交直流电力系统的分析和控制

1、交直流电力系统的分析和控制 作者：周孝信阅读：1688 次上传时间：2005-03-21推荐人：wlgcqu (已传论文 2 套)简介： 直流输电的广泛应用和发展，对电力系统计算分析提出了新的要求。为了分析交直流电力系统的运行问题，我们要在分析直流输电系统运行特性的基础上，制订直流环节数学模型，研究相应的计算方法，进一步发展适合于交直流系统的分析计算方法和程序，用于研究交直流系统的分析和控制问题。关键字：换流器 两端直流输电系统 交直流混合电力系统 1 概述自19世纪末三相交流电力问世以来，交流电以其巨大的优越性使其在发电和输配电方面都居于独占地位。近几十年来，交流电力系统规模越来越大，输电电

2、压越来越高，电网的互联也日趋复杂。与此同时也产生了一些复杂的技术问题如稳定问题等需要解决。在这个过程中，人们又回过头来想到能否利用直流输电的优点，在某些特定条件下加以应用，以克服交流输电在技术上的困难，或者取得经济上的更加节省。首先，直流输电线路的造价比较低。尽管两端换流站造价较高，但对远距离输电来说，当输电线长度超过某一临界数值时，其总造价将比交流输电低。又如海底电缆输电，由于直流电通过电缆不需要充电电流，因而可传输更大的功率。此外，直流输电不存在通常交流输电的稳定问题，在交流系统稳定问题非常突出的情况，采用直流输电是解决稳定问题的有效方案。直流输电可以联结额定频率不同的电力系统，采用“背靠

3、背”的直流输电环节，可实现不同额定频率交流电力系统之间功率的传输和交换。直流输电传输功率控制的快速性，提供大功率和小信号快速调制的可能，可用以提供了紧急功率支援，平息交流系统的振荡，提高系统的稳定性。采用汞弧整流阀技术的第一代直流输电线路在20世纪50年代得到发展。1954年瑞典建成了110千伏电压约100公里的海底直流输电线（从Gotland到瑞典大陆），输电能力20兆瓦。60年代可控硅技术的发展，为直流输电提供了价格性能更好的换流元件，使直流输电技术发展到一个新的阶段。1972年加拿大Eel River建成了世界上第一个采用可控硅换流元件的直流工程。近年来，大型直流输电工程不断出现。据IE

4、EE统计，截至1996年底，世界上已投运的直流工程已有56项，输电容量达54.166GW。可以预见，直流输电在未来的电力系统中将有更大的发展。我国自行设计，自己制造设备的舟山直流输电工程于1987年底投入试运行。500千伏电压、线路长达1041公里，输送容量为1200兆瓦的双极超高压直流输电工程葛州坝上海直流工程已在1990年投入运行。更大容量的天（生桥）广（州）500kV、1800MW的直流输电工程也于2001年投产。500kV、3000MW的三峡龙（泉）政（平）直流输电工程将在2003年双极投产。同样容量的三（峡）广（东）线和贵（州）广（东）线正在加紧建设。预计随着我国 “西电东送”工程的

5、进展，将有更多的大容量直流输电工程建成投产。直流输电的广泛应用和发展，对电力系统计算分析提出了新的要求。为了分析交直流电力系统的运行问题，我们要在分析直流输电系统运行特性的基础上，制订直流环节数学模型，研究相应的计算方法，进一步发展适合于交直流系统的分析计算方法和程序，用于研究交直流系统的分析和控制问题。2 换流器的工作原理和基本方程式换流器包括整流器和逆变器是高压直流输电的主要环节。用于高压直流输电的换流器都采用三相桥式接线方式。每桥由六个桥臂组成，接于三相交流电源。6个桥阀以基波周期的等相位间隔依次轮流触发，称六脉冲换流桥。通常，高压直流输电采用双极方式，即每一换流站由正负极两组换流器组成

