（电力系统及其自动化专业论文）交直流混联电力系统潮流算法研究.pdf

a b s t r a c t h i g h v o l t a g ed i r e c t c u r r e n t ( h v d c ) t r a n s m i s s i o n ，d u et o i t s u n p a r a l l e l e d a d v a n t a g e si nl o n g d i s t a n c ep o w e rt r a n s m i s s i o n ，s e ap o w e ra n dn o n s y n c h r o n o u s i n t e r n e t i sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt h ep o w e rs y s t e m t h u s ，t h eo b j e c to ft h e p o w e rs y s t e ma n a l y s i s s o f t w a r eh a sb e e nc h a n g e df r o ma cp o w e rs y s t e mi n t o a c - d c h y b r i dp o w e rs y s t e m ，w h i c hr e q u i r e st h es o f t w a r ef o rt h ea cp o w e rs y s t e m t o b ei m p r o v e d t h ep o w e rf l o wc a l c u l a t i o ni st h em o s tf u n d a m e n t a lm e t h o do ft h ep o w e r s y s t e ma n a l y s i s t h r o u g hd e c a d e so ft h eh a r dw o r k t h ef l o wc a l c u l a t i o nf o ra c s y s t e mh a sb e e nq u i e tm a t u r e ，a m o n gw h i c ht h em o s tc o m m o n l yu s e da r et h en e w t o n m e t h o da n dp qd e c o m p o s i t i o n i nc o n t r a s t a c - d ch y b r i dp o w e rf l o wc a l c u l a t i o n h a sn o tb e e nd e v e l o p e da sw e l la st h ea cs y s t e m s ot h i sp a p e ri s a i m e da t r e s e a r c h i n ga c - d ch y b r i dp o w e rf l o wc a l c u l a t i o n u n i f i e di t e r a t i v em e t h o d ，g i v i n gac o m p l e t ec o n s i d e r a t i o nt ot h ec o u p l i n gr e l a t i o n s b e t w e e na cs y s t e ma n dd cs y s t e m ，s o l v e sa ce q u a t i o na n dd ce q u a t i o n s i m u l t a n e o u s l y t h i sm e t h o dh a sg o o dc o n v e r g e n c e f o rn e t w o r k s o fd i f f e r e n t s t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r sa sw e l la sv a r i o u sw a y so fc o n t r o l l i n gd cs y s t e m ，b u ti th a s h i g hr e q u i r e m e n t sf o rp r o g r a m m i n g a l t e r n a t i n gi t e r a t i v em e t h o di sas i m p l i f i e df o r mo ft h eu n i f i e di t e r a t i v em e t h o d i nt h ep r o c e s so fi t e r a t i v ec a l c u l a t i o n ，i ts o l v e sa ce q u a t i o na n dd ce q u a t i o n r e s p e c t i v e l y a