（电力系统及其自动化专业论文）高压直流输电系统的稳定性分析.pdf

摘要 a b s t r a c t t ok e e ph v d ct r a n s m i s s i o ni ns t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o ni s 也em o s tb a s i ca n d i m p o r t a n tr e q u i r e m e n t t r a n s f 0 1 t n e r sd cb i a sb yh v d c sm o n o p o l eo p e r a t i o nm o d e ，t h e b a c k g r o u n dh a r m o n i ca n dv a r i o u sd i s t u r b a n c e si np o w e rs y s t e mw i l lm a k eh v d co p e r a t ei n u n l - e a l i s t i cc i r c u m s t a n c e w h i c hc a r tl e a dt ot h eb r e a k d o w no fh v d c ss t a b i l i t y t h ep a p e r f o c u s e so n 也em u t u a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e na ca n dd es y s l c m s 。a i m sa tt h eh v d c ss t a b i l i t y a n dt h ef o l l o w i n gp r o b l e m sa r es t u d i e dd e t a i l e d l y ( 1 1t h ei n f l u e n c eo f i n v e r t e r sp o s i t i v es l o p ec h a r a c t e r i s t i co nh v d cs t a b i l i t y t h eo r i g i n a lp u r p o s et ou s ep o s i t i v es l o p ec h a r a c t e r i s t i ci st oe l i m i n a t e 也em u l t i p i e c r o s s - p o i n tb e t w e e nt h er e c t i f i e ra n di n v e a e rv o l t a g e a m p e r ec h a r a c t e r i s t i e t h i sp a p e r p r o v e st h a tf r o mt h ev i e w p o i n to fs m a l ls i g n a li n v e r t e r sp o s i t i v es l o p ec h a m c t e r i s t i cm a k e s 血ec o n t r o ls y s t e ms a t i s f yt h es t a b i l i t yr e q u i r e m e n tu n c o n d i t i o n a l l yc o m p a r e dw i t hn e g a t i v e s l o p ec h a r a c t e r i s t i c 。t h u sn on e e dt od e m a n da n yr e q u i r e m e n to nt h ep a r a m e t e r so fc o n t r o l s y s t e ma n dp r i m a r yc i r c u i t s ( 2 ) s m a l ls i g n a ls t a b i l i t ya n a l y s i so f h v d cb a s e do nq u a s i - s t e a d yr o o d e l 0 nt h eb a s i so fh v d cq u a s i s t e a d ym o d e l d i f f e r e n ts t a t ee q u a t i o no fs m a l ls i g n a l m o d e l so fc o m m o n - u s e dc o n t r o ls y s t e ma r ee l a b o r a t e d t h e nt h em e t h o do fe i g e n v a l u e a n a l y s i si su s e dt oa n a l y s et h es m a l ls i g n a ls t a b i l i 母o ft h es y s t e m t h ei n f l u e n c eo fc o n t r o l s y s