6、。有时每极由两组换流桥在直流侧串联而成。此时，为了得到较好的直流电压波形，两组换流桥的交流电源电势相位差30；相应地，阀的触发脉冲也相差30，形成12脉冲换流器。为了对直流输电的运行方式进行计算分析，我们首先研究换流器的基本工作原理，在此基础上推导出换流的基本方程式。2.1 整流器的工作原理和直流电压方程式整流器的原理接线如图1所示。图中Xci为从电势源到整流桥的每相等值电抗亦称换相电抗，下标i表示整流侧（j表示逆变侧，下同）。6个桥阀按正常轮流导通次序编号。可控硅阀只有在承受正向电压，同时又在控制极得到触发信号时才开始导通。它一经导通，即使除去触发信号，仍保持导通状态，直到承受反向电压并导通

7、电流过0时才会关断。但须待载流子完全复合后才恢复正向阻断能力。 图1 整流器原理接线图2.1.1 不计换相过程不计换相回路电感时的各阀导通情况如下。由图2电势波形可见，当wt达到0以前，电势ec的瞬时值最高，电势eb最低，接于这两相间的阀V5和V6处于导通状态，其余4个阀因承受反向电压而处于关断状态。在wt=0（即C1点）以后，电势ea最高，使阀V1开始承受正向电压，经过触发角后，阀V1接到触发脉冲开始导通，这时阀V6仍处于导通状态，电流通过V1、负载和阀V6形成回路。阀V1导通后阀V5即因承受反向电压而被关断。过了C2点以后，电势ec最低，经触发延迟后阀V2导通，阀V6关断，电流通过V1和V

8、2形成回路。接下去V3阀代替V1导通，电流继续通过阀V2，依次下去，阀的导通顺序是：3和4，4和5，5和6，6和1，1和2，2和3，3和4，如此周而复始。图2 整流器的电压波形 不计换相过程的直流输出电压计算式可由图3(a)所示的波形推导出。直流电压实际上是平均电压，等于电压波形面积与横坐标角度弧度值之比值： (1)式中 Vi为整流器交流侧线电压。图3 整流电压波形上半部2.1.2 计入换相过程 当换相过程从一个阀导通换为另一阀导通（如阀V5导通换至阀V1导通）时，由于换相回路电感的作用，通过阀口电流不能突变，即换相不能瞬时实现。从t=到wt =+m的一段时间里阀V5的电流由Id逐渐降至零，阀

9、V1的电流则由零上升到Id。这段时间V5和V1共同导通。相应地，在这段时间内整流电压波形与不计换相过程相比，减少波形下面积dA，如图3(b)所示。为了计算面积dA，让我们首先研究换相的暂态过程。设图3所示的换相过程等值电路如图4所示，即阀V1、V5共导通，共同形成电流Id，经过负载及阀V6返回。设阀V1、V5回路中暂态电流为ic，则可列出闭合电势平衡回路方程：式中换相电感，则有由此得回路中1点对0点的电位是1点电位e1，即换流桥共阴极点电位，亦即换相过程中负载上形成直流电压的端点电位的变化，相应于图3(b)中实际电压波形。dA的面积，实际上等于ea和e1两条曲线之间所包围的面积。于是得 (2)

10、图4 阀V5导通换为V1导通的等值电路由A形成的直流平均电压降低值为于是得到计入换相过程的直流电压算式 (3) 上式说明，换相压降引起的直流输出电压降低值同直流电流Id成正比，其比例系数为。因此换相压降所致的电压损失也可以用一个直流侧的等值电阻来模拟，但须注意，这个电阻并不产生有功功率损失。2.2 逆变器的工作原理和直流电压方程式当整流器的触发角a逐渐增大时，直流输出电压将随之下降。当a=90时直流输出电压降为零，随着进一步的触发延迟，平均直流电压将变为负值。由于阀的单向导电性，电流仍从阳极流向阴极，这时换流器进入逆变状态。由图5(b)可见，逆变器的工作特点是，阀V2、V4和V6的阳极（点）处

