（电力系统及其自动化专业论文）电网恢复初期基于vschvdc的调频调压策略研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电网恢复初期，系统容量不大，较大功率负荷的投入会对系统的频率和电压造 成很大波动，严重影响系统的稳定运行和恢复速度。利用v s c h v d c 能够对注入 系统的有功功率和无功功率独立、快速控制的特点，提出v s c h v d c 与传统调频 调压手段协调配合的方式以提高电网频率和电压稳定性。在r t d s 仿真环境下建立 了完整的系统模型，并对所提出的方法进行了仿真验证。仿真结果表明，v s c h v d c 可根据系统功率缺额快速调节注入系统的有功无功功率，明显降低了频率和电压的 波动幅度，提高了稳定性，有利于系统的快速恢复。 关键词：电压源换流器直流输电，电网恢复，频率调整，电压调整，协调控制 a bs t r a c t a tt h ee a r l ys t a g e so fe l e c t r i cn e t w o r kr e s t o r a t i o n ，t h ec a p a c i t yo fp o w e r s y s t e mi sr e l a t i v e l ys m a l l ，a n da d d i n gl a f g ep o w e rl o a dt os u c hap o w e rs y s t e mw i l l r e s u l ti ns e v e r ef l u c t u a t i o no fs y s t e m f r e q u e n c ya n dv o l t a g e t h u st h es t a b l e o p e r a t i o na n dt h er e s t o r a t i o ns p e e do fp o w e rs y s t e mw i l lb ea f f e c t e ds e r i o u s l y v s c - h v d c( v b l t a g es o u r c ec o n v e r t e rb a s e dh v d c )c a nc o n t r o la c t i v ea n d r e a c t i v ep o w e ri n j e c t e di n t on e t w o r ki n d e p e n d e n t l ya n dr a p i d l y b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c s0 fv s c - h v d c ，ac o o r d i n a t e dc o n t r o lm e t h o db e t w e e nv s c h v d c a n dc o n v e n t i o n a ls p e e dg o v e r n i n gs y s t e mo ra u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t o r ( a 、，r ) i s p r o p o s e dt om a i n t a i nt h es t a b i l i t yo ff r e q u e n c yo rb u sv o l t a g ea tt h ee a r i ys t a g eo f n e t w o r kr e s t o r a t i o n t h ew h o l es v s t e mm o d e li se s t a b l i s h e di nr t d se n v i r o n m e n t s j m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en u c t u a t i o n so ff r e q u e n c ya n dv o l t a g ea r e d i m i n i s h e d r e m a r k a b l y ， a n dt h e s t a b i l i t y i s i m p r o v e db y a d o p t i n gt h em e t h o d p r o p o s e d i t sc o n d u c i v et oe x p e d i t i n gt h er e s t o r a t i o np r o c e s so fp o w e rs y s t e m l il e i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a oc h e n g y o n g k e yw o r d s ： v s c h v d c ，n e t w o r kr e s t o r a t i o n ，f r e q u e n c yr e g u i a t i o n ，v o i t a g e r e g u i a t i o n ，c o o r d i n a t e dc o n t r o i 