t e mp a r a m e t e r si sp r e s e n t e d 1 1 1 em o d e la n da n a l y s i sm e t h o dc a nb eh e l p f u lt ot h e o p t i m i z a t i o no f c o n t r o ls y s t e mp a r a m e t e r s f 3 1t h ei m p e d a n c e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f h v d cc o n v e r t e ra n dh a r m o n i ci n s t a b i l i t y h a l t n o n i ci n s t a b i l i t yh a sa l r e a d yl e dt os e v e r a lh v d cp r o j e c ts h u t d o w ni nt h ep a s t d e c a r i e s ，w h i l et h ei m p e d a n c e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ci si m p o r t a n tf o ra n a l y s i sa n ds o l v ei b i s p r o b l e m t h ep a p e ra n a l y s e st h ew o r k i n gc o u a s eo fc o n v e r t e ra n dp r e s e n t sam e t h o dt o c a l c u l a t et h ei m p e d a n c e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co nt h eb a s i so fs w i t c h h a gf u n c t i o n t h e m e t h o dc a nd e t e r m i n et h ec o n v e n e r si m p e d a n c e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cs e e nf r o mt h ed c a n da cs i d e ，t h e nt h ea ca n dd cc i r c u i t sa r ec o n v e n e dt ot h es a l n ef r a m e ，a n dt h u st h eh a r m o u i c i n s t a b i l i 锣p r o b l e n ac a nb es t u d i e de a s i l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w 也a tt h em e t h o di sq u i t e e f f e c t i v e ( 4 ) t h ei m p a c to f a cs y s t e ms i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l to nh v d c w h e na cs y s t e mf a u l to c c u r s ，t h es t a b l eo p e r a t i o no fh v d cc a nb ed e s t r o y e d s i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l ti sv e r yc o n l l n o ni na cs 3 7 s t e ma n dt h ep a p e ra n a l y s i s 也ed y n a m i c c o u r s eo fc o n v e r t e ru n d e rt h i sf a u l t t oc a l c u i a t et h en o n c h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i c ，t h ep a p e r p r e s e n t e das o c a l l e dp r o m o t e ds w i t c h i n gf u n c t i o nw h i c hs o l v e dt h ep r o b l e mt h a ts w i t c h i n g f u n c t i o nc a n n o tb eu s e dt ou n s y m m e t r i c a lo p e r a t i o nc o n d i t i o no fv a l v e 强em e t h o dc a nb e u s e da sa u x i l i a r ym e a l l sf o