（电力系统及其自动化专业论文）多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究.pdf

败的问题，而v d c o l 的改进控制则因两子系统同时减小直流输送功率的恢 复速率而影响到整个系统的恢复。 为解决上述出现的问题，本文采取了将附加前馈回路的p i 闭环控制与 v d c o l 的改进控制相结合的方法，以充分利用它们的优势互补。通过与这两 种控制策略单独作用时的仿真进行比较，结果表明，在近电气距离、弱交 流系统的情况下，两种控制策略结合后能够改善故障下系统的恢复，解决 后继换相失败的问题，并使系统平稳快速恢复，从而验证了两者相结合的 良好控制效果。 关键词：多馈入直流输电系统附加前馈回路v d c o l 换相失败多馈入短路 比 r e s t o r a ，r i o ns t r a t e g i e sa n ds i m u l a t i o n s t u d yo nm u i j i i n f e e dh v d cs y s t e m s a b s t r a c t m u l t i i n f e e dh v d cs y s t e mh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sb u l kt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y a n df l e x i b l eo p e r a t i o nm o d e ，b u tt h i ss y s t e mi sm o r ec o m p l i c a t e d w h e nt h ef a u l ti sc l e a r e d , t h ei n t e r a t i o nb e t w e e ns u b s y s t e m sa l s om a k et h er e c o v e r ym o r ec o m p l i c a t e di nt h e m u l t i i n f e e dh v d cs y s t e m ，a n di ti sh a r m f u lt ot h es y s t e ms t a b i l i t y t h e r e f o r e ，f o rd e c r e a s i n g t h ec o m m u t a t i o nf a i l u r ea n di m p r o v i n gt h es y s t e mr e c o v e r y , i t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h e c o n t r o ls t r a t e g i e so fm i d cs y s t e m f o rt h el a r g ed i s t u r b a n c eo c c u r r e da tt h ei n v e r t e ra cb u so fm i d cs y s t e m ，t w od i f f e r e n t c o n t r o ls t r a t e g i e sa r ed e s i g n e di nt h i sp a p e rb a s e do nt h ee x i s t i n ga d v a n c e ds t r a t e g i e s ：( 1 ) p i c l o s e d - l o o pc o n t r o lw i t ha na d d i t i o n a lf e e d f o r w a r d ，t h a ti saf e e d f o r w a r dc o n t r o lm o d u l ei s a d d e dt ot h eo r i g i n a lp ic o n t r o l l e ra n dac l o s e d - l o o pi sf o u n d t h i sc o n t r o ls t r a t e g yi su s e dt o c o o r d i n a t et h ec o n t r o l l e dv a r i a b l ea tb o t he n d so fd c s y s t e ma n di m p r o v et h er e s e tr a t eu n d e r t h e f a i l u r e ( 2 ) t h e m o d i f i c a t i o no fv d c o lc o n t r 0 1 t h a ti st o i m p r o v et h ev d c o l c h a r a c t e r i s t i c s t h i sc o n t r o le m p l o y st h ea c - v d c o l ，i ti sd i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a l v d c o l w