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新型多端直流输电系统的运行与控制

陈谦  
【摘要】: 随着交流电力系统的发展其固有的一些缺点也逐渐显现出来例如交流远距离输电的稳定性问题等而传统直流输电在某些领域具有交流输电不可比拟的优势例如远距离输电大系统非同步互联等因此二十世纪60年代以后基于相控换流器PCC传统直流输电获得了长足的发展并发展为当前交直流互联电网并且在未来的电力系统中仍将有很大的发展空间但是传统直流输电仍有许多不足之处例如不能向小容量交流系统及不含旋转电机的负荷供电换流器产生的谐波次数低容量大换流器吸收较多的无功功率换流站投资大等因而基于PCC技术的传统HVDC输电虽是一门成熟的技术但在与交流输电的竞争中处于不利地位其应用领域局限在220kV及以上电压等级的远距离大容量输电海底电缆输电及不同额定频率或相同额定频率交流系统间的非同步互联等方面 新型直流输电(VSC-HVDC)技术是指采用全控型功率半导体器件的电压源换流器的直流输电技术上个世纪90年代以来采用VSC的新型直流输电技术得到了迅速发展并且已有实际两端系统投入商业运行因此本文将主要致力于研究基于VSC换流器的新型多端系统的运行与控制问题  由于VSC-MTDC是由VSC换流器构成的多端直流系统因此它不仅具有上文所述的两端VSC-HVDC系统的特点而且具有多端系统(MTDC)的经济灵活等特点虽然多端系统比两端系统具有更高的经济性与灵活性但是多端系统的运行控制更为复杂另外与两端系统不同的是通常MTDC系统还需要设置上层控制器上层控制的作用是在稳态运行状态下根据系统潮流变化为系统中各个换流器提供优化后的指令值在非正常运行状态下如直流侧故障或交流侧故障后上层控制根据系统结构与运行参数的变化协调系统进入正常工作状态 本文首先建立了dq0坐标下VSC换流器静态模型并针对该模型设计了带有前馈环节的PI控制器该换流器模型不仅考虑了换流损耗而且交直流相互解耦非常有利于工程控制实现这是采用这种模型的一个重要优点随后以该模型为基础分别研究了与有源交流网络或与无源交流网络相联的VSC控制系统并为这些VSC-HVDC换流器设计了相应的本地控制器该控制方案具有线性解耦的特点 其次本文研究并总结了多种多端系统并联运行的方式并针对不同运行模式下的VSC换流器进行了控制器参数设计经过总结与分析提出了适用于VSC-MTDC的两种运行模式,即电压下降方式和主从式控制方式并提出了一种改进的多点直流电压控制方法该多点直流电压控制方法结合了电压下降方式和主从式控制方式的优点不仅可以改善直流电压的质量而且可以提高换流器利用率 接着本文针对不同的换流器并联运行模式研究了多端VSC系统运行调节问题并进行了相应的上层控制器设计 随后本文研究了包含VSC换流器的交直流混合潮流计算问题本文在综合VSC-HVDC的工作原理及控制方式的基础上导出了适用于新型HVDC系统潮流计算的稳态数学模型推导了换流器等效注入功率的计算方法并针对多端直流系统设计了交直流潮流交替计算方法采用交替算法的交直流潮流程序具有结构清晰编程简单程序通用性好等特点但是由于没有考虑交直流系统的相互耦合因此收敛性较差计算效率较低因此文中设计了改进的交直流潮流统一计算方法该方法既简化了编程又提高了程序的收敛性实际算例证明了这些模型和算法的正确性及有效性但是由于直流系统方程求解困难因而改进的交直流潮流统一潮流算法应用受到了一定限制因此作者进一步提出了改进的交替求解法该方法不仅具有统一法和交替法的优点而且具有较强的适应性以及较高的计算效率 最后作者研究了并联系统的静态稳定性以及运行问题文中阐述了多端系统静态稳定问题的实质随后引入了混合势函数的概念并将其扩展到多端VSC-HVDC系统VSC-MTDC稳定性的分析该势函数可以视为一种李雅普诺夫能量函数通过李雅普诺夫第二类稳定性判别准则就可以判定电路是否稳定该方法不仅对理论研究具有参考价值而且对于具体的工程设计也提供了一种实用的判定准则此外本文对VSC多端系统的运行与保护特点也进行了初步的研究与探讨 


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