11、于高电位，阀V1、V3和V5（点）的阴极处于低电位，电流自高电位的阀流进，从低电位的阀流出。这种情况恰与整流器相反。整流器和逆变器的差别是由触发角a不同造成的。对整流器，a90才给触发脉冲，在此之前一直是阀V5导通。点电位受ec控制为负；与此同时，阀V6导通，点电位受eb控制为正，于是形成如图5(b)所示的反向直流电压Vd。阀V1触发导通后，阀V5在换相结束电流过0后由于承受反向电压而关断，这时阀V6仍处于导通状态，电流通过V6和V1形成通路，、点之间仍为反向直流电压。但必须注意，当阀V1取代图5 整流和逆变的原理接线及电压波形V5导通后，一过C4点阀V5又重新承受正向电压。为了使阀V5能可靠

12、的关断，在它与V1换相结束，电流降到零值后，还应有一段时间承受反向电压，使载流子得到充分的复合，以恢复正向阻断能力。这段时间用相角g表示，称为熄弧角或关断角。再考虑换相角m，阀V1应在比C4点（即wt=180）越前b角时受到触发，b=m+g称为触发越前角，它与触发角a的关系是 (4)如果在这一过程中，阀V5承受反向电压作用的时间太短，即g角过小，V5的正向阻断能力将得不到完全恢复，在随后的正向电压作用下，不经触发也会重新导通，产生换相失败。因此g角应不小于某一允许值go。在实际运行中，如果由于某种原因使逆变器的交流电压降低或直流电流升高，都会延长换相过程，使换相角m增大，如果此时b 角未及时增

13、大，则将使 g 角减小，当g 0，电流调节器输出为零（由限制Vbmin=0所决定）。由框图可见，此时逆变侧触发角b由下式决定：若goj为给定逆变侧恒熄弧角，则b值的大小应保证逆变侧运行于定熄弧角调节方式。若由于整流侧电压降低或逆变侧电压升高造成Id实际值过小，整流侧DI= Idorde- Id过大，电流调节器输出达到顶值，即则由框图可见，此时整流侧触发角a由下式决定：即整流侧运行于最小触发角amin方式，此时整流侧电流调节器将不能继续维持Id = Idorder，造成Id减少。与此同时，若Id减少到使逆变侧DI0，即DI= Id -Idorde+Im0或写为 I Idorde-Im则逆变侧电流

14、调节器将有输出，即Vb0，使逆变侧触发角cosb 减少，从而降低逆变侧直流电压Vdj，使Id回升。调节的结果使Id维持在Idorer-Im值。这种方式就是整流侧运行于最小触发角amin，逆变侧运行于定电流的调节方式。图中还有低电压限电流，Ioder给定换相失败判别及重新启动等环节。这里不详加叙述。此外，还有直流调制环节，即利用直流调节的快速性取用某些调制信号使直流功率发生变化，以改善交流系统或并列交流线路稳定性的模拟。对此，这里亦不予以介绍，有兴趣者可参阅有关文献。以上简要叙述了模型的主要结构。将模型中微分方程与交流系统中微分方程联解，并通过注入电流与交流网络方程联结，便可求解交直流混合系统的

15、暂态稳定问题。应该指出，一般来说，这种准稳态模型由于不考虑换流器电磁暂态过程，原则上它只适用于交流三相对称故障的暂态稳定计算。7.3 算例（1）系统及其参数某交直流并列输电系统简图如图16所示。为简化计，图中交直流输电线路两侧的等值系统表示实际计算的多机系统。图16中直流线路的额定参数如下：线长l =1035km额定输送功率Pd =2000MW额定直流电压Vd = 500kV额定直流电流Id =2000A与直流线路并列的交流线路为500kV级。图16 某交直流并列系统直流输电线路选择4500mm2导线，电阻率R0/kM，双极线路电阻W=0.065Rd =21035= 。换流站两端均接交流系统5

