（电力系统及其自动化专业论文）新型多端直流输电系统的运行与控制.pdf

摘要 是由于没有考虑交直流系统的相互耦合，因此收敛性较差，计算效率较低。因此文中设计了 改进的交直流潮流统一计算方法，该方法既简化了编程，又提高了程序的收敛性。实际算例 证明了这些模型和算法的正确性及有效性。但是由于直流系统方程求解困难，因而改进的交 直流潮流统一潮流算法应用受到了一定限制，因此作者进一步提出了改进的交替求解法。该 方法不仅具有统一法和交替法的优点，而且具有较强的适应性以及较高的计算效率。 最后，作者研究了并联系统的静态稳定性以及运行问题。文中阐述了多端系统静态稳定 问题的实质，随后引入了混合势函数的概念，并将其扩展到多端v s c h v d c 系统( v s cm t d c ) 稳定性的分析。该势函数可以视为一种李雅普诺夫能量函数，通过李雅普诺夫第二类稳定性 判别准则，就可以判定电路是否稳定。该方法不仅对理论研究具有参考价值，而且对于具体 的工程设计也提供了一种实用的判定准则。此外本文对v s c 多端系统的运行与保护特点也进 行了初步的研究与探讨。 关键词：直流输电新型直流输电多端直流输电多端新型直流输电交直流潮流 a b s t m c t o p e r a t i o na n dc o n t r o lo fv s c b a s e dm u l t i - t e r m i a l h v d c s y s t e m p l 】dc a i l d i d a l e ：口nq i a n s u p e r v i s o r ：p r o t a n gg u o q i l l g a b s t r a c t v s c 一 d c ( v s cb a s e d 两曲v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ) i san e w 七e c h n o l o g yo fe l e c t i i cp o w e r c 啪b m i s s i o n ，w h i c hi sb a s e do nv s c ( v o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e f ) c o n v e r t e r s t h ec o n v e r t e ri s c o n s i s t c do fl l i g hp o w e rf l l l l - c o n t r 0 u e ds e 血一c o n d u c t o rv a l v e s t h ea cp o w e rs y s t e mh a ss h o w n s o m ed i s a d v a i l t a g e si n 沁d e v e l o p m e n t ，s u c ha s l ei n s t a b i l i t yo f1 0 n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n ，e t c ，i n c o l r a s tt oa ct r a n s m i s s i o n ，t h ec r a d i d o n a lp c c ( p h a s ec h a n g ec o n v e r t e r ) b a s e dh v d ch a s u n p a r a l l d e da d v a n t a g e si ns 0 m ea r e a s ，s u c ha sl o n gd i s t a n c ep o w e rt r a n s m i s s i o no ra s y n c h r o n o u s i i l t e i 恤1 l 【o fl a 玛ec a p a c i c ys y s t e m t h ep c c h v d ch a s g r e a td e v e l o p m e n cs i n c e1 9 6 0 sa n d c o 血u et od e v e 】o pa c - d ci n t e m i l k e dn e 船o r kw l l i c hh a sp r o i s i n g 血t i l r e t h ep c c h v d ca l s o h a sl i m 缸a sf e o w s ：u n a b l et os u p p l yf o rt h es m a l lc a p a c i t ys y s t c ma i l dt h el o a dw i t h o u tr e v o l v i n g m o t o r s ；p r o d u c e sl a 瑁ei o wf r e q u e n o yh a 皿。