（电力系统及其自动化专业论文）特高压直流输电对受端交流系统稳定影响的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文特高压直流输电对受端交流系统稳定 影响的研究，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：盔奁日 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：，垄查 e t 期：塑z ：苎 导师签名：彝盈婵型f 日期。争 华北电力大学硕士学位论文 1 i 选题背景及研究意义 第一章引言 我国能源和负荷的地理分布极不均衡，决定了我国要解决2 1 世纪上半叶的电力供 应问题，就必须在大力开发水电和火电的同时，建设全国能源传输通道，实现长距离大 容量的“西电东送”和“北电南送”，从而实现全国联网，充分发挥电网的水火互补调 剂及区域负荷错峰作用。高压直流输电( 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 ) 因其 输电容量大，控制响应速度快，自身没有同步运行的稳定性问题，在远距离、大容量送 电时优势明显，已成为我国电能传输和区域联网的重要方式。然而，目前的高压直流输 电在传输长度、传输容量方面仍不能满足供电需求，因此发展特高压直流输电势在必行。 随着中部地区经济在全国发展格局中的崛起，包括湖南在内的华中东四省的负荷发 展逐年增长，为满足负荷发展的需求，并确保金沙江流域溪洛渡、向家坝水电站电能的 可靠送出，溪洛渡左岸至湖南特高压直流输电工程在其中扮演着重要角色。 特高压直流输电在为湖南电网提供大量电力的同时，必然与湖南交流电网相互作 用，对交流系统的运行产生一系列影响。不对这些作用和影响进行分析和研究，就不能 保证特高压直流功率的正常传送，也无法确保交流系统的稳定运行。这些作用和影响的 研究内容包括如下几方面 1 】： 1 ) 直流落点的选择与校核：特高压直流输电工程落点的选择与当地负荷发展、网 损计算、短路比、地理环境及直流回路参数等因素有关。落点通常选择靠近负 荷中心的位置，以减少功率传输的损耗。直流输电落点处，交流电网的强弱( 用 短路比来表征) 也是一个需要考虑的重要因素，短路比大的交流电网，对于减 少直流系统功率变化造成的电压波动、减少直流系统换相失败发生的概率等具 有重要作用。落点处地理环境、地质条件也是需要考虑的重要因素。线路走廊、 换流站、接地极等的建设与这些因素密切相关。 2 ) 稳定分析与计算：8 0 0 k v 双极输送功率达5 4 0 0 m w ，单极闭锁或双极闭锁将 给受端电网造成很大的功率波动。受端电网在这一功率波动作用下发生什么样 的功率变化与转移? 电压与功角能否保持稳定? 另一方面，交流系统发生典型 故障时，如何影响直流系统? 能否保证直流系统的连续运行或快速恢复? 上述 问题成为保证交直流相互作用系统稳定运行的基本问题。 3 ) 无功功率补偿与平衡：特高压直流输电无功功率的平衡与交流系统电压水平密 切相关特高压直流输电系统输送容量大，换流器运行时需要消耗大量的无功 华北电力大学硕士学位论文 功率，额定功率下通常整流站需消耗的无功功率占直流输送功率的4 0 - 5 0 ， 逆变站消耗占5 0 - - 6 0 ，无功补偿数量巨大。无功功率补偿和无功功率平衡研 究应保证交流系统电压偏差在一定范围之内。 4 ) 交、直流侧谐波的相互影响：高压直流输电的换流器是一个高度非线性的谐波 源，高压直流输电工程运行时会在交、直流系统中产生丰富的高次谐波。注入 交流电网的谐波会造成电网的谐波污染，降低电网的经济效益，危害发电机等 设备的安全。直流传输线中的高次谐波除带来额外损耗外还会对周围通信造成 干扰。h v d c 单极大地回路运行时有可能引起交流系统接地网电位的不平衡， 一旦通过变压器接地中性点形成通路就会在变压器绕组中产生直流电流，当此 电流超过一定限值时会导致变压器直流偏磁，进而产生大量谐波，其后果不但 会引起变压器的噪声、过热、振动等，还会在母线上产生较大的谐波电压。目 前，这一问题已在三广等工程中出现且有加重的趋势实际上，作为一个高度 非线性的功率转换设备，高压直流输电自身以及交直流系统的谐波问题一直是 理论分析和设备运行中关注的问题。 本文将就系统稳定性针对溪洛渡至湖南特高压直流输电分析其对受端交流系统的 影响。 1 2 国内外研究现状 特高压直流输电技术起源于加世纪年代，瑞典c h a l i n e l 譬大学1 9 6 6 年开始 研究7 5 0 k v 导线。1 9 6 6 年后前苏联、巴西等国家也先后开展了特高压直流输电研究 工作，2 0 世纪年代曾一度形成了特高压输电技术的研究热潮。国际电气与电子工 程师协会( i e e e ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 均在年代末得出结论：根据已有技术 和运行经验，士8 0 0 k v 是合适的直流输电电压等级，2 0 0 2 年c i g r e 又重申了这一观点 【2 】。 