h e naf a u l to c c u r r e da tt h ei n v e r t e ra cb u s ，t h i sc o n t r o lc a nq u i c k l yr e f l e c tt h ea c v o l t a g ev a r i a t i o na n dl i m i tt h ed ec u r r e n to r d e r i nt h er e c o v e r yp e r i o d ，t h ea cv o l t a g ei s r e s t o r e dp r i o rt ot h ed i r e c tc u r r e n t t h i sw i l lr e d u c et h er e c o v e r yr a t eo fp o w e rt r a n s f e ra n dt h e c o n s u m p t i o no fr e a c t i v ep o w e r , a n di tw i l lc o n t r i b u t et ot h es y s t e mr e s t o r a t i o n t ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so fp r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ee l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n t s i m u l a t i o ns o f t w a r e p s c a d e m t d ci su s e dt oc a r r yo u tt h es i m u l a t i o nt e s t so n a d o u b l e i n f e e dh v d cs y s t e mm o d e lw h i c hi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ec i g r eh v d c m o d e l t h ei n v e r t e rs i d eo ft h es y s t e ml i n k st oas t r o n ga n daw e a ka cs y s t e m i nt h ec a s eo f i i i t h r e e p h a s es h o r t c i r c u i tg r o u n df a u l ta tt h ei n v e r t e ra cb u s ，d i f f e r e n te l e c t r i c a l d i s t a n c e b e t w e e nt w oi n v e r t e r si sc o n s i d e r e d ，a n dt h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e sa res e p a r a t e l ys i m u l a t e dt o c o m p a r ew i t ht h ec o n v e n t i o n a lc o n t r 0 1 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t so fb o t hc o n t r o l s t r a t e g i e sa r eb e t t e rt h a nt h a to fc o n v e n t i o n a lc o n t r o lf o rt h el o n gd i s t a n c ec a s e ；a n df o rs h o r t d i s t a n c e c a s e ，t h ep ic l o s e d - l o o pc o n t r o lw i t hf e e d f o r w a r dr e s u l t s i nt h ef o l l o w u p c o m m u t a t i o nf a i l u r ed u et ot h ee x c e s s i v es p e e do fr e c o v e r y , a n dt h em o d i f i e dv d c o lc o n t r o l a f f e c t st h er e c o v e r yo ft h ew h o l es y s t e ms i n c eb o t ho ft h es u b s y s t e m sr e d u c et h e i rr e s e tr a t e o fd c p o w e rs i m u l t a n e o u s l y t os o l v et h ea f o r e m e n t i o n e dp r o b l e m s ，ac o m b i n a t i o no fp ic l o s e d - l o o pc