 曲线来解释电压崩溃的机理，以及基于潮流方程求 取维持电压稳定的极限运行状态。随着研究的深入，人们逐渐认识到电压稳定 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 问题的复杂性和从动态观点来进行研究的必要性，认识到负荷的动态特性、系 统元件的动态特性、系统的结构、参数、运行工况以及控制系统等部会影响到 电压稳定性，从而开始重视电压崩溃现象的动态机理分析和对仿真模型的要求。 由于直流系统控制方式和运行方式多样，分析交直流系统电压稳定的方法 比较复杂，许多方法部是把用于交流系统静态电压稳定分析的方法推广到交直 流系统中。推广的难点在于：交直流联合系统中，虽然直流子系统占的比重不大， 但直流系统的变量众多( 每个双极换流器有1 1 个或1 5 个变量) ，而且由于随着 负荷的增加，换流站交流母线电压不断下降，需要不断考虑直流系统变量是否 越限以及直流系统运行方式的合理调整。 交流系统和直流系统间的相互作用以及相关问题在很大程度上取决于交流 系统与直流系统容量的大小。由于交流系统的阻抗较高，机械惯量较小，从这 两个方面可以把交流系统看成是弱的。对换流站交流母线的电压稳定性进行分 析，文献 3 曾提出了一种基于短路容量或短路比( s o d 概念的简化分析方法来 评估电压稳定性问题，系统越强，换流站交流母线的电压稳定性越强。此法简 单、快速，但不能考虑许多实际因素包括交流系统的无功功率特性和直流输电 系统的控制特性等对电压静态稳定性的影响，因此评估结果可能很不准确，而 且也不能为系统的设计和运行提供足够多的信息。 文献 4 ，5 以电压稳定性因子( v s f ) 作为稳定性判据，基于电压灵敏度， 类似于交流系统中的d q d v 指标，把系统状态对系统变量微小变化的灵敏度作 为电压稳定的衡量标准，后来的特征值分解技术也是基于这些概念。v s f 法能计 算出任意连接的交直流系统中换流站交流母线的的电压稳定因子，考虑了交流 系统的无功特性、直流系统的控制方式等，不需要对雅可比矩阵进行大量修改， 实现容易。但是未能计及直流运行状态的转换，并且只能定性不能定量地分析 电压失稳，对于有大量无功支持的母线也不适用。 文献 6 根据雅可比矩阵和特征值分解技术来评估电压稳定性。它的基本思 路是，计算潮流雅可比矩阵的特征值时，在系统运行点把雅可比矩阵降阶到合 适的阶数，计算此时的最小特征值和它相关的特征向量，最小特征值为零时的 状态为临界状态。从特征向量得到的参与因子能确定临界母线，以此来确定s v c 补偿的最有效位置。但当系统发电机达到无功限制后，特征值线性条件不好， 故对电压崩溃的预测性比较差。另一个缺点是计算量比较大。 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 负荷特性对以上方法的影响近来才被考虑，文献 7 中对这些方法运用于单 极h v d c 、单极h v d c 与交流线路并联及多馈入直流系统( m i d c ) 中，负荷特性对 电压稳定裕度的影响进行了阐述和延伸。 对于h v d c 系统的电压失稳，以上研究多关注于计算方面，最近才从非线性 动态系统方面进行了机理方面的研究，仅限于单极h v d c 系统中的鞍结分岔和 h o p f 分岔。文献 8 对h v d c 系统的非线性现象进行了分析，提出h v d c 的电压失 稳机理是由于h o p f 分岔而导致的振荡失稳。 基于非线性系统的分岔理论，文献 9 采用崩溃点法( p o c ) 来计算电压稳定 的裕度，此法计算速度快，且产生左、右特征值向量，这些信息可以用于提高负 荷裕度。但此法对初始值要求苛刻，无法反映控制约束尤其是发电机无功限制。 文献 1 0 运用连续潮流法，通过对功率方程和雅可比矩阵进行修改，并增加控制 方程，寻找连续的潮流解。