（电气工程专业论文）用svc和tcsc提高交直流并联输电系统稳定性的控制方法研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着直流输电的竞争力日益提升并发展到今天，高压直流输电已愈来愈多地 应用在世界各大电力系统中，仅我国就建成多条交直流并联输电线路。直流输电 具有诸多优势，但是由于交直流系统运行特性及交直相互影响比较复杂，因此给 系统稳定带来新的问题。 直流系统换流站在运行中需要消耗大量的无功，使得两端交流系统的电压稳 定问题日益重要；当出现比较严重的干扰或故障时，系统的稳定问题也面临严峻 考验。因此研究提高交直流并联输电系统稳定性的方法和措施是当前电力系统的 重要课题之一 柔性交流输电系统( f a c t s ) 技术在电力系统中有着广阔的应用前景，是近年 来电力系统研究的前沿课题之一。静止无功补偿器( s v c ) 和可控串联补偿器 ( t c s c ) 是f a c t s 家族的重要成员，是提高电力系统稳定性的有力工具。因此， 研究把s v c 和t c s c 应用于交直流并联输电系统具有重要的理论意义和实用价 值。 本文根据系统运行特点分析了交直流并联系统的相互影响特性，指出系统面 临的问题及解决问题的方向。基于s v c 和1 s c 的工作原理及数学模型，研究了 把s v c 和t c s c 应用到交直流系统的控制方法。 s v c 是电力系统无功补偿的重要装置，当其采用纯电压型非线性控制时，具 有很快的响应速度和很强的调节能力，可在并联系统运行过程中根据无功的变化 情况快速发出或吸收无功，从而提高电压稳定性。 t c s c 是电力系统中重要的串联补偿装置，根据控制方式的不同，起到多种 稳定控制作用。在交直流并联输电系统中，采用合适的控制策略，灵活地改变t c s c 的有效电抗值，可增加交流线路的输送能力，提高系统的功角和电压稳定性。 论文建立了典型的交直流并联输电系统仿真模型，设置两种不同强度的系统， 对系统在典型大干扰( 负荷剧增、直流闭锁、交流断线等) 下的动态响应进行仿 真。针对每种大干扰，分别对只投入s v c 或1 s c ( 1 s c 采用补偿度不同的固 定补偿或其它补偿方式) ，以及同时投入s v c 和t c s c 后，系统电压或频率等的 变化情况进行仿真并分析，结果证明了s v c 和t c s c 对系统稳定控制的有效性和 可行性。 关键词：交直流并联输电，静止无功补偿器，可控串联补偿器，系统稳定性 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t r e c e n t l y , i nt h ew o r l dt h eh i 曲v o l t a g ed i r e c tc u r r e n tm m s m i s s i o nl a a sb e e n a p p l i e di n c r e a s i n g l yi nb i gp o w e rs y s t e m , o n l yi no u rc o u n t yi n o l et h a no n ea c 仍c p a r a l l e lt r a n s m i s s i o nl i n e sh a sb e e nb u i l t t h ed i r e c te t t r r c n tt r a n s m i s s i o nh a sm a n y a d v a n t a g e s b u tt h eo p e r a t i n gc l a a r a e t e r i s t i e so f t h ea c d cp a r a l l e lt r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dw h i e l am u t u a l l ya f f e c t se a c ho t h e ra 增q u i t ec o m p l e x s oi tb r i r l g sn e wp r o b l e m st o t l a es y s t e ms t a b i l i t y t h ed i r e c tc u r r e n ts y s t e mc o l l v l a l t o rs t a t i o nn e e d st oc o n s u l i i cm a s s i v er e a c t i v e p o w e ri nt h eo p e r a t i o n , w h i c h 伽s e st h ev o l t a g es t a b i l i t yp r o b l e mo ft h eb o t hs i d e s a l t e r n a t i n g - e r a r e n ts y s t e mb l 奠? , o l l l cm o i a n dm o r es e v e r e l y ；w h e nq u i t es e r i o u s d i s t u r