血c sa n da b s o r b sl a 曙er e a c 吐v ep o w e r ；e x p e n s i v ei i n v e s t m e n to fp c cc o n v e r t e rs t a d o n b e c a u s eo ft h e s el i m i t s t h et r a d i d o n a lp c c h v d c t r a n s m i s s i o nt e c l l l l o l o g yi sa t d i s a d v 锄t a g ep o s m o ni nc o m p e d n gw i t ha ct r a n s m i s s i o n t h e t r a d i o n a lp c c h v d c a i l l l ya p p l i e dj nl o n 乎d i s t a n c el a 曙e c a p a d t yt r a n s m i s s i o nw i t h 如v o l t a g e o v e r2 2 0 k vs e a g r o u n dc 曲1 ec 啪s m i s s i o na n da s y n c h r o n o u si n t e d i kb e t w e e na cs y s t e m sw i t h s 锄eo rd i 虢r e n tr a 血gf r e q u e n c ya st h e 叩e r a n o na n dc o n t r 0 1 t e c h n o l o g yh a v ed e v e l o p e dr a p i d l y s i l l c e1 9 9 0 sa n ds o m op r a c c a lp r o j e c t sh a v eb e e np u ti 1 1 【oc o m m e r c i a io p e r a d o n ，t l l i sd i s s e r t a d o n f o c i l s e so nt h eo d e r a d o na n dc o n t r o lo fa i li 衄o v a d v ev s cb a s e d i l l 一t e 珊i i l l a lh v d cs v s t e v s c m t d ci st h em l d t e 珈血n a lh v d cs v s t e m w 1 1 i c hc o n s i s t so fv s cc 0 i l v e r t e r sa n d f e a m r e se c o n o m i c a la 1 1 dn e 对b l e h o w e v e lw h e nm l l i d c e 皿i n a ls v s t e me n i o y sm o r ee c o n o m i c a l a n d e 】【i b l et l l a n 柏，o l e r m i n a ls v s t e m ，i ta l s of a c e sm o r ec o m 口l e xs i t u a 丘o ni no p e r a t i o na n dc o n t r 0 1 d 皿e r e n tf r o mt w o t e r i n a ls v s i e m 叨cn e e d sm a s l e rc o n t r o e rt 0o f f e re v e r vc o i l v e r t e rt 1 1 e o p 蛐e d i n s t m c o ni ns t a b l em n i l i n gs t a l e t h ei n s t r u c t i o f 0 u o w sc h a n g eo fl o a dp o w e rn o wi n a b n o r l a ls t a 七e ，s u c ha sf a u i t so c c u ri nd co ra cs i d e ，t h em a s t e rc o n t r o e rw 丑la n a l v z et h ec h a n g e o fs y s t e ms t m c t i l r ea n dr i l 珊_ i n gp a r a m e t e r sa n dc o o r d i n a t em ew h 0 1 es y s t e mt or e n l ml oan e w t l o 皿a ls t a t e f i r s “as l a cm o d e lo fv s cc o n v e r t e ri n 幽dc o o r d i i l a c e si sd e v e l 叩e da 1 1 dap ic o n t r o u e r w i t