16、00kV母线。每极二个12脉冲组，即每站8个6脉冲换流桥，如图17所示。W 33.6图17 换流站主接线图17中每桥Pm =250MW，Vm =125kV，Im =2000A。对整流侧，整流变压器容量STi =300MVA，短路电抗12%，阀侧电压选为105kV，则此时可认为是每桥换相电抗。若令触发角a=15，则每桥整流电压同理对逆变侧，取每桥变压器容量为STj=300MVA，阀侧电压96kV，短路电抗12%，熄弧角g=15时，可得每桥xcj W = 3.69Vmj = 118.18kV其他参数如无功补偿根据运行方式而定，其需要的无功功率大致为输送有功功率的一半。电流变化储备量Im取正常电流的

17、15%。（2）标幺值基准系统交流系统的基准值如下：直流环节的基准值是：（3）直流参数的标幺值计算1）额定运行参数的标幺值V*d=1000kV/VB =1000 kV/500 kV= 2（双极）I*d=2kA/IB =2 kA/0.2 kV= 10P*d=2000MW/SB =2000 MW/100 MW= 202）线路及其他参数的标幺值R*d=33.6W/ZB =33.6/2500=0.01344（4）潮流计算直流环节的初始条件按输送大约600MW功率考虑。此时令I*d=3，无功补偿两侧均取300Mvar即标幺值为3。逆变侧定熄弧角g = 15。相应交流系统的参数及运行方式从略。潮流迭代11次

18、（牛顿法）收敛，得到直流线路定熄弧角的运行方式如下：V*di=2.2141V*dj=2.1738I*d=3P*di=6.642Q*di=3.2P*dj=6.521Q*dj=-2.117cos a = 0.9174g = 15其中Q*di、Q*dj为直流线路两侧所需无功，考虑无功补偿后，实际从交流电网吸取的无功功率分别为0.2和-0.883。（5）暂态稳定计算（稳态模型）以上潮流方式为初始状态，图16中交流线路i侧0s发生单相接地故障，0.1s单相切除，1s重合成功。在稳定计算求解得到暂态过程中，直流环节电压、电流及其他量的变化见表1。表1 暂态过程中直流线路各量变化表t/sI*dV*iV*di

19、P*diQ*diV*jV*djP*djQ*dj0-3.01.08322.21416.6423.21.04932.17386.521-2.1170+2.60.60891.34113.4870.8611.00601.30613.396-4.5740.1-2.60.53541.17493.0550.80.92481.142.964-4.3180.1+3.00.92802.03616.1081.6070.96471.99585.987-1.9720.23.01.01622.14346.4302.5481.01572.10316.309-2.060.33.01.01762.14236.4272.5831

20、.01522.10206.306-2.0590.43.01.01392.13996.4202.5321.01412.09966.299-2.0570.53.01.01512.14326.4302.5281.01562.10296.309-2.059由表1可见，在短路的00.1s过程中，由于整流侧交流电压的降低，使系统运行方式转变为逆变侧定电流调节，I*d由3.0降低为2.6。故障切除电流恢复后，又转变为逆变侧定熄弧角调节，I*d重新恢复到3.0。8 交直流并列电力系统暂态和动态稳定分析和控制8.1 概述本文所提出研究的交直流并列电力系统是指在一个同步运行的交流电力系统中合有直流输电回路的系统。

21、电网之间的直流非同步互联涉及的问题较为简单，可不包含在所研究的范围之内。交直流并列电力系统的运行和控制是现代电力系统运行的关键问题，也是当前电力系统研究的主要问题之一。其中如何处理交/直流输电系统之间的相互影响，特别是在电力系统受到扰动后的暂态过程中的相互影响，对于整个电力系统运行性能的提高和交/直流输电回路输送能力的充分发挥有着重要作用。因此，为了提高对系统运行起关键作用的系统稳定性，在交直流并列运行电力系统中，无论交流部分还是直流部分，都需要采取适当措施。其中交流输电部分为了避免直流输电双极闭锁等严重故障引起交流系统失去稳定，通常要采取切机、切负荷等安全稳定措施；而直流输电部分，由于其自身