b a n c e0 1 b r e a k d o w na p p l 砒t h es y s t e ms t a b i l i t ya l s of a c e ss t e r nt e s t t h e r e f o r e , t h er e s e a r e l a0 1 nt h em e t h o d sa n d 1 1 1 e 8 s 1 1 1 r t ! $ i m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo f t h ea c d cp a r a l l e l m a n s m i s s i o ns y s t e m i s o n c o f i m p o r t a n ts u b j e c t s i n t h e c u r r e n t p o w e r s y s t e m f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) w i l lb ew i d e l yu s e di np o w e rs y s t e m , w h i c hi so n eo ft h ef r o n t a ls u b j e c t so fp o w e rs y s t e mi nr e c e n ty e a r s s t a t i cv a t c o m p e n s a t o r ( s v c la n dt h y r i s t o rc o n l z o l l c ds e r i e sc o m p e n s a t o rc r e s t ) 黜t h e i m p o r t a n te l c m e n t so ff a c t sf a m i l ya n du s e f u lt o o l st oi m p r o v et h ep o w e rs y s t e m s t a b i l i t y t h e r e f o r e , t h er e s e a r c h0 1 1l l s i n g $ v ca n dt c s ct ot h ea c d cp a r a l l e l l z a m m i s s i o ns y s t e mh a ss i g n i t i e a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t l a cm u t u a la f f e c t i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ea c d cp a r a l l e l s y s t e mi sa n a l y z e da c c o r d i n g t ot h es y s t mo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r o b l e m so f t h es y s t e ma n dt h ed i r e c t i o n st ot h ep r o b l e m sa p o i n t e do u t b a s e d0 1 1t h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i cm o d e lo f s v ca n dt c s c ，t h e ne o n l z o lm e t h o d so f u s i n gs v c 髓dt c s ct ot h es y s t e ma r 酷e a r e h e d $ v ci sa ni m p o r t a n tv i i i c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m , w h e nu s i n g o n l yv o l t a g en o n l i n e r a lc o n t r o li th a sr a p i ar e s p o n s es p e e da n ds t r o n g e ra d j u s t i n ga b i l i t y a n dc a ni s s u eo ra b s o r b 砧a c t i v ep o w e ra c c o r d i n gt ot h ed 唧o f r e a e t i v ep o w e ri nt h e s y s t e mo p e r a t i o n , w l a i e hi m p r o v e st h ev o l t a g es t a b i l i t y t c s ci sa ni m p o r t a n ts e r i e sc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m , w l a i