此法的优点是能得到完整的p v 曲线和对系统稳定分析 有用的非稳定平衡点信息。另外能够反应由于发电机无功限制出现的紧急不稳定 点，即极限诱导分岔。此法的缺点是计算量大。 文献 1 1 把交流系统电压稳定临界点的求取转化为优化负荷的问题，而后采 用非线性规划的方法进行求解。该方法能够考虑各种不等式约束条件，具有较强 的鲁棒性和收敛性，能够求得较为精确的临界点，是进行电压稳定分析的一种有 效的方法。因此可以考虑将此法用于交直流混合系统电压稳定分析中。 以往研究h v d c 系统稳定性都假设了一些准静态条件，文献 1 2 采取了动态 方法。对系统动态模型对h v d c 系统稳定极限的定性和定量影响进行了分析，使 得h v d c 的稳定性研究更加深入，接近实际。 近来人们致力于把这些方法推广到单极h v d c 与交流线路并联系统和多馈入 直流系统中去。增加多端直流网络后，计算中的困难主要来自以下几个方面：换 流器有多种不同的运行控制方式，故应方便计及直流系统运行方式的调整：换流 变压器的变比属于离散变量；需考虑交直流网络间，以及直流网络之间的相互影 响文献 1 3 1 提出m i d ( 系统换流母线电压稳定性评估的模型和算法，将v s f 法推 广n m i d c 系统中。文献 1 4 分别通过雅可比矩阵和特征值分解技术提供电压失稳 的裕度和控制信息，根据节点参与因子来确定临界节点，即采取补救措施的最佳 位置，以提高电压稳定性。崩溃点法和连续潮流法也己被推广到m i d c 系统中，用 以计算m i d ( 系统的功率裕度。 5 四jr l 大学硕+ 学位论文( 2 0 0 6 ) 对于电压稳定性。已有的研究多足针对小扰动进行的，且大多采用基于电压 稳定因子( v s f ) 指标和特征值分析的方法。对大扰动下的电压稳定性研究，目前 尚无系统化的方法。寻找更为合理的动态电压稳定判定指标，搞清电压失稳与 功角失稳的关系应是今后研究的方向。大扰动分析法是分析系统遭受大扰动或 处于小干扰稳定裕度边缘时的电压稳定性，目前方法主要有时域仿真法和能量 函数法，前者仿真采用的模型差异大，突出的问题是负荷建模，后者对于具有复 杂的动态性能和有损耗的系统，不能保证能量函数的存在。 用于分析交直流电压稳定的模型将直接影响仿真分析结果的可信度和由此 所制定的控制策略的正确性。在动态电压稳定性研究过程中，一般采取交流网 络和直流网络分别仿真。直流系统换流站应采用电磁暂态模型来描述各阀的导 通或截止情况，及其对电流和电压的影响。目前美国e p r i 已将交流网络准稳态 模型和直流系统的电磁暂态模型接口，分析交直流系统的暂态电压稳定。此模 型虽精度高，可适应直流系统各种故障和保护控制的特点，但直流系统的计算 十分复杂。故在工程中，直流系统换流器广泛采用准稳态( q s s ) 模型，此模型 简单，计算速度快，多数情况可满足工程计算的精度要求。 但在m i d c 系统中，某一直流系统换流母线的电压除了受到所在系统的影响 外，还受到与其相联的其他直流系统的影响，直流系统换流器采用q s s 模型分 析缺乏准确性。直流系统采用电磁暂态模型可精确描述换相失败现象，但受求 解规模的限制难于应用于实际大电网仿真。这一问题成为含h v d c 装置的电力系 统稳定性分析和协调控制的瓶颈。 一种可能的方案是通过对电磁暂态模型进行抽象和简化，保留引起换相失 败的特征系统变量，用开关函数表示开关状态，利用动态向量法“等分析工具 建立介于o s s 模型和电磁暂态模型之间的直流换流动态相量模型及相应的交流 系统模型，在一定范围内如稳定性分析中代替电磁暂态模型，且模型的复杂程 度可根据分析的需要而改变。运用动态向量法进行h v d c 建模目前还处于探索阶 段。