交直流输电系统静态电压稳定性研究.pdf

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第27卷第2期广东电力Vol_27NO．22014年2月GUANGDoNGⅡ1RICPOWERFeb．2014doi．10．3969／j．issn．1007—290X．2014．02．013交直流输电系统静态电压稳定性研究陈跃涛，程汉湘，彭琼，石信语，王刘拴，赵建青(1．广东工业大学，广东广州510006；2．广东电网公司江门供电局，广东江门529030)摘要：给出了交直流系统相互作用的简化模型，在此基础上介绍了短路比法、最大功率法和电压稳定性指标法，并以国内某在建±800kV高压直流输电工程为研究对象，利用PSCAD／EMTDC仿真软件建立仿真模型，并进行双极全压启动跟逆变侧无功动态变化仿真。理论分析跟仿真结果均表明交流系统越强静态电压稳定性越好；逆变器采用定直流电压控制时交直流系统静态电压稳定性较好，通过跟其他控制方式的配合，可较准确地模拟实际±800kV高压直流输电系统。关键词：交直流输电；电压稳定性；有效短路比；控制方式；仿真模型中图分类号：TM744文献标志码：A文章编号：1007—290X(2014)o2—0060—05StudyonStaticVoltageStabilityofAlternativeandDirectCurrentPowerTransmissionSystemsCHENYuetao，CHENGHanxiang，PENGQiong’，SHIXinyu，WANGLiushuan，ZHAOJianqing(1．GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou，Guangdong510006，China；2．JiangmenPowerSupplyBureauofGuangdongPowerGridCorporation，Jiangmen，Guangdong529030，China)Abstract：Thispaperproposesasimplifiedmodelforinteractionbetweenalternativeanddirectcurrentsystems．Meanwhile，itintroducesshortcircuitratiomethod，maximumpowermethodandvoltagestabilityindexmethodonthebasisoftheabovemode1．Takingsomedomestic±800kVhighvoltageDCpowertransmissionengineeringasstudyobjectandusingPSCAD／EMTDCsimulationsoftwaretoestablishsimulationmodel，itproceedssimulationonbipolarwithfullvoltagestartupanddy-namicchangeofreactivepowerininverterside．Theoreticalanalysisandsimulationresultindicatethatstaticvoltagestabili—tymaybebetterwithstrongerACsystem，staticvoltagestabilityofACandDCcurrentsystemsisbetterwhenusingconstantDCvoltagecontrolfortheinverter．Inaddition，bycoordinatingwithothercontrolways，itisabletobemorecorrectlysimulatepractical±800kVhighvoltageDCpowertransmissionsystem，Keywords：alternativeanddirectcurrentpowertransmission；voltagestability；effectiveshortcircuitratio；controlway；simulationmode1高压直流输电(high-voltagedirectcurrent，荡、功率失稳等方面[3]，当HVDC系统逆变侧HVDc)因其具有造价低、容量大、距离远、控制所接交流系统较弱时，这些问题将更加突出，尤其灵活等特点得到了广泛的应用卜。目前，国内外是在电压稳定性方面。交直流系统的电压稳定性问针对HVDC的研究主要集中在过电压、低频振题一直备受关注，国内外的研究已取得了不少成果，文献[5]讨论了并联交直流系统换流母线电压稳定性问题；文献E63在理论上分析了多馈入交直收稿日期：2013—08—22流系统的静态电压稳定性，但缺乏具体的仿真研基金项目：广东省教育厅电力节能与新能源技术重点实验室资助项目(IDSYS200701)；广东电网公司科技项目(K．