交直流混联系统的潮流

1、4-3 交直流混联系统的潮流计算方法交直流混联系统的潮流计算方法计算方法：计算方法：1.统一迭代法（联合求解法）统一迭代法（联合求解法） 以极坐标形式下的牛顿法以极坐标形式下的牛顿法为基础，将交流节点电压的幅值和相角与直流系统中的为基础，将交流节点电压的幅值和相角与直流系统中的直流电压、直流电流、换流器变比、换流器的功率因素直流电压、直流电流、换流器变比、换流器的功率因素及换流器控制角统一进行迭代求解。及换流器控制角统一进行迭代求解。2.交替迭代法交替迭代法 在迭代过程中，将交流系统方程和直流系在迭代过程中，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，将直流统方程分别进行求

2、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和无功功率的负荷系统用接在相应节点上的已知其有功和无功功率的负荷来等值。而在求解直流系统方程时，将交流系统模拟成来等值。而在求解直流系统方程时，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。加在换流器交流母线上的一个恒定电压。1. 标幺值下的换流器基本方程标幺值下的换流器基本方程基本关系基本关系 dBdBdBdBdBdBIUPIRU功率取功率取 电压取电压取 BTBtdB23UknU有有 BBBdB3IUSPB2tcBcBtdBdBdBBTBtdBdBdBTB636ZknXXnIURIknUPI*d* t* t*d* t*T

3、*dcoscosIkkIUkkUIXUkUTTdcd2. 潮流计算方程式潮流计算方程式输电方式的发展输电方式的发展电力工业萌芽阶段，以爱迪生（电力工业萌芽阶段，以爱迪生（18471931）为代表的直）为代表的直流派主张从发电到输电都采用直流，以西屋（流派主张从发电到输电都采用直流，以西屋（18461914）为代表的交流派则主张从发电到输电都采用交流。为代表的交流派则主张从发电到输电都采用交流。由于多台发电机同步运行问题的解决以及变压器、三相感由于多台发电机同步运行问题的解决以及变压器、三相感应电动机的发明和完善，交流系统在经济技术上优越性日应电动机的发明和完善，交流系统在经济技术上优越性日益突

4、出，以致取得主导地位。益突出，以致取得主导地位。如今，直流输电技术进一步发展，优势也逐步体现，如今，直流输电技术进一步发展，优势也逐步体现，HVDC（High Voltage Direct Current）在世界各大电力系）在世界各大电力系统中应用渐增，使得现代电力系统成为交流中包含直流输统中应用渐增，使得现代电力系统成为交流中包含直流输电系统的交直流混联系统。电系统的交直流混联系统。我国第一条大型直流输电线路工程葛洲坝到上海我国第一条大型直流输电线路工程葛洲坝到上海500kV、1080km高压直流输电线路已于高压直流输电线路已于1990年投入运行年投入运行2000年年500kV、1800MW

5、天生桥广州超高压直流输电天生桥广州超高压直流输电线路投入运行，线路全长线路投入运行，线路全长980km。2003年年500kV、3000MW三峡常州超高压直流输电线三峡常州超高压直流输电线路投入运行，线路全长路投入运行，线路全长890km。由于我国幅原辽阔，一次能源分布不均衡，动力资源与重由于我国幅原辽阔，一次能源分布不均衡，动力资源与重要负荷中心距离很远，因此我国的送电格局是要负荷中心距离很远，因此我国的送电格局是“西电东送西电东送”和和“北电南送北电南送”。荆州至惠州博罗响水镇荆州至惠州博罗响水镇500kV、3000MW、940km线路，线路，安顺至肇庆安顺至肇庆500kV、3000MW、

6、980km线路，三峡至上线路，三峡至上海练唐海练唐500kV、3000MW、940km线路、陕西至河南灵线路、陕西至河南灵宝、邯郸至新乡等多条高压直流输电陆续投入运行。宝、邯郸至新乡等多条高压直流输电陆续投入运行。2010年年6月月18日云广特高压日云广特高压800kV直流输电工程双极竣直流输电工程双极竣工投产，这是西电东送项目之一，也是世界首条工投产，这是西电东送项目之一，也是世界首条800kV直流输电工程，该输电线路工程西起自云南楚雄变电站，直流输电工程，该输电线路工程西起自云南楚雄变电站，经过云南、广西、广东三省辖区，东止于广东曾城穗东变经过云南、广西、广东三省辖区，东止于广东曾城穗东变