haf e e d f o r w a r ds e c t o ri sd e s i g n e di nt 1 1 主sd i s s e n a 曲n a sc o m m u t i n gl o s si i l c l u d e da n da c - d c s y s t e md e c o u p l e d ，t h i sm o d e l i sv e r ye a s yt o 印p l yi np r a c d c a lp r 蜘e c t 0 nt h eb a s eo ft h em o d e l ，a s e r i e so fv s cc o n c r 0 e r sa r es t i l d i e da n dd e s i 印e d ，w 1 1 i c hr c s p e c 曲e l ya d a p oa c 石v ea c 鲥da n d p a s s i v ea cg r i d t 1 1 i sc o n t r o ls c h e m eh a su n e a ra dd e c o u p l e dc h a r a c t e d s t i c s s e c o n d l y ，s o m eo p e r a d n gs t r a c e 百e so fm l l l 6 一t e 皿i n a ls y s t e ma r ea n a l y z e da n ds t u d i e di n s d i s s e n a d o n t h e r ea r et w oo p e r a d n gs t r a t e 舀e sp r e s e n t e d ：v o l t a g ed r o o ps c h e m ea n dm a s t e “s l a v e r c o n t r o ls c h e m e i 工lo r d e rc 0m e r 窖et h et w os t r a t e 审e s a d v a n t a g e s m e r ea r ea l s oa ni m 口r o v e d m l l l t e 砌血a ld cv o l t a g ec o n i r o ls t r a 七e g yb e e nd e v e l o p e d ，w 1 1 i c hi m p r o v e sd cv o l t a g eq u a l i t y ， i n c r e a s e sc o m m u t l n ge 伍c i e n c va n d a k e sm a s t e rc o n t r o u e rs i m p l e a b s h _ a c t o n eo ft h ec o n c e m si st h eo p e m h o na n dr e g u l a d o ns c h e eo fm u l d t e r m i l l a iv s c - h v d c s y s t e ，w h i c h 而us 0 1 v et 1 1 ep r o b l e mo fc o o r d i n a 石o n 锄o n gv s cc o n v e t c e r s a c c o r d i n d y ，t h e m a s t e rc o n t r o u e r so f d i 陌r e n t c o n t m ls c h e m e so f v s c m t d ca r es m d i e da 1 1 dd e s i 毋1 e d am a i l lp a r to ft h i sd i s s e r t a 虹o ni st h ea c d cp o w e r 丑o wc a i c i l l a o nw i mv s cc o n v e r t e r s n em o d e l ss u i t a b l ef o rp o w e rn o wa 1 9 0 d t l 】mw i t l lv s c m ，d cc o n v e n e r 叭d e d u c e da n dm e e q 心a l e tp o w e f 硒e c d o no fv s c n o d ei sg e n t 1 1 e n 恤sd i s s e r f a d o i n 仃o d u c e da 玎a h e m a 曲e a c - d cp o w e r o wa l g o r i t h m ，w h i c hi sa v a i l a b l ef o rm l d 廿一t e m n a ld cs y s t e m t h ea l t e m a t i v e a c d cp o w e rn o w a l g o r i c l l i