交直流输电系统分析.doc

15 交直流输电系统分析15.1 交直流输电系统潮流计算交直流输电系统的潮流计算不属于动态电力系统分析范畴，但可以用来说明交直流系统计算时二者接口处理的特点，而且是暂态稳定分析的基础，故本章加以简单介绍。交直流系统潮流计算一般采用交替迭代法。其特点如下。把直流整流站和逆变站看作交流系统相应母线上的负荷，负荷功率为()，从而在交流电网计算时可采用常规的牛顿-拉夫逊法或快速PQ分解法潮流计算程序。然后，把交流系统潮流计算得到的整流站和逆变站交流母线电压和作为直流系统的边界条件，根据第6章中导出的直流系统模型(包括换流器、直流输电线方程及控制约束方程)，可计算直流系统的电量，并得到直流系统从交流系统吸收的有功功率和无功功率()和 ()(见图6-7)。然后，再把直流系统看作交流系统的“负荷”，计算交流系统的潮流，这样交替迭代，直到收敛。迭代过程由图15-l所示。若初值合理，则只要交替迭代13次即可满足工程精度要求。图15-1 交替迭代法求解AC/DC潮流对于不同的直流系统运动方式(见6.5节)，相应的直流潮流计算过程略有不同。(1) 若直流系统为运行方式一，设整流侧为定电流控制，逆变侧为定熄弧角控制，并设换流站交流母线电压和已知，计算直流潮流主要有两种情况(见图6-7)。 若换流站变比已知，则由式(6-21)式(6-24)标幺值公式，由于熄弧角已知，故电量计算可从逆变侧开始。由计算。由计算。根据计算，然后由式(6-24)分别计算整流侧和逆变侧的功率因数、及相应的有功功率和无功功率。在计算点火角时应校验,否则应转入运行方式二，则潮流计算要按运行方式二进行。 若换流变压器变比未知，通常要求在潮流计算中整定及，以便使=（常取=15），以及使 (或)为额定值，这里设。相应的直流电量计算顺序为(p.u.方程)根据，计算；由及，计算及；然后由式(6-24)计算，及,。若算得的及超越了实际 换流站的变比上限值、下限值，则应将及定为相应上限值、下限值，重算潮流；，若不越限，则本次计算结束。若在运行方式一时，整流侧为定功率控制或者逆变侧为定电压控制或定角控制，也可导出相应的电量计算顺序。这里不一一详细介绍。运行方式一中要求，如算得，则应设=，转入运行方式二，重算相应潮流。(2) 当直流系统处于运行方式二，即逆变侧为定电流控制，为逆变侧定电流控制裕度，整流侧为定最小点火角控制，则在已知的条件下，由于点火角已知为，故由整流侧向逆变侧作直流电量计算。计算顺序如下。因为和已知，可先由整流站电压方程计算，再由直流线路方程计算，然后由逆变侧电压方程计算，最后由式(6-24)计算，和及。计算完后，应校验，为最小熄弧角。当不满足时，系统返回运行方式一，重新计算。 (3) 在运行方式一及运行方式二中间，实际上还存在一个过渡运行方式，这一方式在稳态运行时很少遇到，下面加以说明(见图15-2)。设系统原来运行在A点，为运行方式一，整流侧定电流()控制，逆变侧定熄弧角()控制。设系统整流侧交流母线电压下降，则点火角要减小，以维持=，使工作点仍在A点。若由于整流侧交流母线电压下降较严重，则由于限制，整流侧电压-电流特性转为(1)(见图15-2)，则系统不再工作在A点，而转到C点，此时，即为过渡运行方式。这种运行方式下，由于整流侧和逆变侧分别为和控制，运行特性的交点C很容易漂移，而直流系统电流易波动，故系统不允许长期在此种方式下运行，一般在控制系统中经延时会自动减小一个固定值(如)，使系统进入运行方式一运行，或增加一个固定值()使系统进入运行方式二运行。当整流侧母线电压进一步下降，相应电压-电流特性转为(1)，则系统转为运行方式二，即整流侧定控制，逆变侧为定电流控制，系统运行在B点。图15-2 过渡运行方式示意图在潮流计算中若遇到按运行方式一计算直流潮流，出现。若按运行方式二计算，又出现时，则应按运行方式三计算潮流，此时=，=，但。或根据控制系统的作用，自动调整增加或减少一个固定值，以便使系统返回运行方式一或二。实际系统中为使系统出现运行方式三时有较稳定的工作点，逆变侧也可改为定控制，从而逆变侧电压方程为相应电压-电流特性上翘(见图15-2中=相应特性)，工作点C较稳定。应当指出，在实际系统中应严格防止出现图15-3中的情况，即整流侧定控制相应特性的斜率小于逆变侧定控制相应特性的斜率(这里讨论中设直流线路电阻0，否则应考虑其压降影响)，此时C为不稳定工作点，系统运行点可能在和二点间跳跃。此时应迅速使逆变侧转为定控制或改变定值。