l t h o u g ht h ec o n v e r g e n c eo ft h ea l t e m a t i n gi t e r a t i v em e t h o di s n o ta s g o o da st h eo n e o ft h eu n i f i e di t e r a t i v em e t h o d ，i t sp r o c e s si sr e l a t i v e l ys i m p l e ，w h i c h o n l yn e e d st oa d dd cf l o wp r o g r a m m o d u l e st ot h ee x i s t i n ga cf l o ws y s t e m t w o w a yi t e r a t i v em e t h o dh a sg o o de f f e c ti nt h es t a t eo fe l e c t r o m e c h a n i c a l t r a n s i e n ts i m u l a t i o n i ti sb a s e do nt h eu n i f i e di t e r a t i v em e t h o da n dg i v e sac o m p l e t e c o n s i d e r a t i o nt ot h ec o u p l i n gr e l a t i o n sb e t w e e na cs y s t e ma n dd cs y s t e m s oi t s c o n v e r g e n c ei sa sg o o da st h eu n i f i e di t e r a t i v em e t h o d w h a t sm o r e 。i ts o l v e sa c e q u a t i o na n dd ce q u a t i o nr e s p e c t i v e l yi nt h ep r o c e s so f i t e r a t i v ec a l c u l a t i o n s oi th a s t h es a m ea d v a n t a g e sa st h ea l t e r n a t i n gi t e r a t i v em e t h o d t h e r e f o r e t w o - w a yi t e r a t i v e m e t h o di sv e r ys u i t a b l ef o rt h ef l o wc a l c u l a t i o no fa c d ch y b r i dp o w e rs y s t e m f o r t h eo n l i n ef l o wc a l c u l a t i o n ，t w o w a yi t e r a t i v em e t h o dc a l lb es i m p l i f i e d i ns o m e a s p e c t s ，w h i c hw i l lh e l pi n c r e a s et h es p e e do fc a l c u l a t i n g t h er e s u l t sw i i ls h o wt h ee f f e c t i v e n e s so f t h et w o w a yi t e r a t i v em e t h o d k e y w o r d s ：h v d ct r a n s m i s s i o n ，p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n ，u n i f i e di t e r a t i v em e t h o d ， a l t e r n a t i n gi t e r a t i v em e t h o d ，t w o w a yi t e r a t i v em e t h o d 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 童弘莘 签字日期： 。 年易目2 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 耋弘埠 签字日期： p 7 年6 月日 导师签名： 专r 澎氏中 签字日期：b d 写年e 月2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 交流输电与直流输电的比较 我们应用中的电能可以分为直流电和交流电两种。由于电力发展历史的原 因，现在我们主要使用交流电。在电力系统中，发电、输电和配电网络都是在 交流电的基础上建立起来的。而直流电往往只应用在像化学工业( 如电镀) 、电 力机车等一些特殊的场合中。 