o n t r o lw i t h f e e d - f o r w a r da n dm o d i f i e dv d c o lc o n t r o li sa d o p t e di nt h i sp a p e r , s ot h a tt of u l l yt a k et h e a d v a n t a g e so fb o t hc o n t r o ls t r a t e g i e s c o m p a r i n gt ot h ef o r e g o i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ec o m b i n a t i o nc a ni m p r o v et h er e c o v e r yo ft h es y s t e mu n d e rt h e f a i l u r e ，s o l v et h ep r o b l e mo ff o l l o w u pc o m m u t a t i o nf a i l u r e ，a n dm a k et h es y s t e mr e c o v e r y m o t e ts m o o t ha n df a s t a n y w a y , t h ec o m b i n a t i o ni sf e a s i b l e k e yw o r d s ：m u l t i i n f e e dh v d cs y s t e m sf e e d f o r w a r dl o o pv d c o lc o m m u t a t i o n f a i l u r em u l t i i n f e e ds h o r tc i r c u i tr a t i o i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：钒 1 年7 川日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口都时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：讯么 导师签名：警j 1 翊之) 刃夕年7 月日 广西大掌硕士掌位论文多馈入直鞠口俞电系统的恢复控制策略及仿真研究 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 随着输电技术的发展，大电网互联已是电力系统发展的一个必然趋势。大 电网互联和电力市场竞争机制的引入，在给人们带来巨大利益的同时，也增加 了电网结构的复杂性和许多不可预知的潜在威胁。若某一局部故障引发的连锁 性事故时，如控制措施采取得不当或不及时，有可能引起灾变的发生，进而导 致电网大面积的停电，以至严重威胁了整个电力系统的稳定运行。此类事故现 象在国外电力系统中曾发生过，如2 0 0 3 年的美加大停电事件和2 0 0 5 年的莫斯 科大停电等。 在大电网互联中，交直流输电系统的互联被视为最复杂的结构之一。由于 直流输电在技术和经济上有着独特的优势，在远距离大容量输电和大区联网两 方面得到了十分广泛的应用。目前我国内所建的高压直流输电工程多是一个送 端对应一个受端的单馈入直流输电系统。随着南方电网已经形成了天广、贵广 和三广三馈入直流输电系统，当三峡电站建成后，将在葛洲坝南桥基础上再增 加2 条直流线路，其主要送电到华东电网，从而使华中和华东电网形成了一个多 馈入直流输电系统，因此，我国今后将对多馈入直流输电系统开展更加深入地 研究。多馈入交直流输电系统具有较大的输送容量和更为灵活的运行方式，但 同时也带来了一些特殊问趔1 1 。特别是当多馈入直流输电系统在大扰动的情况 下，如何对各直流子系统进行快速、有效地协调恢复就显得尤为重要，目前， 国内外学者针对多馈入协调恢复的控制策略研究较少，因此，无论从理论还是 现实意义上来说，加强在大扰动下多馈入直流子系统间的协调恢复控制策略是 十分有必要的。文献 2 针对大扰动情形提出了一种多馈入直流输电系统的协调 恢复策略。该策略在p i 环节上加入的前馈能实现直流系统两端的协调控制，有 利于加快被控量的收敛速度，并在交流故障被切除后的某一时间内采用定交流 电压控制，最后对各直流子系统间实施渐变的恢复策略( s t a g g e r e dr e c o v e r y ) ，以 优化各直流子系统的重启动时间。文献 3 中，提出了一种适用于一般多馈入直 流输电系统协调恢复的依赖于电压的电流指令限制单元控制策略，该策略在系 统恢复期间使直流电流的恢复滞后于电压的恢复，从而减小换流站无功消耗， 广西大掌硕士学位- f e 文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 提高交流换相电压的恢复。该控制策略应用于多馈入直流系统中的不同故障地 点和类型均具有较好鲁棒性，有效地提高了多馈入直流系统的暂态稳定性。 本文基于上述控制策略的发展及其各自的特点，取长补短，针对含有近距 离直流落点的多馈入直流输电子系统间的恢复控制策略进行了深入研究，并设 计在大扰动情况下能够使多馈入直流输电系统快速恢复的控制策略。 