e l ag e t s u pm a n yk i n d so f s t a b l ec o n t r o la c t i o na c c o r d i n gt ot h ed i 岱骶n so f c o n t r o lm o d e s m t l a ea c d cp a r a l l e lt r a n s m i s s i o ns y s t e m t c s c 锄i l l l c l e a f l et h ed e l i v e r yc a p a c i t yo f t h e f i n ea n de n h l m c t em e r i ta n g l ea n dt h ev o l t a g em b u i t yo ft h es y s t e mi , yu s i n gt h e 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a p p r o p r i a t ec o n t r o ls t r a t e g ya n dc h a n g i n gf l e x i b l yt h ee f f e c t i v e 玎美i c t a n c ev a l u eo f i t i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h et y p i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo fa c d cp a r a l l e lu a n s m i s s i o n s y s t e mi se s t a b l i s h e d , a n dt w ok i n d so fd i f f e r e n ti n t e n s i v es y s t e m sa r es e t u p ，t h e nt h e d y n a m i cr e s p o n s ei ss i m u l a t e dw h e nl a r g ed i s t u r b a n c e so c c u ri ns y s t e ms u c ha sl o a d i n c r e a s i n gs e v e r e l y , d cb l o c l 【i 1 1 9 a cc i r c u i tb r e a k i n ga n d s oo n i nv i e wo fe a c hk i n d o f b i gd i s t u r b a n c e s ，t h ec h a n g es i t u a t i o no f t h ev o l t a g ea n df r e q u e n c yo f t h es y s t e ma n d s oo ni ss i m u l a t e da n da n a l y z e ds e p a r a t e l yt oo n l yu s i n gs v co rt c s cw h i c hu s e s f i x e dc o m p e n s a t i o nw i t hd i f f e r e n tc o m p e n s a t i v i t yo ro t h e rc o m p e n s a t i o nw a y , a n d s i m u l t a n e o u s l yu s i n gs v c a n dt c s c ，f i n a l l yt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h es v ca n d t c s ct ot h es y s t e ms t a b l ec o n t r o li sa p p r o v e d k e y w o r d 0 ：a c d c p a r a l l e l t r a n s m i s s i o n , c o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r , s y s t e ms t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 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谢意。 学位论文作者签名：吴。超签字日期：“7年j 月2 2e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：要起， 导师签名：彳维 签字日期：d 由年j 月2 z 日签字日期：如哆年f - 月2 t 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 课题的学术和实用意义 大力开发西部水电、继续发展火电、实施西电东送，同时实现电力南北互供、 全国联网，以实现全国范围内的资源优化配置和能源优化供给，是2 1 世纪中国能 源和电力工业建设的基本战略。