另一种即混合仿真，是对扰动邻近区域采取电磁暂态模型模拟交直流系统， 其它区域则采用交流向量模型和直流换流器的准稳态模型，把机电暂态仿真和 电磁暂态仿真结合起来“。混合仿真的关键就是如何实现机电暂态部分与电磁 暂态部分的接口，而动态相量法可以用于解决此问题。文献 1 7 提及了实现后 一种设想的可能性，但国内外迄今仍无较成熟的建模实例。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 3 本文所做的工作 人们对电压稳定的研究水平还较为初步，对电压失稳或崩溃的机理的认识 还不够，还没有建立起比较完备的电力系统电压稳定分析控制体系。随着h v d c 在电力系统的快速应用，采用交直流输电已成为必然趋势，而换流站交流母线 的电压稳定问题是困扰直流输电系统正常运行的一个重要问题，特别在受端系 统较弱时。由于直流端控制方式和运行方式具有多样性，因此需要寻找一种快 速、有效的方法来分析实际交直流混合电力系统的电压稳定程度，并提出改善 电压稳定的措施和紧急状态下的应变措施。从而防止电压崩溃的发生。 为此，本文将直流端等效成依赖于换流站交流母线电压的可变负荷，将电 压稳定临界点的计算作为一个以电力系统中负荷增量的最大值为目标函数并考 虑系统中各种约束的非线性规划问题来处理，即将临界点的求取转化为优化负 荷问题，然后采用序列二次规划法求解。并详细分析了各种因素如直流控制方 式、无功补偿等对整个系统电压稳定性的影响，进而提出提高电压稳定性的措 施。本文所做的主要工作如下： 1 对现有交直流系统静态电压稳定性分析方法进行归纳比较，评价了它们 的优缺点。得出分析交直流混合系统电压稳定性的难点在于：随着负荷的增加， 换流站交流母线电压不断下降，需要不断考虑众多直流系统变量是否越限以及 直流系统运行方式的合理调整。另外，对交直流混合系统动态电压稳定性分析 中建模的现状和存在的问题以及动态负荷对电压稳定的影响方面进行了描述。 还分别从交流系统和直流系统两方面讨论了防止电压失稳的措施。 2 为了有效地处理该难点，采用非线性规划法来求解交直流混合系统电压 稳定的裕度。在交流系统电压稳定性分析的非线性规划模型的基础上把交流 模式和直流模式统一起来，将交直流混合系统电压崩溃临界点的求取转化为非 线性规划问题，并用序列二次规划法( s q p ) 进行求解。该方法可高效地处理各 种线性和非线性约束，直流系统运行方式的调整可通过调用不同约束子程序方 便实现。s q p 法利用b f g s 拟牛顿修正公式来产生海森矩阵的近似，以减少计算 海森矩阵的工作量；引入线性搜索以扩大收敛域。最后通过算例的仿真计算， 考虑各种不等式约束条件如发电机无功限制等、不同负荷特性、不同无功补偿 方式以及直流系统的不同运行状态和控制方式，验证了该模型及算法的有效性。 7 四j i i 大学硕七学位论文( 2 0 0 6 ) 3 为了增强该模型和算法的通用性和有效性，将求解电压崩溃i 临界点的非 线性规划模型和算法分别推广到含有多馈入直流输电系统和多端直流输电系统 的交直流混合输电系统中。增加多端直流网络后，计算中的困难主要来自以下 几个方面：换流器有多种不同的运行控制方式，故应方便计及直流系统运行方 式的调整：需考虑交直流网络日j ，以及直流网络之间的相互影响。该方法只需 简单修改约束文件即可方便计及各直流子系统与交流系统之间以及各直流子系 统之间的相互影响，考虑各种不等式约束条件、直流系统的不同运行状态和控 制方式对电压稳定的影响。最后通过算例的仿真计算，验证了该方法的有效性。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第二章交直流混合系统电压稳定性分析方法的研究 2 1 电压稳定的概念及分类”1 电力系统电压稳定性是电力系统稳定性的一个分支。i e e e 最早给出了电压 稳定性、电压崩溃和电压安全性的定义。