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电网恢复初期基于 v s c h v d c 的调频调压策略研究，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： 之盔 日期：哆肛励日期：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) 日期：日期：竺71 予：- 多 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 1 1 1 v s c h v d c 概述 第一章绪论 自1 9 5 4 年世界上第一个直流输电工程( 瑞典本土至g o t l a n d 岛的2 0 m w 、1 0 0 k v 海底直流电缆输电) 投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞弧 阀到晶闸管阀的变革【1 2 】。然而由于晶闸管阀为半控型器件，目前广泛应用的基于晶 闸管的电流源换流器型直流输电技术有以下固有缺陷：只能工作在有源逆变状 态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；换流器产生 的谐波次数低、容量大；换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤波和无功 补偿装置；换流站占地面积大、投资大。因此，基于晶闸管的电流源换流器型直 流输电技术主要用于远距离大容量输电和交流电网的互联等领域。 随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，我国和其他发达国家一样，将大 力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。随着风能、太阳能等可再生能源利 用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交 流输电技术或传统的电流源换流器型直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻 探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染 环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网容量，但城市人口膨胀 和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求 大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解 决以上问题。 随着电力电子器件和控制技术的发展，换流站采用i g b t 、i g c t 等元件构成电 压源换流器( v o l t a g es o u r c ec o n v e n e r ，v s c ) 来进行直流输电成为可能。1 9 9 0 年 m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 首先提出了用脉宽调制技术( p w m ，p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 控制的电压源型换流器( v s c ，v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ) 进行直流输 电的概念，随后a b b 公司发展了这项技术，将其命名为轻型直流输电( h v d c l i g h t ) ，并成功应用于多个领域【弘1 0 】。这种以v s c 、可关断器件和脉宽调制( p w m ) 技术为基础的新一代直流输电技术，国际电力方面的权威学术组织一一国际大电网 会议( c i g r e ) 和i e e e ，将其正式称为“v s c h v d c ，即“电压源换流器型直流 输电”。较之传统直流输电，v s c - h v d c 具有以下突出特点： ( 1 ) v s c 电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外加的换相 华北电力大学硕士学位论文 电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统h v d c 受端必须是有源网络的根本缺 陷，使利用h v d c 为远距离的孤立负荷送电成为可能。 ( 2 ) 正常运行时，v s c 可以同时独立地控制有功功率和无功功率，控制更加灵 活方便。而传统h v d c 中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。 ( 3 ) v s c 不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到s 己玎c o m 的作用，动 态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。 ( 4 ) v s c h v d c 系统在潮流反转时，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性 的并联多端直流系统，克服了传统多端h v d c 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 ) 由于v s c 交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味 着增加新的v s c h v d c 线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。 ( 6 ) v s c 通常采用p w m 技术，开关频率相对较高，经过高通滤波后就可得到所 需交流电压，所需滤波装置的容量大大减小。 ( 7 ) 模块化设计，占地面积小，设计、生产、安装和调试周期大大缩短。 ( 8 ) 换流站间的通讯不是必需的，其控制结构易于实现无人值守。 v s c h v d c 克服了传统h v d c 的固有缺陷，使得h v d c 的应用范围得到扩展， 为h v d c 技术的发展开辟了新的方向。现已投运的工程的应用领域为： ( 1 ) 可再生能源发电并网 ( 2 ) 岛屿或海上钻井平台供电 ( 3 ) 构筑城市直流输配电网和提高配电网电能质量 ( 4 ) 电网的非同步互联和电力交易 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 h v d c 系统的应用范围将向高压大容量输电领域扩展。目前已经建成的v s c h v d c 工程 中，传输容量已经达到3 5 0 m w ，电压等级1 5 0 k v 【1 1 】。文献【1 2 】中，a b b 公司对传 输容量1 0 0 0 m w ，电压等级3 0 0 k v 的v s c h v d c 工程可行性进行了分析，相信 在不久的将来即可在实际工程中实现。届时，v s c h v d c 将完全可以用于两个规模 相当的大电网互联并进行大容量的功率交换。 1 1 2 电网黑启动问题分析 随着电力系统跨区域互联的不断增加， 相互影响也愈加强烈，子系统局部的故障， 2 电网的规模越来越大，各子系统之间的 可能由于保护或自动装置的不正确动作 华北电力大学硕士学位论文 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。 大停电后的电网恢复可通过黑启动( b l a c k s t a r t ) 实现【”。引。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。 黑启动的过程分为电源恢复阶段、网络恢复阶段、负荷恢复阶段等几个阶段。本课 题将研究的时间框架设定为电网黑启动的负荷恢复阶段。 负荷恢复阶段的主要目标是尽可能多、尽可能快地恢复负荷，以减少大停电事 故对社会生产和人民生活造成的损失。但是由于系统恢复初期只有部分发电机组成 功起动，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。由于 发电机惯性的作用，依靠传统的频率和电压调节手段的调节效果有限，为防止系统 频率电压波动幅度过大，维持系统安全稳定，只能限制负荷的恢复速度，这无疑延 长了系统的恢复时间。 v s c h v d c 技术的发展恰好为解决上述矛盾提供了一种全新的方案。 v s c h v d c 可以看作一台可以四象限运行的无惯量发电机，通过对v s c h v d c 逆 变侧交流电压的控制，可有效的解决电源恢复阶段和网络恢复阶段的空载长线路过 电压问题：通过对v s c h v d c 注入系统的有功无功功率灵活、独立、快速地调节， 可以维持系统功率的平衡状态，提高系统的频率电压稳定性，从而加快电网的负荷 恢复速度，减少因停电造成的用户和电网的经济损失。本课题将研究的时间框架设 定为电网黑启动的负荷恢复阶段，研究v s c h v d c 与传统调频调压方法协调配合， 以提高电网恢复初期的频率和电压稳定性。 1 2 课题的研究意义 研究v s c h v d c 与传统调频调压方法协调配合来共同提高系统的频率和电压 的稳定性对确保发生大停电事故后快速地恢复电网的正常运行具有十分重要的现 实意义。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 有利于提高电网恢复速度。 由于受发电机组本身负荷变动速度的限制，负荷的恢复速度受到制约，因而大 停电后的系统恢复过程需要很长时间。通过本课题的研究，有望将电网恢复过程所 需时间大大缩短，最大限度的减少大停电对社会生产和人民生活造成的损失。 ( 2 ) 有利于提高电网恢复初期的电能质量。 1 华北电力大学硕士学位论文 电网恢复过程的负荷恢复阶段的主要目标是尽可能多、尽可能快地恢复负荷， 为达到这一目标，往往会适当地降低对系统频率和电压质量的要求。通过本课题的 研究，有望解决在现有的黑启动方案中，负荷恢复速度与电能质量这一对不可调和 的矛盾，在负荷快速恢复的同时，保证较高的电能质量。 ( 3 ) 拓展了v s c h v d c 的应用场合。 目前，v s c h v d c 技术已经应用于多种场合，但对v s c h v d c 在电网恢复过 程中发挥作用的研究较少。本课题的研究将v s c h v d c 应用于提高电网恢复初期 的频率和电压稳定性，使v s c h v d c 的应用领域得到了进一步的拓展。 