从2 l 世纪初到2 0 2 0 年的时间内，中国大规模西 电东送和全国联网的目标将基本实现，在中国大地上将逐步建成横贯南北、规模 巨大的电力供应网络。 到2 0 3 0 年，超过1 0 0 0 k m 距离的西电东送容量为：中北通道为1 9 8 0 万k w 、 中通道为5 1 3 0 万k w 、南通道为2 9 3 0 万k w ，三大通道总输送容量约1 亿k w 1 1 。 如采用交流输电方式实施西电东送，当输电距离超过1 0 0 0 k m 时，交流线路的输送 能力已大大低于其自然功率水平，需要采用较高的串联补偿度才可能充分发挥其 输送能力。随着电力系统发展，输电容量距离增加，区域网络互联，出现了系统 稳定、低频振荡和次同步振荡等动态疑难问题，使交流输电的应用受到限制。7 0 年代换流阀技术日益成熟，促进直流输电技术经济优势的发挥。随着直流输电的 竞争力日益提升并发展到今天，高压直流输电已愈来愈多地应用在世界各大电力 系统中，使现代电力系统成为在交流系统中包含有直流输电系统的交直流混联系 统。 目前，全世界两端直流系统已有9 0 个以上，但交直流并联系统并不多见，全 世界还不到1 0 例。2 0 0 1 年6 月，我国南方电网的天生桥一广州5 0 0 k v 直流输电 双极投入试运行，形成了西电东送5 0 0 k v 两交一直主干通道，南方电网进入了交 直流并联运行状态，属中国首例。该工程直流输电线路的双极额定传输容量为1 8 0 万k w ，如此大规模的交直流并联输电系统，其运行规律相当复杂，在全世界皆属 罕见运行经验表明，大容量的交直流并联输电系统运行难以控制，急待解决理 论与认识方面的不足。2 0 0 5 年贵州广州两交一直通道建成，天广再增一回交 流，从而形成了五交两直并联系统。除此之外，全国各区域电网之间互联，也将 出现交直流两端并联的运行状况。 当高压直流为负荷地区提供电力时，换流站消耗的无功功率约为直流有功功 率的5 0 6 0 ，这使得与直流端相连的交流端的电压稳定问题日益重要。合理而及 时的无功补偿可提高系统的电压稳定水平，但无功仅是影响因素之一，系统中其 他因素也会对系统的电压稳定性产生影响。在交直流联合系统中，直流系统中的 各种因素对系统的电压稳定水平都有影响；交直流输电系统稳定性与输电系统运 行稳定性和抗干扰能力密切相关，相互影响程度一方面与交流系统各节点的短路 重庆大学硕士学位论文l 绪论 容量大小有关，也与接入的直流输电系统的额定输送功率有关。 由于交直流并联输电线路的复杂性，研究交流系统或直流系统发生故障时对 整个交直流系统的影响将具有重要的意义，这些影响包括：( 1 ) 交流系统电压是 直流系统设备换流变压器、换流器以及直流系统性能设计的重要条件，其波动甚 至会使直流系统失去换向电压而无法运行；( 2 ) 直流线路持续故障或换流站内直 流设备故障，系统被迫停运，即突然甩负荷，对交流系统的影响取决于实际需要 交流系统承受的负荷冲击量。对此，必须采取相应的措施；( 3 ) 电力系统直流线 路若由于换流器闭锁或系统扰动引起换流器的无功消耗大幅下降甚至为零，则会 引起换流站过电压，同时若由于系统事故导致直流系统部分或全部甩负荷，必须 采取措施稳定电压；( 4 ) 从并联线路相互间的作用和支持考虑，交流线路因故障 停运，在系统不致因此失去稳定的条件下，其它线路可承担其甩去的输送功率( 全 部或部分，视系统结构和运行方向而定) 。并联的直流线路必须快速实现功率调制 和紧急功率支援来承担交流线路甩去的输送功率，如果直流功率调制不当，同样 会给整个系统的稳定带来巨大影响1 2 。7 1 随着电力电子技术的发展，f a c t s ( f l e x i b l e a - c c u r r e n t t r a n s m i s s i o n s y a e m ， 所谓f a c t s 就是“在输电系统的重要部位采用具有单独或综合功能的电力电子装 置及其自动控制装置，对输电系统的主要运行参数如电抗、电压、相位角等进行 控制，使输电更加灵活可靠，具有更大的可控性”嘲。) 装置广泛应用于电力系统 的技术目趋成熟，其中s v c ( s t a t i cv a tc o m p e n s a l o r ) 和t c s c ( t h y r i s t o r - c o n l r o l l e d s e r i e sc o m p e n s a t o r ) 已逐渐在我国电力系统中使用。在交直流并联输电系统中， s v c 和1 s c 采用合适的控制策略可以最大限度地提高交直流并联输电系统的电 压稳定性和功角稳定性，从而保证系统安全，并提高输电系统的传输能力。因此 本课题研究具有重要的理论意义和工程实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 我国直流输电的发展 近2 0 年来，我国直流输电从无到有，经历了一个快速发展阶段1 9 8 7 年自行 研制建设的舟山直流输电试验工程投入运行，1 9 8 9 年葛洲坝一南桥5 0 0 k v 、 1 2 0 0 m w 直流输电工程投入运行、2 0 0 0 年天生桥一广州5 0 0 k v 、1 8 0 0 m w 直流 输电工程投入运行，2 0 0 3 年三峡一常州4 - 5 0 0 k v 、3 0 0 0 m w 直流输电工程投入运 行，2 0 0 4 年三峡一广东、贵州广东土5 0 0 k v 、3 0 0 0 m w 直流输电工程投入运行。 