所谓的电压稳定性是指系统维持电压 的能力。当负荷导纳增大时，负荷功率亦随之增大，并且功率和电压都是町控 的。所谓的电压崩溃，是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的 电压f 降的过程( e g 压也可能是由于“角度不稳定”而崩溃的，最初的起因往往 仅在事故后的细心分析中才能发现) 。一般认为，电压稳定是电力系统在额定运 行条件下和遭受扰动后系统中所有母线都持续地保持可接受的电压的能力。电 压崩溃的诱冈有许多：一些渐进变化比如系统负荷的增长：突发性的大扰动比 如失去一个发电单元或一条重负荷的线路；无法满足系统对无功的需求；发电 端与负荷之间距离过远；有载调压变压器动作；不良的负荷特性；各种控制与 保护装置之间协调不佳；并联补偿电容器的过度运用等等。 对于电压稳定的分类，国际上有不同的观点：按扰动大小分类町分为大扰 动电压稳定和小扰动电压稳定；按研究的时间范畴分类可分为暂态电压稳定、 中期电压稳定和长期电压稳定；按照研究的方法分类：静态电压失稳、动态电 压失稳和暂态电压失稳。综合以上电压稳定分类方法，在研究中把电压稳定大 致分为两类，一类是静态电压稳定，通常采用线性化的系统模型，利用对矩阵 特征值和特征向量的分析来对系统在小扰动的情况下如负荷缓慢增加而导致的 电压失稳现象进行研究：另一类足动态电压稳定，通常采用动态的系统模型， 利用时域仿真来时系统在丈扰动情况下产生的电压不稳定现象进行研究。 2 2h v d c 对电压稳定的影响 交直流系统相互作用的简化模型如m 2 - 1 所示。i v i ) c 联线对电力系统而言表 现为一种不理想的。负荷”特性，这里讨论的直流“负荷”通常是指h v d e 逆变 站的无功消耗，该逆变站向电源短缺的负荷区域提供功率。h v d c 换流站( 整流 站或者逆变站) 消耗的无功功率约等于直流功率的5 0 毛0 ，这使得与直流端 9 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 相连的交流端的电压稳定性问题变得日益重要。不理想的负荷特性是由于h v d c 所采用的控制方法，以及用于向换流站提供无功功率的并联电容器补偿装置。 由于技术和经济的原因，在长距离输电情况下最容易出现问题( 背靠背联线通常 也远离电力系统的主要负荷中心) 。对于电力系统电压稳定性而言，具有长距离 直流输电线路的逆变站存在的问题最严重。实际系统中，交流输电线路可以和 直流输电线路并联。在电力系统遭受扰动后，h 1 ，d c 电压稳定控制在几分之一秒 或最多几秒之内起作用，因此系统暂态稳定性问题( 包括暂态阻尼) 通常和电压 稳定性问题相互关联“。与弱交流系统相连的h v d c 系统被认为是引起电压不稳 定的一个因素。由于直流端多种多样的控制方式和运行方式，寻找一种评价交 直流系统电压稳定性的方法相当复杂。 图2 - i 交直流系统相互作用的简化模型 卜 2 3 交直流混合系统电压稳定分析方法 由于直流系统控制方式和运行方式多样，分析交直流系统电压稳定的方法 比较复杂，许多方法都是把用于交流系统静态电压稳定的方法推广到交直流系 统中。推广的难点在于随着负荷的增加，换流站交流母线电压下降，要不断地 考虑直流系统变量是否越限以及运行方式的调整。 2 3 1 有效短路比法 交流系统和直流系统间的相互作用以及相关问题在很大程度上取决于交流 系统与直流系统容量的大小。对换流站交流母线的电压稳定性进行分析，最早曾 提出了一种基于短路容量或短路比( s c r ) 概念的简化分析方法来评估电压稳定 性问题，系统越强，换流站交流母线的电压稳定性越强。 