2 0 世纪年代前苏联曾动工建设哈萨克斯坦一中俄罗斯的长距离直流输电工 程，输送距离为2 4 0 0 k m ，电压等级为7 5 0 k v ，输电容量为6 g w 。该工程将哈萨克斯 坦的埃基巴斯图兹的煤炭资源转换成电力送往前苏联欧洲中部的塔姆包夫斯克，设计为 双极大地回线方式，每极由两个1 2 脉动桥并联组成，各由3 x 3 2 0 m v a ry 厂y 和3 x 3 2 0 m v a ry a 单相双绕组换流变压器供电；但由于8 0 年代末到年代前苏联政局动 荡，加上其晶闸管技术不够成熟，该工程最终没有投入运行，然而此前，其所有设备都 通过了型式试验，并已建成1 0 9 0 k i n 线路。该工程的实施有力地支持了_ + 8 0 0 k v 级特高 压直流输电技术可行、实施可行的判断。由巴西和巴拉圭两国共同开发的伊泰普工程采 用了6 0 0 k v 直流和7 6 5 k v 交流的超高压输电技术，第一期工程己于1 9 8 4 年完成， 1 9 9 0 年竣工，运行正常。1 9 8 8 - 1 9 9 4 年为了开发亚马逊河的水力资源，巴西电力研究 2 华北电力大学硕士学位论文 中心和a b b 组织了包括8 0 0 k v 特高压直流输电的研发工作，后因工程停止而终止了 研究工作。目前巴西又将亚马逊河的水力资源开发列入议事日程，准备恢复特高压直流 输电的研究工作。我国与印度也在积极进行特高压直流输电的研究。 由于中国、巴西和印度等国家经济的需要纷纷在近年启动了特高压输电的项目，并 且市场前景比较明朗，市场潜力较为巨大，国际国内知名的大公司如a b b ，s m m e p 噶 等公司积极的重新投入到特高压直流输电的研究领域中来，并且已经取得了相当的研究 成果。 2 0 1 0 我国将完成世界上第一个_ + 8 0 0 于伏特高压直流输电工程一云广特高压直流工 程的建设。从2 0 0 3 年8 月开始，南方电网公司就组织开展了_ + 8 0 0 千伏特高压直流输电 技术的应用研究，已在关键技术领域取得了突破，全面完成了系统研究、设计、科研等 前期研究以及环境影响评价等专题研究，制定了工程自主化实施方案，部分研究成果达 到了国际领先水平研究表明，发展_ + 8 0 0 千伏特高压直流输电技术，实施更大容量、 更远距离、更低损耗的电力输送，符合科学发展观的要求。符合我国的国情符合资源节 约和优化配置的需要除金沙江送出工程和云南小湾送出的7 条特高压直流外，金沙江 流域雅砻江上的锦屏水电站还将配套建设特高压直流工程，计划在2 0 1 1 - 2 0 1 4 年全部建 成投产在未来的1 5 年间，围绕大型水电和煤电基地的开发，以及与俄罗斯、中亚国 家的能源合作，中国的特高压直流估计将达到1 0 - 1 5 条的水平。其中金沙江一期工程一 回特高压直流预计将于2 0 1 4 年左右送电华中电网，落点湖南株洲。 关于特高压直流输电对系统稳定性影响方面的研究延续了高压直流输电对系统稳 定性影响的分析方法，主要集中在以下三方面： 一、寻求能准确体现直流动态特征的系统数学与仿真模型，以供理论研究与时域仿 真分析之用，重点是如何正确模拟直流控制，真实反映其在动态过程中的特性。文献【3 1 是早期关于赢流控制简化建模的比较完整的论述，其中关于直流基本控制方式的组合和 切换条件至今仍为工程分析软件b p a 所使用。文献【4 ，5 ，6 】都是基于实际工程的时域仿真 建模研究，其中前者用e m t p 程序对数字直流控制系统建模，后两者的仿真对象是多端 直流系统，模型更为复杂。 二、寻求用于交直流系统电压稳定性的分析方法。文献吲基于不同短路比s c r 时 直流线的功率传输能力，把交流母线短路比s c r t 2 的系统划为极弱系统，2 s c r 报告中针对华中电网水电开发力度的加大，部分水电站的投产进度有所提前的 情况相应调整了华中电网的水电装机规模和进度，安排建设了一批调节性能较好的水电 工程，并对火电建设项目进行优化。在此基础上，国家特高压骨干电网总体规划中根据 目前国家法改为已批复、核准的电源项目及目前华中东四省电网火电建设的前期工作情 况再次对华中东四省电网电源规划进行了调整。 根据电源规划，华中东四省电网。十一五”末电源总规模为9 0 2 4 0 m w ，其中水电 装机1 9 1 0 0 m w 、抽水蓄能装机2 5 9 0 m w 、火电装机6 8 5 5 0 m w 由于华中东四省电网“十一五”期间电源开工建设规模较大，而2 0 1 0 年后外区送 入电能容量增长较大，致使华中东四省电网“十二五”期间在基本不新增火电装机情况 下，才能较好的消纳。十一五”期间的富裕装机容量。根据规划2 0 1 5 年华中东四省电 源总规模为9 0 7 4 0 m w ，其中水电装机1 9 6 0 0 m w 、抽水蓄能装机2 5 9 0 m w 、火电装机 6 8 5 5 0 m w 其中湖南电网2 0 1 0 年电源总规模为1 8 5 3 0 m w ，其中水电装机7 8 5 0 m w 、火电装机 1 0 6 8 0 m w ；“十二五”期间无新增电源；2 0 2 0 年电源总规模为1 9 7 3 0 m w ，其中水电装 机7 8 5 0 m w 、火电装机1 1 8 8 0 m w 。 