另外，三峡右上海直流输电工程和贵州一广东二回直流输电工程已进入实施阶 段。根据规划，在未来2 0 年中，南方电网将会出现7 条甚至更多的直流输电线路， 华中电网将会出现近l o 条直流输电线路。显然，我国已跨入交直流混合大电网时 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 代。 1 2 2 交直流并联输电稳定性研究现状 浙江大学直流研究室是国内最早开展直流输电研究的单位之一。近年来，该 研究室在直流输电控制和交直流电力系统分析计算等领域进行了开拓性的研究工 作。早期的直流输电著作总结了直流输电技术最初发展直至成熟阶段的主要成果， 重点阐述直流输电系统本身的特点，如换流理论、直流输电系统的基本结构、基 本元件和基本控制方式等。由于当时交直流电力系统相互作用特性还没有被重视 或者说问题还不太严重，因此对交直流电力系统相互作用特性方面的阐述较少， 而现在对交直流的各方面研究已日趋发展。 由于交直流并联输电系统具有交流和直流两种输电方式，其运行和控制是现 代电力系统运行的关键问题之一。为了考察直流系统对交流系统的影响，有必要 研究交直流并联输电系统的动态安全域。这样的使用动态安全域不仅易于确定， 而且为交直流并联输电系统的暂态功角稳定性监控提供有效的工具嘲。 随着我国一批交直流并联输电工程已投入运行或将要投入运行，交直流混联、 并联系统的稳定控制研究得到广大学者和工程人员的重视。尤其是随着天广交直 流并联系统的投入运行，根据系统的运行情况和实际经验，研究人员提出了许多 针对措施，如完善天广直流调制功能，提高交直流系统稳定性：制定备用容量补 偿措施；加强电网无功规划，提高电网调压的灵活性，保证电网安全运行；在交 流系统装设并补、串补等。在当前的实际运行中，严重故障时大多根据故障的种 类和程度，采取切机或切负荷等措施。为了减少功率和负荷损失，同时提高电网 大干扰稳定性，安装一定的f a c t s 装置( 例如s v c 和t c s c ) 进行稳定控制将十 分必要。 1 2 3s v c 和t c s c 在电力系统中的应用及作用 s v c 和t c s c 是目前电力系统中应用最多的f a c t s 设备。世界上已投运或即 将投运的s v c 数目已达上千台，安装总容量已经超过9 3 0 0 0 m v a r 。我国于2 0 世纪 7 0 年代在第一个5 0 0 k v 输电工程o f 顶山武昌输电工程) 中就引进了s v c ，目 前我国电力系统和工业企业应用的s v c 装置已达数十台，且已积累了较多的运行 经验，国内的制造技术也已相当成熟。2 0 0 3 年6 月，我国第一个可控串补工程( 天 生桥平果5 0 0 k v 可控串补工程) 全面投入系统运行，其采用4 0 常规串补和 1 0 可控串补，使向广东电网的输电能力提高1 6 2 4 万k w ，同时抑制低频振荡， 防止n - - l 时线路过载，使我国成为当今世界上第四个应用可控串补技术的国家， 并将直接影响可控串补技术在我国的应用推广。 电网负荷中心枢纽点的电压关系到系统电压的稳定性和广大用户的电压质 量，采用s v c 技术能有效解决电压控制问题，早已被国内外大量工程实践所证实， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 但国产s v c ( t c r 型) 在我国电网中的成功应用仅开始于2 0 0 4 年。2 0 0 3 年8 月 被列入国家“十五”重大技术装置研制计划的鞍山红一变1 0 0 m v a r s v c 于2 0 0 4 年 9 月正式投运成功，标志着我国拥有自主知识产权的输电系统s v c 技术已进入实 用化阶段。若在s v c 已有的电压控制系统中加配阻尼模式功能，则还能实现增加 阻尼的作用。在远距离输电系统的末端和中问站设置s v c 装置，只要容量和技术 性能( 即响应速度与灵敏度等) 合适，一般可在该处建立电压支撑点。这些电压 支撑点可把全段分成若干段，每段各自按照近于9 0 。的传输功率角输电，可显著 提高静态和暂态稳定性及增加输电能力。在加拿大魁北克7 3 5 k v 输电工程中，此 种作用最为明显。远距离输电线在空载或轻载时，由于对地电容效应的存在，因 而会在线路末端造成工频电压升高。由于超高压系统的绝缘水平裕度较小，所以 这种工频过电压就构成安全运行的严重威胁。传统上采用的固定大容量并联电抗 器会给系统带来一些不利影响，而采用s v c 后不但可以克服这些缺点，还能很好 地抑制较高过电压。纳米比亚4 0 0 k v a u a s 变电站3 3 0 m v a r s v c 是这方面的很好实 例。随着高压直流输电的飞速发展，有时采用s v c 来解决以下问题：( 1 ) 补偿无 功；( 2 ) 吸收谐波；( 3 ) 调整电压；( 4 ) 抑制过电压，降低绝缘要求【1 0 1 1 l 】。 