rh a r m o n i cp r o t e c t i o ni nh v d cc o n t r o la n d p r o t e c t i o ns y s t e m ( 5 ) o p t i m i z e dg r o u n d i n gr e s i s t a n c ec o n f i g u r a t i o na g a i n s td eb i a so f t r a n s f o n t l e r t h ea m p l i f i c a t i o no fh a r m o n i ca n db u sv o l t a g ed i s t o r t i o ni nc o m m u t a t i o nb u sb y t r a n s f o n t l e rd cb i a sw i l ld e t e r i o r a t et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o na n de a s i l yl c a dt oh a r m o n i c i n s t a b i l i t y t h et r a d i l i o n a lc u r em e a s u r e sf o rt r a n s f o n t i e rd cb i a sa r et oi n s t a l ls u p p r e s s i o n d e v i c ea tt h eh a p p e n i n gp l a c eo n l y a i m e d 砒t h i s t h ep a p e r p r e s e n t e da no p t i m i z e dc o n f i g u r a t i o n m e t h o do fg r o u n d i n gr e s i s t a n c et om a k ea 1 1t h ec u r r e n t st h r o u g ht h et r a , - 1 s f o l t n e n e u 砌d 0 血i 1 1 t h eg r i dw i t h i ni t sl i m i t so nt h eb a s i so f a d j o i n tn e t w o r k s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，mp m p o s e dm e t h o d i sv 耐丘c db yt h ed a t af r o ms o u t h e r nc h i n ap o w e ro r i d t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta l l n e u t r a lc u r r e n t sa r el i m i t e dw i t h i nt h es p e c i f i e dv a l u e ，t h u st h ed cb i a so f t r a n s f o r m e ri sa v o i d e d k e yw o r d s ：h v d c ：s t a b j ii t y ：p o w e rs y s t e m ：d cb i a s ：s m a i i s i g n a i i l 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文高压直流输电系统的稳定性分析， 是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，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。 学位论文作者签名岛劬怠日期：鲨! ： d ，妒 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) f l a 作者签名：竖至【垒 导师签名： 日期： q 趔b ：幺扫 日期： 华北电力大学博士学位论文 第一章引言 1 1 高压直流输电的概况及发展 高压直流输电( h v d c ) 的基本原理是通过整流器将交流电变换为直流电形式， 再通过逆变器将直流电变换为交流电，从而实现电能传输和电网互联。典型双极 h v d c 的主系统如图i l 示【l 】。 换疏问l； 锶千省下唪陟 ；= 卜1f 叫二丰= i 锥土龇桎土扮 b t t 一 上上j -上上上 至至至 变流姑拔器 图1 1 典型双极h v d c 主系统示意图 至至至 与交流输电方式相比，h v d c 输电技术有许多独特的优点，概括起来主要有以 下几点 i - 1 0 j ： ( 1 )在传输功率相同的条件下，直流输电的换流站设备投资较大，而线路投 资较小，因此当用于远距离输电时造价要小于交流输电。 ( 2 ) 可实现大区电网的异步互联，不存在稳定问题，互联后也不会增大原系 统的短路容量。 ( 3 )双极型直流系统可分期建设，先建成单极系统运行以发挥效益。双极系 统运行中如有一极发生故障，另一极能继续运行，减小功率损失。 ( 4 ) 调节快速，高度可控。不但在故障情况下可快速闭锁停运，而且可以利 用其功率调制功能，迅速增加或减小输送功率，提供紧急功率支援，功率调制功能 还可抑制交流系统的低频振荡等问题。 第一章弓l 富 ( 5 1直流输电的线路电容较小，充电功率较小，当采用电缆输电时优势明显， 而交流电缆的充电功率较大，宵时甚至因为此原因而无法送出功率，如跨海电缆送 电。 f 懿在羧送蘑等功率零平下览交流方式帮嚣 囊迄走鏖，雯强绦。在当蔻我髫 遗资添紧张的弱覆下，这一饶熹不毽可爨减小主地占用郛掭迁赞耀，两盈可藏小 投资。 直流输电的这些独特优点，使其在远距离输电和电网互联中扮演着越来越重要 的角色。融1 9 5 4 年第一条h v d c 工程投运以来，伴随着现代科技的发展和进步， h v d c 按零魄取褥了长是的滋簇。在h v d c 的按术发震安上，表l l 裂出了h v d c 援寒发涎j 筵程中的若干重要攀释 1 1 1 。 表l 一1h v d c 技术发展史上的若干重要事件 【序号 事件时间 l第一条h v d c 工程，g o t t a n d 工程建成投产 1 9 5 4 2菇瓣篝获滚辏第一次投入整瑟1 9 7 0 3第一个1 2 脉动换流器投入使甩1 9 7 6 4 最大的h v d c 工程融馘i t a i p u 工程( 6 3 0 0m w 6 0 0k v ) 建成 1 9 7 9 5 第一条多端h v d c 工程q u e b e c n e we n g l a n d 工程建成 1 9 9 2 6第一个电臌源型换流器技术的赢流工程建成1 9 9 9 7蓑一令袋麓壤容换翅换浚器援零豹壹菠工程2 0 0 0 您滔g a r a b i 曹靠背工程建成 8 容景最大的搀流器存= 瞎一常州盲流t 禅伸用2 0 0 2 截至2 0 0 3 年，世界上已投运的h v d c 工程约7 6 个【l2 1 。我国自舟山直流输电 工程1 9 8 7 年投入运行以来，截至2 0 0 5 年底又陆续有葛洲坝一上海等7 项直流输电 工程相继投入运行，其基本情况见表l 一2 。此外三峡一上海、贵州一广东二回等工 程正在紧张建设之中，而即将建设或规划的h v d c 工程还包括云南一广东工程，东 北一华北背靠背联网工程，呼盟一辽宁工程，金沙江一华东工程等数十个项目。这 些直流工程的建设为开发我国的水、火电资源，缓解东部省份的用电紧张局面，促 进大区电网的互联发挥着不可替代的作用0 3 - 1 8 1 。 宜流工程从系统结构上看，可以划分为两端直流输电系统和多端直流输电系 统。多端直流输电系统尽管可以实现多介交流电网的互联和电能传输，但由于其控 制复杂限制了其应用。多端直流工程在二十世纪八、九年代初期经历了短暂的发展 后，现已较少引起关注，目前全世界只有北美的n e l s o n 、太平洋联络线、q u e b e c - n e w e n g l a n d 、意大利撒丁岛等为数不多的几个多端直流工程，而其它均为两端直流工程 2 牮她电力大学鹄士学攮论文 1 1 9 _ 2 1 1 。两端直流工程又可分为单极系统、双极系统謦背靠背系统兰兴。另外，从 h v d c 的换流器结构肴，逐可分为6 脉动和1 2 脉动。尽管1 2 脉动换流器比6 脉动 挨滤瓣躲阙元传数多，僵交、蛊滚嚣侧特镊谐波鑫爨较，l 、，掰嚣瓣滤波设餐较少， 具有较离鲍技拳经济忧势。整裁世爨上绝大多数毫流正程都采用薅端羝统，蔼抉流 器多采用1 2 躲动。对于邋距离输电工程，由予双极系统能消除大地中的电流，围 琵被广泛聚嚣。 控制保护系统 2 2 - 2 5 1 是h v d c 的灵魂和心脏。不管选用何种控制保护麓略，最 终都要妇络为产生触发挠流器懿触发角或其表现形式点火脉冲。点火脉冲的精度对 囊流系绞瓣嚣豁控裁精度、谐波含量等影璃较大，采瑗现代蕊泞技拳帮诗舞撬技术 的控制系统可以将点火脉游翡琢平籀度控铡在o 。o l 。一e ，髭59 之蠹。h v d c 均整滚 器和逆变器必须协调控制才能究成功率传送。巍流系统存在直流电压u d 和i d 两个 叁蠹度，因瑟整流器褪遂交嚣搽矮各爨控髑其中豹一个。戮前，实黼工程审采翔较 多的题整流侧控制电流，逆褒侧控制熄弧角或电压，蕊具体的控制方式均选用比较 成熬的p i 调节并辅阻限瞩环节。 袭1 - 2 我潮已建巍流z 程的蒺本祷况 1 | 葶号工獠名称龟蕊等级输送功率输奄距离投入遥行对阐 ( k v )( m w )( k i n ) 1 舟山鸯流工稷 一1 0 05 05 41 9 8 7 2 蕊潲琰一上海 5 0 01 2 0 0i 0 4 51 9 9 0 ，双稷 3 天生掇广髑 士5 0 01 8 0 09 6 0 2 0 0 1 6 ，双极 4 三峡一常州 5 0 03 0 0 08 6 02 0 0 3 6 ，双极 5 繇涸鸯流工稔 士s o6 06 6 2 0 0 2 ，双极 6 三蛱一广东 士5 0 0 3 0 0 09 5 62 0 0 4 4 ，双缀 7 赛州一广东 + 5 0 0 3 0 0 09 0 0 2 0 锻。