7、电站。电站。显然，我国已跨入交直流混合大电网时代。显然，我国已跨入交直流混合大电网时代。直流输电的主要优点直流输电的主要优点1.线路造价低。导线电流密度相同的情况下，输送同样的功线路造价低。导线电流密度相同的情况下，输送同样的功率三相交流输电需三根导线，而直流输电仅需两根导线。率三相交流输电需三根导线，而直流输电仅需两根导线。因而节省了材料，并减少了线路功率损耗（约少因而节省了材料，并减少了线路功率损耗（约少1/3)2.交流输电的主要问题之一是稳定性问题，大容量长距离输交流输电的主要问题之一是稳定性问题，大容量长距离输电将使线路建设投资大大增加。直流输电不仅不存在稳定电将使线路建设投资大大增加

8、。直流输电不仅不存在稳定性问题，与交流输电线路并列运行时还能提高交流系统的性问题，与交流输电线路并列运行时还能提高交流系统的稳定性。直流输电系统可以联结两个不同步或者频率不同稳定性。直流输电系统可以联结两个不同步或者频率不同的交流系统。的交流系统。系统运行的稳定性系统运行的稳定性电力系统中的各同步发电机只有在同步运行电力系统中的各同步发电机只有在同步运行( (即所有发电机以相同的速即所有发电机以相同的速度旋转且转子相对角差较小度旋转且转子相对角差较小) )状态下，才能使送出的电功率为定值，状态下，才能使送出的电功率为定值，并维持系统中任何点的电压、频率和功率潮流为定值。如果某些并维持系统中任何

9、点的电压、频率和功率潮流为定值。如果某些发电机之间不能维持同步运行，其送出的电功率以及相应节点的发电机之间不能维持同步运行，其送出的电功率以及相应节点的电压及相应线路的潮流将发生大幅度的周期性振荡，如果失去同电压及相应线路的潮流将发生大幅度的周期性振荡，如果失去同步的机组之间不能迅速恢复同步，系统的供电质量就无法继续保步的机组之间不能迅速恢复同步，系统的供电质量就无法继续保证，即电力系统失去了稳定运行的状态。证，即电力系统失去了稳定运行的状态。3.利用现代控制技术，直流输电通过对换流器的利用现代控制技术，直流输电通过对换流器的控制可以快速地（毫秒级）调整线路上的功率，控制可以快速地（毫秒级）调

10、整线路上的功率，从而提高交流系统的稳定性。从而提高交流系统的稳定性。4.无充电电流，不需为了抑制容性电压升高而并无充电电流，不需为了抑制容性电压升高而并联电抗器补偿。这点对于海底电缆长距离输电联电抗器补偿。这点对于海底电缆长距离输电意义特别重要。意义特别重要。5.可限制短路电流，线路短路暂态过程中电流不可限制短路电流，线路短路暂态过程中电流不会超过会超过2倍额定直流值倍额定直流值直流输电的主要缺优点直流输电的主要缺优点1.换流站造价高换流站造价高2.要消耗较大的无功功率要消耗较大的无功功率3.换流装置在交流侧和直流侧都要产生谐波电压换流装置在交流侧和直流侧都要产生谐波电压和电流，使变压器和电容

11、器产生附加损耗和发和电流，使变压器和电容器产生附加损耗和发热，并对控制和通信带来干扰热，并对控制和通信带来干扰4.没有过零点，熄弧困难，还没有成熟的高压直没有过零点，熄弧困难，还没有成熟的高压直流断路器流断路器直流输电的主要缺点：换流站的投资大。然而增直流输电的主要缺点：换流站的投资大。然而增加的这部分投资可因线路投资小而得到补偿。加的这部分投资可因线路投资小而得到补偿。 交、直流系统输电功率相交、直流系统输电功率相同的情况下，直流输电达到同的情况下，直流输电达到一定距离时，建设换流站多一定距离时，建设换流站多花费的投资恰好被直流输电花费的投资恰好被直流输电线路节省的投资完全补偿，线路节省的投

12、资完全补偿，则称这个距离为交、直输电则称这个距离为交、直输电的等值距离。随着电力电子的等值距离。随着电力电子技术的进步，直流输电技术技术的进步，直流输电技术的关键元件换流阀的耐压值的关键元件换流阀的耐压值和过流量大大提高，造价大和过流量大大提高，造价大幅下降，直流输电经济性优幅下降，直流输电经济性优势日益显著。势日益显著。高压直流输电主要用于高压直流输电主要用于:1.远距离大功率输电；远距离大功率输电；2.海底电缆输电（如向海岛输电）；海底电缆输电（如向海岛输电）；3.通过地下电缆向大城市供电；通过地下电缆向大城市供电；4.交流系统互连。不同额定频率系统间或非同步运行的系交流系统互连。不同额定

