（电力系统及其自动化专业论文）高压直流输电对交流系统电压稳定影响的研究.pdf

华托电力太学硕士学位论文 摘要 本文以实际工程的控制系统为参照对象，介绍了高压直流输电控制系统基本结 构及工作藤理，运糟p s c a d e m t d c 仿真软件对极控系统、按流交分接头控翻以致 无功控制进行了数字建模，并应用予c l g r e 的裹厦直流竣电标准测试系绞，砖稳念 运行、降压运行、交流系统故障及赢流系统故障等工况进行仿真计算，仿真结果表 弱本文所建控制系统其有良好的跟踪设定参考值交化的绳力；当交、直流系统发生 故障时，控制系统调节挟速，毖迅速搀剁故障，并使教障恢复后壹漉竣电系绞能乎 稳过渡到稳定工况，说明本文所建仿真模型的正确性。 最精初步探讨了高压直流输电的基本控制方式及换流站无功补偿装置对交流 系绞电援稳定的影响，并以湖悫电网为剿，遴过p s a s p 仿真计算，醪究了裹驻塞溅 输电对交流电网电压稳定的影响。 关键词：裹压嶷滚竣电；建模；谤囊计算；p s c a d e m t o c ；瞧压稳定 a b s t r a c t b a s e do nt h ec o n t r o ls y s t e mo fp r a c t i c a lp r o j e c t ，b a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fh v d c c o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e nm o d e l i n go fp o w e rp o l ec o n t r o l ，t a pc h a n g e r c o n t r o la n dr e a c t o rp o w e rc o n t r o la r er e a l i z e di np s c a d e m t d c a n da p p l i e dt oc i g r e h v d cs t a n d a r db e n c h m a r k s i m u l a t i o na n dc m c u l a t i o ni nd i f f e r e n tm o d e s ，s u c ha ss t e a d y s t a t e ，r e d u c ev o l t a g em o d e ，a ca n dd es y s t e mf a u l t se t c + ，p r o v et h a tt h ec o n t r o ls y s t e mh a sa n a b i l i t yt ot r a c kt h ec h a n g eo fr e f e r e n c ev a l u e a ta ca n dd cf a u l t s c o n t r o ls y s t e mw i l lr a p i d l y a c t i v ea n dp r e v e n tf a u l t s ，a n df o r c eh v d cs y s t e mc o m eb a c kt os t e a d ys t a t e t h e s ep r o v et h e c o r r e c t n e s so f t h es i m u l a t i o nm o d e l t h ee f f e c to fh v d cb a s i cc o n t r o lm o d e sa n dr e a c t o rp o w e rc o m p e n s a t o ro na cs y s t e m v o l t a g es t a b i l i t yi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e nc a s es t u d i e so nh u n a np o w e rg r i ds h o wt h ee f f e c t s o fh v d co na cs y s t e mv o l t a g es t a b i l i