t 2 ，双掇 8 灵窳背靠背工程 十1 2 0 3 6 0 o 2 0 0 5 7 1 2h v d c 在实际应用中出现的若干问题 f 1 1直流偏磁问题【z ”4 驯 当直流电流经接地极注入大地时，除了电流会选择电阻率比土壤低的金属管件 等通过，对这些金属管件造成腐蚀外，还会在周围形成一个恒定的直流电场，电场 的强度随与接地极的距离增加而减弱。这电场会在周围变电站的接地网上感应出 电位，电位的高低与到接地极的距离及接地网的接地电阻相关。我国1 1 0k v 及以 上电压等级的变压器多采用中性点直接接地方式，如果变电站问存在电位差，则直 第一章引言 流电流将通过大地、交流输电线路、各个变电站的变压器中性点形成回路。如果流 过变压器绕组的直流电流较大，将引起变压器铁心磁饱和，导致变压器振动、噪音 增加、谐波含量增高、损耗增大、温度升高等问题，严重危害变压器的安全运行。 而电磁感应式电压互感器通过直流电流后会导致二次电压畸变，有可能导致相关的 继电保护装置误动作。 消除由h v d c 接地极电流引起地中金属管件腐蚀和变压器直流偏磁的根本性 措施是保持h v d c 的双极平衡运行，然而在h v d c 的建设过程中，先建成的一极 会立即投入运行以发挥效益，即便在双极都投运的情况下，因故障导致的单极闭锁 也不可避免因此如何抑制变压器的直流偏磁问题仍是值得研究的问题。 ( 2 ) h v d c 的稳定运行与现代电能质量问题1 4 4 击o l 以电力电子设备为代表的非线性负荷的大量使用，使得电网的谐波污染日益严 重，而电气化铁道的牵引机车、轧钢机、电弧炉等引起的三相不平衡问题也不容忽 视。稳定可靠运行是h v d c 的基本要求，然而现代电网中存在的这些严重的电能质 量问题对这一目标提出了挑战。 背景谐波不但会增加换流站滤波器的负担，而且还有可能与滤波器形成谐振， 造成滤波器的过电压或过电流。换相失败是h v d c 逆变站的常见故障，谐波、不平 衡、暂降等会引起换流母线电压过零点的跳变或偏移，导致h v d c 逆变器的换相失 败等，对换相失败的机理分析和抑制措施研究是一个热点。 ( 3 ，h v d c 的谐波传变特性与谐波不稳定【6 1 7 2 】 h v d c 换流器是一个高瘦非线性的电力电子功率变换装置，换流器将电压、电 流变换为另一频率的形态。在理想条件下，h v d c 交、直流两侧只产生特征谐波， 但实际系统并非理想，比如交流系统电源非无穷大、存在换相电抗，触发脉冲非等 间距、平抗非无穷大、阀臂通态压降不等于0 等，因而有可能产生较大的非特征谐 波。除了正常运行方式下的非特征谐波外，在故障情况下也会产生非特征谐波，而 且故障量还会被作为保护动作的重要判据。研究非理想工作条件下的谐波传变特性 对实际h v d c 系统的正常运行、控制保护等具有指导意义。 谐波不稳定现象主要表现为由于换流器的作用而导致谐波在交、直流系统中被 放大，最终致使换流站交流母线电压严重畸变，引起谐波超标，换相困难，乃至h v d c 的闭锁。谐波不稳定主要由低次谐波引起，主要有两种形式。一种是交流系统的谐 振点在二次谐波，直流系统的谐振点在基波。旦交流系统出现二次谐波的激励， 则在直流系统产生较大基波。然后反馈至交流系统，产生更大的二次谐波，造成谐 波不稳定。另种由铁心饱和引起。直流系统的基波会在换流变中流过直流分量， 一旦超过限值就会造成铁心饱和，产生幅值较大的谐波，造成谐波不稳定。二者时 常同时发生。最早出现谐波不稳定问题的直流输电工程有新话兰直流输电工程和英 法海峡直流输电工程，后来k i n g s n o r t h 和n e l s o nr i v e r 等多个直流输电工程都曾出 4 华北电力大学博士学位论文 现过谐波不稳定现象。早期采用按相触发的h v d c 极易发生谐波不稳定，采用等间 距触发后这种现象减少很多，但并未从根本上消除这一现象。 ( 4 ) h v d c 的动态稳定性 7 3 7 受焚变动、远方交滤系统敌薄、控铡指令傻懿变纯、控襞爨爹系统夔爱态谲繁 等西素使褥h v d c 时刻遭受竣丈或小的扰动，h v d c 在这些扰动情况下能否、在多 大程度上保持稳定运行是人们较为关心的问题。电网结构参数的变化，也有可能使 得原先稳定运行的状态过渡剡不稳定运行的状态。h v d c 有多种控制方式，各种控 制方式对羧个系统有怎样的影响、影响到什么瑕度，都是需要探讨的问题。 ( 5 ) h v d c 与次同步叛荡哪斟j 大黧汽轮发电税缝辘系舆有显著静弹毪，农一定条箨下会戮枫械耧毫气静糖互 作用而产艇自发振荡，其频率略低于同步频率，并与轴系的固有掇蒋频率有关，这 种现象被称为次同步振荡( s s o ) 或次同步谐搬( s s r ) 。由直流输电可能引起的次 同步振荡问题是一个非常复杂的技术和理论问蹶，它包括了发电机轴系、发电机电 磁系统、交流网络、童漉输魄及其控刳系统等凡大部分掇互作用。h v d c 对次嗣步 振荡酌彩旗，一方覆h v d c 弼缒或隽次同步强演酶产生蠢素，舅方嚣，由予h v d c 是有源韵，而且快速可控，所以有可能利用h v d c 的特性，采取邋当的控制措施， 使其成为抑制次同步振荡的警段，这在理论上和宓践上都具有重大懑义。