t c s c 已逐渐成为一种提高输电系统经济型和可靠性的重要手段。( 1 ) 等效地 减小了系统电抗，等价地缩短了输电线路的长度，因而提高了系统的经济性。( 2 ) 由于可以连续改变等效串联电容的容抗，即连续改变线路电抗，因此可用来进行 潮流控制，改变电网中的潮流分布。t c s c 在控制线路阻抗的同时，也对受端的电 压进行了调整，因此，它也可提高受端节点的电压稳定性。( 3 ) 抑制次同步振荡 及大扰动引起的低频振荡。( 4 ) 提高电力系统的暂态稳定性。由于晶闸管的快速 控制作用，在系统受到大的扰动时，可通过迅速调整晶闸管的触发角，改变串联 电容的补偿度，从而提高电力系统的暂态稳定性【1 2 1 。在t c s c 减小线路有效电抗 从而增加有功潮流的同时，它会产生随通过电流而增加的无功功率，这样就对临 近的母线电压产生有利的作用。文献【1 3 】对一个欧洲系统给出了应用t c s c 于上述 目标的一个例子。当净负荷增加到2 1 2 0 m w 时，系统面临电压崩溃或达到最大负 荷点。如果在崩溃点时经受最大功率上升的线路上安装一个t c s c 提供5 0 的补 偿，最大负荷能力将提高到3 5 3 4 m w 。其对关键母线电压曲线的影响如图1 1 t 1 3 1 。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 1 采用5 0 t c s c 串联补偿后关键母线上的电压曲线 f i g 1 1v o l t a g ec l a v eo f k e yb u sw i t h5 0 s e r i e sc o m p c n 女t i o no f t c s c 目前，我国电两结构不断扩大，区域互联及复杂程度世界罕见，而最近几年 各国发生的重大电力事故也给我们敲响了警钟。尤其随着我国电力建设的不断发 展，全国范围内将出现多条交直流线路并联及混联情况，同时各个通道间的传输 功率往往较大，输电断面潮流较重，长期接近甚至超过稳定极限运行，检修困难， 部分电网存在无功补偿不足、电压难以控制问题1 1 4 1 。显然，s v c 及t c s c 对解决 上述问题具有相当意义。当然，我们对这方面的研究有待加强，具体的最佳解决 方案应通过深入细致分析，做各方面的经济技术比较后才能得到。 1 2 4s v c 和t c s c 控制方法研究现状 文献【1 5 】采用直接反馈线性化控制理论，为s v c 设计了电压型非线性控制器， 提出纯电压型s v c 控制器只能维持装设点电压，不能增加系统阻尼。对纯电压型 s v c 非线性控制器进行了改进，设计出了既有维持s v c 装设点电压水平能力，又 能显著增加系统阻尼，较为完善的信号调制型s v c 综合非线性控制器，对输电线 上装设s v c 的单机无穷大系统进行了数字仿真，证明控制器具有良好的动态性能。 文献【1 6 】对s v c 建立了一个三阶非线性动态模型，并对该模型应用直接反馈线性 化理论( d e f ) 提出了一种新的s v c 的非线性控制策略，通过仿真表明了该控制 策略在增强电压稳定性方面具有良好的效果。文献【17 】提出根据不同的控制目的来 采用相应的控制方式，分析比较了各种控制方式的优劣。文献 1 8 】给出了采用信号 调制的s v c 综合非线性控制器，对s v c 在交直流混合系统中的应用进行了数字仿 真研究，比较了s v c 不调节时、采用常规电压调节时、采用电压型非线性控制和 采用信号调制型非线性控制时的不同控制效果。研究表明，信号调制型s v c 综合 非线性控制器，能够给系统提供较强的阻尼，从而提高了整个交直流混合系统的 暂态稳定性【踟。 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 文献 1 9 1 建立了t s c 单元的动态仿真程序，其中包括调节控制系统的环节， 通过仿真计算可以得到其稳态和动态基本特性。分析表明t c s c 在分相控制方式及 等间隔触发方式下具有不同的动态性能，并提出了新的等间隔触发控制策略，仿 真表明其改善了动态性能，大大减小了t c s c 装置到达稳定运行所需的时间。文献 2 0 l 以输出反馈控制方法对t c s c 进行了控制规律的研究，并以单机无穷大系统为 例，采用特征值分析和时域仿真方法研究了所提控制方案在提高电力系统动态、 静态和暂态稳定性中的作用。文献 2 l 】以改善电力系统暂态稳定性为目标，提出了 t c s c 装置的智能变结构控制规律的设计方法，通过提取系统的运行特征，对系统 的运行状态进行判断，在此基础上给出控制决策，决策过程与网络结构和系统工 作点无关，指出该控制规律具有良好的鲁棒性，能有效地改善系统的暂态稳定性。 文献【2 2 】提出了一种应用非线性控制理论为可控串补装置设计的控制器，其所应用 的非线性反馈律是一个动态反馈补偿律，该补偿律永远满足实现性条件，能够快 速调节容抗，增加系统阻尼，并且有较强的适应性和鲁棒性。文献【2 3 】对t c s c 装 置在电力系统中采用p i d 控制及基于微分几何仿射非线性系统理论的非线性控制 方式进行了研究。