13、频率系统间或非同步运行的系统联络（既要实现联网又要保持各自相对独立性）；统联络（既要实现联网又要保持各自相对独立性）；5.配合新能源发电。如风力发电、太阳能发电等这些发电配合新能源发电。如风力发电、太阳能发电等这些发电方式不能保证工业频率，需先整流成直流传输然后逆变方式不能保证工业频率，需先整流成直流传输然后逆变成工频交流，以实现与交流系统并联运行成工频交流，以实现与交流系统并联运行 所谓所谓直流输电直流输电是将发电厂发出的交流电用整流器变是将发电厂发出的交流电用整流器变换成直流，经直流线路送至受端，再经逆变器变换换成直流，经直流线路送至受端，再经逆变器变换成三相交流后送往用户。成三相交流后送

14、往用户。4.2 直流输电的基本原理直流输电的基本原理最简单的直流输电系统，它由直流输电线路、两最简单的直流输电系统，它由直流输电线路、两端的换流站组成。端的换流站组成。换流站中主要设备有：换流器、换流变压器、平换流站中主要设备有：换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿设备和断路器。设备和断路器。功率传输从交流系统功率传输从交流系统1开始，经整流变压器送入整开始，经整流变压器送入整流器变成直流；然后通过直流输电线路送至逆换流器变成直流；然后通过直流输电线路送至逆换流器，变成三相交流后再经逆换流变压器送给交流器，变成三相交流后再经

15、逆换流变压器送给交流系统流系统2。显然，直流线路输送的完全是有功功率。显然，直流线路输送的完全是有功功率。换流变压器换流变压器的作用是通过调节其变比可方便地控制系统的的作用是通过调节其变比可方便地控制系统的运行状态。运行状态。滤波器滤波器的作用是抑制换流器运行时产生的谐波电压和谐波的作用是抑制换流器运行时产生的谐波电压和谐波电流，以保证电能质量。电流，以保证电能质量。平波电抗器平波电抗器（电感值很大）的作用是减小直流线路中的谐（电感值很大）的作用是减小直流线路中的谐波电压和谐波电流；保证直流电流在轻负荷时的连续，在波电压和谐波电流；保证直流电流在轻负荷时的连续，在直流线路发生短路时限制整流器中

16、的短路电流峰值。直流线路发生短路时限制整流器中的短路电流峰值。无功补偿装置无功补偿装置的作用是为换流器提供无功电源，因为换流的作用是为换流器提供无功电源，因为换流器运行时需要从交流系统吸收大量的无功功率，其稳态时器运行时需要从交流系统吸收大量的无功功率，其稳态时吸收的无功约为直流线路输送的有功的吸收的无功约为直流线路输送的有功的50，暂态过程更，暂态过程更多。多。换流器换流器的功能是把三相交流电变换成直流电或直流电变换成三相交流的功能是把三相交流电变换成直流电或直流电变换成三相交流电，前者称为整流，后者称为逆变。相应的换流设备称为整流器和逆电，前者称为整流，后者称为逆变。相应的换流设备称为整流

17、器和逆变器。换流器中最基本的元件是阀元件，现代高压直流输电系统所用变器。换流器中最基本的元件是阀元件，现代高压直流输电系统所用的阀元件为普通晶闸管。为了满足所需的电压和电流需要，用于直流的阀元件为普通晶闸管。为了满足所需的电压和电流需要，用于直流输电的换流器可由一个或多个换流桥串并联组成，换流桥为三相桥式输电的换流器可由一个或多个换流桥串并联组成，换流桥为三相桥式换流电路，有换流电路，有6个桥臂，桥臂由阀元件组成。个桥臂，桥臂由阀元件组成。 触发角触发角=0时（阀阳极电压一旦高于阴极电压，便立即在阀时（阀阳极电压一旦高于阴极电压，便立即在阀控制极上加触发脉冲，使阀立即导通。控制极上加触发脉冲，

