高压流输电(第5章)

第五章交流和直流系统间的相互作用学习目的：1、了解几个根本概念；2、掌握与交流系统相连的直流系统运行相关问题及其解决方案；3、了解强迫换相的概念。交流和直流系统间的相互作用的性质以及相关问题在很大程度上取决于交流系统与所连直流系统容量的相对大小。从以下两个方面可以把交流系统看成是弱的：〔1〕交流系统的阻抗较高；〔2〕交流系统的机械惯性较小。在这一章中，我们将讨论与弱交流系统连接的直流系统的有关问题以及处理这些问题的方法。5.1概述和定义5.1.1短路比和有效短路比为了定义交流系统的强弱，可以把连接交流站的交流系统进行戴维南等效。如下图的系统进行戴维南等效后，其中，ZS、XSC、XC和Z1分别为电源、同步调相机、滤波器或静止补偿器以及地方负荷的阻抗，Zst是等值电源阻抗。等值电源电压Est为〔线对地电压〕和I·Zst的相量和.短路比〔SCR〕定义为交流系统短路容量〔MVA〕与直流交换器额定功率〔MW〕之比:交流系统短路容量〔SCMVA〕由下式的出：其中，Vc是额定直流功率下的换相母线电压；Zst是交流系统的戴维南等效阻抗，没有考虑无功补偿设备〔如滤波器，并联电容器和调相机等〕。如果考虑了无功补偿设备的影响，那么更有意义，而采用有效短路比〔ESCR〕定义：传统的交流系统，其强度按下述分类：·高，如果ESCR大于5；·中，如果ESCR在3与5之间；·低，如果ESCR小于3。随着交、直流系统控制的改进，文献中重新推荐如下的分：·高，如果ESCR大于3；·中，如果ESCR在2与5之间；·极低，如果ESCR小于2。5.1.2无功功率和交流系统的强度换流器的功率因数为：每个换流器消耗的无功功率随着传输功率的增加而增加。设整流器触发滞后角〔α〕为正常允许值，逆变器熄弧超前角〔γ〕为15°~18°，换相电抗〔Xc〕为15%，那么换流器所需的无功功率为直流功率的50%~60%。一般地，必须在换流站所在处提供所需的无功功率，以免大量无功潮流通过交流线路。所需的局部无功功率由交流滤波器组相连的电容器提供。提供所需无功功率最节省的方法是使用并联电容器组。既然无功随着所传输的直流功率变化，就必须提供可切换的适当容量的电容器组，以便稳态直流电压在各种负荷水平下保持在可接受范围〔通常±5%〕。这也受交流系统强弱的影响。交流系统越强，就采用越大的可切换电容器组以使电压变化在允许范围之内。如果发电机在直流端附近，那么对处理局部无功功率需求和保持稳态电压在可接受范围内是很有用处的。对于弱交流系统，或许有必要以静止无功补偿器〔SVC〕或同步调相机的形式提供无功补偿。5.1.3与低有效短路比系统有关的问题与弱交流系统相连的直流系统运行相关问题如下：〔1〕高动态过电压；〔2〕电压不稳定性；〔3〕谐波谐振和谐波不稳定性；〔4〕不利的电压摆动；〔5〕直流系统从故障的恢复暂态不稳定性。〔一〕动态过电压当直流功率传输中断时，HVDC换流器的无功功率吸收降为零。对于低ESCR系统，并联电容器和谐波滤波器会导致交流电压过度升高。这将需要高绝缘等级的换流端设备，从而加大了经济代价。它也可能引起当地用户设备的损坏。万一再启动延迟，就必须考虑保护晶闸管的特殊方案。〔二〕电压稳定性对于与弱交流系统相连的直流系统，特别是逆变流器侧，交流电压与直流电压对负荷变化十分灵敏。伴随交流电压的下降，直流电流将增加。结果是实际功率增加很小或可忽略不计。将使电压控制以及从干扰中恢复变得困难。直流系统得响应甚至会导致交流系统的崩溃。这种灵敏性随着大容量的并联电容器而增加。直流系统控制产生如下的响应可能导致电压的不稳定：