以单机无穷大系统中的固定电容补偿，常规p i d 控制及非线性控 制方式的t c s c 为例，说明t c s c 的非线性控制具有明显改善系统动态稳定性的作 用。文献1 2 4 利用数值仿真程序和所研制的动模装置对t c s c 的稳态及动态阻抗特 性进行了研究，重点分析了以电容电压和线路电流作为同步信号时的阻抗阶跃特 性；并提出闭环阻抗控制，用以改善以电容电压为同步信号时t c s c 的阻抗阶跃特 性【1 9 - 2 4 j 。 由于采用的控制策略不同，所起的作用也有所不同，因此在实际的应用中， 应根据系统的具体情况及所要达到的控制目标来采取合适的控制方法。 1 3 本文研究的主要内容 对交直流并联输电系统中的交直相互影响进行分析； 研究交宣流并联输电系统的大干扰稳定性问题； 介绍s v c 和t c s c 的工作原理，研究把它们用于提高交直流并联输电系统 稳定性的控制方法； 用m a t l a b 仿真软件进行仿真，分析仿真结果，验证装置提高稳定性的可 行性和有效性。 6 重庆大学硕士学位论文2 交直流并联输电系统相互影响分析 2 交直流并联输电系统相互影响分析 交直流并联输电系统在具有输送容量大和运行方式灵活等优点的同时，也将 带来一系列技术和运行上的特殊问题，因此研究交矗流系统之甸的相互影响从而 采取必要的措施变得极其重要。 2 1 交直流并联输电系统的数学模型 2 1 1 交直流并联输电系统的典型接线方式 交直流并联输电系统的主要任务是实现远距离大功率送电。不失一般性，可 考虑它由一回双极直流线路与几回交流线路并联，如图2 1 所示。 ( - qr 、：二 一 弋广 j 岢等值 受端冬 图2 1 交直流并联输电系统的典型接线模式 f i g 2 13 y p i c a lc o n f i g u r a t i o nm o d eo f a c d cp a r a l l e lt r a n s m i s s i o ns y s t e m 系统的交流部分包括交流线路、中间开关站以及串并联补偿装置等。在受端 母线( 或受端系统内) 所装的无功补偿电源，一方面满足负荷的无功需求以便与 输入的有功功率相匹配，另一方面还对逆变器的换相过程提供无功。兼作无功补 偿的交流滤波器仅用于满足换流器换相过程需求，因此当直流系统部分停运时， 将损失相应部分的无功电源。 根据结构与功能的不同，高压直流输电系统可划分为六个子系统：阀桥子系 统、换流变压器子系统、直流线路子系统、极设备子系统、交流滤波器子系统和 控制子系统。 2 1 2 两端直流输电系统的数学模型 由整流器、逆变器及直流输电线路构成的双端直流系统的单线图见图2 2 2 s 。 7 重庆大学硕士学位论文 2 交直流并联输电系统相互影响分析 u 7 = u 2 彤d ”= u 2 醪 霹积耵两 图2 2 双端直流输电系统单线图 f i g 2 2o n e - l i n ed i a g r a mo f d o u b l ep o i n t e dd cu a n s m i s s i o ns y s t e m 图中，口及d ”分别为整流器和逆变器的交流侧线电压。而两端的换流变压器变比 分别为1 ：玎及1 ：栉，忽略内电阻，内电抗为群和x g 。整流器触发角为口，逆变 器关断角为万。则对于整流器，直流电压方程为 ，： u = 兰! 兰n u c o s 口一兰j l ( 2 1 ) 而对于逆变器，直流电压方程为 w = 兰丝n u ”c o s 口一! 硝d( 2 2 ) 直流输电线在忽略线路分布电容影响时 ( 霄d + l a p ) i d = u ；一“ ( 2 3 a ) 对于稳态潮流计算，则为 五d i d = 哦一( ，? ( 2 3 b ) 式中，p = 兰；r d ，l d 分别为直流线路电阻和电抗，厶中包含了平波电抗作用。 若对直流系统换相角，不感兴趣而不予计算，则直流系统其他方程为 c o s 小蠡“绷， 阿1 2 赤躺 。珑j 。( o ) 饼= 眉t a n 9 7 ( o ) 爿= 川；l ( o ) 群= 一矿 研= 影- q a ” | | 竖霄i a j r ”= 坐, f f 行_ ( 2 4 ) s 重庆大学硕士学位论文 2 交直流并联输电系统相互影响分析 式( 2 1 - 2 4 ) 包含了1 3 个方程，有2 1 个变量。若边界条件u 2 、u 么笫已知， 换流变压器变比玎，矿已知，再加上2 个控制方程( 换流器及逆变器各一个触发 角控制方程) ，可形成完整的双端直流输电系统模型，其方程数和变量数平衡，可 以求解。 上述模型是有名值公式，下面建立一种直流系统的标幺值体系，并导出相应 的标幺值方程。 直流输电系统采用与交流系统相同的基准容量s k = 只。= s b ( 下标d ，a 分别 表示直流与交流，b 表示基值，下同) ，直流系统电压基值u 。任意选定，一般取 额定电压，则可导出k = 笋，= = k = 争，= 3 1 4 r a d s 不变， v 血 a n f b = ，角度均用弧度为单位。对于交流系统若换流变一次侧交流线电压基值为 唧 ，、雌。，二次侧交流线电压基值取为芝三= 竽：，相应换流变 压器比基值取为嵋= ；笋，埔= ；争则有利于标幺值公式的简化。 