1 2 直流输电系统的结构及特点 1 2 1 高压直流输电系统的基本组成 高压直流输电系统的基本组成结构如下图所示【4 】： 换流站i平波电抗器换流站i i 无功补偿设备 交流滤波器桥i 图卜1 直流输电系统的基本组成结构 f i g 1 1e q u i v a l e n tc i r c u i to f d c t r a n s m i s s i o np o w e rs y s t e m 图中各主要设备及其作用如下： ( 1 ) 换流器：其任务是用来完成电能从交流变成直流或直流变成交流的一个 转换，主要元件有阀桥和带抽头切换器的变压器。其中阀桥包含着6 脉波或1 2 脉 波的高压阀，并通过换流变压器来提供不接地的三相电压源，从而使直流系统 能建立自己的对地参考点，并能够减少注入系统的谐波。 ( 2 ) 平波电抗器：可用于阻断直流线路上的中频分量对工频电网的干扰，防 止逆变器发生换相失败和保持整流电流的连续，并限制直流线路上的短路电流， 保护变流设备。 ( 3 ) 谐波滤波器：直流系统中许多设备都是非线性元件，它们在系统中所产 生的大量谐波会导致电容器和附件电机的过热，干扰远动通信设备。因此在交流 2 广西大掌硕士学位论文多馈入j ：流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 侧和直流侧都装有滤波装置。 ( 4 ) 无功补偿设备：直流系统两端换流器工作时需要消耗大量的无功功率， 因此必须在换流器附近提供无功电源以补偿换流器所需无功功率，同时减小换 流器与系统的无功交换。 ( 5 ) 直流输电线路：直流输电线路与交流输电线路具有十分相似的地方，可 以是架空线，也可以是电缆，它们只在导体数和间距的要求方面有差异而已。 ( 6 ) 交流断路器：在交流侧必须装设交流断路器，主要是为了切除变压器故 障和停运直流联络线。 1 2 2 直流输电系统的特点 直流输电系统与交流输电系统相比，具有许多不同的特点，本文从技术性 能、可靠性和经济性三方面来分别阐述了高压直流输电相对于交流输电的特点 及优势5 羽。 在技术性能上，高压直流输电系统具有以下4 个不同的运行特性： ( 1 ) 调节速度快，运行可靠。由于换流器采用了开关速度快的晶闸管，可迅 速地调节直流线路上的有功平衡及潮流的翻转。当交流系统受到扰动或发生故 障时，直流控制系统将对换流器实施作用，并迅速调节直流线路上的输送功率， 以使交流系统能够实现稳定的运行。由于直流系统具有不同的动态调节方式， 其在阻尼低频振荡方面发挥了重要的作用。 ( 2 ) 具有很强的自我防护能力。无论直流线路发生何种故障，直流控制系统 都能迅速对故障作出响应，并通过相应的控制措施来切除故障，以保证输电线 路持续的供电，使系统运行恢复正常。通常采取的措施有降压运行、再启动及 以大地作为回路来输送功率。 ( 3 ) 可限制交流系统的短路容量。直流互联时，不管故障发生在线路的何处， 直流线路上故障电流都不会很大，因而交流系统的短路容量不会增加。 ( 4 ) 可实现交流系统的非同步运行。无论两个交流系统的频率相同还是不 同，直流系统都可实现两交流系统之间的非同步联络，从而使两交流系统之间 能够互为备用，并提高应对事故紧急支援的能力。 在可靠性上，国际大电网会议( c i g r e ) 和电气与电子工程师学会( i e e e ) 的工 作组对高压直流输电工程的可靠性进行了统计。直流输电系统的可靠性一直较 好，交、直流两种输电方式是相当的，都是可行的，且直流输电工程的可用率 广西大掌硕士掌位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 指标都在9 0 以上。 在经济上，可通过比较交流和直流输电成本随输电距离的变化曲线来说明， 如图1 2 所示。当输电距离小于等价距离( b r e a l ( e v e nd i s t a n c e ) 时，交流输电比直 流输电经济，但当输电距离超过等价距离后，交流输电的成本高于直流输电。 对于架空线路，等价距离为4 0 0 7 0 0 蛔之间，决定于单位长度输电线路的成本。 对于电缆输电系统，等价距离介于2 5 5 0 k m 之间。 成本 距离 图1 - 2 直流与交流输电线路成本的比较 f i g 1 - 2t h ec o m p 撕s o no fc o s tb e 俩e e nd c a 1 1 da ct r a n s m i s s i o nl i n e s 尽管如此，直流输电系统也有着自己的一些缺点，主要表现在以下几方面： 夺换流站造价昂贵； 夺换流器无功消耗量大； 令换流器产生大量的谐波； 令换流器过载能力低； 夺送电方式单一； 夺在某些运行方式下，对地下或海底物产生腐蚀和电磁干扰。 1 3 高压直流输电系统控制策略的研究现状 在一般的高压直流输电系统中，直流控制的主要功能是对交流系统两端之 间的潮流进行控制，保护设备免受由故障产生的过电压和过电流，并在直流系 统的任何方式下稳定所连接的交流系统 6 1 。因此直流系统的稳态及动态性能如 4 广西大掌硕士掌位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿1 1 研j e 何，很大程度上取决于对其所采用的控制方式和策略。