根据h v d c 控制系统的实际出发，利用次同步振荡时的特征表现，为h v d c 设计具有各种抑制 次两步叛荡效果的群加控铡嚣蹙基葑磅究的一个热焘。 ( 6 )赢淡调髑及紧急麓率支援辫i 粥l h v d c 具有高度可控的特性，可以按照预先设定的功率指令戚功率指令曲线遥 行。而功率调节的过程中由于不涉及旋转元件，因而响应速度非常快，可以在短时 间内完成较大功率的调节。这种为实现某种目的，在原控制指令上叠加一新的指令 信号的方淡被成为h v d c 的藏流调制功能。这释特性可以被用来掇薅交流电网的安 全稳定戆，琵螽交滚系统簸辩猿援下瓷速谖繁两交漉系统羲送鹣凌攀，浚箍衰龟潮 的稳定性，减小故障的扩大，加速故障后的设篾过程。直流调制信号和交流系统敬 障后的控制策略是实现这一功能的核心，也是髑前研究的热点。 低频振荡是大区电网的一个顽疾，严重影响电网的安全稳定遮行和经济效益。 然而对予像我国南方电网这样的交、直流混含系缆，却可以利用h v d c 的壹流调舞i 功能减小、滚涂交凌联络线上豹臻率振藜。 ( 7 )多馈入系统及穗关闷题f 9 1 掰】 东部沿海省份是我国的缀济中心和能源消赞中心，而我国的能源又多分布子西 南、西北和内陆地区，这种缎济发展和能源分稚不平衡的局面使得我国电力输送的 基本格局为由西向东。我国融建或在建的远躐离赢流输电工程的逆变站多落点子华 南窝肇零e 这秘多条妻滚藩燕子丽一交漉电掰瓣多镶入系统在安龛稳定方瑟存在缀 5 第一章引言 多潜在的危险，比如两个电气距离比较近的逆变站之间有无互相影响，一个逆变站 故障是否会波及到另一个逆变站，如果两个直流工程同时故障引起的功率损失，是 否或会给交流系统带来多大的影响，而这些都是必须深入研究的问题。 f 8 )新型原理的h v d c t 9 “ 传统意义的h v d c 不能向无源系统输送电力，而且在工作过程中要消耗约 4 0 , - - - 6 0 传输功率的无功这一劣势限制了h v d c 的应用。近一、二十年来，电力 电子制造技术飞速发展，全控器件g t o 、i g b t 、i g c t 等的电压、电流水平不断提 高，已能够满足大功率换流器的需要。目前，基于全控器件的电压源型h v d c 已逐 步从研究、试验阶段走向商业运行，我国国内尽管有学者进行了相关的研究，但尚 无试验工程。电压源型h v d c 在向无源系统送电、城市负荷中心供电等方面大有用 武之地。控制策略对电压源型h v d c 至关重要，一直是一个研究热点。 电容换相换流器( c c c ) 和可控串连电容换流器( c s c c ) 是h v d c 另一个值 得关注的结构，这种结构的h v d c 由于在换流变和换流器之间串接了电容，因而大 大减小了无功的消耗，甚至可以向电网提供无功。c c c 或c s c c 对无功较小的需求， 不仅可以减少换流站滤波器等无功设备，而且在h v d c 快速闭锁的时候减小对交流 系统的电压冲击。换相失败或故障情况下，串接电容会持续充电，有可能引起过电 压，对电容器更完善的保护是c c c 或c s c c 应用过程中需注意的问题。 ( 9 )共用接地极问题0 0 7 1 除背靠背工程外，h v d c 工程都需要有专门的接地极，并通过专门的接地极引 线接至换流站内。接地极的选址有较高要求。如不能离换流站太近( 一般约5 0 1 0 0 k i n ) ，周围无地下金属管线，周围1 0 k m 内无变电站、土壤电阻率低、地势相对 平坦等。在我国南方，由于用地紧张，地质结构等特点使得符合这些条件的土地比 较紧张，接地极的选择成为一件相当棘手的问题。在多个直流工程相距不远的情况 下，共用一个接地极可以大大缓解这种资源紧张的局面。共用接地极后，在各个 h v d c 双极平衡运行的情况下没有什么问题，但当两个以上的h v d c 处于不平衡运 行时就要注意防止接地极电流超过其设计值。共用接地极的h v d c 控制系统应加强 信号交换，协调控制。我国目前尚无共用接地极的报道。 ( 1 0 ) 特高压直流工程( u h v d c ) 及其相关问题【1 0 孙8 】 伴随着我国经济持续快速的发展，我国的电力事业也达到了前所未有的局面。 2 0 0 5 年我国全年电力新增装机超过6 0 0 0 万千瓦，而总装机容量已突破5 亿千瓦， 居世界第二位【1 1 9 1 我国经济的快速发展对电源建设和电网水平提出了更高要求。近 年来，在学术界和工程界针对我国电网下一步的发展模式、电压等级等引发了极大 的争论。与交流电网建设引起极大争论不同的是，专家学者在h v d c 下一步的发展 思路上b 盏取得一致意见，即应该大力发展更高电压水平、更大传输容量的直流特 高压工程，并将其应用于我国西南水电和西部大型煤电基地的电力外送中。在特高 6 华北电力大学博士学位论文 压直流工程中，换流阀、换流变压器、穿墙套管等一次设备的研究与制造是目前亟 待解决的问题，而多个极、多个6 脉动桥的保护与协调控制则是控制保护系统需认 真研究的问题。 ( 1 1 1 其它问题 可靠性和可用率低一度被作为交流输电比直流输电优越的重要理由之一。实际 上，随着直流输电在我国的增多，运行经验的丰富可以逐步减少人为因素导致的 h v d c 闭锁停运：而检修水平的提高也可将事故隐患消除在萌芽阶段，避免事故的 发生。