随着电力电子技术的进步，特别是大功率电力电子器件的发展，直流电在 输电领域有了越来越广泛的应用。直流输电【l _ 4 j 主要应用于地下或水下电缆、 远距离大容量输电、交流系统的非同步互联以及在互联系统中控制潮流等方面。 输电成本【7 j 方面，输电线路的成本由基础设施投资和运行成本构成。基础 设施投资包括线路走廊、杆塔、导线、绝缘子和终端设备的费用，运行成本主 要为损耗。综合所有成本，通常用等价距离来比较交流输电和直流输电的经济 性。当输电距离小于等价距离时，交流输电比直流输电经济；但当输电距离超 过等价距离以后，交流输电的成本就高于直流输电。对于架空输电线路，等价 距离在4 0 0 7 0 0 k m 之间变化，这取决于单位长度的输电线路成本。对于电缆输 电系统，等价距离介于2 5 5 0 k m 之间。 技术特性方面，鉴于直流输电的快速可控特性，直流输电线路对所输送的 功率能够完全加以控制，该性能可以提高与之相连的交流电网的暂态和动态稳 定性，还可以限制直流线路中的故障电流。另外，直流输电还克服了一些与交 流输电相关联的问题：( 1 ) 交流输电线路的输送能力与输送距离成反比，但是 直流输电线路的输送能力不受输送距离的影响。( 2 ) 交流输电中为了保持线路 两端的电压恒定，当线路负荷变化时，需要进行无功功率控制。线路越长，所 需要的无功功率就越大。尽管直流输电换流站需要无功功率，且所需要的无功 功率与输送功率相关，但直流输电线路本身不需要任何无功功率。( 3 ) 对于长 距离交流输电，为了克服线路电容充电和系统稳定性方面的限制，对线路进行 补偿是必要的。通过使用并联电抗器、串联电容器、静止无功补偿器和近年来 开发的新一代静止同步补偿器，可以提高线路的输送能力，并加强对电压的控 制。而对于直流输电线路，并不需要进行线路补偿。( 4 ) 两个电力系统通过交 流联络线联网后，两个系统的自动发电控制器必须根据联络线功率和系统频率 进行协调。然而，即使进行了协调控制，交流联络线的运行仍然可能由于一些 第一章绪论 原因而存在问题，这些原因包括：存在大的功率振荡而导致联络线频繁跳闸： 短路电流水平上升；扰动从一个系统传递到另一个系统。而直流输电系统的快 速可控特性消除了上述所有的问题。此外，当两个非同步的系统要求互联时， 只能通过直流线路才能实现。( 5 ) 对于交流输电，大地电流即零序电流在稳态 情况下是不容许的，因为大地阻抗很高，不但会影响电能输送的效率，而且还 会因为电磁效应产生电话干扰。而对于直流输电系统而言，大地阻抗可以忽略 不计，因此直流系统可以采用一根导线加大地回路的方式来运行。只有当地下 埋有管道等金属结构，并且这些金属结构会因此导致腐蚀时，以大地作为回路 才是不好的。 当然，直流输电也存在有很多问题，首先它的应用受到很多因素限制，包 括：换流设备成本很高；无法用变压器来改变电压水平；运行时产生大量的谐 波；需要大量的无功功率；控制比较复杂。文献【1 1 7 】中都对直流输电与交流输 电进行了优缺点分析。 1 2 交直流混联电力系统潮流算法研究的意义 对电力系统进行分析通常是从稳态分析和动态分析两个方面进行。电力系 统稳态分析是研究电力系统运行和规划方案最重要和最基本的手段，它的任务 是根据给定的发电运行方式和系统接线方式来确定系统的稳态运行状态。电力 系统稳态分析包括潮流计算1 1 孓3 0 j 和静态安全分析。 潮流计算是针对电力系统的各种正常的运行方式，对电力系统进行稳态分 析。潮流计算问题在数学上是一组多元非线性方程式的求解问题，其解法离不 开迭代。随着信息技术的发展，计算机已经成为电力系统潮流计算的最主要的 途径。随着电力系统的不断扩大，潮流问题的方程式的阶数越来越高，对于阶 数较高的方程式，并不是任何数学方法都能够保证给出正确答案，这就促使电 力系统研究人员不断寻求新的更可靠的方法。潮流计算方法的改进过程中，经 历了高斯赛德尔迭代法、阻抗法、分块阻抗法、牛顿拉夫逊法、改进牛顿法、 p q 分解法等。现在比较常用的方法就是牛顿拉夫逊法和p q 分解法。 上述方法都是基于纯交流系统的。对于加入了直流输电的交直流混联电力 系统，由于系统中含有直流输电系统，在描述整个系统的非线性代数方程中就 包含有与直流系统相关的变量，从而相应地增加了描述直流系统的方程式，因 此，这种情况下的潮流计算不能直接采用纯交流系统的方法。 纯交流系统的潮流计算理论和方法都已经相当成熟，但是对交直流混联系 统的潮流计算理论和方法的研究并没有达到前者的深度和广度。而且，实际电 网运行和规划中都加入了越来越多的直流线路。因此，对交直流混联电力系统 2 第章绪论 潮流计算方法进行研究是很有意义且很有必要的。 1 3 国内外研究现状 一 随着电力系统建设的发展，直流输电在电力系统研究和电网实际运行中都 扮演了越来越重要的角色。长期以来，众多的电力系统相关的研究者对于纯交 流电力系统的潮流计算的研究已经达到了一个非常成熟的地步。相比之下，对 于交直流混联电力系统的潮流计算却还存在着可以改进的空间。 在交直流电力系统潮流计算中，目前的方法都是在纯交流电力系统潮流计 算基础上形成的，这些方法主要分为统一迭代法【1 5 4 6 1 和交替迭代法1 1 5 - 1 6 1 。