目前，国内外学者在改 善高压直流输电系统控制策略方面做了大量有益的研究工作，并把各种先进的 控制理论【7 1 1 】也引入到控制器的设计中，但主要集中在单馈入直流输电系统，而 对多馈入直流系统方面则研究较少。作为前车之鉴，有必要对前人所做的成果 进行分析和总结。 高压直流输电系统可能遭受的典型扰动主要有整流侧交流母线故障、逆变 侧交流母线故障、换相失败、直流线路故障、功率反转等，直流系统如何在受 到这些扰动下能够稳定、充裕地运行，并在故障被切除后尽快恢复已经成为各 国学者所关注的问题。在多馈入直流输电系统中，当某一直流子系统的换流器 发生换相失败后，直流线路上的电压降低，同时电流也增大；如果控制方法采 取不当，换相失败还可能继续发生，最终的结果将导致直流输送功率的中断， 并影响到交流系统的稳定运行。国内外的许多研究表明，电压过零点相角的移 动和交流电压幅值的降低是导致换相失败的两个根本原因【1 2 以4 1 。当交流和直流 系统间的相互作用出现不良时，故障后的直流输送功率很难迅速恢复，这主要 与交流系统的强弱有关。在国外，针对换相失败后的恢复问题，文献 1 5 】提出了 一种新的控制策略，该控制是直接监测阀的反向阻断间隔，在故障发生期间改 变熄弧角的参考值。其仿真实验证明了该控制策略能够快速恢复直流功率，有 效地避免了换相失败及后续换相失败的发生。文献 1 6 】提出了在m i d c 的互联电 网中，通过改变整流侧或逆变侧仅的最小值、逆变侧电压参考值和整流侧的电流 参考值三种方法，对各直流输电子系统的传输功率实施渐变的控制，可使系统 的整体性能达到最佳，并且该策略具有很好的鲁棒性。渐变恢复的目的是促使 暂态相互过程趋于缓和，以便多个直流子系统同时工作时的整体性能良好。考 虑到多馈入直流子系统中存在的不良相互作用，s z e c h t m a n 等学者指出电流控制 放大器( c c a ) 和低压限流环节( v d c o l ) 的参数对多馈入直流输电系统的故障后 的恢复有重要影响【l 刀。因此，为了避免由于故障后各直流子系统同时需求大量 的无功而导致交流电压的进一步恶化，s z e c h t m a n 学者们认为v d c o l 的参数设定 应使各直流输电线路的恢复有先后之分。文献【1 8 】指出，当有多条直流输电线路 存在时，使用一条直流输电线路控制区域间振荡的阻尼，其余的直流输电线路 则可用于控制区域间的同步功率，该控制方案能够解决交流系统中的同步问题。 虽然我国直流输电技术的研究起步较晚，但近年来的直流输电工程的建设 发展迅速，目前我国已经建成投入使用的直流输电线路共7 条，输送容量达1 8 0 0 5 广西大学硕士掌位论文多馈入，：流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 万k w ，线路长度共7 0 8 6 k m 。我国第一条云南一广东4 - 8 0 0 k v 特高压直流输电工 程已于2 0 0 6 年开工建设，计划2 0 0 9 年6 月实现单极投运，2 0 1 0 年实现双极投运【1 9 】。 根据南方电网五年建设的最新报告，目前南方电网的西电东送已经形成“六交四 直”1 0 条5 0 0 k v 大通道，输电能力达至u 1 5 0 0 万k w 。预计再过2 0 年，跨区域联网、 输送距离远和容量大的超高压交直流混合输电系统将在我国出现，这在世界上 是十分罕见的，其运行结构将越来越复杂1 2 0 - 2 2 】。国内研究高压直流输电系统的 众多学者中，以徐政、李兴源、任震等为代表的学者在改善多馈入直流系统上 做了大量有益的研究工作。文献 1 0 1 1 2 3 针对多馈入直流输电系统，设计了不同 的直流附加控制器，并对控制器在不同的扰动情况下的控制效果进行了仿真研 究，证明了该控制器设计方法对改善多馈入直流输电系统的有效性；文献 2 4 提出了一种多馈入直流输电系统的协调控制策略，该策略具有三个特点：首先 在常规的控制器基础上叠加一个前馈回路，从而构成了一个闭环回路，这样便 能够很好地协调好直流系统的两端；同时在逆变侧控制器中采用定交流电压控 制，以减少交流故障切除后对直流系统换流母线电压的波动；然后利用渐变的 恢复策略来对各直流输电子系统的恢复时间参数进行优化，以减少暂态过程中 各直流输电子系统间的不良相互作用；文献 2 5 在多馈入直流输电系统中利用 分布式闭环反馈的思想，提出了一种协调的递阶控制策略。该策略将直流输电 系统等效为一个变导纳支路，并连接在整流侧或逆变侧交流换流母线上，经过 公式推导得出发电机输出电磁功率与该变导纳的解析关系，将该变导纳作为一 个附加的状态变量放在常规的发电机动态方程中。文献 2 6 当中提出了在多馈 入直流输电系统中，由于交流间存在复杂的相互作用，除了考虑交流电压、交 流电压相角和直流电流等因素的影响，还需考虑各直流输电子系统之间的不良 相互作用对换相失败的影响。并说明了合理设计换流器的各种参数可以削弱故 障对系统的影响。除了在控制系统上进行改进外，增加无功补偿设备也能够改 善直流系统故障下的恢复特性，文献 2 7 】分别比较了固定电容器( f c ) 、静止无功 补偿器( s v c ) 和静止同步补偿器( s t a t c o m ) _ = 种无功补偿设备的故障恢复特性， 其中s t a t c o m 在电压保持、功率恢复等方面具有明显优势，能够明显改善h v d c 系统的动态特性。