1 3 本课题的国内外研究现状 1 3 1v s c h v d c 的国内外研究与应用现状 自1 9 9 7 年第一个v s c h v d c 工程投入工业试验运行以来，至今已有多个 v s c - h v d c 工程投入商业运行。这些v s c h v d c 工程全部由a b b 公司建造，主要 应用于风力发电、电力交易、电网互联、海上钻井平台供电等领域。表1 1 列出了 这些投运和在建工程的主要技术指标和应用领域【2 0 1 。 表1 - 1 已经投运或在建的v s c h v d c 工程及主要技术指标 4 华北电力大学硕士学位论文 世界范围内关于v s c h v d c 的研究一直处于十分活跃的状态。目前，国际上 关于v s c h v d c 的研究，无论在工程实用化方面还是在基础理论方面都已比较深 入。c l g r e 于前些年已经成立了专门研究v s c h v d c 输电的b 4 3 7 工作组，以推 动v s c h v d c 技术的发展，目前已经完成了关于v s c h v d c 输电的工作组研究报 告【2 1 2 3 】；另外，国际大电网会议最近又成立了研究采用v s c h v d c 将风电场接入 电网的b 4 3 9 工作组。针对实际工程中所遇到的困难，国际上的研究热点包括如何 提高v s c h v d c 的容量、降低损耗和造价，如何提高v s c h v d c 的安全可靠性， 以及对交流电网的支持、与交流电网相互作用和交流系统故障下的保护控制等。 国内关于v s c h v d c 技术的研究开始比较晚，目前还处于起步阶段。浙江大 学、华北电力大学、中国电力科学研究院、华中科技大学等单位已经开展了这方面 的基础理论研究【2 4 川l ，研究工作主要集中在v s c h v d c 的建模仿真、v s c h v d c 的控制和保护策略等。 1 3 2 电网黑启动过程研究现状 目前，国内外电力生产部门的技术人员和相关学者对黑启动的关注日益加强。 国外学者从8 0 年代开始就对该问题进行了研究【3 2 3 引，明确了黑启动要解决的问题， 取得了一些成果。文献【3 3 】结合美国内布拉斯加电力系统讨论了使用遥远小水电作 为启动电源来启动大容量火电厂的黑启动方案，并将仿真结果和实际试验结果进行 了比较，得出了较一致的结论。文献【3 4 1 对希腊h e l l i c 电力系统的一次大停电事故 进行了恢复仿真研究。近年来，国内学者在该方面也进行了一些研究。1 9 9 9 年，上 海交通大学和华东电力调度局合作对华东电网的黑启动问题进行了仿真研究，对以 天荒坪抽水蓄能电站为启动电源启动新安汪水电机组的方案进行了计算分析。该项 研究工作对启动过程中的发电机自励磁问题、空载合闸过电压问题以及初步恢复后 系统的低频振荡问题都做了研究。2 0 0 0 年，华北电网成功地进行了国内首次电力系 统黑启动试验，其各项实测系统指标都能够满足黑启动的要求。其它部分网、省局， 如华中电网、贵州电网、陕西电网、山东电网等，也都根据本系统的实际情况进行 了或正在进行黑启动的研究，取得了一些有意义的成果【3 5 以7 】。 负荷恢复阶段作为电网黑启动的重要一环，也得到了较为深入的研究。文献f 3 8 1 对现有黑启动方案中的负荷恢复过程进行了描述，文献【3 9 】系统地研究了负荷的快 速恢复在线算法，为在线制定负荷恢复方案提供了有力的定量分析工具，使恢复过 程变得更快、更安全、更精确。但是上述研究都是在只考虑传统的频率和电压调整 手段的情况下，使负荷的恢复过程满足一定的约束条件，主要是系统稳态频率、电 压必须保持在规程允许范围，当大负荷投入时，系统频率的下降不能引起低频减载 动作等。由于发电机的惯性作用，传统的调节手段难以在很短的时间内改变发电机 5 华北电力大学硕士学位论文 的输出功率，为满足这些约束条件，不得不牺牲负荷的恢复速度。 利用v s c h v d c 传输功率可以独立快速控制的特点，让v s c h v d c 参与电网 负荷恢复阶段的频率和电压调节过程，是一种全新的思路，目前在国内外的相关文 献中尚未见到报道。 1 4 本文的主要工作 将v s c h v d c 应用于大停电后的黑启动过程是一种电网恢复的新方法，研究 工作得到了国家自然科学基金的支持。本文的研究重点是电网恢复过程中的负荷恢 复问题。通过对v s c h v d c 的背景和研究现状的分析，针对电网恢复初期的频率 电压稳定问题，研究基于v s c h v d c 的调频调压策略。本文主要做了以下几个方 面的工作： ( 1 ) 对v s c h v d c 系统向有源网络供电时的功率解耦控制策略进行研究。通过 坐标变换推导出v s c 功率传输方程的直角坐标形式，求得控制量同功率值之间的解 析关系式，采用逆系统方法设计v s c 的功率传输解耦控制系统。在r t d s 仿真平台 上建立v s c h v d c 系统模型，并对v s c h v d c 传输功率解耦控制特性进行仿真验 证。 ( 2 ) 研究利用v s c h v d c 传输有功功率独立快速调节的特性，与传统的频率调 节手段协调配合以提高电网恢复初期系统频率稳定性。对电网恢复初期的系统频率 稳定问题进行分析，结合v s c h v d c 和传统调频手段的特点，提出具体的协调控 制实现方法，并通过r t d s 仿真平台对所提出的方法进行仿真验证。 ( 3 ) 研究利用v s c h v d c 传输无功功率独立快速调节的特性，与传统的电压调 节手段协调配合以提高电网恢复初期的系统电压稳定性。对电网恢复初期的系统电 压稳定问题进行分析，结合v s c h v d c 和发电机励磁调压的特点，提出具体的协 调控制实现方法，并通过r t d s 仿真平台对所提出的方法进行仿真验证。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章v s c h v d c 解耦控制特性 本章对v s c h v d c 系统向有源网络供电时的功率解耦控制策略进行了研究。 以v s c 的稳态模型为基础，通过坐标变换推导出v s c 功率传输方程的直角坐标形 式，求得控制量同功率值之间的解析关系式。采用逆系统方法设计了v s c 的功率传 输控制系统，以及基于有功、无功功率独立调节的v s c h v d c 控制系统。 2 1v s c 的稳态模型 v s c 联接有源交流网络时的稳态模型如图2 1 所示，工为换流电抗器的等效电 感；r 为v s c 功率损耗的等效电阻；6 为交流侧系统电压以相位超前v s c 交流侧 基波电压仉相位的角度；只、g 为交流系统输出的有功功率和无功功率；只、q 。 为v s c 吸收的有功功率和无功功率。 占cf + h i ，u d = c 图2 1v s c 的稳态数学模型 令x = 山、口。a r c t a n 旦、y 。- 7 ! 一，由图1 可知： z r 2 + x 2 一虬玑y s i n ( 6 + 口) 一町y s i n 口 q c - 以玑】厂c o s + 口) 一u c o s 口 一【l 玑】，s i n ( 6 一口) + u ；y s i n a q = 一玑虬y c o s ( 6 一口) + u c o s 口 式( 2 - 1 ) ( 2 - 4 ) 为系统中各处有功功率和无功功率与阢和6 间的关系式； 电压变量均为线电压有效值，功率变量均为三相功率。由式( 2 1 ) ( 2 4 ) 可知， 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中 v s c 华北电力大学硕士学位论文 为双输入、双输出的被控对象，调节玑和6 即可控制v s c 传输有功功率和无功功 率的大小及流动方向。 阢的大小由观和调制度m ( o m 1 ) 决定，有如下关系【4 0 l ： 玑= 等 ( 2 - 5 ) 6 ( 兀6 ) 的值由交流系统电压与调制波之间的相位差决定，调节调制 波的相位即可改变6 的大小。 式( 2 1 ) ( 2 - 5 ) 即v s c 的基本方程式。 2 2 基于直角坐标变换的v s c 传输功率解耦控制模型 2 2 1v s c 传输功率模型的直角坐标形式 直接取m 和6 为输入控制量，由于式中的三角函数的影响，v s c 的两输出量 同两输入量之间存在较强的耦合作用。取v s c 交流侧输出电压相量的幅值和相位为 自变量时，其变化平面可视为极坐标平面。为了消除三角函数的影响，简化v s c 的 功率传输特性，引入变量彳、b ，将功率方程转化为直角坐标形式。 变量彳、b 定义如下： 仁爰嚣二暑 ( 2 - 6 ) i 口= 玑s i n 一口) r 将式( 2 6 ) 代入式( 2 - 1 ) ( 2 4 ) ，化简可得： 只= 玑阳c o s 2 口一曰2 y s i n 口+ c ( 2 7 ) q c 一玑以c o s 2 口一彳2 y c o s 口+ d ( 2 8 ) 只一玑+ 以y s i n 口( 2 9 ) q = 一玑翻+ 町y c o s a ( 2 1 0 ) 其中， c u ，翻s i n 2 a 一彳2 】，s i n 口 ( 2 1 1 ) d 一一玑s i n 2 口一曰2 y c o s 口( 2 1 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 式( 2 7 ) ( 2 1 0 ) 即v s c 功率传输方程的直角坐标形式。 通过参数彳、口调节控制量m 、6 协调变化，消除了三角函数的影响，么只、 b q 。间的耦合作用可以得到消除，只存在彳只、b q c 间的单通道耦合作用。只同参 数b 、g 同参数彳之间的关系曲线为直线，只同参数曰、q 。同参数彳之间的关系曲 线为抛物线，功率特性可由一次、二次简单曲线描述。c 的变化反映了彳的变化对 只所产生耦合作用的大小，参数爿对只名关系曲线的影响只是垂直方向的平移， 参数日对q 。卅关系曲线的影响同理，耦合作用的影响较原来更有规律性。 2 2 2v s c 传输功率解耦控制器的设计 交流侧联接有源网络时，v s c 为双输入、双输出的被控对象。考虑到对交流侧 系统的影响，控制从交流侧系统吸收的无功功率g 很有必要；有功功率p c 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p c ； 若要对交流侧系统进行控制，则需关注变量只。因此，v s c 的输出量可以有两种组 合，以下分别对取p c 、热和只、g 为输出量的情况进行讨论。 2 2 2 1p c 、q 。