以整流侧为例，交流基值与直流基值关系为 6 虚= d 血 甩：，：；丝 耻疃= 孚嵋 亿5 f 2 , ；：( 堑) ： 对于式( 2 1 ) ，两边除以( ，血= r 。= 兰孚嵋。中相应项，得 1 u 0 = 一：职c o s 口一二j 鼍。i d ( 2 6 ) 式中，群是以为基值的换流交内电抗标幺值。同理，由式( 2 2 ) - 7 得 1 ( 缘= 一：职c o s 占一三j 乞厶 ( 2 7 ) 式( 2 3 ) 的标幺值形式方程为 ( 震缸+ k j ) j d = 【，0 一强( 2 8 ) 式中，n = 。同样可得式( 2 4 ) 的标幺值形式方程为 9 重庆大学硕士学位论文2 交直流并联输电系统相互影响分析 唧= 麓 c o s q ； = 箍 碌= 玑l 参二参等伊 ( 2 9 ) 邱= 司嚣，d p 或：= 瞰t a n 矿”i 磷= 彤一矿 8 7 = 8 ；一矿t 以= 疗：厶 # 靠：t 由于取n ；满足u 0 = 当竺甩：u 矗及，0 = ! 旦开；k ，从而可使直流电压、电流 刀y z 1 厅 方程中的! 坚系数在标幺值方程中不再出现，数值计算较方便。 万 式( 2 6 卜 2 9 ) 是一条单极、单桥( 6 脉冲) 双端直流线路的数学模型。当为单 极双桥双端直流线路时，可近似认为直流电压有名值为单极单桥时的2 倍；交流 电流有名值为单桥的2 倍，容量为原来的2 倍，从而可通过适当改变标幺基值而 使标幺值方程不变；当为双极双桥时也可近似处理，但最后和交流系统接口时应 作相应基值折合。 2 1 3 直流控制系统的数学模型 调节系统的工作原理是对调节器输入不同的调节信号，其输出作用于相位控 制电路，经过脉冲发生装置改变换流器触发脉冲的相位，从而实现调节作用。采 用不同的调节信号将得出不同的调节特性，并使整个直流输电系统具有不同的运 行特性。为了获得良好的运行特性，整流器的调节特性应与变压器的调节特性相 配合。整流侧可能的控制方式有定电流、定熄弧角、定最小燃弧角、定功率、定 整流侧变压器最大变比、定整流侧变压器最小变比，而常用的基本调节方式有定 电流和定功率两种；逆变侧可能的控制方式有定最小燃弧角、定电压、定电流、 定功率、定逆变侧变压器最大变比、定逆变侧变压器最小变比，而常用的调节方 式有定电压和定熄弧角两种。 定电流调节方式。将直流电流互感器的输出电流厶与参考电流t 。进行比 较，所得的误差信号经放大( 或同时经过积分组成的p i 调节) 后，作用于移相控制 电路来改变换流器的触发角，达到定电流调节作用，其传递函数框图如图2 3 。 重庆大学硕士学位论文2 交直流并联输电系统相互影响分析 图2 3 直流输电系统定电流调节方式 f i g 2 3i n v a r i a b l ec u r r e n ta d j u s u n e n tm o d eo f d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 定功率调节方式。将测量所得的直流电流与电压相乘以后得出的直流功率 只( 或取交流侧有功功率) 与给定功率进行比较，所得误差信号经转换放大后作 用于定电流调节器，实现定功率调节，其传递函数框图如图2 4 。 图2 4 直流输电系统定功率调节方式 f i g 2 4i n v a r i a b l ep o w e ra 内t l s t r n e n tm o d eo f d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 定电压调节方式。与定电流调节方式相似，将电压测量u 。和给定值u 。比 较，所得误差信号经转换放大后进行移相控制，改变逆变器的超前触发角，其 传递函数框图如图2 5 。 图2 5 直流输电系统定电压调节方式 f i g 2 5i n v a r i a b l ev o l t a g ea d j u s a n e l l tm o d eo f d cw a n s m i s s i o ns y s t e m 定熄弧角调节方式。将测量所得的熄弧角j 与给定值比较，其误差信 号经放大后进行移相控制，从而改变逆变器的超前触发角，其传递函数框图如 图2 6 。 重庆大学硕士学位论文 2 交直流并联输电系统相互影响分析 图2 6 直流输电系统定熄弧角调节方式 f i f r 2 6i n v a r i a b l ee x t i n g u i s ha n g l ea d j u s l a n e n tm o d eo f d c t r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 1 4 同步发电机的数学模型 二阶同步发电机模型 在此模型中e 被视为常量，一个完整的二阶发电机模型用标幺值表示为 ：爹啦赳锄m 仁。 警砌却 一 式中，乃为机组惯性时间常数；、m 为初始角速度和角速度增量；己r 只分 别为机械功率和电磁功率，e = 二孚血j ；e 为g 轴暂态电势，目= + ； 善j u ，为机端电压；为d 轴暂态电抗值；d 为发电机阻尼系数。 同步发电机p h i l l i p s - h e f f r o n 模型 同步发