t yb yp s a s p p a nl i z h u ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e d 酶p r o f h a r tm i n x i a o k e yw o r d s ：h v d ct r a n s m i s s i o n ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n ，p s c a d e m t d c ，v o l t a g e s t a b i l i t y 声明 莲8 6 8 0 4 0 本人郑熬声明：此处所提交的硕士学位论文高压直流输电辫交流系统电压稳定影 响的研究，是本人在华j b 电力大学攻读硕士学位期问，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 荚毽人已经麓裹或撰写过瓣颐究或巢，氇不包含为获褥华北亳力大学或萁谴教窍穰稳魏 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融在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 蕴啦 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鼹、使用学位论文的规定，即：学校农权保管、 著自有关部f j 送交学位论文戆蒙俘与笈印箨；学捩霹以采弱影秘、缩臻或葵它复裁手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被森阅或借阅；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 位论文懿全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：越导师签名：薹銎垦丝 基期：盛! ! 耋、 e | 期- h 趋堡，易 华北电力大学碳士学位论文 1 1 选题背景与讲究意义 1 1 1 高压威流输电技术概况 第一章引言 现代交流输电电压越来越高，电网不断扩大，发电侧和用电侧的电力设备容量 越来越大，因丽保诞电力系绞稳定运行、提赢抗于扰能力、防止系统瓦鳃裁成必头 等大事。直流输电线路没有无功损耗，不存在系统稳定能问题，它的这种长处只有 通过离电压大容量的电力电子换流装置才窍可能实现。1 9 5 4 年，瑞典通过长9 6 公里 的海底电缆输送t 5 0 k v ，3 0 m w 的激流功率，被列为世界上第一条高压赢流输电线 路( h v d c ) 。稍后，又有很多直流输电工程投入运行。例如：1 9 6 1 年英法海峡线， 电压1 0 0 k v ，全长6 5 k m ；1 9 6 5 年茯尔加格勒一顿已新线，4 0 0 k v ，4 7 0 k m ：1 9 7 7 年加拿大纳尔逊河线，4 5 0 k v ，8 9 0 k m ；1 9 8 1 年扎伊尔困加一沙巴线5 0 0 k v ， 1 7 0 0 k m ；1 9 8 4 年美溺太平洋联络线5 0 0 k v ，1 3 6 2 k m ；1 9 8 5 年罄西伊泰普线，2 6 0 0 k v ，8 0 6 k m 。 h v d c 采媚豹线路配髯是双投，交流输电为三相，国j 逝将二者作对阮分析，可 以看出h v d c 的主要优点。 ( 1 )在毫疆等级糖司、输送功率糖等辩，t t v d c 掰矮导线末季科要节省三分之一，敲 线路造价低。在线路造价相同时，赢流输送功率为交流输送功率的1 5 倍。据统计资 辩，嶷浚线黪造徐必交流线路造徐熬6 0 7 0 ，觅表1 1 l 珏。 表1 1 美国交流4 0 0 k v 与直流4 0 0 k v 线路造价( 千美无k i n ) ( 2 ) 双极型点流系统可分期建设，先建成单极系统以降低初投资。双极系统运行 孛魏寮一援发生鼓淹，另一壤旋文大蘧俸为备焉熬爨带半受蔫运行，交流系统潮没 法实现。 ( 3 ) 交流惫力系绞要求著嬲戆霜步发电莰应其有僚持弱步静能力。交流系统戮输 送容缀大和输电距离过长，线路电抗随之增加，稳定性下降。直流系统输送功率与 l 华北电力大学铆i 士学位论文 电抗无关，不会产生稳定性问题。 ( 4 ) 调节快速，提离了交流系统远行的可靠性，交流电力系统输送的窍功功率与 功率角韵正弦值成正比，调控系统的有功功率总要改变功率角，自然受到发电机转 子机械惯性的影响，所以交流系统改变有功功率的过程比较慢。丽直流输电采用了 电力电子换流装置，可在畿流回路中快速地大幅度地调节有功功率或改变潮流的方 向，使系统受到扰动或发生故障时改善动态特性。 当然，h v d c 技术哥前还存在一些缺点，主要是： ( 1 ) 换流装置造价较贵，个换流阀要多个元件串联而成： ( 2 ) 换流装器消耗一定无功功率，在换流活需要增加相应的无功补偿装置；换流 器运行中产生的谐波对通信系统有影响，使发电机、电容器过热，应采取滤波措施； ( 3 ) 渡大螽妾作为西貉电流辩，会弓| 起沿途金属掏件和管线的腐蚀。 ( 4 ) 缺乏配套的直流开关，灭弧有困难，寄希望于新产晶的开发。 1 1 2 高压齑流输电在我国的发展 上世纪8 0 年代建成浙江穿山半岛至舟山岛的1 0 0 k v 赢流海底电缆送电实验工 程，额定输电容量5 0 m w ，输送距离1 3 1 5 k m 。1 9 9 0 年湖北葛洲坝歪上海的葛南双极 直流输电线路投运，额定容量1 2 g w ，额定电压5 0 0 k v ，送电鞭离1 0 4 5 k m 。它既 是我图第l 条长距离大容量赢压直流输电线路，又是区域电网直流互联工程，中国 电力从此进入交直流混合输电的时代。 2 0 0 1 年6 月广谶天生桥歪广州_ b 郊的天广双极直流输电线路投运，额定容量 1 8 g w ，额定电压5 0 0 k v ，送电距离9 6 0 k m ，这是我国麓2 条长距离大容量高联直 流输电线路。 2 0 0 2 年上海宝钢需要静上海芦潮港至嵊涸岛豹直流海底电缆输电工程投产，额 定容嫩6 0 m w ，额定电压5 0 k v ，其换流站均用国产设备。 为将三秧电力辨送，诗翊建三条高压赢滚输泡线路。第l 条觚三挟左津至江苏 常州，已于2 0 0 3 年5 月投产，额定容量3 g w ，额定电压_ + _ 5 0 0 k v ，送电距离9 7 0 k m 。 第2 条为三嫒至广东悫矧，蠢予2 0 0 4 年2 月耋受产，额定容量3 g w ，额定电磁+ _ 5 0 0 k v ， 送电距离9 7 5 k m ，是目前国家电网与南方电网输送电力的唯一通道。第3 条从三峡右 津至羔海遥嚣，基蔻正处予按流蘩设备据投拣除羧，；卡翊予2 0 0 7 年授运，额定容量 3 g w ，额定电压5 0 0 k v ，送电距离1 0 0 0k r n 。届时包括祷南线在内，将通过3 条高 压壹溅辕电线鼹珏毫东送7 2 g w 。 十五期间需向广东地区输送1 0 g w 的电力，其中7 8 g w 由3 条赢流线路输送，第 l 条为天广双掇壹滚辕电线鼹；第2 条露巍三蚨至广东枣建；第3 祭获奏鲻安冁至f “ 东肇庆( 贵广回) ，额定容爆3 g w ，额定电压5 0 0 k v ，邀电距离9 4 0 k m 。此外，贵 2 华北电力大学硕士学位论文 j 。二翻毫匿蠢流工疆( 3 g w ) 己逡入涣流滔设备据投标除敬，计裁予2 0 0 7 年授运。 联接西北与华中电网的灵宝背靠背直流换流站( 位于河南省灵宝县) 是我国第1 个区域电羁驽靠鸷壹浚联爨工程，予2 0 0 5 年6 兵投产，传输容量3 6 0 m w ，鸯滚电流 3 k a ，西北侧交流电压3 3 0 k v ，华中侧交流电压2 2 0 k v 。值得一提的是，此换流站由 国痰蠡主残套设计，器霉弓l 遴了国黼先进按零茨国产设备，包据羧流阂、换滚交压 器、藏流平波电抗器、直流控制保护设备等。 为确保三峡电力羚送，已运牙l 多年黪葛毒鲞滚线耋浚控裁镶护系统懿受裁黢 造工稔于2 0 0 5 年6 月竣工。 2 0 0 5 年藤，装援察量1 2 6 0 万k w 瓣溪港泼永电滚开工建设。终为金沙江开发一期 工程和“西电东送中部通道”骨干工程，溪洛渡的开工建设，拉开了金沙江流域开 发豹黟慕，会沙江电力夕 送镬愿壹滤辕电系统在国凑嚣瞧受妇巨大戆发裁f 美。 念沙江干流全长2 2 9 0 公攫，多年平均径流量1 5 5 0 亿立方米，水量充沛、稳定， 落差大两且集中，水力资源极为富繁，总装梃容量可达7 5 0 0 万k w ，约占全蓬可开发 水能资源的五分之一。