统一 迭代法是以极坐标形式下的牛顿法为基础，将交流节点的电压幅值、相角与直 流系统中的电压、电流、换流变压器变比、换流器的功率因数以及换流控制角 等变量统一进行迭代求解。交替迭代法是统一迭代法的简化。交替迭代法在迭 代过程中，将交流系统方程和直流系统方程分别进行求解。在求解交流系统方 程时，将直流系统用接在相应节点上的已知其有功功率和无功功率的负荷来等 值。而在求解直流系统方程组时，将交流系统模拟成加在换流器交流母线上的 一个恒定电压。统一迭代法在实际中得到更多的认可和应用。 直流系统由于控制方式的不同，会有不同的情况，所以，很多研究都是基 于不同的控制方式的。文献【1 5 】中认为通常情况下只需要考虑整流器侧定电流 控制而逆变侧定关断角控制和整流器侧定最小触发角控制而逆变侧定电流控 制。文献 1 6 】中采用统一迭代法，对不同的控制方式，采用不同的控制方程， 以考虑控制方式的影响。文献 1 7 】中也采用统一迭代法，根据不同的控制方式 使用不同的换流器方程，也考虑了各种控制方式的影响。 比较通用的一些电力系统分析商用软件，如b p a 、p s s e 、p s a s p 等中也都 包含有交直流潮流计算的功能。其中，b p a 在处理直流系统时将换流变压器阀 侧节点也计入交流系统，与一般的文献中的处理方法不太一样。这些商业软件 由于处理方法的不同，得到的计算结果也往往不能一致。 文献 1 6 1 7 】系统地介绍了交直流系统潮流计算的过程。文献 2 0 3 0 1 对交直 流系统潮流计算以及控制方式进行了研究。文献 2 1 提出了交直流电力系统潮 流计算的交流等值法。文献 2 2 1 提出了一种实用新算法。 1 4 本文的主要工作 本文作者在论文工作期间所做的主要工作是：参考国内外相关文献，分析 直流输电系统的特点，研究适用于交直流混联电力系统潮流计算的算法。将在 第一章绪论 机电暂态仿真计算中效果良好的“前向简化，后向回代”双向迭代法1 3 1 - 3 5 1 应用 于交直流系统潮流计算。具体来说，包括以下几个方面的工作： 1 ) 研究直流系统的基本方程与控制特性，并得出在潮流计算中需要应 用的方程式和控制方式； 2 ) 推导双向迭代法的公式，验证双向迭代法可以应用于交直流系统潮 流计算，并且实现其程序： 3 ) 利用程序验证算例，并与商业软件进行比对： 4 ) 在前面工作的基础上，提出适合于在线运行的交直流系统潮流计算 算法。 4 第二章直流输电的基本原理 第二章直流输电的基本原理 2 1 直流输电系统的基本概念 现代的电力传输系统由交流输电系统和直流输电系统4 】相互配合形成。 直流输电工程是以直流电的方式实现电能传输的工程。目前的电力系统中发电 和用电绝大部分都是交流电，要采用直流输电就必须进行换流。也就是说，在 送端需要将交流电变成直流电，这个过程叫做整流，然后通过直流输电线路将 电能送往受端：而在受端又必须将直流电变换为交流电，这个过程叫做逆变， 然后才能送到受端的交流系统去，供用户使用。送端进行整流变换的地方叫做 整流站，而受端进行逆变变换的地方叫逆变站。整流站和逆变站可统称为换流 站。实现整流和逆变变换的装置分别称为整流器和逆变器，它们统称为换流器。 直流输电系统可以分为两端直流输电系统和多端直流输电系统两大类。两 端直流输电系统是只有一个整流站和一个逆变站的直流输电系统，即只有一个 送端和一个受端，它与交流系统只有两个连接端口，是结构最简单的直流输电 系统。多端直流输电系统与交流系统有三个或三个以上的连接端口，它有三个 或三个以上的换流站。本文中后面提到的直流输电系统都是指两端直流输电系 统。 直流输电系统的构成【5 】主要有整流站、逆变站和直流输电线路三部分。具 体来说包括有换流变压器、换流器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、 控制保护系统、接地极引线、接地极和远动通信系统等等。其系统结构图见图 2 1 。 通常，直流输电系统可以进行功率反转运行。功率正送时的整流站在功率 反转时为逆变站，而正送时的逆变站在功率反转时为整流站。在图2 1 中，如 果从交流系统1 向交流系统2 送电，则换流站l 为整流站，换流站2 为逆变站； 功率反转时，则换流站l 为逆变站，换流站2 为整流站。 整流器和逆变器在结构上是相同的，组成的最基本元件是阀元件。现代高 压直流输电系统所用的阀元件为普通晶闸管、g t o 和i g b t 等，其中主要还是 普通晶闸管。在当前制造工艺下，晶闸管的额定电压大约在3 - 5 k v ，额定电流 大约在2 5 3 k a 。由于阀元件的耐压值和过流量有限，换流器可由一个或多个换 流桥串并联组成。换流桥的直流端与直流线路相连，交流端与换流变压器的二 第二章直流输电的基本原理 次侧绕组相连，换流变压器的一次绕组与交流系统相连。换流变压器与普通变 压器相同，但是必须带有带负荷调压的分接头，从而可以通过调节换流变压器 的变比方便地控制或改变系统的运行状态。 