独立控制系统设计 将式( 2 7 ) 、( 2 1 0 ) 组合如下： f = u j c o s 2 口一b 2 y s i n 口+ c l q 一一玑拗+ u 夕c o s 口 ( 2 1 3 ) 可知只、么的最大值最小值由彳、曰的取值决定；需要注意的是，彳、b 的取值 会受到一些因素的限制，如直流系统的电压值观以及m 、6 的取值范围。 将式( 2 5 ) 代入式( 2 6 ) ，可得 彳 b ( 2 1 4 ) 可知，参数彳、口的最大值正比于观，即不改变系统电压以时，尸c 、幺的调节 范围受到观的制约。 由式( 2 1 3 ) 可知，当爿，如。2 三时，g 取得极值： 9 、口， 曲 啪 吨 6 5 0 协、 刚 k 协 仪 酊 知丽廊丽 华北电力大学硕士学位论文 a 一；差玑觋+ 哆 q 一爰u 觋+ 哆 当彳= 跏2 口2 ，觑口、曰取值为口m i d = 阢c d s 2 口如伽口时，只取得最大值： 一= 罴 由式( 2 1 4 ) 可知，参数彳、曰应符合下面的关系： h s 鲁 例s 鲁 爿z + b zs 堑 8 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 由式( 2 1 8 ) 可知，参数彳和b 取值范围由直流线路电压决定。 由以上分析可得如下结论：v s c 所能吸收的有功功率最大值由交流侧系统电压 决定：但是由于受么和b 取值范围的限制，有功功率有可能达不到该最大值。此时， 有功功率、无功功率的调节范围便由直流线路电压决定。 在v s c h v d c 系统中，为了提高逆变侧交流系统电压的稳定性，通常会对玩 进行定值控制，则观取为该定值时，即可得v s c h v d c 系统稳定运行时该侧换流 站的功率调节范围。 式( 2 1 3 ) 中的p c 、g 传输特性方程中，仍有一个通道存在耦合作用，但是已经 可以求出控制量m 和6 同功率定值间的解析表达式，因此可以考虑采用逆系统方法 来设计非线性控制系统。所谓的逆系统，简单地说即这样一类系统，它以预期的原 系统的输出作为输入，以需要加到原系统输入端的控制量作为输出。将逆系统串联 于原系统之前，并通过状态反馈，即可构成一个伪线性系统【4 1 1 。 由式( 2 1 3 ) 可知，参数b 存在两个解，取卜o 。，口。甜】为b 的调节区间，即b 的解 取左根而舍掉右根。p c 、g 同m 、6 之间的逆关系如下： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 彳；竺i ! 竺! 竺二壁! 【，y b ：二垒二巫巫 毡 6 一 们m 舢。 口r c ) + a + 石彳s o b o 口r c ) + 口一万彳s o b o m = 禹 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 其中七l = h i 以口，后2 = _ j y c d s 2 a 。 采用逆系统方法所设计的p c 、幺独立控制系统如图2 - 2 所示，其中p c 呵、幺r e ， 为被控量的参考输入即设定值；在调节区间内，参数彳、艿和g 、p c 之间的关系满 足单调性，因此可以采用p l 控制器消除被控制量同设定值之间的差值。为了保证m 、 6 不超出取值范围，又能保持设定的关系，应按式( 2 1 8 ) 对参数彳、曰进行限幅。 图2 2p c 、么独立控制系统结构图 2 2 2 2p s 、q 。独立控制系统设计 在设定v s c 向交流侧传输的功率值时，便需要对只进行控制，取只、g 为输 1 1 华北电力大学硕士学位论文 出量。 将式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 组合如下： j 只i u ，协+ u ；y s l n 口 ( 2 2 3 ) i q = 一玑黝+ y c o s a 即只、g 的传输方程；可知，只b 、g 爿之间均为线性关系，且g b 、只彳 两通道之间不存在耦合作用。 由式( 2 2 3 ) 可得： 彳。竺i ! ! 竺兰竺二望! ( 2 2 4 ) 曰。墨二里主兰! 垫竺 u ，l ， ( 2 2 5 ) 式( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 及( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 即只、g 同m 、6 之间的逆关系，采用逆系 统方法所设计的只、g 独立控制系统如图2 3 所示。只、么的调节范围同样取决于 参数彳、口的取值范围，在此不再重述。 图2 3 只、么独立控制系统结构图 2 3 基于有功功率和无功功率独立调节的v s c h v d c 控制系统设计 在2 2 节，针对单个换流站的传输功率独立控制系统进行了设计，本节将研究 两端换流站的控制系统的配合问题。目前，v s c h v d c 系统给有源网络供电时，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策略【4 2 4 4 1 。 此时，v s c h v d c 系统传输的功率由两端换流站设定值的乘积决定，其控制目标为 1 2 华北电力大学硕士学位论文 直流线路上流动的功率。由于换流站本身存在功率损耗，其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，控制的精确性会受到影 响。