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高压直流输电系统换相失败连锁反应的阻断方法研究

肖超  
【摘要】:电网换相换流器高压直流输电(Line-commutated converter based high-voltage direct-current,LCC-HVDC)凭借其功率调节迅速灵活、传输容量大、损耗小、传输距离不受同步运行稳定性限制等优势,在大区电网互联、远距离大容量输电等领域得到了广泛应用。随着大容量直流输电规模的不断增长,交直流、送受端之间的耦合影响日趋紧密,单一电网故障可能在直流系统的动态响应下传导、放大,进而引发一系列连锁故障反应。换相失败是高压直流输电系统运行中的常见故障,若换相失败未得到有效抑制,将可能引发连续换相失败甚至造成直流闭锁,以上连锁反应将给交流系统带来巨大的有功和无功冲击,严重威胁交直流系统安全稳定运行,亟需通过有效的阻断方法避免换相失败连锁反应带来的影响。充分挖掘直流系统自身和外部可控设备的控制能力,提升直流系统对换相失败连锁反应的阻断能力对于保障电网安全运行具有重要意义。为此,本文针对直流系统换相失败连锁反应的阻断方法进行了深入研究,从预防换相失败、阻断连续换相失败和抑制连续换相失败对交流系统带来的影响三个层次开展研究工作,主要完成以下几方面内容:(1)为克服现有换相失败预防控制参数缺乏定量选取依据的问题,从换相失败预防控制的启动电压和触发角调节量两方面对现有换相失败预防控制进行了优化改进。首先,计及换相过程直流电流的动态变化和故障发生时刻对换相过程的影响,结合直流系统控制响应特性方程推导了临界换相电压的计算式;其次,根据满足受端交流电压跌落下的换相裕度控制需求,建立了逆变站触发角调节量计算方法;最后,基于所得临界换相电压和触发角调节量计算方法优化现有换相失败预防控制。(2)为避免受端交流系统电压跌落导致LCC-HVDC系统发生连续换相失败,针对混合双馈入直流系统中的连续换相失败抑制问题进行了研究,并提出了两种控制方法:1)为量化混合双馈入直流系统中电压源换流器高压直流输电(Voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统逆变站在受端故障期间的无功控制量及其对LCC-HVDC连续换相失败的抑制能力,提出了基于VSC-HVDC逆变站功率可控域的连续换相失败抑制方法。通过建立VSC-HVDC逆变站无功控制量与LCC-HVDC逆变站连续换相失败临界电压等价关系,计及VSC-HVDC逆变站自身容量及外部系统约束,提出了满足连续换相失败抑制目标的VSC-HVDC逆变站功率可控域及基于此可控域的连续换相失败抑制方法。2)为充分发挥混合馈入直流系统对连续换相失败的抑制能力并兼顾电网安全需求,提出了一种基于有功无功协调的连续换相失败抑制方法。通过建立LCC-HVDC逆变站关断角、LCC-HVDC直流电流和VSC-HVDC逆变站输出无功量的关联模型,计及LCC-HVDC和VSC-HVDC系统运行约束,提出了基于LCC-HVDC直流电流与VSC-HVDC无功坐标平面的混合双馈入直流系统连续换相失败可控域;在此基础上,建立以混合双馈入直流系统传输功率变化量最小为目标函数、以连续换相失败可控域为约束的优化模型,进而提出了考虑LCC-HVDC有功与VSC-HVDC无功协调的连续换相失败控制方法。(3)为降低受端交流系统故障恢复期间LCC-HVDC系统的连续换相失败发生风险,提出了一种考虑LCC-HVDC系统逆变站动态无功特性和换相裕度的恢复控制方法。分析了故障恢复期间直流逆变站无功外特性对受端交流电压恢复的影响,建立了逆变站无功交换量与直流电流、触发超前角和受端交流电压的关联模型,得到了满足交流电压恢复控制目标的直流电流约束关系;计及故障恢复过程中换相电压幅值和电压谐波对换相裕度的影响,建立了满足换相面积动态约束的直流电流指令约束关系。基于所得直流电流约束关系并结合常规低压限流环节设计了交流故障恢复控制器以改善LCC-HVDC系统的交流故障恢复特性。所提控制方法通过故障恢复阶段直流电流指令的在线计算与动态调节,可抑制直流系统动态无功特性对受端换相电压恢复的影响,降低恢复过程中连续换相失败发生风险。(4)为抑制连续换相失败发生对送端交流系统稳定性的影响,提出了基于健全直流紧急功率控制的连续换相失败穿越控制方法。首先,基于直流逆变站换相失败过程的分析,建立了连续换相失败下直流逆变站的有功输出模型;其次,针对连续换相失败穿越能力的限制因素,分析了直流连续换相失败引起传输功率暂降对送端电网稳定性的影响;在此基础上,基于模型预测控制理论建立了直流连续换相失败过程中送端系统功角和加速面积变化量的滚动计算模型,进而提出了利用相邻健全直流紧急控制实现连续换相失败穿越的控制方法,以提升交流系统对连续换相失败的承受能力,降低连续换相失败引发直流系统闭锁的风险。本文针对如何提升高压直流输电系统的换相失败连锁反应阻断能力进行了有益的探索,研究成果对于充分利用直流系统自身和外部可控能力提升交直流混联电网的安全运行水平具有良好的理论意义和工程参考价值。


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