44 一卜介一”厶 n = j c 输i 乜致蹄疋i - 弋时卜 一h6 卜一一，_ 殳 刮圭 一卜卜一1 1 。4 卜，争一卜_ 撷汛站l换流站： 图2 1直流输电系统构成原理图 l 一换流变压器；2 一换流器；3 平波电抗器：4 一交流滤波器；5 一直流滤波器；6 一控制 保护系统；7 接地极引线：8 一接地极；9 远动通信系统 直流输电系统可以分为单极系统、双极系统和背靠背直流系统三种类型。 单极系统可以采用正极性或负极性，由于考虑到电晕电磁干扰和雷电闪络概率， 实际中更多地运用负极性。单极系统包括单机大地回线方式和单极金属回线方 式；双极系统接线方式是直流输电工程中通常采用的接线方式，可以分为双极 两端中性点接地方式、双极一端中性点接地方式和双极金属中线方式三种类型： 背靠背直流系统是没有输电线路的两端直流输电系统，它主要用于两个非同步 运行的交流电力系统之间的联网或送电，也称非同步联络站。 2 2 直流输电的基本方程 直流输电是将电能由交流整流成直流输电，然后再逆变成交流接入交流系 统。这个过程可以简单的归纳为：整流输电逆变。其中的基本方程包括有直 流线路方程和换流器方程两部分，线路方程比较简单，即 一一i d r = 0 ( 2 1 ) 而换流器方程比较复杂。下面主要以三相全波桥式换流电路为基础( 见图2 2 ) ， 推导换流器的基本方程。推导中假设1 5 - 1 6 ： ( 1 ) 不考虑谐波及中性点偏移的影响，即认为交流系统是三相对称、频率 6 第二章直流输电的基本原理 单一的正弦系统。 ( 2 ) 不考虑直流电流的纹波，即认为直流电流是恒流。 ( 3 ) 不计换流变压器的激磁阻抗和铜耗且不考虑换流变压器的饱和效应， 即认为变压器是理想变压器。 ( 4 ) 不考虑直流线路的分布参数特性。 厶= n 图2 - 2 三相全波桥式整流器等效电路 令电压源的瞬时电压为 乞= ec o s ( t o t + 万3 ) i e 6 = 已c o s ( t o t 一万3 ) ( 2 2 ) p f = 已c o s ( c o t 一 ) j 则线电压为 巳。= 乞一巳= 丑c o s ( 研+ 万6 ) 1 = e b 一巳= 4 3 c o s ( c a t - z t 2 ) ( 2 - 3 ) = 乞一e b = 尥c o s ( 耐+ 5 7 r 6 ) l ( 一) 无触发延迟 桥两端的瞬时直流电压由线电压的n 3 时段组成。将c o t 表示为口，考虑时 段一n 3 研0 ，则无触发延迟时平均直流电压为 o 巧。= 三fe o 。d o ( 2 4 ) 第二章直流输电的基本原理 将式( 2 3 ) 中的巳，代入上式，得 o f 取c o s ( o + ，r 6 ) d 8 = 堑e ms i n ( 0 + # 6 ) v d o 3 o + ，r 60 + # 6f 。：堑铀i n ( 舶) 万，取等 i i = 等匕2 s i n ( 舶)a 一：| 3 氕 - l r 3 a = 3 v - - 2 - 3 & = 1 6 5 已 ( 2 5 ) ( 二) 有触发延迟 当触发延迟角口【o ，万 ，直流电压的平均值为 圪= 去i 屹d 臼= 砑6 一：e d p = o c o s 口 ( 2 剐 由式( 2 - 6 ) 可知，当触发延迟角口非零时，直流电压的平均值巧小于屹。 当口从零增加到# 1 2 时，圪的值从。减少到o ；当口进一步从# 1 2 增加到石时， 巧的值从0 减少到一圪。当口e n 2 ，n - 时，直流电压为负值，由于阀的单向导 通性，直流电流l 的方向并没有改变。在这种情况下，直流电压与直流电流的 乘积为负值，也就是说，换流器从交流系统吸收的功率为负值。在这种运行状 态下，有功功率的实际流向是从直流系统到交流系统。当换流器向交流系统提 供有功功率时，换流器把直流电能转化为交流电能送进交流系统。换流器的这 种运行状态被称为逆变。 ( 三) 考虑换相角 前面两种情况都没有考虑图2 1 中的厶的影响。三，是换流变压器的等值电 感，实际系统中不为零。由于工，的存在，相电流不能瞬间突变，因而换流器的 供电电源从一相换到另一相时不能瞬时完成而需要一段时间f ，。通常称f ，为换 相期，对应的电角度厂= 缈l 为换相角。 在一个周期里，每隔万3 有一次换相，因换相引起的直流电压下降量为 圪= 等( c o s 口- - c o s 万) = 昙m t 厶= 嘭厶( 2 - 7 ) 其中 r r = 二咄= 二x c ( 2 8 ) 故考虑触发延迟角又考虑换相角时，直流电压平均值成为 圪= 巧o c o s 口- - 巧= o c o s 口一r ，l d ( 2 9 ) 第二章直流输电的基本原理 2 3 本章小节 本章介绍了直流输电系统的基本知识。第一节介绍了直流输电的基本构成 部分以及各部分的名称和作用，还介绍了直流输电系统的分类。第二节主要介 绍直流输电的基本方程，简要介绍了直流输电系统基本方程的推导过程。通过 本章的介绍，对直流输电系统给出了一个整体的概念，为后面的文章打下基础。 9 第三章直流输电系统的控制特性 第三章直流输电系统的控制特性 一 直流输电系统的控制特性 2 4 - 2 6 1 ，是直流输电基础知识中的一部分。