GD2012．457)究。交直流系统电压不稳定问题往往是系统无功的 第2期陈跃涛，等：交直流输电系统静态电压稳定性研究变动引起的，它不同于纯交流和直流电网，由于直Q=T[【，sin一EUsin(8+)]．(3)流控制方式和运行方式的多样性，其研究将更加复Qd=cu。[2+COS2—cos(2)'+2)]．(4)杂，因此，深入研究并具体仿真交直流系统静态电压稳定性具有很重要的现实意义。Q。=B。U。．(5)Pd=CUEcos2y—cos(2+2)]．(6)1交直流稳定性分析，d=KU[cosy—cos(+)]．(7)1．1短路比法Ud=Pd／，d．(8)交直流系统相互作用简化模型如图1所示，它P=T—与T[UCOS一EUcos(+)]．(9)l厶l们之间存在着相互影响，其影响程度可由直流落点Pd—P=0．(10)处交流母线的短路比(shortcircuitratio，SCR)来Qd+Q。一Q。=0．(11)衡量。式(3)～(11)中：)，为关断余裕角；为换相角；C和K为与换流变压器参数及与直流系统基准值有关的两个常数。利用文献[4]提供的特征方程求解方法，可以得到7取不同值时的Pa．，曲线图，通常用其来反映直流输电电流与直流输电功率的关系。并定义当)，取y时的Pa．，a曲线为最大功率曲线。文献Pd、Qd一直流有功和无功；Ua、，d直流电压和电流；P。、[8]将最大功率曲线法从单馈人直流系统推广到多Q交流有功和无功；U／一换流站交流母线电压，为功角；馈人直流系统。虽然最大功率法计算简单且物理意一换流变压器漏抗；Q、B交流滤波器和无功补偿电容的无义明确，但其对交流系统一般用戴维南等值，模型功跟等值导纳；r一换流变压器分接头；jzl一交流系统等值阻抗，0为等值阻抗角；E()交流系统等值电势；FESCR-有效过于简化，结果与实际相比往往误差较大。短路比。1．3电压稳定性指标法图1交直流系统相互作用的简化模型换流站交流母线电压稳定性可以利用dQ／dU判据来分析。对图1所示模型系统应用dQ／dU判?'SCR定义为换流站交流母线的短路容量c与据时，有Q=一Q一Qd+Q。，当dQ／dU+额定直流功率P的比值，其计算公式为dQd／dU—dQ。／dU~O，换流站交流母线电压静态，．SCR=一PdN=—怒PdN·lzl=—南lzpuJ．‘㈩稳定；而当dQ。／dU+ded／dU—dQ。／d【，<0，换流站交流母线电压静态不稳定。文献[42定义了式中z为交流系统等值阻抗的标幺值。某一直流输送功率Pa下的dQ／dU+dQa／dU—鉴于换流站母线配置了大量的滤波和无功补偿dQ／dU为电压稳定性指标(voltagestabilityindi-设备，因此在进行计算时要按FESCR来校核，即：cator，VSI)，即r一￡二rdQd髓PdN。，VS一一dU+‘—d—U一dUQ。实际表示换流站安装的所有滤波和补偿设备的容量之和。~[+一]Pd：P．文献[7]基于不同的有效短路比将直流受端的显然当fvs>0时，换流站交流母线电压静态交流系统分为极弱系统(FESCR<1．5)、较强系统稳定，反之，则静态不稳定。对式(5)～(12)列增(1．5<，EscR<2．5)和强系统(rE>2．5)，而交流量方程，利用Jacobi矩阵方法可以求出在不同控系统越强，直流系统越能稳定运行。制方式下的rvsi特性。在运行中换流器可能的控制1．2最大功率法方式主要有：定触发角控制；定直流电流控制；定在图1的模型系统中，整个系统的特性可用方直流功率控制；定关断角控制；定直流电压控制程(3)～(11)来描述[：等。 62广东电力第27卷在实际运行中，两端换流站之间可有不同的控直流输电工程为对象，其初步相关参数见表1，表制方式组合，根据研究重点和实际要求，本文研究中，、、L、尺、a分别为额定直流电流、直流整流侧定功率逆变侧定关断角控制、整流侧定电流线路长度、平波电抗电感值、直流线路阻值和触发逆变侧定关断角控制、整流侧定电流逆变侧定电压角。控制三种组合方式。图2为rvs与P和，的关系，上述三种控制方式的VSI特性曲线分别表示表1直流工程参数为rVSl-1、rvsi-2和rvs1-3。项目数值项目数值Pe~／MW5000L／mH30()UN／kV800R／c}hm672INfA3125a／(。)12．5～17．5i磐S／km1451r／(。)17～19．5一根据工程实际情况，其交流系统条件参数见表2。经计算可知整流侧交流系统为弱系统，逆变侧交流系统为强系统。为了更好地结合本论文对模型，d(标幺值)系统的进行研究，取rESCR为2．5(较强系统)。图2rv$．