h a s t h e a d v a n t a g e o f p e r s p i c u o u ss t m c t l l r e ，c o n v e i l i e n y p 舒a 皿n i i l g ，a 1 1 dw i d ea p p h c a d o n b e c a u s et h i s 啦r o d m nd o e sn o a k et h e 硼u e n c eb e 杆e e n a ca n dd cs y s t e mi l l t oa c c o u n t ，i ta i s oh a ss o m ed i s a d v a i l t a g e s ，s u c ha sp ( ) o rc o n s t r i l l g e n c ya n d l o wc a l c u j a 曲ne 蚯d e n c yt 1 l e r e f o r e ，a ni m p r o v e du 血t e da l g o r i t h mi s p r o p o s e d t 1 1 i su m t e d a l g o r i c 胁i se a s yt op m g 删i n ga n di m p r o v e di nc o n s t r i n g e n c y t h e nt h cv a d i c ya n de 伍d e n c y o f 恤sa l g o d t l l ma r ev e 曲e d b 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t yo f m l l l 吐一t e 皿i n a lv s c h v d cs y s t e m t 抽op o t e n d a lf u n c 廿o nb e l o n g st ol y a p u n o vf l l n c d o n ，s ot h a t m es e c o n dc r i t e r i ao fs t a b i u t vd e t e i i n i n a t i o nj sa v a n a b l ei nt h i sd o w e rs v s t e m t 1 1 i sm a n n e r c o n t 曲u t e st 0t h e o r yr e s e a r c ha n dp r a c d c a le d 百n e e r i l l g 1 1 1a d d i n o n ，t l l i sd i s s e r t a d o ni n v o i v e s o p e r a 虹o na 1 1 dp m t e c 丘o no fm l l l t i t e 皿i n a lv s c - h v d cs y s t e mi i l v a r i o u ss i n l a 曲n sa n dp r e s e n t s p r e l i 】血8 r yc o n c l u s i o n s k e y w o r d s ：l d c ；v s c h v d c ；v s c _ m r d c ；m u l d - t e 皿i n a ls y s t e m ；a c _ d cl o a d - n 0 w 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 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。 签名：氆i 爱：日期：兰! 竺 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 里璺堡 日期：0 j ，- f 。 熊黼 1 1 传统直流输电简介 第一章绪论 1 1 1 直流输电的发展历史 自1 9 世纪末三相交流电力系统问世以来，交流电以其巨大的优越性使其在发电和输电方面都 居于主导地位，并发展为今日规模巨大的联合电力系统。现代交流电力系统在充分发挥其优越性的 同时，也暴露了其一些固有的缺点，特别是交流远距离输电会受到同步运行稳定性问题的限制。二 十世纪5 0 年代以后，电力的需求增欧很快，电力系统的规模发展得更大，电刚的联系也日趋复杂。 交流输电的局限性因此也显得更为明显，于是直流输电( h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ，h v d c ) 技术重新为人们所重视。1 9 5 4 年采用汞弧阀技术的直流输电线路首次投入商业运行。6 0 年代可控 硅技术的发展为直流输电提供了性能更好的换流元件，使直流输电技术发展到一个新的阶段。1 9 7 2 年，首个采用品闸管换流阀的直流输电系统投入运行。晶闸管阀由此成为标准装备，它使得换流站 体积更小、成本降低、可靠性提高。