2 0 0 5 - 2 0 2 0 年华中东四省电网电源装机容量见表2 - 2 。湖南电网电源装机进度见表 2 3 。 表2 - 2华中电网2 0 0 5 - 2 0 2 0 年统调电源装机容量表单位：i o m w i 项目2 0 0 5 年 i 2 0 1 0 年 i 2 0 1 5 年 l2 0 2 0 年i i 合计 i 5 3 1 1 l 9 0 2 4 i 9 0 7 4 l 9 9 5 4 l 1 0 华北电力大学硕士学位论文 水电 1 3 5 91 9 1 01 9 6 01 9 6 0 抽水蓄能 1 9 2 5 92 5 9 2 5 9 火电 3 9 3 36 8 5 56 8 5 67 3 3 6 核电0 004 0 0 表2 - 3湖南电网2 0 0 5 - 2 0 2 0 年统调电源装机容量表单位：l o m w 项目2 0 0 5 年 2 0 1 0 年 2 0 1 5 焦2 0 2 0 年 湖南省 1 0 3 01 8 5 31 8 5 31 9 7 3 ( 一)水电 4 3 97 8 57 8 57 8 5 1 、东江5 01 0 0 1 0 01 0 0 2 、柘溪 4 59 59 59 5 3 、凤滩 8 08 08 08 0 4 、 五强溪 1 2 01 2 01 2 01 2 0 5 、江垭 3 03 03 03 0 6 、 凌津滩 2 72 72 72 7 7 、 洪江 2 32 32 3 2 3 8 、碗米破 2 42 42 42 4 9 、 三板溪 1 1 0 01 1 0 、 挂治 1 51 51 5 1 1 、 白市 4 24 24 2 1 2 、 托口 8 18 18 1 1 3 、空州 1 11 41 41 4 1 4 、铜湾 555 1 5 、 其他 3 03 0 3 03 0 ( - - )火电5 9 1 1 0 6 81 0 6 81 1 8 8 1 、金竹山5 0 000 2 、 株洲 8 58 58 58 5 3 、岳阳一期7 3 7 37 37 3 4 、 湘潭一期 6 0 6 06 06 0 5 、 末阳一期 4 04 0 4 04 0 6 、 耒阳二期 6 06 06 06 0 7 、 石门一期 6 0 6 06 06 0 8 、 益阳一期 6 06 06 06 0 9 、 石f - - 期 6 06 06 06 0 1 0 、鲤鱼江1 30 oo 1 1 、 金竹山扩 1 2 01 2 01 2 0 1 2 、岳阳二期 3 06 06 06 0 1 3 、 湘潭二期 1 2 01 2 01 2 0 1 4 、益阳二期 1 2 01 2 01 2 0 1 5 、长沙1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 6 、 梅雁涟源 3 03 03 0 1 7 、新厂 1 2 0 1 1 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 网架结构发展规划 1 ) 华中电网发展规划 到2 0 2 0 年，华中5 0 0 k v 电网的建设重点是“一个中部框架，两条输电通道，三大 水电基地送出，六个受端环网”。华中电网建成“结构优化、技术先进、安全可靠、运 行灵活”的现代化大电网。 “一个中部框架”即湖北的荆门武汉荆州荆门5 0 0 k v 双回路( 主要部 分三回路) 大框架，它是华中电网的核心，是华中电网资源优化配置的“大平台”，华 中电网通过这个大平台连接五省一市。 。两条输电通道”即西起四川二滩，横穿四川、重庆、湖北到江西的上饶5 0 0 k v 东 西大通道；和北起河南安阳，纵贯河南、湖北到湖南郴州的5 0 0 k v 南北大通道，它们是 华中电网西电东送和南北水火电调剂运行的“高速路”，教会在大平台相互支撑。 “三大水电基地送出”即为了保证拥有华中电网9 0 水电装机的川西、鄂西和湘西 三大水电基地的电力送出而实施的送电通道工程，它们既是华中电网主干网架的有机组 成部分，又是连接大型电源的“传输带乙 。六个受端环网”即覆盖武汉、黄州、黄石、孝感等地区的鄂东5 0 0 k v 双环网，覆 盖长沙，株洲、湘潭、益阳等地区的湘中5 0 0 k v 环网，覆盖郑州、开封、新乡、等地区 的豫中5 0 0 k v 环网，覆盖南昌、赣东、赣西的江西中部5 0 0 k v 环网，覆盖程度、德阳 等地区的大成都5 0 0 k v 环网，覆盖重庆地区的5 0 0 k v 环网。它们是华中电网负荷中心 地区安全可靠接受和消纳电力的“集散地0 至2 0 2 0 年，华中电网在现有与华东、广东、西北、华北联网的基础上，还进一步 加强与华东、西北、华北的支流联网、解释，华中电网将与周边所有电网实现互联，四 通八达，成为全国互联电网的枢纽。 