新型多端直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行與控制.pdf

1、隨著交流電力系統(tǒng)的發(fā)展，其固有的一些缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)出來，例如交流遠(yuǎn)距離輸電的穩(wěn)定性問題等。而傳統(tǒng)直流輸電在某些領(lǐng)域具有交流輸電不可比擬的優(yōu)勢(shì)，例如遠(yuǎn)距離輸電、大系統(tǒng)非同步互聯(lián)等。因此二十世紀(jì)60年代以后基于相控?fù)Q流器(PCC)傳統(tǒng)直流輸電獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并發(fā)展為當(dāng)前交直流互聯(lián)電網(wǎng)，并且在未來的電力系統(tǒng)中仍將有很大的發(fā)展空間。但是傳統(tǒng)直流輸電仍有許多不足之處，例如不能向小容量交流系統(tǒng)及不含旋轉(zhuǎn)電機(jī)的負(fù)荷供電；換流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)低、容量

2、大；換流器吸收較多的無功功率，換流站投資大等。因而，基于PCC技術(shù)的傳統(tǒng)HVDC輸電雖是一門成熟的技術(shù)，但在與交流輸電的競(jìng)爭(zhēng)中處于不利地位，其應(yīng)用領(lǐng)域局限在220kV及以上電壓等級(jí)的遠(yuǎn)距離大容量輸電、海底電纜輸電及不同額定頻率或相同額定頻率交流系統(tǒng)間的非同步互聯(lián)等方面。 新型直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)是指采用全控型功率半導(dǎo)體器件的電壓源換流器的直流輸電技術(shù)。上個(gè)世紀(jì)90年代以來，采用VSC的新型直流輸電技術(shù)得到了迅速發(fā)展，

3、并且已有實(shí)際兩端系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行。因此本文將主要致力于研究基于VSC換流器的新型多端系統(tǒng)的運(yùn)行與控制問題。 由于VSC-MTDC是由VSC換流器構(gòu)成的多端直流系統(tǒng)，因此它不僅具有上文所述的兩端VSC-HVDC系統(tǒng)的特點(diǎn)，而且具有多端系統(tǒng)(MTDC)的經(jīng)濟(jì)、靈活等特點(diǎn)。雖然多端系統(tǒng)比兩端系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性與靈活性，但是多端系統(tǒng)的運(yùn)行控制更為復(fù)雜。另外，與兩端系統(tǒng)不同的是，通常MTDC系統(tǒng)還需要設(shè)置上層控制器。上層控制的作用是在穩(wěn)

4、態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，根據(jù)系統(tǒng)潮流變化，為系統(tǒng)中各個(gè)換流器提供優(yōu)化后的指令值。在非正常運(yùn)行狀態(tài)下，如直流側(cè)故障或交流側(cè)故障后，上層控制根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)的變化，協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 本文首先建立了dq0坐標(biāo)下VSC換流器靜態(tài)模型，并針對(duì)該模型設(shè)計(jì)了帶有前饋環(huán)節(jié)的PI控制器。該換流器模型不僅考慮了換流損耗，而且交直流相互解耦，非常有利于工程控制實(shí)現(xiàn)，這是采用這種模型的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。隨后以該模型為基礎(chǔ)，分別研究了與有源交流網(wǎng)絡(luò)或與

5、無源交流網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)的VSC控制系統(tǒng)，并為這些VSC-HVDC換流器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的本地控制器。該控制方案具有線性、解耦的特點(diǎn)。 其次本文研究并總結(jié)了多種多端系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的方式，并針對(duì)不同運(yùn)行模式下的VSC換流器進(jìn)行了控制器參數(shù)設(shè)計(jì)。經(jīng)過總結(jié)與分析，提出了適用于VSC-MTDC的兩種運(yùn)行模式，即電壓下降方式和主從式控制方式，并提出了一種改進(jìn)的多點(diǎn)直流電壓控制方法。該多點(diǎn)直流電壓控制方法結(jié)合了電壓下降方式和主從式控制方式的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以改

6、善直流電壓的質(zhì)量，而且可以提高換流器利用率。 接著，本文針對(duì)不同的換流器并聯(lián)運(yùn)行模式，研究了多端VSC系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)問題，并進(jìn)行了相應(yīng)的上層控制器設(shè)計(jì)。 隨后，本文研究了包含VSC換流器的交直流混合潮流計(jì)算問題。本文在綜合VSC-HVDC的工作原理及控制方式的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了適用于新型HVDC系統(tǒng)潮流計(jì)算的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了換流器等效注入功率的計(jì)算方法。并針對(duì)多端直流系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了交直流潮流交替計(jì)算方法。采用交替算法的交直流

7、潮流程序具有結(jié)構(gòu)清晰，編程簡(jiǎn)單、程序通用性好等特點(diǎn)，但是由于沒有考慮交直流系統(tǒng)的相互耦合，因此收斂性較差，計(jì)算效率較低。因此文中設(shè)計(jì)了改進(jìn)的交直流潮流統(tǒng)一計(jì)算方法，該方法既簡(jiǎn)化了編程，又提高了程序的收斂性。實(shí)際算例證明了這些模型和算法的正確性及有效性。但是由于直流系統(tǒng)方程求解困難，因而改進(jìn)的交直流潮流統(tǒng)一潮流算法應(yīng)用受到了一定限制，因此作者進(jìn)一步提出了改進(jìn)的交替求解法。該方法不僅具有統(tǒng)一法和交替法的優(yōu)點(diǎn)，而且具有較強(qiáng)的適應(yīng)性以及較高的計(jì)

8、算效率。 最后，作者研究了并聯(lián)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性以及運(yùn)行問題。文中闡述了多端系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定問題的實(shí)質(zhì)，隨后引入了混合勢(shì)函數(shù)的概念，并將其擴(kuò)展到多端VSC-HVDC系統(tǒng)(VSC-MTDC)穩(wěn)定性的分析。該勢(shì)函數(shù)可以視為一種李雅普諾夫能量函數(shù)，通過李雅普諾夫第二類穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則，就可以判定電路是否穩(wěn)定。該方法不僅對(duì)理論研究具有參考價(jià)值，而且對(duì)于具體的工程設(shè)計(jì)也提供了一種實(shí)用的判定準(zhǔn)則。此外本文對(duì)VSC多端系統(tǒng)的運(yùn)行與保護(hù)特點(diǎn)也進(jìn)行了初步