文献 2 8 3 0 1 揭示了换相失败的机理，详细分析了影响直流输 电系统发生换相失败的因素，并提出了一些避免换相失败的措施，如换相失败 的预防措施和防止继发性换相失败的措施。 6 广西大掌硕士掌位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作是对多馈入直流输电系统逆变侧发生大扰动的情况下，针 对系统的恢复进行研究，尝试设计两种不同的恢复控制策略相结合的方法来提 高整个系统的恢复性能。为了验证这两种控制策略相结合后的有效性，本文应 用了国际先进的电磁暂态仿真软件p s c a d e m t d c 搭建了一个双馈入直流输电 系统，并将所设计的控制策略进行仿真研究，得出了相应的结论。主要做了以 下工作： ( 1 ) 查阅有关直流输电系统恢复控制策略的研究资料，结合国内外h v d c 系统 控制策略的发展现状和研究成果，提出了本课题的研究背景及意义； ( 2 ) 介绍直流输电系统的各种控制原理和运行特性； ( 3 ) 针对多馈入直流输电系统中的特有问题，详细介绍了影响多馈入直流输 电子系统中的相互作用因素，建立交直流系统相互作用的数学模型，并引入最 新定义的多馈入短路比概念； ( 4 ) 设计了两种不同的控制策略：附加前馈回路的p i 闭环控制和改进v d c o l 的控制策略，分别详细阐述了它们各自的控制机理及特点，并对两控制策略的 改进部分进行了重点介绍； ( 5 ) 利用电力系统暂态仿真软件p s c a d e m t d c 搭建了一个双馈入直流输 电系统，主要研究逆变侧交流母线发生大扰动的情况下直流系统的恢复状况， 然后针对出现的问题进行改善。通过设置了不同的电气距离，分别将上述两种 控制策略与常规控制进行仿真比较，得出这两种控制策略各自的优缺点。 ( 6 ) 根据这两种控制策略的特点，吸取它们之间的优势互补，尝试将这两种 控制策略相结合以改善它们各自存在的缺点。并通过在相同的条件下，将两种 控制策略结合后与它们单独作用时进行仿真比较，验证两种控制策略结合后的 效果。 7 广西大学硕士学位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 第2 章直流输电系统的控制 2 1 概述 高压直流输电具有快速调节的能力，即通过控制换流器触发相位角实现快 速和多种控制方式的调节。同时直流输电还具有高度可控性，其有效的运行依 赖于这种可控性的正确应用，以保证电力系统有期望的性能。因此，直流控制 在直流输电系统中占有重要地位。本章主要介绍了高压直流输电控制系统的控 制原理及各种调节特性。 2 2 基本控制原理【5 3 1 】 单馈入直流输电系统的等效电路如图2 - 1 所示。 图2 - 1 直流输电系统等效电路 f i g 2 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i to f d i r e c tc u r r e n tp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 由图2 1 可得，从整流侧流向逆变侧的直流电流为 r 吃rc o s a 一fc o s ) ， u r ，+ r d r c i 登者l = 鼍群 式中： r 。= 3 _ x 。，r “= 一3x d 分别为整流侧和逆变侧的等效换相电阻； ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 广西大学硕士学位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 尼为直流线路的电阻； ，吃，分别为整流侧和逆变侧的理想空载直流电压； 口，3 ，分别为整流侧的触发延迟角、逆变侧的触发越前角和熄弧角。 为了改变直流电流，d ，可有以下多种方法 6 1 ： ( 1 ) 改变整流器的口角。由于是电子型控制，它的速度非常快，可以在半个 周波内完成( 8 1 0 m s ) 。 ( 2 ) 调节逆变器的3 或) ，角。这也是电子型控制，速度很快，可以在半个周 波内完成。 ( 3 ) 通过调节换流变压器的分接头来调节整流侧的交流电压，这个过程比较 缓慢，通常需要数百秒的时间。 ( 4 ) 通过调节换流变压器的分接头来调节逆变侧的交流电压，它的过程也比 较缓慢，需要数百秒时间。 换流器的快速调节可以防止直流电流的突然变化，从而保证了h v d c 线路 的稳定运行，由式( 2 一1 ) 和( 2 2 ) 可知，线路和换流器的电阻值都很小，换流器 的开路直流电压，吃，的微小变化就能引发直流电流l 的大波动。为了保证 直流系统的良好性能，这种变化一般是不希望出现的。因此，快速换流器控制 对于防止这种大波动是十分有用的。 此外，提高功率因数可减小换流器设备的损耗，保证负荷增加时交流终端 电压降最小。由式( 2 3 ) 可知，减小整流器的a 角和逆变器的卢角有利于功率因 数的提高。 c o s # 0 5 c o s a + c o s ( a + j l l ) 】0 5 c o s t + c o s ( r + j l f ) 】( 2 3 ) 但是，为了使换流阀在触发前有足够的正向电压以保证阀在触发后导通， 整流器有一个最小a 角限制，其值通常定在2 0 5 0 。