2 ) 湖南电网发展规划 2 0 1 0 年湖南电网将形成湘西北复兴长沙、民丰湘潭云田、湘西一 邵阳湘南的北、中、南三条西电东送大通道。为合理消纳西电东送容量，配合受 端负荷中心供电需求，形成覆盖长株潭地区的复兴沙坪长沙东云田湘 潭长沙西复兴的受端环网，并向北延伸至岳阳地区。配合西电东送中通道和南 通道的建设，形成邵阳民丰湘潭云田衡阳- 幸唯州邵阳的承接南 北两大受端电网的中南部网架。 “十二五”至2 0 2 0 年湖南电网维持2 0 1 0 年形成的湘西北一复兴长沙、民丰一 湘潭云田、湘西邵阳湘南的北、中、南三条西电东送大通道格局。国家 特高压电网和金沙江直流将落点湖南电网，金沙江直流输送容量达6 4 0 0 m w 。为合理消 纳外区水火电能容量，形成覆盖长株潭地区的复兴一沙坪一星沙株洲- 湘潭 华北电力大学硕士学位论文 长沙西复兴的受端双环网，并向北延升至岳阳地区。配合湘西电能外送和金沙 江电能的合理消纳，形成邵阳民丰一湘潭株洲换流站衡阳东- 郴 州永州南永州邵阳的日字型中南部主框架，届时湖南电网形成多个网格结 构。 2 0 1 5 年湖南电网5 0 0 k v 电网地理接线图见附图1 。 2 3 湖南直流发展规划 溪洛渡左株洲直流工程是金沙江一期直流工程的重要组成部分，将于2 0 1 4 年投 产单极，2 0 1 6 年左右达到双极满容量，将跨越四川、云南、贵州、湖南4 个省区，落点 湖南省株洲地区，直流线路长度约9 8 0 k m 。届时注入湖南主网的容量将达6 4 0 0 m w , 相 当于湖南电网2 0 0 4 年统调最大负荷的3 4 左右，相当于2 0 1 5 年湖南电网统调最大 负荷的3 0 左右，容量巨大，对湖南电网有显著的影响。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 数学模型 第三章特高压直流输电控制模型及参数 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，首先要研究制定直 流环节的数学模型。 根据所研究问题的性质采用不同精度的直流模型至关重要。在电力系统分析范围 内，有三种精度水平的模型p 6 。 一、稳态模型 假定交流系统三相平衡，一般用于潮流计算。直流线路用电阻电路的代数方程式表 示。认为调节器动作很快，不计其调节过程。利用直流环节的稳态特性，带负荷调节分 接头的换流变压器动作控制交流电压 二、 准稳态模型 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) 。同样假定 交流三相平衡，认为带负荷调节分接头变压器的分接头动作太慢，令其固定不变。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，这点与稳态模型相同，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( 如最简单的电阻电路，进一步 可用r - l 电路，甚至r - l c 电路) ，必须描述直流调节器的动态特性。此外，稳态模型 已有的功能也应包括。 三、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。可以详细模拟交流系统发 生不对称故障后三相电压不平衡情况下换流阀的工作情况，包括换相失败的工况。然而 在一般暂态稳定计算中，不允许在较长的时间内使用这种模型( 它更适合于电磁暂态研 究) ，直流线路动态和调节器的模拟亦更为详尽。 b p a 中直流模型采用准稳态数学模型。 3 2 直流输电控制系统简介 高压直流输电与交流输电相比较一个显著特点是直流输电可以通过对两端换流器 的快速调节，控制直流线路输送功率的大小和方向，以满足整个交直流联合系统的运行 要求，也就是说直流输电系统的性能，极大地依赖于它的控制系统 1 7 】。对于特高压直 流输电其控制原理与普通高压直流输电基本相同。这里将采用机电暂态分析软件b p a 进 1 4 华北电力大学硕士学位论文 行分析，其直流系统控制器配置如下： 1 、整流站 采用定功率或定电流控制 2 、逆变站 采用预测型定熄弧角控制与定电流控制的配合 3 2 1 各控制模块介绍 a ) 定功率控制 通常，直流输电系统是按定功率模式运行的，此时，需按照给定的功率指令值 计算直流电流指令值。在大多数运行方式下，直流电流指令值就等于双极功率除以 双极电压。直流电流指令计算模块的框图如图3 - 1 所示。 u 。或u 期望电流值 ( 对应定电流运行) 图3 - 1 直流电流指令计算模块框图 b ) 定电流控制 是直流输电最基本的控制，应用极为广泛。它可以控制直流输电的稳态运行电 流，并通过它来控制直流输送功率以及实现各种直流功率调制功能以改善交流系统 的运行性能。同时当系统发生故障时，它又能快速限制暂态的故障电流值以保护晶 闸管换流阀及换流站的其他设备。因此，定电流控制器的稳态和暂态性能是决定直 流输电控制系统好坏的重要因素。 