开发袅沙江怒我国电力发展实现资源优化配置，实施“西电 东送”，减轻北煤南运和东部地区环壤保护压力，优化华中、华窳般医熊涯结橡躲 重大战略措施。 惫沙江下游规划开发的溪洛渡、向家坝、白鹤潍和乌东德四个梯级电站，总装 机规模3 8 0 0 万千瓦。 根据金沙江一期工程溪法渡、向家坝电站的电量大区潲纳方案蛇研究结果，金 沙江电力大部分将通过直流送至华中、华东电网。2 0 1 4 年左右一斓工程一回直流送 电华中电网，落点在湖南。 1 1 3 课题的提出 随着我国电力工业的迅速发展，超高压电网的逐步形成，电力系统的结构日益 复杂，其显著的特点簸是超寒压远距离毫压直流埝瞧系统的共啜运雩亍，我霆趣划中 的高聪直流输电工程距离达2 0 0 0k m 、每回输电容量3 g w 2 】，且大多是送往受端电 网负蕊中心。高压直流输电传竣容爨在系绕中艇占的比例越来越大，相对载交流系 统变得较弱，直流输电为受端交流系统提供电力的同时，其消耗的无功功率约为直 流传输功率的4 0 6 0 ，这馊荦导与离压直流输电相连的交流系统的电压稳定性问惩 变得翻益突出。因此必须从魄压安全与稳定的角度对现代大电网进行全面的分析与 论证，及时发现存在的问题、消除隐患，为电网实际运行提供强蠢力的技术支持， 确保未来大电网韵安全稳定运行。 晦交流系统不同，直流系统的正常运行和保护都是靠控制系统泉实现的，它决 定矗流运行点、协调整流和逆交过程，对整个直流系统起麓至关鬣要的体用。为了 3 华北墩力大学硕士学位论文 研究现代交赢流电网运行的安全稳定问题，首先必须对直流系统的运行特性及其控 制系统寿足够了解，搏建立聂确描述h v d c 系统的数学模型，然瑟列用魄力系缝谤 真软件进行交、直流系统稳态和暂态计算。目前，我国的宜流控制系统主要来源于 a b b 和珏f 1 子公司，国内爨主研发鄹制造赢滚控划器领域几乎j 丕是空自，直流控铡 系统研究手段的缺乏与我国直流快速发展极其不协调，为此建立与工程实际接= i 恁的 直流控制系统数学模型的研究将十分紧追。 本文将以实际工程的控制系统为参照对象，建立反浃直流系统基本控制特性的 数字仿真模溅，并初步探讨h v d c 对交流系统电羼稳定的影响因素，最蘑以湖赢电 网为铡，通过仿真手段，研究高压直流输电系统对交流电网电匿稳定的影响。这对 于现代大电嘲的运行。丰富电网理论，都将具有一定的实际意义。 1 2 国内外研究现状 高压直流输电技术的研究工作在理论界和工程界已经进行了几十年，积累了大 量静疆论帮工程经验。关予_ 耋滚输电控裁系统醑究及箕对交流系统奄压稳定静影响 主要集中在三个方面： 一、寻求戆准确终蠛蹇滚麓悉特馥熬系绕数学与傍奏模鹫，戳供疆论磷窕与聪域仿 真分析之用，重点怒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 麸【3 】蹙旱麓关予壹滚控裂麓饱建援熬魄较宠整懿论述，冀中关予褒滚基本控到方式 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 】都是耩于实际工 程虼黠域仿囊建模磷究，冀孛1 ；蓉者瘸e m t p 程_ 枣怼数字巍滚控割系统建模，嚣两者 的仿真对象鼹多端崽流系统，模型腰为复杂。 二、罨求用于交壹溅系统毫压稳定健豹分攒方法。文簸 7 l 基于不同短路魄s c r 辩壹 流线的功率传输能力，把交流母线短路比s c r 2 的系统划为极弱系统，2 绞“+ q ( 2 - 8 ) 1 4 华北电力大学硕士学位论文 式中，虬。为实际的交流母线电压，k v ；。为无功设备设计时考虑的交流母线正常 电压，k v ；貔。为姿越投入无功朴偿设冬鲍总额定容量，在u 。下计算褥出：绞为 换流站的无功消耗：囊l 为注入交流系统的觅功量。 当换流站有功功率减小或其他运行参数改变，使缮换淡站吸收的无功功攀减 少，不平衡无功不断增加，当满足下列条件时，发出无功补偿设备切除命令 ( 。) 2 绞“一如一线q ( 2 - 9 ) 电压控制指在换流站解锁后，随着直流输送功率的增加，交流母线电压下降， 当满足下列条件时投入一缎无功补偿设备 u w u 。a u ( 2 1 0 ) 式审，瓯，海交流鸯线毫基整定承平；为实溅交流母线毫莲；矗u 为奄玉控翻死 区。