与Pd和『d的关系由图2可知，整流侧定电流逆变侧定电压控制表2交流系统条件方式的电压稳定性最好，整流侧定电流逆变侧定关断角控制方式次之，整流侧定功率逆变侧定关断角控制方式最差。1．4其他方法除了上面所提到的，分析交直流输电系统静态电压稳定性的方法还有延拓法、崩溃点法、非线性规划法等。延拓法利用预测校正技术，根据指定的本文所建立的±800kV高压直流输电系统]可行运行方式变化来搜索潮流方式解的路径。通过整体控制结构如图3所示。求解增广潮流方程可以得到穿越潮流Jacobi矩阵奇异点的解曲线，不会碰到病态数值困难问题，从而求出静态电压稳定极限。崩溃点法可以求得系统电流电流指令指令崩溃点处的零特征根所对应的左右特征向量，利用．1整流侧极=二二二二二二二逆变侧极一左特征向量作为新的控制方向来修正负荷增长方——_T一逆变侧至整流——_T一整流控l侧电流参考值l逆变控式，直至获得所有负荷增长方式下最临近崩溃的功制信号ll制信号参考值II参考值率极限点。非线性规划法的基本思路为把单一直流控制方式交直流系统静态电压稳定问题作为一个静】阀控Il阀阀控态非线性优化问题来求解，其目标是在满足系统各阀阀lf控阀I阀控种约束的情况下如何确定电力系统负荷增量的最大组组Il制组I组制12ll信3l4信值。触触发lJI号测触发I触号发发测E根据本文研究重点，综合运用上面分析方法仿脉脉Il量脉l脉里冲冲ll值冲l冲值真研究交直流静态电压稳定性。特高压直流输电系统2仿真研究图3±800kV高压直流输电系统整体控制结构以国内某在建±800kV双12脉动串联形式的直流控制系统分为双极控制层、极控制层和阀 第2期陈跃涛，等：交直流输电系统静态电压稳定性研究组控制层。双极层跟极层之间的交换信号主要是极要，控制部分还加入了极解闭锁、低压限流、电流电流／功率指令，极层和阀组层之间的交换信号主要偏差、分接头等控制逻辑[]。是电流指令和控制信号，而阀组层之间则相互独立。双极层功能在直流站控中实现，其接收运行人⋯员的指令，产生双极功率参考值，并通过控制总线直流电压“下发给极控层。极控制层功能完成与极相关的控制图6定电压控制逻辑功能，从双极控制层接受极电流／功率参考值，进一步产生换流层闭环控制所需要的直流电流、直流3仿真结果分析电压、熄弧角控制信号参考值。阀组层功能完成对12脉动换流阀组的高速闭环控制，主要包括直流电3．1双极全压启动流控制、直流电压控制和熄弧角控制等，在本模型对本文所搭建的±800kV高压直流输电系统中，与之相对应每个极的控制系统中具有两个阀控进行双极全压启动仿真，逆变侧交直流电压波形如单元。它们逻辑上互相独立，可以实现各阀组的投图7所示。开始运行100ms后逆变侧先解锁，整入退出，并根据触发角得到各自阀组的触发脉冲。流器在检测到逆变侧解锁信号后解锁，系统在经过在控制策略方面l_1¨]，选取整流侧定电流逆约300ms后进入稳态运行。图中系统逆变侧交流变侧定电压控制方式，为了更好模拟实际系统，整电压约为500kV，直流电压约为800kV，正负极流运行时选取电流控制误差信号和电压控制误差信直流电压基本对称，可见所建系统的正确性。号中的最小值作为调节器的输入。逆变运行时选择电流控制误差信号和电压控制误差信号及熄弧角控堇6o0400制误差信号中的最大值作为调节器的输入。雹2o0定电流控制输入电流整定值和电流测量值的偏>出口媾蕈差，由这个偏差驱动比例一积分(proportioninte．加∞加加∞加gration，PI)控制器得到的输出作为触发角的指令时间／s鼻时间／s值a。其控制逻辑如图4所示。(a)交流电压波形(b)直流电压波形图7双极全压启动仿真结果÷恒叶触发角3．2逆变侧交流系统无功变动直流电流“为了验证所建系统的静态电压稳定性，本文对图4定电流控制逻辑逆变侧交流母线的无功动态变化进行仿真。仿真从稳态运行开始，在1．2S、2．5S、3．8S时逆变侧交通过从直流系统测得的逆变侧y角的上一个流母线分别投入300Mvar容量、切除600Mvar周期最小值作为关断角y的测量值。本系统中y容量、投人500Mvar容量无功补偿电容，持续时角整定为18。，最大偏差设定为31。，其控制框图间为300ms。仿真结果如图8所示。如图5所示。姜堇关断角差值,gm~(90。)煺媛—堕r触发角匿压§关角定关角控一n(。。)划整定值制限制值时间／s图5定关断角控制逻辑(a)交流电压波形(b)直流电压波形图8逆变侧交流系统无功变化仿真结果定电压控制基本原理跟定电流控制原理相同，其控制逻辑框图如图6所示。此外，根据效果需由图8可知，当逆变侧交流系统母线无功发生 广东电力第27卷4—9．变化时，逆变侧交直流电压发生相应的变化，投入儿Daqian，LIUZehong，YINWeiyang，eta1．SimulationA-无功补偿电容，电压上升，切除无功补偿电容，电nalysisonOvervoltageInsideHigh—EndValveHallof±800压下降。