定电流控制输入量为实际直流电流与直流电流整定值，两者的差值进行p i 调 节，输出为换流器触发角指令。 正常运行时，整流站控制直流电流，逆变站控制直流电压整流站的电流整定 值比逆变站的电流整定值高1 0 的额定电流，称为电流裕度。这是为了确保在正常 工况下，实际电流大于逆变侧的电流整定值，使得逆变侧的定电流控制器总是按减 小直流电流的方向调节，因此定电流控制输出的口角总被调节到其最大限制值，从 而逆变器定电流控制不参与工作，只有当整流侧直流电压大幅度降低或逆变侧直流 电压大幅度升高时，才发生控制模式的转换，变为整流侧由最小触发角口。控制起作 用来控制直流电压，逆变侧定电流控制起作用来控制直流电流。 华北电力大学硕士学位论文 ，u 图3 - 2 定电流控制器 c ) 低压限流环节 低压限流环节( v d c 0 l ) 的任务是在直流电压或交流电压跌落到某个指定值时 对电流指令进行限制。其作用主要表现在如下几方面： ( 1 ) 当逆变侧交流系统故障或其他原因使逆变器发生换相失败，通过降低电 流整定值来减少后续换相失败的几率避免换流器长时间换相失败，保护换流阀。 ( 2 ) 在交流系统出现干扰或干扰消失后保持系统稳定。交流系统故障可能导 致直流电流增加，换流器吸收无功增加，会进一步降低交流电压，可能产生电压不 稳定，低压限流会降低电流整定值，使换流器吸收无功减少，有利于交流电压的恢 复，避免交流电压不稳定；还可能在交流系统远端故障后的电压振荡期间起到类似 动态稳定器的作用，改善交流系统的性能。 ( 3 ) 在交流系统故障切除后的电压恢复期间，平稳增大直流电流来恢复直流 系统。如果交流系统故障切除，直流系统功率恢复太快，换流器需要吸收大量的无 功功率，影响交流电压的恢复。 根据设计的不同，v d c o l 特性可能涉及检测交流换向电压或直流电压由交流 电压启动的v d c o l 特性在交流电压跌落时可以限制无功的消耗，但可能在直流故障 是没有什么效果。而根据直流电压启动的v d c o l 特性在直流故障和交流电压跌落时 都可有较好的效果。因此长距离直流输电工程大多采用按直流电压启动的v d c o l 特 性。 图3 _ 3 典型的v d c o l 模型 d ) 定熄弧角控制 当换流器作逆变运行时，从被换相的阀电流过零算起，到该阀重新被加上正向 1 6 华北电力大学硕士学位论文 电压为止这段时间所对应的角度称之为熄弧角，又叫关断角。如果熄弧角太小，以 至于晶闸管来不及完全恢复其正向阻断能力，又重新被加上正向电压，它就会重新 不触发而导通，于是将发生倒换相的过程，其结果将使应该导通的阀关断，而应该 关断的阀却继续导通，这称之为换相失败。 绝大多数直流工程的熄弧角定值都在1 5 。1 8 。的范围内，熄弧角y 这一变量可 以直接测量，却不能直接控制，只能靠改变换流器的触发角口来间接调节。 工程上实际应用的定熄弧角控制有两种类型，一种是闭环控制，也称为实测型 控制，另一种是开环控制，也称为预测型控制。实测型控制根据换流阀的电流过零 点信号和换相电压的过零点信号来确定实测的y 角，并与，的参考值进行比较，根 据其偏差进行p l 调节，其原理框图见图3 - 4 1 预测型控制根据直流系统的实际运行 参数( 如直流电压、电流等) 计算出要满足r 为参考值时所需的口，然后按照此口对 ， 逆变侧进行触发控制，其实质是一种开环控制。根据式s 口竺生x ； 一c o s 7 得出 靠 u - 的触发角口实质反映了系统当前的运行状态b p a 中使用的就是这种预测型定熄弧 角控制方式( 图3 - 5 ) 1 5 5 b l u b l 姒 图3 4 实测型定y 角控制器 c o s l 0 0 0 1 图3 - 5预测型定y 角控制器 1 7 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2 完整的控制模型框图及其特性曲线 l l l 蹦m ；= 错嚣勰譬二翟a m 勰鼻r 偎o v e c e t t d r ) l 删* 甄a l tc o 吖十c “| “，一 图3 6b p a 直流控制模型框图 图3 - 6 所示为b p a 两端直流输电控制模型框图，其工作流程如下： ( 1 ) 获取直流系统的电压值，其经过一阶惯性环节后进入低压限流环节，经低压限 流输出的电流值作为整流和逆变的控制系统的电流整定值。；，彻与实际的经过一阶 惯性环节的直流电流，。比较，差值进入两侧换流器的控制系统。 ( 2 ) 在正常运行方式下，整流侧运行在定电流控制方式下，整流站的， ( a 一j 。一l 。) 经p i 调节维持直流电流j ：。，- 屯。；逆变侧由于电流裕度的存在， p i 调节达到其下限值零，由于足- 珥协，经0 0 s 口- 譬芒一s r ，输出触发角可 知逆变侧采用的是预测型定r 控制。 ( 3 ) 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，为负 的较大值，p i 输出达到其限值l i m ， 由删一h + 一哆。) 