同时新的计算机和通讯技术使直流输电的运行控制日趋完善， 这些发展使高压直流输电得到了广泛的应用。1 9 7 5 年，全世界投入运行的直流工程只有“项，输 电容量5 g w ；而到1 9 9 6 年己增加到5 6 项，输电容量高达5 4 1 6 6 g w 。当前不仅是很多新建电网 采用直流输电，而且许多大区电网问电采用直流系统互联。可以预见，采用晶闸管阀的传统直流输 电在未来的电力系统中仍将有很大的发展。2 “。 中国大部分能源资源分布在西部地区，而东部沿海地区经济发达、电力负荷增长迅速，实行“西 电东送”是一项国家长期战略。我国幅员辽阔，已建成的六大区域电网以及一些超级省网之间进行 互联运行己成为电网发展规划中的热门课题”“l 。因而随着我国“西电东送”工程和大区互联的进 展，将有更多的直流输电工程建成投产。 1 1 2 传统h v d c 的特点 就交流输电特性而言，随着输送容量不断增加，稳定性问题越来越成为制约因素。而采用直流 输电则不存在这类稳定性问题，只要电压降、网损等技术指标符合要求就可以达到传输目的。这是 直流输电的重要特点，也是它的一大优势。此外，h v d c 的优点还包括：直流线路故障时的白防护 能力较强：利用直流系统的调节作用，能有效提高交流系统稳定性；潮流和功率控制方便；采用直 流输电互联时，不影响所连交流系统的短路容量；互联系统之间的干扰和影响小，运行管理方便： 输送容量大、节约线路走廊、减少对环境的破坏等。但是一些因素也制约了直流输电的应用，如直 流断路器的费用高；直流电压不能改变：换流设备费用高：由于产生谐波，需要交流和直流滤波器， 从而增加了换流站费用；控制比较复杂等。近年来，随着技术的发展，除了直流电压不能改变以外， 其余的缺点都可以克服。 就经济性而言，交、直流输电方式各具特点。直流换流站的造价远高于交流输电的变电站，而 直流输电线路的造价则明显低于交流输电线路。同时，直流输电的网损又比交流小得多。对于氏距 离输电而言，往往存在一个等价距离，超过这个距离时，采用直流较为有利；小于这个距离时，采 用交流输电有利。根据经验，等价距离大约为7 0 0 8 0 0 k m “1 。 综上所述，在特定的条件下，高压直流输电要优于交流输电。当前采用直流输电的主要类型有： ( 1 ) 超过3 0 k m 左右的水下电缆。由于电缆的大电容，需要设置中间补偿站，对于这么长的距离来 说，交流输电是不合适的。( 2 ) 两个交流系统之间的异步联接。由于稳定性问题或两个交流系统的 频率不同，这种情况下不能采用交流连接。另外，当两大系统逐渐发展需要互联时，它们虽然有相 同频率却不同周期，因此采用直流互联也是常用手段。( 3 ) 大容量远距离输电。超过7 0 0 k m 时真流 输电与交流输电相比更具竞争力。 1 1 3 传统| i 、，d c 的局限性 采用晶闸管换流阀的传统h v d c 输电的核心是相控换流器( p h a s ec h a n g ec o n v e r t e r ，p c c ) 技 术，其原理是：以交流母线线电压过零点为基准，经过一定时延后触发导通相应的换流阎。通过顺 序发出的触发脉冲，形成一定顺序的导通与开断，从而实现交流电与直流电的相互转换。晶闸管的 半控性使p c c 技术只能控制阀的开通而不能控制阀的关断，关断必须借助于交流母线电压的过零， 使阔电流减小至换流阀的维持电流以下才能使阀自然关断。因此基于p c c 技术的h v d c 输电具有以 f 不足：( 1 ) 不能向小容量交流系统及不含旋转电机的负荷供电。如果受端系统短路容量不足，不 能提供足够的换相电流，就不能保证可靠换相，逆变器容易发生换相失败故障。如果受端系统为不 含旋转电机的负荷，逆变器因无法换相而不能对该交流系统供电。( 2 ) 换流器产生的谐波次数低、 容量大。双极双桥换流站产生最低次数为1 1 次、1 3 次的谐波电流，其容量分别约为基波容量的9 和7 7 ，加重了滤波的负担。( 3 ) 换流器吸收较多的无功功率。正常稳态运行时，整流器和逆变 器分别吸收的无功功率约为所输送直流功率的3 0 5 0 和4 0 6 0 ，暂态运行时换流器吸收的无 功功率更多。( 4 ) 换流站投资大、占地面积大。为满足谐波标准和换流器的无功需耍，换流站装设 有大量的无功补偿装置和滤波设各，加大了换流站的投资及占地面积，无功补偿装置和滤波设备的 投资约占换流站总投资的1 5 ，占地面积约为全站总面积的三分之一”1 。 可见，基于p c c 技术的传统h v d c 输电虽是一门成熟的技术，但在与交流输电的竞争中处于不 利地位，其应用领域局限在2 2 0 k v 及以上电压等级的远距离大容量输电、海底电缆输电以及不同额 定频率或相同额定频率交流系统间的非同步互联等方面。 传统直流输电的上述缺点从根本上说是由于相控换流器采用的是半控型器件，只有用全控型器 件代替半控型器件才能彻底克服上述缺点。随着电力电子技术的发展在h v d c 中采用以全控型器 件为基础的电压源换流器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ，v s c ) 的条件已基本具各。