直流输 电系统的控制特性在直流输电中至关重要，故将其独立成一章，以彰显其重要 性。 直流输电系统是高度可控的。它的有效运用决定于适当利用它的可控性以 保证电力系统运行在期望的状态和性能下。高压直流输电系统采用各种分层控 制方式，目的在于提供高效稳定的运行和功率控制的最大灵活性，同时保证设 备的安全。下面主要讲述直流输电系统的控制原理和控制特性。 3 1 控制原理 3 1 为了讲述直流输电的控制原理【2 7 1 ，先从直流输电的等效电路图入手，见图 w d l oc o s 6 9 r c r r r c i 图3 1直流输电系统等效电路图 由图3 - 1 可知整流侧的圪一l 特性为 逆变侧的巧一厶特性为 y 静2 v d 吨c o s r c r l a v m2 v d i q c o s y - r c i id v d i oc o s y ( 3 1 ) ( 3 2 ) 而直流输电线路的电流n - - i 以表示为： 乃= 半= 等 协3 ， 1 0 第三章直流输电系统的控制特性 整流器终端的功率为 岛= l a ( 3 4 ) 逆变器终端的功率为 圪= i a = 吃一叫 ( 3 5 ) 高压直流系统通过控制整流器和逆变器的内电势。c o s o ! 和。c o sy 来控 制线路上任意一点的直流电压以及线路电流( 或功率) 。而这些都是通过控制阀 的栅f - 极的触发角或通过改变换流变压器的分接头以控制其交流电压来实现 的。其中，栅l - j 极控制速度很快，时限在1 到10 m s ，而变压器的分接头切换 速度比较慢，时限在5 到6 s 。开始时应用栅f q 极控制以保证迅速地作用，之后 应用分接头切换以将换流器的控制角( 整流器的口角和逆变器的7 角) 恢复到 正常范围。 在选择控制特性时，通常需要考虑以下几个要求1 1 7 j ： ( 1 ) 防止由于交流系统电压变化而引起的直流电流的大幅波动； ( 2 ) 保持直流电压接近于额定值； ( 3 ) 保持送端和受端的功率因数尽可能高： ( 4 ) 防止逆变器换相失败和采用汞弧阀整流器的逆弧。 下面讲述怎样通过选择控制特性来达到以上几个要求。 运用换流器的快速控制来防止直流电流的大幅波动，这是保证直流输电线 路满意运行的一个重要要求。对照式( 3 3 ) ，由于线路和换流器的电阻很小， 因而。和。的微小变化就会引起厶的大变动。这就意味着，如果口，和以保持 恒定，任一端的交流电压幅值的小变化将会引起直流电流在一个很大范围内变 动。为了保证系统的良好性能，这样的变化一般是不允许的。另外，最终电流 可能高到足以损害阀和其它设备。所以，防止直流电流波动的快速换流器控制 对系统的正常运行是十分重要的，如果没有这种控制，直流输电系统将是不实 用的。 在给定传输功率下，沿着线路的直流电压分布都接近额定值，这样会使直 流电流达到最小值，从而线路的损耗最少。 为了保持高功率因数有以下几个原因1 2 j ： ( 1 ) 在给定变压器和阀的额定电流和电压的情况下，使换流器的额定功率 尽可能高； ( 2 ) 减轻阀的工作强度； ( 3 ) 尽量减小换流器所接入的交流系统中设备的损耗和额定电流： ( 4 ) 负荷增大时，减小交流端口的电压降落； 第三章直流输电系统的控制特性 ( 5 ) 最大限度地减小换流器的无功功率需求。 在换流器中有 c o s # 0 5 c o s a + c o s ( a + ) 】0 5 c o s t + c o s ( r + ) 】 ( 3 6 ) 从上式可以看出，要得到高功率因数，必须保持整流器的t 2 角和逆变器的y 角尽可能小。 但是，为了确保触发前阀上有足够的电压，整流器有最小口角限制，这个 角大约是5 0 。例如，对于晶闸管整流器，触发前在每个晶闸管上出现的正电压 是用来向晶闸管提供触发脉冲能量的供电电容。所以，在口= 5 0 之前不可能触 发。因而，整流器正常运行在口= 1 5 0 2 0 0 ，使它还有可能提升整流器电压以 控制直流功率潮流。 在逆变器的情况下，必需保持一个确定的最小熄弧角以避免换相失败，确 保换相完成且带有足够的裕度是很重要的，这样可以在口= 1 8 0 0 或y = 0 0 时换相 电压反向之前有足够的裕度时间去游离。熄弧角厂等于一，叠弧角决定于 f 和换相电压。因为即使换相已经开始，直流电流和交流电压仍可能变化，有 必要保留比最小y 限制大一些的足够换相裕度。可以接受的y 典型裕度值对 5 0 h z 系统为1 5 0 ，对6 0 h z 系统为1 8 0 。 3 2 控制特性 3 2 1 理想特性 为了满足前一节中提出的基本要求，应将电压调节和电流调节的设置分开， 并且要分别装到不同的换流器上。在正常运行条件下，整流器维持恒定电流 ( c c ) ，逆变器运行在恒定熄弧角( c e a ) 以保持足够的换相裕度。用稳态电 压电流( v - i ) 特性可以很好地解释这种控制机理，如图3 2 所示。 以电压巧和电流乞形成坐标，在直流线路的某一公共点上可以测量它们的 值。在图3 2 中，将这个点选为整流器端。