为了定义交流系统的强弱，可以把连接换流站的交流系统进行戴维南 i o 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) ( t h e v e n i n ) 等值。短路比( s c r ) 的定义为交流系统短路容量( 柳a ) 与直流换流器 额定功率( m w ) 之比，即 觚= 盏糕慧器( 2 - 1 ， 交流系统短路容量由下式得出： ：型三(2-2) z l | 其中【，。是额定直流功率下的换流母线电压；z 。是交流系统的戴维南等效阻 抗。 为了同时考虑等效阻抗和换流站交流滤波器及无功补偿电容器的作用，引 入了有效短路比( e s c r ) 的概念。有效短路比的定义为 e s c r = 盟塑甏慕鬻蒙舞喾型坐s ， 高压直流系统的控制在大多数交流和直流间相互作用的现象中起着重要的 作用，因此在评估交流系统强弱程度时，必须考虑控制的作用。传统的交流系统。 其强度按下述分类：高，如果e s c r 大于5 ；中，如果e s c r 在3 至5 之间：低，如果e s c r 小于3 。 对于潜在的交流和直流系统间相互作用问题，上述对交流系统强度的分类 提供了一个初步评估的手段。此法简单、快速，但不能考虑许多实际因素包括 交流系统的无功功率特性和直流输电系统的控制特性等对电压静态稳定性的影 响，因此评估结果可能很不准确。而且也不能为系统的设计和运行提供足够多 的信息。 2 3 2 电压稳定性因子法 对于图2 一l 所示的交直流混合系统相互作用的简化模型，直流输电系统可看 作是挂靠在换流站交流母线上的一个可变负荷。采用基于电压静态稳定的实用 判据，即所谓的坦d v 判据时，q = - q 。一q d + q ，。电压稳定性因子( v s f ) 的定 义是：对于给定的直流输送功率水平。小的无功功率变化引起换流站母线交流电 压增加的变化，即 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) = 面d v ，吼v 一，。= 吧，口 i ( 2 4 ) 式中，q 6 、n 分别为所选取的基准容量和基准电压：势、势和势分别 为给定功率水平n o 下，换流母线处交流等值网络、换流站和滤波器及无功补偿 等系统元件的电压调节系数。现在已提出了几种不同的计算电压稳定指标 d q d v 或d v d q 的方法，并可以考虑交流系统的无功功率特性和直流输电系统 的控制方式对换流站交流母线电压静态稳定性的影响。 当一个交流系统内含有多个直流换流站时，各换流站交流母线的电压稳定 指标d q d v 或，坦很难象只含单个换流站时那样可以直接求出。因而开发一 种适用于含多个直流换流站的交直流电力系统电压静态稳定分析方法还是一个 需要进一步研究的课题。有文献已提出m i d c 系统换流母线电压稳定性评估的模 型和算法，提出了m i d c 系统电压调节系数耦合度的概念，将v s f 法推广到m i d c 系 统中。 电压稳定性因子( v s f ) 法能计算出任意连接的交直流系统中换流站交流母 线的的电压稳定因子，考虑了交流系统的无功特性、直流系统的控制方式等， 不需要对雅可比矩阵进行大量修改。实现容易。但是未能计及直流运行状态的 转换，并且只能定性不能定量地分析电压失稳，对于有大量无功支持的母线也 不适用。 2 3 3 模态分析法“ 模态分析技术是利用系统静态模型，计算简化雅可比矩阵规定数目的最小 特征值及其特征向量。特征值的大小提供了电压不稳定的相对量度，特征值越小 相应的模态电压越脆弱。特征向量用来描述模态，它提供关于网络元件和发电机 在每一个模式中的参与程度和电压失稳机理的信息。 在交直流混合系统中。潮流方程的基本形式仍然是公式( 2 - 2 4 ) 的形式，但是 潮流方程必须结合h v d c 的换流器方程。在具体处理的时候，可以把h v d c 换流器 处理为负荷，并且该负荷是依赖于电压的