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新型混合双馈入直流输电系统的基础特性研究

郭春义  
【摘要】:传统电网换相高压直流输电(Line-Commutated-Converter High Voltage Direct Current, LCC-HVDC)以其技术上和经济上的独特优势,目前在世界范围内得到了广泛的应用。而大功率全控电力电子器件的进步和规模化可再生能源的开发,使得电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC)得到了快速发展。因此,在未来的电网中将形成由VSC-HVDC和LCC-HVDC构成的混合双馈入或多馈入直流输电系统的格局,给未来电网的安全稳定控制带来了新的机遇和挑战。所以,需要深入研究分析该混合双馈入或多馈入直流输电系统的运行机理。论文针对由LCC-HVDC和VSC-HVDC组成的混合双馈入直流输电系统进行全面深入的基础研究。 1) LCC-HVDC和VSC-HVDC的控制策略和运行特性研究 为了研究混合双馈入直流输电系统的运行机理,分别对LCC-HVDC系统和VSC-HVDC系统的控制策略和运行特性进行了研究。针对LCC-HVDC系统,从短路比(Short Circuit Ratio, SCR)、最大传输有功功率(Maximum Available Power, MAP)、暂态过电压(Transient Overvoltage, TOV)、换相失败免疫性指标(Commutation Failure Immunity Index, CFII)和故障恢复特性多个方面出发,对LCC-HVDC系统的稳态和暂态运行特性进行了全面的分析。结果表明,交流系统的强度是影响LCC-HVDC系统运行特性的关键因素。 对于VSC-HVDC系统,利用坐标变换和变量代换提出了一种可以实现有功功率和无功功率解耦的控制策略,设计了相应的控制器,并推导出在该控制策略下VSC-HVDC的有功功率和无功功率的传输极限。从圆特性出发,从理论上证明了所设计的控制器可以实现有功功率和无功功率的独立控制。基于Hooke and Jeeves算法对控制器的参数进行了优化。PSCAD/EMTDC下的仿真结果表明,采用优化后的PI控制参数,系统性能得到很大改善;而且所设计的控制器可以实现有功功率和无功功率的独立控制,并具有快速的响应速度、良好的稳定性和较好的鲁棒性。 2)受端系统为有源网络时混合双馈入直流输电系统的运行机理研究 首先建立了混合双馈入直流输电系统供电有源网络的模型,设计了LCC-HVDC和VSC-HVDC的协调控制策略,并仿真分析了稳态运行特性。然后建立了由两条LCC-HVDC组成的传统双馈入直流输电系统的模型,从短路比SCR、最大传输有功功率MAP、暂态过电压TOV、换相失败免疫性指标CFII和故障恢复特性出发,对比研究了混合双馈入直流输电系统和传统双馈入直流输电系统在稳态和动态情况下的运行特性。结果表明,混合双馈入直流输电系统中的VSC-HVDC子系统,可以有效地调节公共交流母线处的电压稳定性,增加LCC-HVDC子系统的最大传输有功功率,降低LCC-HVDC子系统的暂态过电压,而且可以增强LCC-HVDC对换相失败的免疫能力,加快LCC-HVDC的故障恢复速度,最终改善LCC-HVDC系统的运行稳定性。 3)混合双馈入直流输电系统中VSC-HVDC对LCC-HVDC系统性能的影响 基于最大功率曲线MPC和最大传输有功功率MAP的概念,提出了视在短路比增加量(Apparent Increase in Short Circuit Ratio, AISCR)的指标,来定量描述混合双馈入直流输电系统中VSC-HVDC系统对LCC-HVDC系统运行性能改善的程度。然后基于“等效运行特性”的思想,建立了短路比增加后的独立运行的LCC-HVDC系统,从最大传输有功功率MAP、暂态过电压TOV、换相失败免疫性指标CFII以及故障恢复特性出发,对比研究了混合双馈入直流输电系统和独立运行的LCC-HVDC系统之间的稳态和暂态特性。为了进一步验证AISCR的有效性,针对TOV和CFII特性进行了更加深入的研究。结果表明,所提出的视在短路比增加量AISCR,可以用来描述VSC-HVDC对LCC-HVDC稳态特性的改善程度,但是对于暂态特性并不能准确的描述。 4)受端系统大停电后电网恢复初期混合双馈入直流输电系统的运行机理研究 基于LCC-HVDC系统和VSC-HVDC系统的技术特点,提出受端电网大停电后电网恢复初期利用混合双馈入直流输电系统向无源网络供电的思想,并在PSCAD/EMTDC环境下建立了相应的模型。提出利用VSC-HVDC启动LCC-HVDC的原理,以及混合双馈入直流输电系统供电无源网络时的控制策略。而且,深入分析了VSC-HVDC与LCC-HVDC之间相互作用的机理。为了研究混合双馈入直流输电系统供电无源网络时的稳态和暂态特性,在PSCAD/EMTDC环境下分别对VSC-HVDC启动LCC-HVDC的动态过程和公共交流母线发生故障时混合双馈入直流输电系统的动态恢复特性进行了仿真研究。结果证明,借助VSC-HVDC系统,可以使LCC-HVDC成功启动,从而实现了受端系统大停电后电网恢复初期混合双馈入直流输电系统对无源网络系统的供电;同时该系统在公共交流母线故障下具有良好的故障恢复特性。


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