〔1〕为了恢复功率，功率控制增加了直流电流；

〔2〕为了维持换相裕度，逆变器的γ角可能增加；

〔3〕逆变器吸收更多的无功；当随着电压下降，并联电容器产生更少的无功功率；

〔4〕交流电压下降，进一步恶化了局势。〔三〕谐波谐振和谐波不稳定性大多数谐波谐振问题是由于交流电容器、滤波器和交流系统之间在较低次谐波频率的并联谐波所引起的。电容器倾向于降低交流系统的自然谐振频率，而感性设备〔电机和线路〕倾向于提高此频率。如果增加大量的电容器，从换流母线处来看的自然频率可能降至4次、3次甚至2次谐波。如果在这些频率之一发生谐振，那么会在换流母线处的感性元件与容性元件之间有一个高阻抗并联谐振。在系统远处可能会产生低阻抗串联谐振条件。来自远方的谐振波电压会趋于放大，从而产生谐波不稳定性。防止低次谐波对于降低瞬态过电压是极其重要的。〔四〕电压摆动弱交流系统的另一个特征是，并联电容器和电抗器的切换会在补偿设附近产生不可接受的大电压变化，由于频繁地切换无功设备引起瞬态电压摆动随直流传输功率的增加而增加。〔五〕直流系统从故障的恢复为了改善整个系统的性能，在交流或直流系统的故障切除后，希望直流系统尽可能快地恢复。当是，如果交流系统较弱，太快的恢复可能引起额外的换相失败和受端交流系统的暂态不稳定性。5.1.4与弱系统有关问题的解决方案解决弱系统交/直流相互作用问题的传统途径是使用同步调相机或静止无功补偿器(SVC)。此外，HVDC控制从功率控制切换为电流控制，并且在低交流电压时降低直流电流〔例如VDCOL〕也会有所帮助。同步调相机的使用也降低了有效系统阻抗，从而把并联谐振频率移到较高的频率，在此频率下系统阻尼通常较好。12脉波桥电路没有低于11次谐波的大滤波器；因此在较低谐波下鼓励并联谐波的可能性较小。对于无功功率和电压问题，另一种解决方法是控制直流换流器本身，使得它以类似于SVC对电压变化的响应来调节无功功率。并联电容器和滤波器提供了所需的无功功率；换流器触发角的控制使交流电压得以稳定。另外，人工或强迫换相在控制无功功率方面提供了相当大的自由度。5.1.5有效惯性常数

交流系统维持要求的电压和频率的能力与交流系统转动惯量有关。为了得到满意的性能，交流系统惯量相对于直流联络线的容量应有一个下限值。相对转动惯量是用有效直流惯性常数来衡量的，其定义如下：5.2暂态交流电压稳定性交流电力系统临近于它的传输功率极限运行时，会发生电压崩溃或电压不稳定现象。在有特殊负荷特性的地方，也会出现这个问题。HVDC输电背靠背联络线的换流端可以看成为这样一种特殊负荷。交、直流系统的电压稳定性与所连接的交流系统变得相对较弱有关。正确理解这种现象对于新系统的规划、设计和已有系统的运行都是很重要的。以下分析与电压有关的各种交、直流相互作用现象及其起因和补救措施。这些现象包括电压崩溃、控制引起的电压振荡和电机引起的电压振荡。第三种现象是在直流换流站有同步调相机时造成的。5.2.1暂态电压稳定性的概念可以将纯交流系统的电压稳定性概念扩展到交、直流互联系统。这是因为HVDC换流站可以看成功率因数可变的特殊负荷。逆变器供给有功功率，而整流器吸收有功功率。与此同时，逆变器和整流器都消耗无功功率。电压稳定性问题可能出现在整流站和逆变站。但是，特别与弱交流系统连接的逆变站，在这种情况下，系统可能经历持续的换相失败，这就需要立即采取校正措施，如降低直流传输功率等。为了分析交、直流相互作用，首先对所研究的系统进行潮流计算。计算时，逐渐增加整流器的电流指令，而使逆变器运行于恒熄弧角控制。这样可以得到逆变器的交流电压—直流功率特性和直流功率—直流电流特性。见以下图，在这种情况下传输的直流功率存在一个临界值Pc。Pc也反映了远行于恒γ控制的逆变器馈入交流系统的极限。在这个例子中Pc等于1.0pu，以便同其它系统和控制条件进行比较。当直流系统运行于恒功率〔或频率〕和恒γ控制，并且功率指令大于Pc即超过点x时，直流联络线将驱使逆变侧交流系统产生暂态电压崩溃。在这种情况下，功率控制器增加直流电流，造成逆变器的交流和直流电压极大下降。结果，输送功率进一步减少。由于这样不稳定的功率控制，直流电流不断增加，有效的直流功率和交、直流电压反而不断降低〔电压崩溃〕。直至整流器电流控制到达极限，才得到一个稳定运行点。但是，此时系统的交、直流电压很低，而电流却很高，这种运行条件是不能接受的。如果整流端连续运行于恒电流控制方式，可以消除电压崩溃的危险。由于某种原因要采用恒功率控制，应当采用措施防止电压崩溃，例如增加交流系统短路比可以提高最大可用功率，或者修改逆变器控制策略。总之，直流系统能迫使交流网络电压不稳定。另外，换流变压器抽头的操作也会造成相当缓慢的电压不稳定过程。5.2.2电压稳定性因子(VSF)为了评估暂态不稳定性问题，再规划新方案和已有系统在未安排的或紧急情况下运行时，应当对系统功率极限及其有关的临界电压水平进行正确的计算。电压稳定性因子〔VSF〕是适合于HVDC换流端暂态电压稳定性分析的工具。电压稳定性因子〔VSF〕的定义是：对于给定的功率水平，小的无功功率引起换流母线交流电压增加的变化，即5.2.3控制引起的电压振荡在交、直流系统中，不同控制器之间的相互作用在一定的条件下变得不稳定而引起电压振荡。这种振荡可能出现在换流母线，但不必然是一个电压不稳定性问题。如果图5.3系统在恒电流控制的整流器和恒γ控制的逆变器的运行情况下，考虑了依赖于电压的电流指令限制〔VDCOL〕的作用，就不会有电压崩溃的趋势。整流站的电流指令发生阶跃变化，直流电流立即上升，造成两个换流站交流电压下降。交流电压下降使直流电压也下降。如果这个降低的电压到达VDCOL的转折点，两个换流站的电流指令就减少。总的效果是使直流功率急剧下降，而交流电压迅速上升。随着电压上升，VDCOL将直流电流升高到它的指令值，再次造成电压下降和重新开始同样的过程。系统并不遭受换相失败。在这种情况下，电流控制器和VDCOL调节之间的来回切换建立了一个极限环。这种现象并不认为是一个电压崩溃问题，可以简单地修正VDCOL函数的整定点和时间常数来就进行补救。但是，对于电压崩溃的问题，必须改变直流控制策略。5.2.4暂态交流电压现象的总结