图15-3 不稳定工作点示意图在正常潮流计算中，一般很少出现上述过渡运行方式。由上面介绍可知，双端直流系统的潮流计算比较简单，其主要根据直流控制约束条件及边界条件计算直流系统运行工况，而直流控制又同直流系统运行工况有关。因此，可先假设某种运行方式，确定相应的直流控制约束条件。若计算所得直流电量和运行方式约束吻合，则计算结束，否则需假设为另一种运行方式，重新计算。在一些文献中介绍了快速鉴别直流系统运行方式的方法，可加快计算速度。在交直流系统潮流计算中还应注意交流与直流系统的标幺基值的统一及换算关系。另外对于单极双桥、双极双桥系统应注意其和单极单桥系统的联系和区别，以便正确将单极单桥下导出的公式推广用于新的情况。对于直流线路采用金属线返回还是大地返回方式也应加以注意，以便正确确定直流回路电阻。还有一点应注意的，是直流系统的无功补偿装置对潮流计算的影响。由于直流系统运行时功率因素1，1，故要吸收相当数量的无功功率。这些无功功率一部分由交流侧的谐波滤波器在50Hz工频下呈容性来提供，一部分由就地的无功补偿装置(如并联电容器或SVS)来提供，也可由交流系统提供一部分，但一般运行中由交流系统提供的无功功率有一定限制。不同的计算程序对此处理略有不同，一般在计算出直流系统运行所需无功功率后，根据交流系统允许提供的无功功率来确定就地无功补偿功率，或根据给定的就地无功补偿量来确定从交流系统吸取的无功功率。除了上面介绍的交流系统潮流采用牛顿-拉夫逊法或快速PQ分解法求解，并与直流系统求解作交替迭代，以进行交直流联合输电系统的潮流计算外，还有一些文献介绍了全系统(包括交流与直流两部分系统)用牛顿-拉夫逊法求解的数学模型，但实际工程中很少采用。因为前面介绍的交直流系统潮流计算的交替迭代法收敛速度快，且可完全利用原来交流潮流计算的软件，对直流系统的运行方式变化适应性强，故得到了广泛的工程应。15.2 交直流输电系统暂态稳定分析在暂态过程中，严格地讲直流系统换流站应采用电磁暂态模型描述即严格地描写各阀的导通或截止情况，及其对电流及电压量的影响。因为目前常用的准稳态(又称平均值模型)无法考虑阀的不正常导通、截止对暂态过程的影响，这就提出了将交流系统的准稳态模型和直流系统的电磁暂态(EMT)模型接口的要求。美国EPRI进行了这一工作，其特点如下。对交流及直流系统作交替迭代计算，每一交流系统计算时步将换流站交流母线电压转为三相瞬时值作为直流系统输入量。用电磁暂态模型计算若干直流系统计算时步(一般交流系统的仿真步长远大于直流系统的电磁暂态仿真步长)，并将计算得到的换流站交流电流瞬时值滤出基波分量和交流系统接口，作为交流系统负荷电流处理，再计算交流系统的电量。对于每一交流计算时步相应作交、直流系统迭代计算，其收敛值作为本时步的解。相应迭代接口示意见图15-4。这一分析模型虽有精度高、可适应直流系统各种故障及保护控制的特点，但直流系统计算十分繁复(要判断各个桥臂的通断，且仿真步长极小，仿真用机时甚多)，故在工程中常对直流系统换流器采用平均值(或称为准稳态)模型，并只对直流输电线和直流控制计及其暂态，通常简称为直流准稳态(quasi-steady-state，QSS)模型。这样的模型不能模拟某些直流系统故障(如换相失败、桥臂故障等)对暂态稳定的影响，但仍可近似模拟相当多直流系统扰动对交流系统的影响及交直流系统间的相互作用，如直流单极或双极停运、直流功率紧急提升、与电压相关的电流限制(即VDCL，见6.5节)等等对交流系统机电暂态的影响。图15-4 交流准稳态模型和直流EMT模型的接口示意由于直流系统准稳态模型很简单，计算速度快，又能满足相当多情况下工程计算的精度要求，因而在交直流系统暂态稳定实用分析中得到了广泛应用。由6.4节可知直流系统准稳态模型为 (p.u.，见图6-7) (15-1)式中，；为直流线路电抗和平波电抗之和，这里忽略了直流线路电容影响。另外，逆变侧电压公式改用角作变量，因是逆变站触发角的补角(，为逆变站触发角)，是控制器输出状态量，见式(15-2)。若已知及，再加上整流站和逆变站阀组的点火角控制约束，即可求数值解。如果整流侧为定电流控制，逆变侧为定电压控制，系统运行在运行方式一，控制器近似为一阶惯性放大环节，则控制约束方程为 （15-2)从而直流系统可根据式(15-1)、式(15-2)及边界条件和求数值解，变量数与方程数平衡。这里直流系统对交流系统的影响可用图6-7中直流系统吸收电流和表示，有利于仿真计算中交流网络的导纳阵方程求解。 