本文采用了一端换流站定直流电压，另一端换流站定传输功率的供电有源网络 控制策略。 两侧联接有源网络的v s c h v d c 系统稳态物理模型如图2 - 4 所示。 * ， 田 图5 2 母线电压仿真波形 图5 3 所示为采用v s c h v d c 与发电机励磁调节协调控制策略时的v s c h v d c 注入系统无功功率q 。2 和发电机发出的无功功率q m 。c 曲线。从图中可以看出，在协调 控制方法的作用下，v s c h v d c 注入系统无功功率和发电机发出的无功功率相互配 合，以维持系统无功功率的平衡，从而抑制了母线电压的波动。 ( a ) v s c h v d c 注入系统无功功率 图5 3 无功功率仿真波形 5 4 2 有功无功负荷同时投入情况仿真 在前面的章节中，针对纯有功负荷和纯无功负荷，分别设计了电网恢复初期的 频率和电压协调控制方法。但是在负荷恢复阶段，实际的负荷投入往往是有功功率 和无功功率同时增加，本节将在前文的基础上，对有功无功负荷同时投入的情况进 行仿真。 系统参数不变，在稳态运行点同时投入5 0 m w 有功和3 0 m v a r 无功，由于增加 投入的有功负荷较小，对系统频率的冲击并不严重，可将v s c h v d c 动作频率设 3 7 高主、嚷。挎苫、u菩a 华北电力大学硕士学位论文 定值适当升至4 9 8 h z ，进一步提高频率质量。仿真波形如图5 4 所示。 由图可知，在有功无功负荷同时投入的情况下，v s c h v d c 可以同时调节注入 系统的有功无功功率，前文所设计的频率和电压协调控制策略可以同时使得系统频 率和母线电压的波动均能得到有效抑制，同时提高了频率和电压稳定性。 j d 、 g 名 n o 田 ( a ) 系统频率 ( b ) 母线电压 图5 4 同时投入有功无功负荷时系统频率和母线电压波形 5 5 本章小结 本章首先提出了电网恢复初期的电压稳定问题，对传统的电压调整手段进行了 总结，在此基础上，提出利用v s c h v d c 有功无功快速独立控制的特点，与传统 的发电机励磁系统协调控制以维持电网恢复初期的系统电压稳定。在i 盯d s 仿真平 台下对所提出的方法进行了仿真验证。仿真结果表明，采用本文提出的v s c h v d c 与传统调压手段协调控制方法，可以明显减小发电机高压侧母线电压的波动幅度， 提高了电网恢复初期的系统电压稳定性，有利于系统快速恢复。最后，对同时投入 有功无功负荷的情况进行了仿真，结果表明，所设计的频率和电压协调控制策略可 以同时使得系统频率和母线电压的波动均能得到有效抑制，同时提高了频率和电压 稳定性。 3 8 华北电力大学硕士学位论文 6 1 结论 第六章结论与展望 本文主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 对v s c h v d c 技术和电网黑启动的国内外研究现状做了充分的调研，明确 了电网负荷恢复阶段所面临的频率和电压稳定问题，确定了v s c h v d c 与传统调 频调压手段协调配合以提高电网恢复初期的频率和电压稳定性的思路。 ( 2 ) 对r t d s 实时仿真的国内外研究应用概况做了充分的调研，对r t d s 小步 长建模的关键问题进行了研究总结，以r t d s 仿真工具为平台，做了大量的仿真实 验，结果表明，利用i 玎d s 小步长模型建立v s c 换流器模型，建模简单，计算速度 快，仿真结果准确，非常适合基于全控型电力电子器件的v s c h v d c 系统的特性 研究。 ( 3 ) 对v s c h v d c 系统向有源网络供电时的功率解耦控制策略进行研究。通过 坐标变换推导出v s c 功率传输方程的直角坐标形式，求得控制量同功率值之间的解 析关系式，采用逆系统方法设计了v s c 的功率传输解耦控制系统。在l 汀d s 仿真平 台上建立v s c h v d c 系统模型，并对v s c h v d c 传输功率解耦控制特性进行仿真 验证。仿真结果表明，设定值变化时，可以很好的实现直流电压的定值控制以及传 输功率的灵活、独立调节；采用逆系统方法设计的控制系统，大大削弱了调节过程 中的耦合作用。 ( 4 ) 研究利用v s c h v d c 传输有功功率独立快速调节的特性，与传统的频率调 节手段协调配合以提高电网恢复初期系统频率稳定性。结合v s c h v d c 和传统调 频手段的特点，提出了具体的协调控制实现方法，并通过r t d s 仿真平台对所提出 的方法进行仿真验证。仿真结果表明，采用本文提出的v s c h v d c 与传统调频手 段协调控制方法，可以明显减小频率的波动幅度，提高了电网恢复初期的系统频率 稳定性，有利于系统快速恢复。 ( 5 ) 研究利用v s c h v d c 传输无功功率独立快速调节的特性，与传统的电压调 节手段协调配合以提高电网恢复初期的系统电压稳定性。结合v s c h v d c 和发电 机励磁调压的特点，提出具体的协调控制实现方法，并通过r t d s 仿真平台对所提 出的方法进行仿真验证。仿真结果表明，采用本文提出的v s c h v d c 与传统调压 手段协调控制方法，可以明显减小发电机高压侧母线电压的波动幅度，提高了电网 恢复初期的系统电压稳定性，有利于系统快速恢复。 