整流器和逆变器的特性都可以从整 流器上测量，从而逆变器的特性包含了线路上的电压降落。 当整流器保持恒定电流时，它的v _ i 特性是一条垂直线，如图3 2 中a b 线 所示，由图3 1 可得 ， 圪= oc o s y + ( r 足，) 厶 ( 3 7 ) 第三章直流输电系统的控制特性 逆峦嚣 ( c e a ) e 运 j j ) d 整流器 ( c c ) 图3 2 理想的稳态伏安特性 它给出了y 保持在固定值时的逆变器特性。如果换相电阻疋略大于线路电 阻尺，逆变器的特性直线斜率为负且较小，如图3 2 所以的c d 线。 由于在一种运行条件下必须同时满足整流器和逆变器特性，因此它由两条 特性的交点e 确定。 通过调节“电流指令”或“电流整定值”可以使整流器特性水平移动。如 果测量电流小于电流指令，调节器就会减小口而提前触发。 通过逆变器的变压器抽头切换装置的作用，它的特性会升高或降低。当抽 头切换装置动作时，c e a 调节器迅速将y 恢复到期望值。其结果是直流电流改 变，但很快就会被整流器的电流调节器恢复到期望值。整流器抽头切换装置动 作，将口控制在1 0 0 到2 0 0 之间的期望范围内以保证高功率因数和适当的控制裕 度。 为了使逆变器运行于恒定的y 角，根据电压和电流的瞬时值的变化用计算 机来控制阀的触发，计算机控制触发时刻，使得熄弧角y 大于阀的去游离角。 3 2 2 实际特性 整流器通过改变口角来维持恒定电流。但是，口角不能小于它的最小值 。一旦达到。，就不可能再升高电压，整流器将运行在恒定触发角( c i a ) 。 所以，整流器特性曲线实际上有两部分( a b 和f a ) ，如图3 3 所示。f a 对应 于最小触发角，并且表示c i a 控制方式；a b 段表示正常的恒定电流( c c ) 控 制方式。 实际上，恒定电流特性不会绝对垂直，这取决于电流调节器。采用比例调 节器时，由于电流调节器的增益有限，恒定电流特性直线的斜率为负且较大， 如图3 3 所示。采用比例积分调节器时，恒定电流( c c ) 特性是非常垂直的。 在正常的电压下整流器特性由f a b 确定。当电压降低时，特性曲线亦移动，如 f 么b 。所示。 1 3 第三章庭流输电系统的控制特性 在正常电压下，逆变器的恒熄弧角( c e a ) 特性曲线和整流器特性曲线相 交于e 。可是，逆变器的c e a 特性( c d ) 不会和f ab 表示的在降低电压下的 整流器特性曲线相交。所以，整流器电压的大幅降低会引起电流和功率在短时 间内下降到零，这个时间取决于直流电抗器。从而系统将会停运。 为了避免上述问题，逆变器也要配置一个电流控制器，其整定的电流值比 整流器的电流整定值小。完整的逆变器特性曲线由d g h 给出。它包括两部分： 一部分为恒定 图3 3实际的换流器控制稳态特性 线。 整流器的电流指令和逆变器的电流指令的差值称为“电流裕度”，在图3 3 中表示为l 。通常它的整定值在额定电流的1 0 0 o n2 5 ，以确保在由测量或其 它原因引起误差的情况下两条恒定电流特性曲线彼此不会相交。 3 3 控制方式 前面已经介绍了一些控制方式，对于每个换流器，其基本的控制方式就是 恒触发角( c i a ) 、恒电流( c c ) 和恒熄弧角( c e a ) 。但是在实际运用中，还 会有其它一些控制方式。 3 3 1 可选择的逆变器控制方式 对逆变器的c e a 控制方式稍加修改，在某些特定情况下将具有某些优点。 在接近于逆变器的c e a 特性曲线和c c 特性曲线的过渡部分的某些电压水平 1 4 第三章直壅塑皇至笙塑篓墼笪堡一 二一 t 篓缴，口尝黼淼茎瓣蓦鬈，需墨藉 在篓熟戮曩篙篙藉凳猫黼妊赫会 乏喜呈竺篓耋昙釜耄要耋耋秦呈蒿黧瞿墓喜磊銎? 止达1 n 同叽叫伪4 用以下两种方式来对逆变器的控制特性进仃修止。 图3 - 4 控制方式不确定的情况 t a ) 图3 5 使控制方式稳定的修正v - i 特性 t ：懋嬲一黧燃淼兰 以保婴篓麓怒誉鬻篱荛鼍# 兰翥茹滋在三 与恒定7 苎釜黧喜三譬黧篙誓等慧篙i 蒜。茹荔善茹7 值略 它的麓篓氅萎裟芸黑i 兰兰盏亲茹茹i ：罐高芬囊妥切换 高，从而不易发生换相失败。正常时，电雎瑶南u 俅何7 纠旧一一。 耀薹黧尊篙，淼一等釜 2 ) 恒定角控制。恒卢角时，逆变器跫要专曼黧：薹二。二主在较高 釜燕一翳熏一 的电流下，会遇到最小y 角的问题。墨曼乏曼零警鬟鼍：纂赢。于矗发角的 它被认为是一种备用的控制方式，它只在翟念宋什r 汁川且协“。 笫三章直流输电系统的控铡特性 3 3 2 变压器分接头的控制 变压器分接头切换装置的控制是用来将换流器的控制角保持在期望的范围 之内的，当岱( 整流侧) 或y ( 逆变侧) 超过这个范围持续时间达到几秒后就 动作。 通常，逆变器运行在恒熄弧角，从而和分接头切换器的叠加电压控制一起 来保持线路电压。整流器运行在电流控制方式时，也与分接头切换器配合以使口 角保持在额定值。 分接头切换器通常由允许的稳态电压的最小和最大变化来确定抽头切换的 级数，同时它也要适合最坏稳态电压条件下的最小和最大功率潮流。通过采用 时间延迟来防止暂态条件下抽头的不必要的切换。