下面对交直流系统的暂态稳定分析作一些讨论。 (1) 直流控制系统的仿真模型十分复杂，各个直流系统采用的控制方案又有较大不同，故一些直流输电工程都发展了专用的仿真软件。例如美国BPA的交直流输电系统的暂态稳定分析程序中，直流输电模型就是针对美国西部电网中太平洋联络线这一直流输电系统的。但近年来也发展了用预先定义的基础模型块灵活搭成直流控制系统模型的软件，又称“用户自定义的控制系统”(user designed contro1)。 (2) 在仿真计算中，交直流系统间也和潮流计算相似，采用交替迭代的方法，只是在每一时步迭代中，将直流系统看作交流系统的负荷，并以相应节点的汲出电流(或注入电流)形式，加入交流系统节点导纳阵方程，进行交流系统网络代数方程求解，而不是像潮流计算中那样以PQ节点的形式，加入交流系统计算的。 (3) 若相邻二次迭代所得的直流系统注入交流系统的电流近似相等则本时步计算收敛。由于采用交替迭代解法，故初值的选取很重要，如系统无操作可以用上一时步末的换流站交流母线电压作本时步末换流站母线电压的初值。(4) 在每次交流系统操作后，可先假设直流系统开路，求解交流网络。所得的换流站母线电压作为操作后直流系统突变量计算用的初始估计值，进行直流系统计算。然后再进入交流系统，作交替迭代计算，以收敛值作为操作后代数量突变的真值，并以此作为操作后第一个时步计算的初值。此时交、直流系统的状态量均认为不突变，故只需根据系统的代数方程求解代数量突变后的值。 (5) 对于交流系统不对称故障，为形成序网，要求知道直流系统的等值负序及零序阻抗。由于现代直流输电系统采用等间隔触发脉冲，因此各相电流可近似认为是对称正序的。因而直流输电系统的负序阻抗近似为无穷大(因为负序电流近似为零)。另外，直流输电的换流变压器接线一般使交流系统的零序网与直流系统无关，由换流站交流母线向直流系统看时，相应的零序阻抗由换流变压器的短路阻抗及接线方式确定，这与常规交流系统中变压器零序阻抗的确定相同。应当指出，换流站母线所含负序电压成分会影响直流输电换流站的阀的通断情况，从而会影响直流系统的运行电压和电流，但通常将其忽略了，这会引起一定误差。 (6) 另一个应注意的问题，是暂态过程中直流系统的运行方式调节控制约束的变化及其对仿真计算的影响。由图6-8(直流系统基本调节特性)及图6-9(直流系统特殊调节特性)可知，直流系统在正常情况下，若整流侧定功率或定电流控制，而逆变侧定熄弧角或定电压控制，则可有4种组合控制方式(统称为运行方式一)。而当整流侧交流母线电压降低或逆变侧交流母线电压升高时，可导致进入新的运行方式，即整流侧定控制，而逆变侧定电流()控制，称为运行方式二。当系统电压进一步降低，而VDCL起作用时，则分别对应有两种情况：一种是与运行方式一相似，整流侧仍定电流，而逆变侧定熄弧角，但定电流控制的整定值随系统电压而下降(见图6-9CD段)；另一种是与运行方式二相似，即整流侧控制，而逆变侧定电流控制(见图6-9EF段)，其定电流值也仍比 CD段要相应小一个裕度值。当系统电压再进一步下降，则为防止直流电流太小而造成灭弧和过电压，要有最小直流电流限制，从而出现图6-9中分别同运行方式一、二对应的工作特性DG段和FH段。在DG段上整流侧为定控制，逆变侧为定熄弧角控制；而在FH段上整流侧为改控制，而逆变侧为定电流()控制。在暂态稳定分析中，一般在预报了直流系统的交流母线电压后，先预估其运行方式，然后按此方式进行直流系统电量计算，并校验是否符合这一方式的电量约束。若符合，则说明运行方式预估合理，可进入和交流系统接口迭代计算；如果校验发现算得电量不符合预估方式的电量约束，则要根据计算结果重新判别直流系统实际运行方式，并重新进行直流系统本时步的电量计算。 (7) 当两个(或多个)交流系统经过纯直流输电线互联时，相互间可保持异步运行，因此除在潮流计算中每个独立的交流系统应设一个平衡节点外，还应在暂态稳定分析中在每个独立的交流系统中选一台参考机，并在仿真中监视各交流系统中的发电机相对相应参考机的同步运行稳定性。 (8) 通常在暂态稳定分析软件中还应能模拟直流输电单极停运、双极停运、快速再启动、紧急功率提升等工况，以考验其对系统暂态稳定性的影响。对于有直流输电线的系统，还应重点分析整流站及逆变站出口交流线路故障(由于直流系统的交流母线电压急剧下降、VDCL作用、甚至直流停运)对全系统的暂态稳定性影响。 (9) 有的直流输电系统同时用于改善并行的交流输电系统的动态稳定性，而具有