同样，随着直流输送功率的降低或其他运行参数改变，使得交流母线电压上升， 当瀵足下列条终时，甥除一缰无功枣 接设惫 一a u 1 1 无功交换控n 电压控制可由逡行人员切换，换流站般多采用无功控制模式。 一a m r 卜一 滤波器投 投切指令 lm f 卜俊 切控制 先 一m 舣删i n u l i m 卜一 级 比 铆。 一m a x q 卜一 较- _ k i c k 至c e a 啪c 洲卜 图2 - 6无功控制原理框图 受端交流系统较弱时，为了减小滤波器或电释器投切对交流电压的影响。避免 出于秃功 b 偿装置投切弓 起逆变器挟相失败或换漉母线动态电压变化率越标，套我 直流工程在无功控制中加入了y k i c k 控制功能。 y k i c k 的基本控制原理如下：当投入滤波器缀的瞬间，y 快速增大然后缓慢鲍 网降到额定俊，从而减小滤波器投入时对系统的无功冲击；切除滤波器组时，先将 y 缓慢的增大至预先设定好的值，在切除滤波器缎的瞬间，y 快速降到额定值，从 而减，j 、滤波器切除辩对系统的无功冲击。 无功控制部分的原理框图如图2 - 6 所示，五种控制方式通过不同的延时实现优 j s 华北电力大学硕。 学位论文 先缀选择，笈爨滤波器授韬揍令并凌动y - k i c k 功麓，产生，至宠薅弧燕控裁。 某些对滤波器组的投切有特殊要求的运行工况，可以通过增大a ( 逆变侧为y ) 柬增鸯爨换浚嚣戆无功澧耗，钛瑟缳涯换渡懿与系统懿无功交换奁龛诲范溺肉，这称 为q p c 功能。 2 6 本文新建控制系统的仿真模型 根据前几节的论述，在e m t d c 中搭建了整个双极控制系统的仿真模型，主页 面如图2 7 所示。阁中显示均为封装子页蕊，d i s p l a y 页可显示直流功窭、电压、 电流、触发角等变豢的波形；c o np a n e l 为控制面板页，可设鬣直流传送功率、 直流电流电厩参考值，直流输电的接线方式以及遴千亍极选择，无功控制的手动秘基 动切换，换流变分撩头控制的手动鞠自动切换等；a cs l 、a cs 2 为两侧交流系 统，s 1 p 1 、s 1 p 2 和s 2 p 1 、$ 2 p 2 分别为整流站、逆变站极l 、极2 的控制系统，内 帮结构完全稠同，均嵌套膏换流器控铺、欹流变分接头控制、无功控制等环节，为 整个控制系统建模的核心，嵌套子页面达1 0 0 个以上：d cy a r d 页为赢流场，可 透过控镪面授设萋煮流场豹开关完成双强方式、擎极大魏豳线方式、单搬金属潮线 方式、单极双导线并联大地回线方搿= 之间的转换。 图2 7 商流控制系统界面 1 6 华北电力人学硕士学位论文 第三章鱼流控制模型的仿真计算及结果分析 3 1c i g r e 标准测试系统简介 为了检验第二淮直流控制系统建模的正确性，将所建模型作用于c i g r e 的 h v d e 标准测试系缆i ( 即b e n c h m a r k1 ) 。该模型是c l g r e 壹l 凌联络线磅究委爨会 h v d c 系统工作组于1 9 9 1 年提出的第一个用于h v d c 控制系统研究的标准模擞。 其主要e l 的是，便予用各罩孛计算专嚏程序和仿真器在耀似的主电鼹模型基皴上，遴行 不同的直流控制设备和控制策略性能的比较研究。主电路结构虽然简单，但两侧均 为弱交流系统，运行条l 牛比较困难，用它作为研究的基础，可以反映h v d c 控到系 统的主要问题。 3 ， 。 c i g r e 标灌测试系统主毫凝结稳 c i g r e 拣准溅试系统为双爨1 2 踩动纂辍大魏返回式直流赣电系统，主毫凝结 构如图3 - 1 所示，图中所标注的元件值均为有名值，单位分别为q 、h 和f 【”。整 浚测交浚系统额定线奄压菇3 4 5 k v ，短路院s c r = 2 5 ，e s c r = 1 9 ：鼗定壹滚滚莲 为5 0 0 k v ，额定直流传输功率1 0 0 0 m w ；邋变侧交流系统额定线电压为2 3 0 k v ，短 路比s c r = 2 ，5 ，e s c r = 1 9 ；壹瀛线路兔瞧缆。 p , - 柏栅 罄3 - 1c | g r e 标准测试系统结秘翻 3 1 2c i g r e 标准测试系统的e m t d c 控制器缋构