现在交、直流系统中有关暂态交流电压的相互作用问题总结如下：〔1〕交、直流系统中有关暂态交流电压的相互作用现象可以分为三种：电压崩溃、控制引起的电压振荡和机电引起的电压振荡。在复杂的交、直流系统中，这种现象可能以结合的形式存在和导致持续的换相失败。〔2〕对于给定的系统条件，交、直流系统总是有一个最大功率极限Pc。超过这个极限时，取决于直流控制系统策略，系统可以遭受暂态电压不稳定或者在恶化的条件下运行。〔3〕整流器为恒功率控制和逆变器为恒γ控制的运行方式可能产生暂态电压不稳定性问题。解决这个问题的措施是增强交流系统来提高Pc，或者采用不同的逆变器控制策略来提高Pc。〔4〕直流联络线运行于恒电流控制方式，虽然没有改变Pc。但是防止了暂态电压不稳定性的危险。然而在弱交流系统条件下，这会导致恶化的低电压运行。〔5〕通过简单地修正直流控制参数可以补救控制引起的电压振荡问题。〔6〕电压稳定性因子〔VSF〕可以用来预测给定的交、直流系统的最大功率极限和计算不同直流控制策略的影响。5.3动态过电压为了得到满意的运行性能，与弱交流系统连接的HVDC联络线需要进行电压控制。以前换流站的主要电压控制设备都是采用同步调相机。它通过增加系统的短路比来降低系统对暂态的敏感度。但是，同步调相机的响应缓慢、可靠性低以及投资和维护费用较高。因次，近来倾向于采用更有效、更经济和快速的静止电压控制设备来替换或补充同步调相机，而且有的已经用于HVDC系统。采用的动态过电压判据如下图，其纵坐标为交流电压的标么有效值。系统遭受各种扰动之后，其交流电压的响应不允许超过该判据规定的极限值，以防止用户设备的损坏。将电压控制设备用于弱交流系统的受端，改动态过电压判据就约束了电压控制设备的额定容量、结构和控制系统的参数。如果电压控制设备满足了动态过电压判据，才谈得上计算它们的电压控制和扰动恢复性能的有效性。当一种电压控制方案满足动态过电压判据和有满意的恢复性能，然后才估计其概念性设计的费用。5.4强迫换相强迫换相的换流器不仅可以供电给远方的无交流源的负荷系统，而且可以改善因严重交流系统故障而与主系统解列的换流站附近的弱交流系统的性能。长期以来，没有将强迫换相的换流器用于HVDC系统，其原因可能是造价太高。但是，目前日益要求增加输电系统的稳定性和可靠性，为到达这个要求花去了更多的金钱。随着电力电子和计算机控制技术的开展，应用强迫