3 9 华北电力大学硕士学位论文 6 2 展望 我国电网正处于高速发展时期，目前已进入从大区性电网向全国性互联电网过 渡的阶段。由于能源的分布不均和负荷的相对集中使得西电东送、南北互供和全国 联网成为我国电网发展的方向。直流输电因其种种技术优势已经在西电东送和全国 联网中起到重要作用。而v s c h v d c 又具有传统h v d c 所没有的许多优点，在诸 多应用领域显示出巨大的优越性。 随着电力电子技术及控制技术的进步，全控型器件的性能及容量不断提高，使 得v s c h v d c 系统的应用范围不断扩大，尤其是在电网互联领域，v s c h v d c 可 以发挥更大的作用。 本文针对电网黑启动负荷恢复阶段的频率电压稳定问题，对v s c h v d c 与传 统的调频调压手段的协调控制策略进行了研究，取得了一些成果，但仍有部分问题 有待于深入研究，主要有如下几个方面： ( 1 ) 本文在l 玎d s 仿真平台上搭建了完整的v s c h v d c 系统模型，包括主电路 拓扑及其脉冲触发控制系统。可在此模型的基础上，开展后续的v s c h v d c 系统 特性研究工作，比如v s c h v d c 一次仿真系统与外接实际控制保护装置的闭环试 验等。 ( 2 ) 为简化分析过程，本文中负荷模型均采用恒功率模型，不够精确。在后续 的研究工作中，可采用动态的负荷模型或更加接近实际的电动机负荷模型，以取得 更加精确的仿真结果。 ( 3 ) 本文工作只对负荷一次性增加的情况进行了研究，对负荷连续增加的情况 只做了定性分析，可在后续的工作中进行具体的仿真验证。 由于时间与本人水平的限制，所做的工作仍有很多不足之处，有待今后继续补 充和完善。不足之处，恳请各位专家、老师和同学批评指正。 华北电力大学硕士学位论文 【l 】 【2 】 【3 】 【4 】 【5 】 【6 】 【7 】 【8 】 【9 】 【1 0 】 【1 1 】 【1 2 】 【1 3 】 【1 4 】 【1 5 】 【1 6 】 参考文献 赵畹君高压直流输电工程技术北京：中国电力出版社2 0 0 4 浙江大学直流输电科研组直流输电北京：水利电力出版社1 9 8 5 李庚银，吕鹏飞，李广凯等轻型高压直流输电的发展与展望电力系统自动 化，2 0 0 3 ，2 7 ( 4 ) ：7 7 8 1 x i a o 、a n g ，b o o n - 1 c c ho o i h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e d o nv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r s 1 n ：p e s c 9 0r e c o r d ，1 ：3 2 5 3 3 2 徐政，陈海荣电压源换流器型直流输电技术综述高电压技术，2 0 0 7 ，3 3 ( 1 ) ： l 1 0 王凤川电压源换流器式轻型高压直流输电电网技术，1 9 9 9 ，2 3 ( 4 ) ：7 4 7 6 武娟，任震，黄雯莹等轻型直流输电的运行机理和特性分析华南理工大学 学报( 自然科学版) ，2 0 0 1 ，2 9 ( 8 ) ：4 1 4 4 b o o n - t i e c ho o i ，x i a ow a n g b o o s tt y p ep w mh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m i e e e t r a n s a c t i o no np o w e rd e l i v e r y ，1 9 9 1 ，1 5 5 7 1 5 6 3 k j e l le r i k s s o n ，t o m a sj o n s s o n ， o v et o l l e r z s m a l ls c a l et r a n s m i s s i o nt oa c n e t w o r k sb yh v d cl i g h t i n ：t h e1 2 1c e p s ic o n f e r e n c e p a t t a y a ( t h a i l a n d ) ： 1 9 9 8 j a g d i s hc a u x i l i a r yp o w e rc o n t r 0 1 so nt h en e l s o nr i v e rh v d cs c h e m e i e e e t r a n s a c t i o no np o w e rd e l i v e r y ，19 9 4 ， 9 ( 2 ) ： 1 0 6 3 1 0 6 8 l r o n s t r o m ，m l h o f f s t e i n ，r p a j o ，e ta 1 t h ee s t l i n kh v d cl i g h tt r a n s m i s s i o n s y s t e m s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y0 fe 1 e c t r i cp 0 w e rs y s t e m sc l g r er e g i o n a l m e e t i n g ， j u n el8 - 2 0 ，2 0 0 7 ，t a l l