提高可靠性和可用率的另一条思路是进一步发展h v d c 控制保护系统的体系 结构和算法。计算机控制、分布式处理、多重化和冗余、分层控制等思想已贯穿于 现代h v d c 的控制保护体系中，并且取得了显著的成效，需进一步根据工程实际的 需要加以完善。 h v d c 引起的电压稳定问题【1 2 0 1 2 4 1 、控制系统的优化设计和控制策略研究 1 2 5 - 1 3 6 、h v d c 与电网的安全稳定【1 3 7 1 3 9 1 等也是比较重要的问题。 近些年来，我国通过技术转让、联合设计等多种方式，逐步具备了h v d c 设 各制造、咨询研究、系统设计等能力，尽快掌握具有自主知识产权的h v d c 设计和 制造的核心技术，打破跨国公司的技术垄断，实现国产化目标是当前我国直流输电 领域面临的重要任务。 1 3h v d c 系统的稳定性分析与研究现状 h v d c 是一个包括了控制系统在内的闭环系统，维持整个系统的稳定运行是首 要目标。然而，直流偏磁、谐波和电力系统故障等都有可能使h v d c 系统运行于非理 想的环境，在一定条件下甚至可能导致h v d c 系统的稳定运行被破坏。分析h v d c 系 统的稳定特性有助于加深对h v d c 这一复杂闭环控制系统的理解，针对具体问题提出 有效的应对措施更有助于提高h v d c 的应用水平。 h v d c 的伏安特性是其宏观行为的重要表现形式。若从定性分析的角度看，定 电流控制是平行于纵轴的直线，定触发角( d ) 或定熄弧角( y ) 控制是一族负斜率 的平行直线，而定跃前触发角( ，) 控制是一族正斜率的平行直线。整流器和逆变 器选用不同控制方式的组合就构成了h v d c 系统的伏安特性，而其交点则是h v d c 的工作点，如图1 2 。工程上通常采用整流器定电流、逆变器定熄弧角或定电压的 控制方式，为了进一步改善h v d c 逆变器的调节特性，常对定熄弧角的控制方式进 行修正，使其具有正斜率伏安特性，如图1 - - 3 。这种正斜率的控制特性除了能达到 原先的设计目标外，对h v d c 的稳定性是否还有其它的影响? h v d c 在交流系统扰动、控制指令值变化、控制保护系统的动态调节等小于扰 下的稳定性比较重要。对于小信号分析，几乎所有的分析方法都是先将系统在工作 第一章引言 点处线性化，然后通过特征根分析的方法分析系统的稳定特性。各种方法的不同在 于如何将系统在工作点处线性化。从电路原理的角度看，h v d c 在运行过程中由于 桥臂的开断而导致拓扑结构经常性地发生改变，这是建立h v d c 系统状态方程的难 点所在。另外，h v d c 是包括了控制系统的闭环系统，将控制系统一体建模进一步 增加了列写状态方程的难度。在较早的文献中，s u c e n a 建立了h v d c 模拟和数字形 式的小信号模型【1 4 0 1 ，而p e t e r s o n 则引入了d q 变换的思想 1 4 1 e k a l r a 采用i s e ( i n t e g r a l s q u a r ee r r o r ) 的方法建立了h v d c 系统的小信号模型，并对各种控制方式进行了特 征根分析，但该方法并未引起广泛的关注【h 2 1 。p e r k i n s 、杨秀等人建立了基于映射 理论的h v d c 小信号模型1 1 4 弘h 6 1 ，并用于系统稳定性及次同步振荡等的研究。t o d d 、 o s a u s k a s 等采用频域分析和张量分析的方法建立了系统的小信号模型，并用于 h v d c 的动态调节分析【1 4 7 。1 蚰】，但该方法对控制系统特性分析的手段有限。j o v c i c 采用d q 变换的方法，将交、直流系统的状态方程变换至同一坐标系中 1 4 9 - 1 5 2 1 ，并 对控制系统的特性进行了分析，该分析方法思路清晰，但由于选取的交流系统的状 态变量过多、过于详细而导致维数膨胀。h v d c 的准稳态模型在交、直流系统问题 的分析中得到了广泛应用，可否存在简洁明了而又可以描述系统稳定性的小信号模 型? 众多学者对谐波不稳定给予了较多关注。a i n s w o r t h 确认了一种与按相触发控 制方式相关联的谐波不稳定产生机理，并提出了一种基于锁相倍频电路的等间隔触 发脉冲控制方式作为解决的办法，从而使等间隔触发脉冲控制方式完全取代了以往 使用的按相触发控制方式 6 0 , 1 5 3 - 1 5 5 】。y a c a m i n i 证明，由按相触发控制方式所产生的 谐波不稳定只是交流系统为非无穷大系统，直流侧平波电抗器为有限值时可能产生 的谐波不稳定类型中的一种 1 5 6 - 1 5 7 。l a r s e n 在y a e a m i n i 研究的结果上进一步提出交、 直流两侧谐波计算的方法，该方法计及了换流器以及控制系统的作用，并以多维矩 阵表示交、直流两次的谐波分量与交流侧的正、负序分量以及指令阶跃等的关系【l5 8 。 