一珥。知，此时 c o a a j 熹一o o s ，型坠竺鼍警赵业一一r o c o s a 。 整流侧将采用定，与此同时，脚减少，使的逆变侧a ，一j 一j 岫+ l 5 高；s c r 一3 5 中等；s c r - - 2 3 低；$ c r 电压稳定 枢纽母线电压低于0 7 5 1 m 持续时间0 8 秒以内；稳定 枢纽母线电压低予0 7 5 p u 持续时间0 8 - 1 0 秒范围内：临界 枢纽母线电压低于0 7 5 p u 持续时间1 0 秒以上：不稳定 ( 2 ) 频率稳定 在采取切机、切负荷措旌后，不发生系统频率崩溃，且能够恢复到正常范围及不影响 大机组的安全运行。 ( 3 ) 功角稳定 系统故障后，在同一交流系统中的任意两台机组相对角度摇摆曲线呈同步减幅振荡， 不超过1 8 0 度。不同系统的最大相对角不超过3 6 0 度。 5 3 4 稳定计算结果 一、交流故障： 1 ) 对湖南电网各5 0 0 k v 枢纽变傲高压侧短路，0 1 s 后高压侧、中压侧跳闸，系统能 够保持稳定 2 ) 对湖南电网内各5 0 0 k v 同杆并架双回线做异名单相接地故障，无需任何措施系统 保持稳定 3 ) 对系统内任一台6 0 万以上机组做跳闸故障，无需任何措施系统能够保持稳定 4 ) 对湖南电网系统内5 0 0 k v 多回及环网交流线路做单相永久接地故障，无稳定措施， 系统保持稳定。 5 ) 逆变站附近交流系统三相故障无稳定措施，系统保持稳定。 3 8 华北电力大学硕士学位论文 下面仅对逆变站附近交流系统三相故障做详细描述： a ) 株变衡阳1 0 0 周波时发生三相永久短路故障，湖南电网无需采取任何措施， 各枢纽母线电压持续低于0 7 5 p u 的时间在0 8 s 以内，系统频率不发生崩溃，系统中功 角差最大的两台机是大岗山g 和万安1 g ，最大功角差为1 1 1 度。 系统能够保持稳定。 n - _ 惭o 岫- 陇”直蛾毫压c f ，。陇 x 矬：t ( i ) 特高压直流正极传输功率 t ；t 属- i ，睁l l i t 氏0 k 一 1 令 a 口 7 i ： x 日嫩l ，艟 ( b ) 特高压直流正极电压 n l o 帕。榭l赫 l 夏蕊 v 7yyy _ 。 x “ mi 4 镕：_ t c o ) 株洲换流站5 0 0 k v 侧母线电压 ( d ) 株i | f 换流变5 0 0 k v 侧母线频率偏差 i ：一竹州城种- 搠 蛾o 一_ h 珞，o - k _ - h 州托_ ，拉i 拓o 蕾，蝉s - 2 4 s oi i 驴 i 毽 。、一a 。 二 一身 ，_ a 口。氏氏氏 ，；p ；o ， 可哥7 话 ， x m ：m a t x * 4 t ：m t ( e ) 葛洲坝至岗市5 0 0 k v 单回线路传输功率( f ) 扛陵至常德北5 0 0 k v 单回线路传输功率 华北电力大学硕士学位论文 t 囊自摊，p 盯删o * t 瑚01 朔嗍 p 肆鼻葛o f _ 一_ ：5 ：，o b 。f j 1 啪轨日n v r v 。 如帆 ， x - e e , c t ：瑚麓 x d 眦：一锺 ( g ) 荆州至长沙特高压交流单回线路传辕功率 ( h ) 换流站至街阳变5 0 0 k v 单回线路传输功率 。麓，嗍镰p 哺s 器日h 掰- oz n u 。、 l ； il r + r 。r 一 ( i ) 换流站至株南变5 0 0 k v 单回线路传输功率 图5 - l2 0 1 5 年湖南电网逆变站附近交流系统三相永久故障( 换流站至衡阳) b ) 株变株南1 0 0 周波时发生三相永久短路故障，湖南电网无需采取任何措施，各 枢纽母线电压持续低于0 7 5 的时间在0 8 s 以内，系统频率不发生崩溃，系统中功角 差最大的两台机是大岗山g 和万安1 g ，最大功角差为1 1 2 度。系统能够保持稳定。 i ：m 攮q r s 。一辟时5 2 5 o i i8 棚枷忡_ 删撼e _ - 一 八。、i j ii； 。 r -_ f 1 j 寸 n ijyv 牲：啊l 蕾：鹕硝 c a ) 换流站5 0 0 k v 侧母线电压 ( b ) 换流变5 0 0 k v 侧母线频率偏差 4 0 华北电力大学硕士学位论文 t ：上镶t 重( f p - 强稂 nk 、i 一 ! ，： ； ( c ) 特高压直流正极电压 k m l 。懿磕 r 、 ( d ) 特高压直流正极传输功率 “雉 州京”- 肆，斟s 葛t o - 斟畸h 唰： 豇o - 自 _ 目_ l # o _ - 嚣oi h 承 7 1 ( e ) 换流站至衡阳变渊单回线路传输功率( f ) 换流站至株南变5 0 哪单回线路传输功率 。簟h 嘲，- 捌i 茑o h 啪- o 缸靖州缸r - 蹦 粥o 簟h 州掰oi 口 娥 b ，烈 一珂一 。a _naa “v y v 日b a 可勺 i ( g ) 葛洲坝至岗市5 伽w 单回线路传输功率 ( h ) 江陵至常德北姗譬v 单回线路传输功率 华北电力大学硕士学位论文 k 蕞，哺枷蠢，一i 肿。