1 9 9 0 年，m c g 订1 大学的b 0 0 nt e c k0 0 l 等首先提出用了用p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制的v s c 进行直流输 电的概念”1 1 ，为了与传统的直流输电相区别，本文称其为“新型直流输电”或“v s c h v d c ”。 1 2 新型直流输电 1 2 1 电压源换流器 全控型功率半导体器件的技术进步，促进了以v s c 为核心的电力电子换流装置的迅速发展。全 控型功率半导体器件主要包括g t o ( g a t et u r n 一0 f ft h y r is t o r ) 、i g 8 t ( 工n s u l a t e dg a t eb i 口o l a r t r a n s i s t o r s ) ，m t o ( m o st u r n o f ft h y r i s t o r ) ， i g c t ( i n t e g r a t e dg a t e c o 唧u t a t e dt h y r i s t o r ) 等。其中g t 0 的特点是电压高，容量大，如今商业用的g t 0 可以承受高达6 0 0 0 v 的电压，电流也达 到6 0 0 0 a 。通过串并联，g t 0 可以用在更高的电压等级。g t o 的缺点是开关损耗较大，并且需要设 置阻尼电路，因此虽高开关频率一般不超过1 k h z 。而i g b t 具有快速开关的能力，同时开关损耗相 对较小，电流限制能力较强，因此在中小功率的电力电子设备中的应用更具有优势。 根据运行原理，换流器可队分成两大类：第一类需要交流系统提供换相电压( 传统p c c 换流器 即属此类) ：第二类不需要交流系统支持换相而被称为“自换相换流器”。自换相换流器克服了传统 换流器的许多缺点，有着传统换流器无可比拟的优势。按照直流电路的设计，自换相换流器可进一 步分为电流源型换流器c s c ( c u r r e n ts o u r c ec o n v e r t e r ) 和电压源型换流器v s c 。它们两者的根本 区别在于：( 1 ) c s c 在换流变压器每相二次侧绕组与换流桥之间以串联电容连接，而v s c 中用电容 器( 称为换相电容器) 连接在换流桥直流侧正负极之间；( 2 ) 基于c s c 的 i v d c 潮流反转是由系统的直 流电压极性反转实现的，而v s c 功率反转是由系统的直流电流方向反转实现的“。 h v d c 技术是从工业驱动装置上使用的整流技术发展而来的。在传统h v d c 中常用的换相换流器 ( p c c ) 在工业驱动装置上已经几乎完全被v s c 代替。v s c 与p c c 的根本区别在于v s c 换流阀不仅能 接通电流，还能切断电流，而p c c 却只能接通电流。因为v s c 能切断电流，所以不需要所联结电网 第一章绪论 提供有源换相电压。因此基于v s c 技术的h v d c 支持无源网络供电，即所联电网中可以没有旋转电 机，或者旋转电机的短路容量可以很小。相同容量下，具有关断能力的开关器件构成的v s c 与普通 晶闸管构成的p c c 相比，采购费用和运行损耗都较高，但是对于整个系统而言，由于可以简化其它 设备，提高运行一肚能，因此并不处于劣势。 对于全控型器件构成的v s c ，若使用的开关器件开关频率较低，则v s c 可在工频下换相。采用 工频换相的优点是可以减少换流器损耗，但是会向交流系统注入大量谐波。由于谐波的频率较低且 难以滤除，因此会对交流系统造成严重的“污染”。为了减少谐波，可将换流器分成几个带移相运 行的较小型的换流器。这样可实现1 2 、2 4 或4 8 次脉波运行，并可与脉动数成比例地降低谐波的发 生。但在这种情况下，为了连接换流器，就需要结构比较复杂的变压器”“”。 如果使用具有较高换相频率的元件，则可采用脉宽调制技术p 眦，这样只需要一个换流器快速地 换相就能产生所需交流电压的相位角或幅值。用这种方法，变压器结构布置就很简单，甚至只需安 装电抗器，而不需要安装换流变压器( 见图11 ) 。不过，为了获得所需要的基波电压必须进行低通 滤波。采用脉宽调制技术的v s c 可以实现交流侧电流正弦化，从根本上杜绝对交流系统的“污染”， 但是这种控制方式下由于开关频率较高，v s c 的换流损耗相对较大，因而限制了p 1 v m 在大功率场合 的使用。 新型直流输电( v s c 1 w d c ) 根据使用场合的不同，既可以采用工频换相也可以采用p w m 调制的 方式。本文研究重点是从理论上分析以v s c 为核心的新型h v d c 的控制与运行问题，因此文中对v s c 的分析将采用理想换流器件，控制方式也默认为p w m 调制方式。 由于p w m 允许独立地控制有功功率和无功功率，故采用p w m 控制的v s c 几乎是一个理想的电力 系统元件。