在实际运行时，一般为了 留有升高整流器电压的裕度来控制直流功率潮流，整流器的a 角应在1 5 0 至2 0 0 之间取值。同理，对于逆变器，采用的是最小熄弧角限制以避免换相失败的发 生，因此，确保换相成功且留有足够的裕度是非常重要的，以使a = 1 8 0 0 或) ，= 0 0 换相电压反向之前就可以去游离。熄弧角) ，是由触发超前角卢和换相重叠角p 的 差值来决定的，而i “角又取决于，j 和换相电压。由于直流电流和交流电压在换 相开始之后仍有发生改变的可能，所以在最小侑限制之上必须维持足够的换相 欲度。在5 0 h z 系统中，典型值可取为1 5 0 。 9 广西大学硕士学位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 2 3 控制方式及特性 2 3 1 基本控制方式 控制策略的选择应保证直流系统能够响应快速且稳定地运行，同时能够使 所产生的谐波、所消耗的无功功率以及输电引起的损耗最小。 h v d c 常用的基本控制方式有以下三种【3 2 j ： 1 ) c g 方式：整流器采用定电流控制，逆变器采用定熄弧角控制。 2 ) a c - a 式：整流器采用定触发角控制，逆变器采用定电流控制。 3 ) a g 方式：整流器采用定触发角控制，逆变器采用定熄弧角控制。 以，。表示整流侧定电流控制的参考值，d ，表示逆变侧定电流控制的参考 值，则h v d c 控制方式的选择可以概括为：若i d l ，直流系统为c g 方式； 若i d 3 或k 砌 2 5 弱交流系统2 k m s c r 3 或1 5 k 脚r 2 5 极弱交流系统 k 墙积 2 或k 脑c r 1 5 3 3 系统间的电气联系 在多馈入直流输电系统中，两个直流输电子系统间的相互作用主要通过其 逆变侧交流换流母线间的电气联系来实现的。当各直流输电子系统间的电气距 离较近时，由于存在非线性因素和暂态过程的影响，某一直流子系统的无功功 率或交流母线电压的波动会影响以其邻近的子系统，严重时可能会造成多个换 流器的同时或级联换相失败 2 , 7 - 8 , 3 8 】；相反，当电气距离较远时，它们之间的联系 相对较弱，可有效避免同时发生换相失败。所以，两个直流子系统相互关联时， 它们之间的电气距离必然存在一个临界值。当直流子系统间的距离大于这个临 界距离时，关联逆变站间的电气联系相对薄弱，这时一个子系统发生故障时影 响另一个子系统发生换相失败的概率就小；否则，当直流子系统间距离小于这 个临界距离时，相互关联的逆变站就可能相互引发换相失败。 为此，本文援引文献 3 9 4 0 】中的耦合临界阻抗z ，脚的概念。以耦合阻抗z 。 的大小来表示电气联系的强弱，耦合阻抗z ；，越小，表示相连的线路长度越短， 说明两个子系统联系越紧密；反之，则说明两个子系统联系越强。可知，z 。取 值存在两种极端：当z ，一o 时，双馈入直流输电系统可看成是一个双极直流输 电系统；当z 打- - 0 0 时，两个交流换流母线间无电气联系，则双馈入直流输电系 统便转变成两个相互独立的单馈入直流输电系统。 2 l 广西大学硕士学位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 在实际系统当中，通常以相邻子系统间的输电线路长度，脚( 耦合临界距 离) 来表征耦合临界阻抗z ，的大小，而耦合临界距离的大小也间接反映了两 子系统之间同时发生换相失败的概率，如图3 3 所示：当，小于厶粕时，它们 之间的耦合作用较强，相互影响也较为严重，从而引发两子系统间同时换相失 败，且它们从故障中恢复的情况较为复杂，这是由于存在不良相互作用的影响， 导致两直流输电子系统逆变侧交流换流母线电压的波动，从而影响了系统的恢 复运行；当两个系统间的厶大于厶艘时，一个直流子系统逆变侧交流换流母线 发生三相短路故障时的影响有限，不足以引起另一直流系统发生换相失败，它 们的耦合作用很弱。 l c c 强耦合作用弱耦合作用 相互引发换相失败， 不同时发生换相失败 恢复过程复杂 岛= 0l o = 图3 - 3 耦合临界距离示意图 f i g 3 - 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc o u p l i n gd i s t a n c e 3 4 本章小结 在多馈入直流输电系统中，由于各直流子系统间存在的相互作用因素复杂 繁多，因此在考虑问题时不能简单的忽略。但迄今为止，国内外学者针对存在 的这些相互作用因素做了许多的研究分析，并在新的控制策略上也考虑了相互 作用因素，从而更准确的对系统进行有效控制。 广西大学硕士学位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 第4 章直流输电系统恢复控制策略的研究 4 1 附加前馈回路的p i 闭环控制 在常规的直流输电系统中，整流侧的控制量口与逆变侧的控制量j i b 之间存 在着非线性耦合关系，它们相互作用、相互影响，若两端的控制器参数协调不 当，将使整个直流系统的运行产生不协调，甚至造成恶性循环，引起后继的换 相失败等问题。