m o # fm m o1 _ i ( i ) 期州至长沙特高压交流单回线路传输功率 图5 - 22 0 1 5 年湖南电网逆变站附近交流系统三相永久故障( 换流站至株南) 二、直流故障 1 ) 特高压直流1 0 0 周波时发生单极闭锁，未采取任何稳定措施，各枢纽母线电压持 续低于0 7 5 的时间在o 以内，系统频率不发生崩溃，系统中功角差最大的两台机 是大岗山g 和万安i g ，最大功角差为1 1 4 度。系统能够保持稳定。 蛾- 哺制藏，- 螂葛0h * h岱li i h 嘲诧- - 扛靠-掰，o 自l j 州掰- 4t ( a ) 葛渊坝至岗市5 0 0 k v 单回线路传输功率 1 ：- 并娩 一，叶1 0 5 0 , 0 ；t 丌i 啪01 ： ： 。 | ，、奈厂、“一 k 一； v ： ；| _ j ； 0 z 4 0 4 9 01 瑚 袖檀；q 裤 ( b ) 扛陵至常德北5 0 0 k v 单回线路传输功率 i ：螬轴肆咿斗，聊”，o _ 州8 o1 v静b k 胁 i 蚺4 ：，矗 柚蕾* ：孵靠 ( c ) 荆州至长沙特高压交流单回线路传输功率( d ) 株洲换流站至衡阳变5 0 0 k v 单回线路传输功率 华北电力大学硕士学位论文 ”棚嗍溉_ 。_ 删掰o _ 删粥o1bl 椭o k ) 。舶嘲 重蠢量 l r 。了一j i 了+ t j ；一了一! ! 1 ： 屯艇童：兰：二至蔓= | ：主：i ：曼二：| 耻伊卜 - 专l 卜扣卜 专 川； 靠寥誓逆萼：= = = # 嗣= 聿：= = = 毒粤# ：j ：墨 卜 卜 一 | 讣 卜 专 i 卜b 书b 书 一i ；b 上 r l _ 熹- _ l 杀l 击j 乇 ( e ) 株洲换流站至株南5 0 哪单回线路传输功率 x 抽# 幢：用t ( f ) 特高压直流正，负极传输功率 扯- m t q u ( f 帅- 搬t - 赫生 “覃- t 墨州。- 嘲蕊o 目缱；辘 ( g ) 特高压直流芷、负极电压 l i 嘲璐o 争肆x 0 x 谊；j t ( i ) 挟流变5 0 0 k v 佣母线频率偏差 k 一， ( h ) 换流变5 0 0 k v 侧母线电压 t ：再科墨雕- 呐h1 2 0 0 k 厂 ；， ( j ) 株南变5 0 0 k v 侧母线电压 华北电力大学硕士学位论文 k “- 口 二= 哭：f -芦 ； r r + r 一 。r r x * m ；m * ( k ) 衡阳变5 0 0 k v 侧母线电压 图5 - 32 0 1 5 年溪洛渡瑚南特高压直流单极闭锁故障稳定曲线 2 ) 特高压直流1 0 0 周波时发生双极闭锁，需切除溪洛渡2 1 0 0 m w 功率( 3 台7 0 0 m w 机组) ，各枢纽母线电压持续低于0 7 5 的时间在o 8 s 以内，系统频率不发生崩溃，系 统中功角差最大的两台机是大岗山g 和万安1 g ，最大功角差为1 3 9 度。系统能够保 持稳定 “i 蚋嘲摊r o t * o a 巧o # * 墨ot “ 杆槲藏- ，- i 蕾葛o 一哪；荐- ol v 哟淞 。0 l d ，兰k 苎 一_ 。2 ” 要。；嚣 ” - 曲哪r 毓 ( a ) 江陵至常德北5 0 0 k v 单回线路传输功率 i ：h 冉# 缱惮一i i n1 弗m 0 * t 盯 埘o1 枷n 八l、八 r 。 。v 。可v v 掣 ， t ；一硝 ( c ) 荆州至长沙特高压交流单回线路传输功率 蝌铲 蛾l 认八 o 、- ，、二一 v x ；# ( b ) 葛洲坝至岗市5 0 0 k v 单回线路传输功率 i ：螺黼q 一掉- ”。r ，哪 5 薛o m5 器o 工 。：。? 一： 一一f f 一卜。 。卜一l 垂萎至至至季囊蠹童兰l ( d ) 株洲换流站至衡阳变5 0 0 k v 单回线路传输功率 华北电力大学硕士学位论文 “肭自谴_ - - 栅 掰od 瞻h ；葛0t1 ：峨蓐州- ，_ 捧o l l 氏 。一一 。弋7 ”i 刀7 y ( e ) 株洲换流站至株南变5 0 0 k v 单回线路传输功率 ( d 衡阳变5 0 0 k v 侧母线电压 k 鼙- t 丘i 批 _ 。厂、乒 一一 一 ( g ) 株南变5 0 0 k v 侧母线电压 l s - 聃辨o 。- 斑墓叠 ( i ) 特高压直漉正，负极传输功率 1 ：i 批曩什哟。- 强正t - 篇 一i； ( h ) 特高压直流正，负极电压 。弧 ： 厂、： _ j 飞一麓气、 -jl ii 1 p | j 舻 | il 1 r 一l ! ( j ) 换流变5 0 0 k v 侧母线频率偏差 华北电力大学硕士学位论文 i ；卑捌墨一 。帮i 掉0 i 天，：一! ； ； 一。w i r 。j + r 。