此后，l a r s e n 的理论被进一步发展，交、直流系统通过换流器的作用效果被概括为 互补谐振的概念，即在计算交流侧或直流侧的阻抗频率特性时，将换流器的等效阻 抗考虑在内，其后的研究也多集中在如何计算计及换流器后的的阻抗频率特性上， 比如张量分析、频域分析等 15 9 - 1 7 0 。图1 4 是w o o d 等提出的换流器的三端口模型， 形象地反映了谐波间的相互关系。在寻求互补谐振频率计算方法的同时，h a m m a d 用传递函数和特征值分析来计及换流器的阻抗特性 17 1 】，j i a n gx i a o 、d i e k m a n d e r 和 b u r t o n 用向交、直流两侧分别注入谐波分量的频率扫描法计算了换流器交流侧的频 率阻抗特性【l ”q “】，p i l o t t o 用d q 变换的方法分析h v d c 的谐波稳定问题1 7 5 ，如图 1 5 。尽管这些方法可以在一定程度上刻画交、直流两侧的谐波作用机理，有助于 分析谐波不稳定，但其模型复杂，且不具通用性。 8 华北电力大学博士学位论文 图l 一2 逆变器的负斜率伏安特性 图1 - 3 逆变器的正斜率伏安特性 文献 3 8 】给出了一种由变压器铁一i i , 饱和引起的不稳定的分析方法。针对具体的 换流站设备，该方法用矩阵形式表示基波和二次谐波的在交、直流系统间的相互关 系，而该系数通过试验方法得出。但该方法确定低次谐波的交直流系统相互关系时 采用试验方法，不具通用性。 a c d c e q u i v a l e n t s c o n v e r i e r e q u i v a l e n t h a r m o n i c k + l h a l m o n i c k h a r m o n i c k - 1 图1 - - 4 w o o d 采用的三端口模型 第一章引言 船釉 。器；2 呻、 描二 ： i ，入张精 ； l 丫 。li 。! ：= - 吾翱 毒v ，剧 丰 图1 - - 5p i l o t t o 研究谐波不稳定的d q 变换模型 对于直流偏磁这种严重威胁变压器和电力系统安全的痼疾，科技工作者提出了 各种解决办法，比如在变压器中性点串接电容( 图l 一6 ) 、注入反向电流( 图1 7 ) 、 串接电阻和在线路上串接电容等 2 6 , 3 6 , 3 7 , 1 7 6 , 1 7 7 。串接电容法可彻底堵塞直流电流的通 路，但有可能使其它中性点的直流电流增大。实际操作中也发现，为消除某台变压 器的直流偏磁面不得已断开接地，却使其它变电站的变压器中性点直流电流增大并 引起了直流偏磁。反向电流注入法也仅是在电流超标的接地处使用，其效果还有待 进一步验证。串接电阻法可改变直流电流的分布，从而减小中性点电流的超标程度 并达到抑制直流偏磁的目的，但接地电阻如何选取、本地接地电阻对其它变压器的 接地电流有何影响方面一直缺乏研究。因此，单从发生直流偏磁现象的变压器处考 虑解决办法并不能彻底解决这一问题，必须寻求新的解决措施。 旁路刀 图i 一6 变压器中性点串接电容以抑制直流偏磁 华北电力大学博士学位论文 一l ! 电网 图1 7 变压器中性点反相注入电流以抑制直流偏磁 直流系统的控制保护是h v d c 的核心，是h v d c 一次设备和交流电网安全的 重要防线，h v d c 的保护原理和判据对控制保护系统做到选择性、速动性、灵活性、 可靠性极为重要。在诸多系统故障中，交流系统单相接地故障最为普遍，在这种故 障下h v d c 靠直流系统的谐波区分故障和作为出口动作判据，而这一故障下换流器 有怎样的运行特性、直流侧谐波如何计算，一直缺乏研究。 1 4 本文主要内容 随着直流工程容量越来越大，在电力系统中应用越来越多，直流工程对我国电 网的重要性也日益突出。目前，在有关直流工程的规划、设计以及实际运行过程中， 人们普遍更关心直流输电对交流系统的影响问题，比如直流输电系统闭锁引起的交 流系统电压稳定问题、功角问题等。尽管这些问题事关全局，意义重大，但考虑的 前提多为h v d c 闭锁退出这一前提，若能最大程度地保持h v d c 的稳定运行，减 小h v d c 闭锁退出的次数，不但可以最大限度地发挥h v d c 的效能，而且可以减 小对交流系统的影响。基于这种考虑，本文立足于交、直流系统的相互作用关系， 以h v d c 系统的稳定性为目标，重点研究以下问题。 ( 1 )逆变器正斜率伏安特性对h v d c 稳定性的影响 针对工程上采用的逆变器的正斜率伏安特性，从系统稳定性的角度出发，采用 小信号分析的方法建立整个h v d c 的小信号模型，并采用特征根分析的方法分析其 对h v d c 系统稳定性的影响。 ( 2 ) h v d c 小信号模型及稳定性分析 基于h v d c 的准稳态模型，对交、直流系统的状态方程、控制方程在工作点 处线性化，求取小信号模型。针对h v d c 换流器的常见控制模式，推导各自的小信 号状态方程。在建立小信号状态方程后，利用特征根分析的方法分析系统的小干扰 稳定性，分析控制系统参数对h v d c 系统稳定性的影响。 第一章引言 ( 3 1h v d c 换流器阻抗频率特性与谐波不稳定 谐波不稳定曾引起多个直流工程的闭锁，而h v d c 换流器的阻抗频率特性是 分析和解决谐波不稳定问题的一个重要因素。本文从分析换流器工作过程出发，基