本文在直流系统准稳态模型【4 1 】的基础上，利用公式推导得出控 制量口和卢的关系式，并在这两个控制量的p i 环节上分别加入前馈回路，构成 r c r y 静r ly 蠹 r c l 整流器 ( a ) r c rv 矗 r lv 斑一r c l 逆变器 整流器 逆变器 ( b ) 图4 1 ( a ) 逆变侧采用1 3 控制模式；( b ) 逆变侧采用y 控制模式 f i g 4 1 ( a ) pc o n t r o lm o d e la tt h ei n v e r t e rs i d e ；( b ) 丫c o n t r o lm o d e la tt h ei n v e r t e rs i d e 了p i 的闭环控制，从而使a 和卢相互协调作用，为故障后的快速恢复发挥了重 广西大学硕士学位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 要作用。 由直流输电系统的等值电路( 如图4 1 所示) ，对于整流侧，直流输出电压 为 = v d o rc o s a r 。i a ( 4 1 ) 22 其中= 二2 以，r 。= 二毗。，e l , 为整流侧交流母线线电压有效值 7 7 对于逆变侧，直流输出电压为 i = 屹fc o s f l + r “l 【= c o s y r “，d 其中：三羽盯，尺。，：三砒色为逆变侧交流母线线电压有效值 冗 丁t 由式( 4 - 2 ) 联立得 c o s h 哪+ 警 从整流侧流向逆变侧的直流电流为 rc o s a 一fc o s f l ，：= 一 。 r c r + r “+ r d 由式( 4 3 ) 和( 4 4 ) 联立得出 口：锻c o s 生! 墨垡生二2 么! 竺! 兰 ( 4 2 ) ( 4 - 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 从( 4 - 5 ) 式可看出，影响触发角口的四个变量因素分别为l 、屹，和y 。 由式( 4 5 ) 搭建了如图4 - 2 所示的整流侧附加前馈回路的p i 闭环控制连接图。 屹，y 图4 2 整流侧附加前馈回路的结构图 f i g 4 2 r e c t i f i e rb l o c kd i a g r a mw i t hf e e d f o r w a r dl o o pa d d e d 广西大学硕士学位论文 多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 由式4 - 3 可得 卢= a r c c 。s ( c 。s y 一百2 r c i l d ) ( 4 - 6 ) 同理可知，影响越前角卢的三个变量分别为，d 、吃i 和y 。图4 - 3 给出了整 流侧常规p i 控制器上的前馈回路连接图。 yr 图4 3 逆变侧加入前馈回路的结构图 f i g 4 - 3 i n v e r t e rb l o c kd i a g r a mw i t hf e e d f o r w a r dl o o pa d d e d 附加前馈回路的p i 闭环控制机理：在整流侧的p i 环节上叠加前馈回路后， 形成了带前馈的闭环定电流控制。该策略提高了触发角a 的响应速度，加快了a 达到指令值a 。；同理，在逆变侧的p i 环节上加入前馈回路后使触发越前角卢也 能够快速达到指令值风，由于控制量口和卢都有着共同的变量，这样便可实现 直流输电系统两端控制器之间的有效协调。由于前馈回路及时的响应作用，指 出了直流系统最终平衡的工作点，使p i 控制器在该工作点附近的较小变化范围 内以一种辅助方式进行调节，减小了p i 控制器的调节时间，从而有利于整个直 流系统的稳定快速恢复。 特点：在故障被切除后能够协调好直流系统两端快速恢复，有利于系统的 运行稳定。 4 2v d c o l 的改进控制策略 4 2 1v d c o l 参数对功率和电压恢复的影响 经阅读大量文献资料后发现，许多研究都表明：低压限流环节v d c o l 的参 数会对故障切除后的多馈入直流输电系统的恢复有重要影1 1 甸1 1 7 , 4 2 - 4 3 】。合理选择这 广西大学硕士学位论文多馈入直流输电系统的恢复控制策略及仿真研究 些参数将对直流系统的动态性能和整个交直流系统的稳定性产生较大影响。但 是真正研究v d c o l 参数特性的文章较少，为此本文对v d c o l 各参数的变化情 况进行了详细分析，以便能够合理设计这些参数值。 在直流输电系统发生故障时，v d c o l 控制能够对瞬间故障产生的影响起到 一个过渡缓冲的作用，从而有利于系统输送功率和电压的稳定恢复。本文通过 理论分析，描述了v d c o l 参数变化对故障后直流系统输送的有功功率和需要的 无功功率的影响，进而得出交直流连接节点电压的变化情况。由图4 4 所示， v d c o l 的主要参数有、，h 、巧、，从而可得a b 斜线段的特性为 玢( p 以) 可得 ，如 i d ( p “) 图4 _ 4 屹一l 特性曲线 f i g 4 _ 4 圪一i dc h a r a c t e r i s t i c s 等：群：告：k ( 4 - 7 ) ih l l ih ii i l v = 一k ( z 何一，) = 圪+ k ( z - i ) p = v q