18、使阀立即导通。 ）：）：触发延迟角触发延迟角0时（阀电压为正后延迟一段时间时（阀电压为正后延迟一段时间再加触发脉再加触发脉冲，即阀延时导通。冲，即阀延时导通。 ）：）：高压直流输电的运行方式高压直流输电的运行方式 尽管直流系统只输送有功功率，但同时整流器（其尽管直流系统只输送有功功率，但同时整流器（其00,900）和逆变器（其）和逆变器（其900,1800）都要从交流系）都要从交流系统吸收无功功率。统吸收无功功率。PtdcjQtdc为直流系统从交流系统抽出为直流系统从交流系统抽出功率，功率， PtsjQts为交流系统注入功率。为交流系统注入功率。交直流混联系统潮流计算数学模型交直流混联系统潮流

19、计算数学模型基本思路基本思路是先将所有换流器及其后的直流系统用从换流是先将所有换流器及其后的直流系统用从换流器所连接的直流节点抽出或注入的功率器所连接的直流节点抽出或注入的功率PtdcjQtdc等值，等值，从而使混联系统等效成为一个纯交流网络，然后用纯交从而使混联系统等效成为一个纯交流网络，然后用纯交流系统的潮流计算方法求解流系统的潮流计算方法求解 换流器是直流输电的核心设备，其基本单元是由换流器是直流输电的核心设备，其基本单元是由6个换流阀组成的三相个换流阀组成的三相6脉波整流桥，现代直流输电脉波整流桥，现代直流输电换流器的典型结构是由换流器的典型结构是由2个个6脉波整流桥串联组成的脉波整流

20、桥串联组成的12脉波换流器，脉波换流器， 换流器只能单相导通，交流系统换流器只能单相导通，交流系统1向交流系统向交流系统2输送电能时，输送电能时，C1相当相当于电源，于电源，C2相对于负载，设直流线路电阻为相对于负载，设直流线路电阻为R，可知线路电流为：，可知线路电流为：输送和接收的功率为：输送和接收的功率为：直流线路电阻所消耗功率为：直流线路电阻所消耗功率为：Pd1Pd2多桥换流器基本方程（输出的直流电压与交流电压及触发角的关系）多桥换流器基本方程（输出的直流电压与交流电压及触发角的关系）RVVIddd21ddddddIVPIVP2211dctdtTtdILnVknV3cos23流的基波分量

21、器一次侧线电压和线电分别表示交流系统变压和弧超前角，对逆变器而言则是熄后角对整流器而言是触发滞为换流变压器等值电感为换流变压器变比；为桥数；ttdcTtIVLkn直流系统电压、电流的调节可以采用以下两种途直流系统电压、电流的调节可以采用以下两种途径。径。1. 调节触发滞后角调节触发滞后角（整流器）或熄弧超前角（整流器）或熄弧超前角（逆（逆变器）。即通过加到控制极变器）。即通过加到控制极(或控制栅或控制栅)的控制脉冲的控制脉冲的相位对电压、电流进行调节，这种调节称控制的相位对电压、电流进行调节，这种调节称控制极调节。极调节。2.调整换流变压器的分接头改变变压器变比调整换流变压器的分接头改变变压器

22、变比kT，以，以及改变交流系统电压及改变交流系统电压Vt1、 Vt2 。这种方法调节速。这种方法调节速度慢，只做为辅助的调节手段。度慢，只做为辅助的调节手段。可见直流输电线路输送的电流和功率由两端的直流电压所可见直流输电线路输送的电流和功率由两端的直流电压所决定，与两端交流系统的频率和电压相位无关。决定，与两端交流系统的频率和电压相位无关。因此可直接通过调节换流桥的触发角（因此可直接通过调节换流桥的触发角（1、2）来快速（可达）来快速（可达110ms）调整两端直流电压的大小，进而调整传输电流和功率。这）调整两端直流电压的大小，进而调整传输电流和功率。这样，由于没有稳定性约束，而且这种调整过程完

23、全是由电子设备样，由于没有稳定性约束，而且这种调整过程完全是由电子设备完成的，因此比交流输电方式更迅速，而且调整幅度更大。可长完成的，因此比交流输电方式更迅速，而且调整幅度更大。可长距离输送大容量的电能。距离输送大容量的电能。电力系统发生紧急功率缺口时应对更灵活快捷。电力系统发生紧急功率缺口时应对更灵活快捷。电力系统暂态过程中，当快速大幅度调整输送功率时，交流系统电力系统暂态过程中，当快速大幅度调整输送功率时，交流系统的原动机并不立即承担全部功率增量，只是系统频率发生相应变的原动机并不立即承担全部功率增量，只是系统频率发生相应变化。系统化。系统1频率下降，系统频率下降，系统2频率升高，相当于先将系统频率升高，相当于先将系统1中所有转中