22、所具有的调节快速性、灵活性，也应能在提高整个系统的暂态和动态稳定性方面发挥重要作用。因此，我们应在研究建立相应的数学模型和计算方法的基础上，深入研究如下问题：（1）充分发挥直流输电快速调节和过负荷能力，提高并联交流输电系统的暂态稳定性。（2）研究采用适当的直流输电控制策略，提高受端系统的暂态和电压稳定性。（4）研究在直流输电控制回路加装次同步谐振（SSR）阻尼器的理论和方法，以阻尼因交流系统采用串补可能引起的SSR，同时也防止因直流输电本身存在产生的次同步振荡（SSO）现象。8.2 直流输电系统暂态功率调制在交直流输电系统并联运行的条件下，若交流输电通道发生短路故障，可能因交流通道输送功率受阻

23、，使系统稳定；或者直流输电双极运行时，单极故障失去输电能力，功率突然转移至交流输电系统，也可能使系统失去稳定。在这些情况下，都可利用直流输电的现有或短时过负荷能力，采取暂态功率调制的方法，快速提高直流输电的输送功率，减轻交流输电系统的暂态输电压力，提高系统的稳定性。图18所示为一多机交直流并联运行的电力系统。一条输送能力为1200MW的500kV长距离高压直流输电线路与一条单回500kV交流输电线路并列运行。由于输电距离较长（约1000km），500kV交流输电线路的输送能力较低。若不采取任何稳定措施，其三相瞬时短路故障的暂态稳定极限仅有700MW左右。若采用适当控制规律的暂态功率调制，则可显

24、著提高交流输电的稳定水平和输送能力。图19所示为不采取措施时，500kV交流输电线送端0.10.18s三相短路使系统稳定破坏的发电机相对功角曲线。其故障前500kV线路输送功率为727MW。图20所示为直流输电整流侧采取暂态功率调制后在相同故障条件下的发电机相对功率变化曲线。可见，在采取功率调制措施后，故障后的系统可以保持稳定。相应的控制器输出信号和调制后的直流输电功率变化分别见图21和图22。图18 多机交直流并列电力系统图19 故障后不采取措施的功角曲线图20 故障后采取暂态功率调制的功角曲线图21 故障后采取暂态功率调制的直流输电系统运行参数变化曲线图22 故障后暂态功率调制的控制参数变

25、化曲线偏差同相位的分量等于或大于旋转系统的固有阻尼转矩时，系统将出现自激。此为机电扭振互作用。在有串补电容的系统中，当fer +fn f0条件满足时（fer为电气谐振频率，fn为轴系自然扭振频率），一旦发生故障及操作等大扰动，由于在电气谐振频率fer下，系统的视在电抗Xeq0，若Req极小，很易激发很大幅度的电流分量，造成频率为fn= f0- fer的暂态电磁力矩，并由于此时机械阻尼极小，可引起较大幅度的扭振，此时即使开关跳闸，轴还将在小阻尼下作缓慢衰减的振荡，而造成疲劳损伤，影响寿命，这一现象称为暂态力矩放大作用。D装置引起的次同步扭振现象为：发电机转子上的某个轴系自然扭振频率的微小机械扰动

26、dD，将引起机端电压的幅值和相位摄动，从而引起有源快速控制装置的动作，最终造成发电机电磁力矩的摄动。一旦相位合适，会助增初始扰动d，即出现电气负阻尼，一旦其大于系统的内在机械阻尼，轴系会出现扭振不稳定。次同步振荡问题的分析主要有以下几种方法： .时域仿真分析2.扫频分析法3.特征值分析法时域仿真分析.9时域仿真分析采用EMTP（EMTDC）等时域仿真程序进行仿真分析，可分析所有的SSO问题。时域仿真的基本原理为：列出描述各元件和全系统暂态过程的微分方程（发电机描述为Park方程及多质块轴系运动方程，网络元件如电抗器、电容器等描述为常微分方程，长线描述为偏微分方程）应用数值方法进行求解。一般形成暂态等值计算网络来进行分析。其优点是：直观、逼