r r ( 1 0 换流变5 0 0 k v 侧母线电压 图5 42 0 1 5 年溪洛渡湖南特高压直流双极闭锁故障稳定曲线 溪洛渡湖南特高压直流发生双极闭锁故障时，湖南电网将瞬时损失约6 4 0 0 m w 电力为保持系统稳定，需切除送端溪洛渡电站3 台7 0 0 m w 机组( 故障后0 2 s ) ， 金沙江电力约有近4 3 0 0 m w 的功率需通过川渝糊北糊南5 州及特高压电网转移。 特高压直流发生双击闭锬后，系统经过一系列的振荡过程趋于个平衡状态，直 流闭锁后6 0 m s 将直流所有的无功补偿均切除，全网电压能维持在5 的允许范围内， 湖南枢纽变电站5 0 0 k v 侧电压见下表。从断面潮流来看，至湖南受入断面电力增加至 7 2 2 1 m w ( 特高压线路2 x 2 1 3 6 m w ，葛岗线i 1 3 1 5 m w ，江常线2 x 8 1 7 m w ) 。概 念上系统有功电力增加是电网中旋转备用增发引起的，但分析此工况下系统中各发电 机出力的情况发现，各发电机的有功出力基本没有变化初步分析认为，由于金沙江 一期功率转移造成整个交流系统( 包括华东、华中、川渝乃至华北) 电压下降，负荷 的调节作用使得实际电网负荷吸收的功率下降。湖南电网计算负荷为2 1 8 0 0 m w ，其 中8 7 2 0 m w 的负荷为恒定阻抗模型，若电压下降5 则总负荷将减少约8 5 0 m w 。因 此虽然湖南电网损失了约6 4 0 0 m w 的电力，但从省外受入的电力只增加约5 7 5 5 m w ， 而湖南电网的机组有功出力也没有增加。 5 0 0 k v 母线正常运行时电压双极闭锁时电压电压降( ) 岗市 1 0 1 30 9 9 51 8 常德北1 0 1 40 9 8 8 2 6 民丰 1 0 0 91 0 0 00 9 怀化 1 _ 0 2 8 1 0 2 6 o 2 邵阳1 0 1 21 0 0 7o 5 永州 1 0 0 3 0 9 9 8 0 5 郴州 0 9 9 70 9 9 3 o 4 衡阳 1 0 0 00 9 9 4o 6 株变 1 o o o0 9 8 6 1 4 株南 1 0 0 50 9 9 5 1 华北电力大学硕士学位论文 湘潭1 0 0 6o 9 9 1 2 1 4 云田1 _ 0 0 5o 9 8 91 6 长沙东1 0 0 50 9 8 7 1 8 复兴 1 0 0 70 9 8 7 2 沙坪1 0 0 80 9 8 3” 星沙1 0 ( y 70 9 8 2 7 岳阳 0 9 9 50 9 63 5 长沙t m1 0 1 11 0 0 4 0 7 长沙西 1 0 0 4o 9 8 61 8 特高压直流发生双极闭锁后，长沙特高压至星沙、星沙至长沙东之间线路过载，单 回线传输功率接近2 0 0 万k w 。通过在长沙特高压至长沙东之河增建一回5 0 0 k v 线路， 上述过载问题可以得到解决 华北电力大学硕士学位论文 第六章结论及展望 1 、建立了2 0 1 5 年左右华中电网较为详尽的机电模型数据该数据以湖南电网为核 心，包含了全国特高压交流骨干网架及华中地区5 0 0 k v 网络( 湖南、江西电网详细至 2 2 0 k v 网络) 。 2 、对特高压直流输电的一次系统和控制系统进行分析与建模。确定了双极双1 2 脉 动串联的一次系统主接线方式及具体换流站参数。 3 、分析感应电动机对交流系统短路容量的影响，指出常规系统短路容量计算中不 计负荷影响和将负荷全部做恒阻抗考虑，将导致过分乐观或悲观的结论。在此基础上较 为精确地计算出湖南电网2 0 1 5 年各5 0 0 k v 交流母线处短路比 4 、基于短路比的大小校核湖南电网2 0 1 5 年特高压直流落点选择的合理性并对最大 传输功率等问题进行分析。论证了株洲换流站短路比届时将达到5 4 之高，湖南受端交 流系统属于强系统，可以满足特高压直流额定情况下传输6 4 0 0 m w 功率的要求。 5 、对直流单极闭锁、双极闭锬、交流侧三相短路等故障情况的分析，除特高压直 流双极闭锁故障时需切除送端3 台7 0 0 m w 机组外，无需任何稳定措施系统能够保持稳 定。 6 、长沙特高压至星沙、星沙至长沙东之间线路过载，单回线传输功率接近2 0 0 万 k w ，长沙特高压至长沙东之间增建一回5 0 0 k v 线路可以解决过载问题。 由于受时间、条件及水平的限制，本文仅对特高压直流输电对受端交流系统的影响 工作进行了研究，尚有一些问题还需进一步研究解决。如由于特高压直流输电系统输送 容量大，换流器运行时需要消耗大量的无功功率，在进行无功功率补偿和无功功率平衡 的研究中需要研究1 ) 基于无功功率调节和谐波滤波要求的无功功率补偿设备的投切顺 序，2 ) 无功功率补偿设备的分组方式，一种方式是将每个小组直接接在换流站交流母线 上，另一种是将几小组组成一个大组接在交流母线上，因此需要研究每一大组或小组无 功功率补偿设备投切引起的交流电压变化，3 ) 当交直流系统发生故障情况下如单双极 闭锁情况下，无功补偿引起的过电压及对过电压限制的研究。 4 8 华北电力大学硕士学位论文 参考文献 1 刘振亚等特高压直流输电技术研究成果专辑，北京：中国电力出版社， 2 0 0 6 2 k r i