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多回LCC-HVDC馈入系统分区运行方式研究

曹昕  
【摘要】:为了在2060年前实现“碳中和”的目标,我国将在西部地区大量建设清洁能源发电基地,再通过跨区输电送至东部地区。考虑到未来一段时间内,电网换相型高压直流输电(LCC-HVDC)在长距离、大容量输电方式中的优势,我国将大量建设LCC-HVDC以进一步提高跨区输电能力。而这会使我国东部负荷中心形成更为突出的LCC-HVDC多馈入电网形态。多馈入系统存在同时发生换相失败的可能。同时换相失败问题会严重影响电力系统的稳定运行。目前,解决该问题的方法主要有:(1)扩大交流系统规模,形成更强的受端系统;(2)使LCC-HVDC分层、分区馈入受端系统。但是,交流系统的规模受多方面因素制约,不能盲目扩张。因此,使LCC-HVDC分层、分区馈入受端系统,成为较为重要的研究方向。本文采用了对多馈入受端系统进行分区的方法,以解决同时换相失败问题。主要思路为:通过对多馈入受端系统进行分区,使每个分区有较少回LCC-HVDC馈入;分区之间切断交流联系,并以柔性直流(VSC-HVDC)互联各个分区;柔性直流之间组成直流电网,实现协调控制。因此,本文所要研究的内容是:(1)如何实现分区;(2)如何确定柔性直流换流站在分区中的接入位置;(3)如何实现直流电网的协调控制。针对如何实现分区的问题,本文提出了基于局部拓展理论的多馈入系统分区方法。首先,分析了引起多回LCC-HVDC同时换相失败的原因和发展过程。通过设置N-1预想事故找出能够引起多回LCC-HVDC同时发生换相失败的交流区域,并对这些线路进行负载率校验,得到可开断线路集合。而后,计算考虑LCC-HVDC和PV节点的全系统电压/无功灵敏度,考虑节点间的连接关系对灵敏度矩阵进行修正。再通过局部拓展理论,计算节点之间的聚合度,进而计算出分区的适应度。通过逐步聚合得到初步分区方案。然后,以可开断线路集合和分区短路比,对初步分区方案进行修正,得到最终的分区方案。基于IEEE 39节点模型搭建了算例模型,根据上述方法获取分区方案,在PSD-BPA中验证了方案的可行性。最后,给出了某实际电网的分区方案,并在PSD-BPA中进行了验证。针对如何确定柔性直流换流站在多馈入系统分区内接入位置的问题,本文提出了考虑正常运行和N-1运行状态的9个评价指标,并搭建评价体系。首先,给出了分区之间采用柔性直流互联的拓扑。随后,基于雅克比转移矩阵法给出了计及LCC-HVDC和VSC-HVDC的全系统微增量模型,并给出了基于阻抗的有效短路比(IESCR)计算方法。而后,分析了柔性直流接入位置、柔性直流容量和IESCR之间的关系,发现仅以IESCR和柔性直流容量不足以确定柔性直流的接入位置。因此,考虑了正常运行和N-1运行状态,给出包括IESCR在内的9个评价指标,并搭建了评价体系。随后,基于IEEE 39节点模型搭建算例,考虑其中3个较为典型的柔性直流接入位置,按照评价体系计算得分,获得3个位置中的最优接入位置。最后,按照某实际电网需求,给出了柔性直流改造方案。针对分区后形成的弱交流分区以柔性直流互联的场景,存在获取相角信息较为困难的问题,提出了直流电压同步控制(DCSC)。基于直流侧功率平衡、功率同步控制和虚拟同步机控制,给出了 DCSC的控制策略。而后,基于雅克比转移矩阵法搭建了微增量模型,分析了 DCSC中的关键控制参数对系统稳定性的影响。随后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,比较了 DCSC和锁相环在不同交流系统强度下的运行情况,得到了 DCSC优于锁相环的结论。针对如何实现多馈入系统分区之间以柔性直流电网互联的协调控制问题,给出了基于自律分散控制的直流电网协调控制策略。首先,设计了自律分散控制的系统级控制和站控级控制。在系统级控制中,分析了通信可靠性和各换流站获取全局信息的时间延迟,并设计了以系统损耗最小和直流电压偏差最小为目标的最优潮流优化模型。通过凸优化计算出各换流站的直流电压和有功功率参考值;在站控级控制中,提出了复杂直流电网简化为放射型直流电网的数学方法,并给出了算例演示。而后,给出了基于虚拟电阻的P-V下垂系数计算方法的推导过程,并分析了极限运行状态下的控制死区,完善了控制策略。搭建仿真模型,给出了与其他下垂控制的对比,指出了所提控制策略的优缺点。最后,综合自律分散控制、直流电网简化方法、基于虚拟电阻的P-V下垂控制和直流电压同步控制,通过仿真比较了是否设置采用定直流电压控制的换流站对系统经济、稳定运行的影响。结果表明,采用本文提出的方法,是否设置这类换流站对系统的运行几乎没有影响。


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