从电力系统角度来看，它能起到一台无转动惯量的电动机或发电机的作用，又能同时控 制有功和无功。因为其交流电流是可控制的，所以v s c 换流器不会向交流系统提供短路容量。除了 在v s c h v d c 方面的应用以外，近年来还出现了许多以p w m 技术为基础的电力电子设备，如有源滤 波器( a p f ) 、静态无功补偿器( s t a t c o m ) 、统一潮流控制器( u p f c ) 等。可以预见，将来随着高速 开关、低损耗的开关器件的发展，采用p w m 控制方式的v s c 换流器将有更广阔的应用前景。 1 _ 2 2v s c h v d c 的原理 所谓v s c h v d c 就是基于v s c 的直流输电“”“。，其基本原理如图卜1 所示。设送端和受端换流 器均采用v s c ，且两个换流器具有相同的结构。完整的换流器由换流桥、换流电抗器( 或换流变压 器) 、直流电容器和交流滤波器组成。实际应用中换流桥的每个桥臂均由多个全控型开关器件( 如 i g b t 或g t o ) 串联而成。换流电抗器( 或换流变压器) 是v s c 与交流侧能量交换的纽带，同时也起 到滤波的作用。直流电容器的作用是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。交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。 v s c 换流器 直流输电线路 v s c 抉流器 图卜1 两端v s c h v d c 系统结构图 f i g 1 1t w o t e r i n a lv s c h v d cc o n f i g u r a t i o “ 假定换流电抗器( 变压器) 无损耗，忽略喈波分量时，换流器注入交流电网的有功功率尸及无 功功率p 分别为： p ：盟s i n 6( 1 1 ) 盖r 东南大学博士学位论文 q ：芝。( u 。c 。s 5 一u ；) ( 1 2 ) r 式中：以为换流器输出电压的基波分量；u 为交流母线电压基波分量；d 为和u 之间的相角差； 厨为换流变压器的电抗。下标c 用于表示换流电抗器( 或变压器) 的换流器侧，而下标s 用于表示 换流电抗器( 或变压器) 的交流系统侧。由于j 由换流器脉宽调制( p 删) 电压的相位控制，而坼 是由换流器脉宽调制电压的脉冲宽度控制的，因此适当地控制玑和j 就可以使换流器发出所需的 有功功率和无功功率。可见，v s c 不仅可以从交流系统吸收无功，而且可以向交流系统注入无功功 率。因此v s c h v d c 的每一换流端都可以起到静止无功补偿器( s t a t c o m ) 的作用，可以动态地补偿交 流母线的无功功率，稳定交流母线电压。 1 2 3v s c h v d c 的应用与特点 基于v s c 技术的h v d c 输电在技术上比基于p c c 技术的传统h v d c 输电有了很大改进，在经济上 也有特定的优势。与传统i v d c 相比，v s c h v d c 有以下特点： ( 1 ) v s c 换流器中电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，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，故可用于向小容量交流系统或不含旋转电机 的交流系统供电。 ( 2 ) 不会出现换相失败故障。即使对小容量系统或无源负荷供电，v s c 换流器也不会发生换相失 败故障，从而避免了受端系统出现持续几个周期的短时电源中断，提高了受端系统的电能质 量。 ( 3 ) 正常运行时v s c 可以同时且独立地控制有功和无功，控制更加灵活方便。 ( 4 ) v s c 不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到s t a t c o m 的作用，即动态补偿交流母线 无功功率，稳定交流母线电压。这意味着如果v s c 容量允许，故障时v s ch v d c 系统既可以向 故障区域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功率的紧急支援，从而提高系统的电压 和功角稳定性。无功补偿装置的容量与传统h v d c 相比大为减少，由于交流滤波器具有一定的 无功容量，甚至可以不装设专用的无功补偿装置。 ( 5 ) 由于使用电压源型换流器，故潮流反转时直流电流方向反转，而直流电压极性不变，与传统 的h v d c 恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠一| 生的并联多端直流 系统。多个v s c 可以接到一个固定极性的直流母线上，易丁= 构成与交流系统具有相同拓扑结 构的多端直流系统，运行控制方式灵活多变。 ( 6 ) 由于v s c 交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量。这意味着增加新的v s ch v d c 线路后，可以做到不影响交流系统继电保护的整定。 ( 7 ) v s c 通常采用p w m 技术，开关频率相对较高，因此换流器产生的谐波大为减弱，因此只需在 交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波要求，所需滤波装置的容量也大大减小。由于 经过滤波后就可得到所需交流电压，冈此若无电压变换要求可以不装设变压器，同时可简化 开关设置。 ( 8 ) 采用模块化没计是新型直流输电的一个重要特点。模块化设计使新型直流输电设备的设计、 生产、安装和调试周期大为缩短，换流站的主要设备能够先期在工厂中组装完毕，并预先做 完各种试验。 由于v s c h v d c 使用全控型开关器件，因此受开关器件容量限制，v s c h v d c 还不能达到传统 p c c h v d c 的传输容量。据预测，新型直流输电在电压低于1 5 0 k v 、容量不超过2 0 0 m w 时具有经 济上的优越| 生“，而在长距离大容量传输领域传统的p c ch v d c 仍具有优势。虽然v s c h v d c 还无 法在传统直流输电领域取代p c c h v d c ，但是它将以其众多的优点在更广泛的应用领域发挥重要的 作用，以交流电网等级为参照，则v s c h v d c 的应用领域主要集中在中低压电网“”1 ，当然在高压 输电网也有广泛应用前景。在中低压领域应用的v s c 川v d c 主要侧重于它的功率传输功能，即作为 交流输配电网的辅助手段进行电能的传输分配；而在高压领域应用的v s c i d c 则主要侧重于它对 电网控制作用。 第一章绪论 在中低压领域v s c - h v d c 的应用主要有： ( 1 ) 向偏远地区供电。偏远地区一般远离电网，负荷轻，并且日负荷波动大，经济因素及线路输送 能力低是限制架设和扩展交流输电线路的主要因素，制约了偏远地区经济的发展和人民生活水 平的提高。采用新型直流输电进行供电，可使电缆线路的单位输送功率提高，线路维护工作量 减少，使供电可靠性增加。测算表明，修建一座燃煤火电厂与修建一条新型直流输电线路相比， 在相同投资规模下，新型直流输电线路的等价距离可降至5 0 6 0 k m ”。 ( 2 ) 海上供电。远离大陆电网的海上负荷，如：海岛或海上石油钻井平台等负荷，通常靠价格昂贵 的柴油或天然气来发电，不但发电成本高，供电可靠性难以保证而且破坏环境，用新型直流输 电以后，这些问题得以解决，同时还可将多余气体( 如石油钻井产生的天然气) 发出的电力反 送给陆上系统。 ( 3 ) 城市输配电网增容改造。城市特别是大中城市的空中输电走廊已没有发展余地，原有架空输配 电网络已难以满足电力增容的要求，合理的方法是采用电缆输电( 架空电缆或地下电缆) 。而 直流电缆不仅比交流电缆占有空间小，而且能输送更多的功率，因此采用新型直流输电向城市 中心区供电有可能成为未来城市增容的重要可行方案。据资料介绍，由原有交流架空导线改送 直流电，可提高5 0 的输送功率。以1 1 5 k v 、7 0 k m 长的交流架空线路为例，将其改成l o o k v 双极式新型直流输电供电后，线路输送容量可提高1 倍，达到2 0 0 m w ，而改造增加的投资仅为 两侧换流站和更换交流绝缘子的费用”。 ( 4 ) 清洁能源发电。受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高并且远离主网， 如中小型水电厂、风力发电站( 含海上风力发电站”“) 、潮汐电站、太阳能电站等，由于其运 营成本很高以及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方案在经济和技术上均难以满 足要求，利用新型直流输电与主网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环 境。 ( 5 ) 提高配电网电能质量。非线性负荷和冲击性负荷使配电网产生电能质量问题，如谐波污染、电 压间断、电压凹陷突起以及波形闪变等问题，使一些敏感设各如工业过程控制装置、现代化 办公设各、电子安全系统等失灵，造成很大的经济损失。新型直流输电不仅可以分别快速控制 有功无功，而且能够保持电压基本不变，使电压、电流满足电能质量标准要求，将是未来改 善配网电能质量的有效措施。 ( 6 ) 在电力市场模式下的应用。在将来的电力市场模式r ，地区电力供应商的主要作用除了从高压 输电网按合同购买电力并向用户供电以及建设、利用本地小型的高效环保发电设施外，还有可 能与毗邻的电力供应商进行电力交易。这种交易如果通过区域电力市场进行交易，将是困难且 不经济的。因此通过v s c h v d c 直接联接，就成为地区电力供应商之间交换电力的可行的技术 平台”“。交流子输电网通常采用