当逆变侧交流系统母线无功恢复后，系统kVUHVDCProject~J]．PowersystemTechnology，2012，36恢复正常运行，在恢复过程中，正负极双12脉动(12)：54—59．换流器运行保持较好的一致。此外，当逆变侧交直[43徐政．交直流电力系统动态行为分析[M]．北京：机械工业出流电压上升或下降时，触发角通过减小或增大角度版社，2004．E53徐梅梅，李兴源，白加林，等．交直流并联系统的换流母线电来控制系统，如图9所示，使系统能动态跟随无功压稳定性分析_J]．电力系统自动化，2009，33(7)：6—10的变化。由此可见，所建模型交直流系统静态电压XUMeimei，LIXingyuan，AnalysisonVoltageStabilityat稳定性良好。CommutationBusesofParallelAc／DCPowerSystems[J]．AutomationofElectricPowerSystems，2009，33(7)：6-10．[6]YUANWeipeng，ZHANGYao．StudyoftheStaticVoltageStabilityinMulti—InfeedAc／DcSystem[c]∥I哑／PEsg-．TransmissionandDistributionConference&ExhibitionAsiaandPacificDalian，China：1S．1．，2005．E7]IEEEStd1204-1997，IEEEguideforplanningDCLinksTerminatingatACLocationsHavingLowShortCircuitCa-时间／spacifies[S]．图9触发角[83THIERRYVC，VOUMASCVoltageStabilityofElectricPowerSystem[M]．Beijing：PublishingHouseofElectronic4结束语Industry，2008．[9]DL／T54262009，±800kV高压直流输电系统成套设计规本文首先介绍了短路比法、最大功率法和电压程SI．稳定性指标法在分析交直流系统静态电压稳定性的[1O3周君文，刘涛，李少华．云广特高压工程控制系统功能分布应用。采用PSCAD／EMTDc仿真程序建立仿真模研究_J]．电力系统保护与控制，2009，37(10)：70—75ZH0UJunwen，LIUTao。LIShaohua．ResearchonControl型，通过理论分析跟仿真验证得出如下结论：FunctionsinUHVDCsystem[J]．PowerSystemProtectiona)交流系统越强，即rESC越大，直流系统越andControl，2009，37(10)：70-75能稳定运行。[11]张爱玲．溪洛渡送电广东同塔双回直流输电工程控制保护策b)换流站交流母线电压稳定性的分析可以利略研究IJ]．电力系统保护与控制，2011，39(9)：72—76用电压稳定性指标rvs，当rvs。>0时，换流站交ZHANGAiling．StudyofControlandProtectionStrategiesforXiluodu—GuangdongDoubleHVDCSystemsErectedon流母线电压静态稳定，反之，则静态不稳定。theSameTowerLJJ．PowerSystemProtectionandControl，c)逆变侧采用定电压控制方式更有利于系统2011，39(9)：72-76的静态电压稳定性，运用于实际系统效果理想。E12]段立立．含宁东直流的山东电网交直流系统PSCAD建模与d)所建立的高压直流输电系统仿真模型能很仿真[D]．保定：华北电力大学，2012．好模拟±800kV高压直流输电系统，具有较好的可信度。参考文献：作者简介：[1]赵畹君．高压直流输电工程技术I-M]．北京：中国电力出版社，陈跃涛(1988)，男，广东揭阳人。在读硕士研究生，研究方向2004．为电力系统及其自动化。[2]温家良，吴锐，彭畅，等．直流电网在中国的应用前景分析程汉湘(1957)，男，湖北武汉人。工学博士，教授，主要从事[J]．中国电机工程学报，2012，32(13)：7—12．电力等相关领域的科研和教学工作。WENJialiang，WURui，PENGChang，eta1．AnalysisofDC彭琼(1987)，女，湖南邵阳人。在读硕士研究生，研究方向为GridProspectsinChinaEJ]．ProceedingsoftheCSEE，2012，电力系统及其自动化。32(13)：7-12．[3]姬大潜，刘泽洪，殷威扬，等±800kV直流输电工程高端(编辑王朋)阀厅内部过电压仿真分析rJ_．电．网技术，2012，36(12)：