设置一个比每档分接头电压 大一些的死区以避免分接头切换器来回切换。 3 4 控制特性总结 在考虑直流系统的控制方式的时候，为了保持系统的安全和正常运行还应 考虑一些限制。包括：最大电流限制( 通常取1 2 ，。一1 3 ，。) 、最小电流限制( 通 常取0 。2 l 0 3 ，) 、最小触发角限制( 通常取5 0 ) 。同时，由于某种扰动而使 整流站交流母线电压下降时，根据交流系统维持直流输送功率的能力，需要采 用低压限流( v d c o l ) 控制特性。 正常条件下，整流器为定电流控制方式，逆变器运行在c e a 控制方式。如 果整流端的交流电压下降，整流器触发角也会减少，直到它达到瓯限制。这 时整流器切换为。控制，而逆变器设为电流控制。 综合以上，可以得到直流系统考虑各种限制的控制特性，如图3 - 6 。 3 5 本章小节 本章详细介绍了直流输电系统的控制特性i 直流输电系统的控制系统是极 其复杂的，也是极其重要的，直流系统是否能安全运行以及运行的效果，都依 赖于控制系统。鉴于直流输电系统的控制系统的重要性，特将直流输电系统的 控制特性独立于直流输电的基本原理成为本章。 本章详细地分析了直流输电系统的控制原理和控制方式。从基础的换流器 方程和直流线路方程入手，推导了控制特性曲线的形成过程。介绍了直流输电 系统的理想特性和实际特性，并且介绍了修正特性以及修正的原因。整流侧的 筑三置直流输电系统的控制特性 控制特性包括定电流控制和定触发角控制；逆变侧的控制特性包括定熄弧角控 制和定电流控制。同时，它们还包括低电压限流控制和最小电流控制。 图3 - 6 直流系统实用控制特性 第四章交流系统潮流计算 第四章交流系统潮流计算 潮流计算是电力系统分析中最基本的一种电气运算，也是研究电力系统运 行和规划方案的重要手段。其实质是求解一组多元非线性方程，因此它的解法 都离不开迭代法。现在比较得到认可的潮流计算方法是牛顿浏1 6 , 1 9 1 和p q 分解法 1 1 6 ，1 9 1 o 4 1 潮流计算问题的数学模型 电力系统是由发电机、变压器、输电线路、负荷、无功补偿装置、自动控 制装置、继电保护装置等构成。在潮流计算中，二次装置是不考虑的。在进行 电气计算时，系统中静止元件如变压器、输电线、并联电容器、电抗器等可以 用r 、l 、c 所组成的等值电路来模拟。因此，这些静止元件组成的电力网络在 潮流计算中可以看作是线性网络，并用相应的导纳矩阵或阻抗矩阵来表示。在 潮流计算中发电机和负荷都作为非线性元件来处理，不能包括在线性网络部分。 如图4 1 ，描述的是一个简单的电力系统模型1 16 1 。 图4 1简单电力系统模型图 1 8 第四章交流系统潮流计算 在图中的模型框图中虚线所包括的是线性网络部分， 间的关系可以通过节点方程来描述： i = w 其节点电流与电压之 ( 4 1 ) 上式也可以写成展开的形式： = 巧巧 ( f = l ，2 ，2 ) ( 4 - 2 ) j = j 式中：和匕分别为节点i 的注入电流及节点j 的电压；为导纳矩阵元素：1 1 为系统节点数。 为了求解潮流问题，我们必须利用节点功率与电压之间的关系： z ：车擘( f ：l ，2 ，卅) ( 4 3 ) k 式中：p 、q 分别为节点i 向线性网络注入的有功功率和无功功率，当i 节点 为负荷节点时，p 、q f 本身应该带有负号；酢为节点i 电压向量的共轭值。 将式( 4 3 ) 代入式( 4 2 ) ，可得到 车擘：窆写哆( 川- 2 ，刀) ( 4 - 4 ) 矿 j = l f 或 芝擘：壹元哆( 2 ， ( 4 - 5 ) ij = l 上式含有n 个非线性复数方程式，是潮流计算问题的基本方程式，对这个方程 式的不同应用和处理，就形成了不同的潮流程序。 电力系统潮流计算中，表征各节点运行状态的参数是该点的电压向量及复 功率，也就是说，每个节点都有4 个表征节点运行状态的量：v 、0 、p 、q ， 因此，在n 个节点的电力系统中共有4 n 个运行参数。 电力潮流基本方程式( 4 5 ) 共有n 个复数方程式，相当于2 n 个实数方程 式，因此只能解出2 n 个运行参数，其余2 n 个应作为原始数据事先给定。在一 般的潮流计算中，对每个节点往往都给出两个运行参数作为已知条件，而另外 两个作为待求量。根据原始数据给出的方式，电力系统中的节点一般分为以下 三种类型： ( 1 ) p q 节点 这类节点给出的参数是该点的有功功率以及无功功率( p ，q ) ，待求量为 该点的电压向量( v ，8 ) 。通常的变电所母线为p q 节点。当某些发电厂的出力 p 、q 给定时，也作为p q 节点。 1 9 第四章交流系统潮流计算 ( 2 ) p v 节点 这类节点给出的参数是该点的有功功率p 和电压幅值v ，待求量为该点的 无功功率q 和电压相角0 。这种节点在运行中往往有一定的可调节无功功率电 源，用以维持给定的电压。因此，这种节点是系统中可以调节电压的母线。通 常选择有一定无功功率储备的发电厂母线作为p v 节点。当变电所有无功功率 补偿装置时，也可以作为p v 节点处理。