输电线路交改直的关键技术研究

发布时间：2017-10-27 04:12

  本文关键词：输电线路交改直的关键技术研究

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【摘要】：伴随着电力负荷需求的快速增长,输配电基础设施投资方面的相对落后使得现有的交流线路传输容量已难以满足发展要求,部分输电线路已接近饱和,亟需升级换代。然而,时间、费用和土地资源等限制增加了新建线路走廊的困难和不可行性。因此,有必要选择其他有效的途径对现有交流线路进行改造以提升其输电容量。将交流线路改造成直流线路(交改直)的方式能够较大程度地提升现有输电线路的输电容量,还具有快速控制运行特性和分割电力网络的能力,能够有效缓解交流系统存在的一些固有缺陷,具有较好的应用前景。然而,目前涉及到交改直技术的文献较少,因此对其进行深入系统的研究具有工程意义。本文主要围绕输电线路交改直技术所涉及的关键技术展开。主要工作如下：(1)研究了适用于架空线路改造的基于三极结构的直流输电(Tripole Structure based HVDC, TPS-HVDC)系统的拓扑结构及与其运行相关的部分特性,比较分析了换流器的运行要求与组合方式,给出了两种典型的TPS-HVDC方案。研究了TPS-HVDC的拓扑结构特点和电流调制方式,计算了其理论最大传输功率,从功率传输及损耗、过负荷能力、经济性和实用性等几个方面分析了TPS-HVDC的特性。针对TPS-HVDC不同极对换流器的要求,给出了多种可行的换流器组合方式。提出了两类典型的TPS-HVDC方案：1)基于电网换相换流器(Line Commutated Converter, LCC)的TPS-HVDC; 2)基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的TPS-HVDC。基于两类方案的不同特点,分别提出了协调控制方法与附加控制策略,用于满足过渡阶段电压电流的顺利转换,并维持此阶段直流传输功率的稳定。(2)提出了适用于架空线路改造的基于三线双极结构的直流输电(Three-Wire Bipole Structure based HVDC, TWBS-HVDC)系统,设计了过渡阶段具体的控制时序,分析并提出了电流调节控制器的运行特性和拓扑实现方式。详细分析了TWBS-HVDC的拓扑结构和运行原理,计算了其理论最大传输功率,在分析等效电路运行特性的基础上,给出了过渡阶段各开关量的详细动作时序。电流调节控制器是TWBS-HVDC稳定运行必不可少的一个环节,从运行范围、功率波动、选址三个方面对电流调节控制器进行了分析计算,比较分析了两种可行的拓扑实现形式,并提出了其过流保护策略和控制策略。(3)提出了适用于交流电缆改造的基于方波交流结构的直流输电(Square Wave AC based HVDC, SWAC-HVDC)系统,给出了其不对称调制和对称调制两种电压电流调制方法,并分别计算了理论最大传输功率。基于调制方法的分析,给出了SWAC-HVDC两种可行的拓扑结构方案,重点对三相双极式方波交流输电(Three-Phase Bipole Type SWAC-HVDC, TPBT-S WAC-HVDC)结构的运行原理、过渡阶段开关量动作时序进行了分析研究。比较分析了TPBT-SWAC-HVDC内适用于并联线路上电流分配的两种可行方案,给出了可变电阻器的优势。设计了可变电阻器的阻值分布及其具体的实现形式。(4)基于TPS-HVDC和TWBS-HVDC,提出了两种交流线路改造成多端直流(Multi-Terminal HVDC, MTDC)输电系统的拓扑结构方案,为更大范围的功率传输提供了技术支持,有利于电网输电能力的进一步提升,缓解电能输送瓶颈。通过仿真对比研究的方法,研究了基于TPS-HVDC技术的MTDC和基于TWBS-HVDC技术的MTDC在通信要求、控制协调、过渡阶段影响范围等方面的差异性,指出了TWBS-HVDC技术在交改直构成MTDC方面的优势。将新英格兰10机39节点系统作为被改造的交流电网对象,建立了含TWBS-MTDC的交直流互联仿真模型。针对交／直流故障,研究并且分析了系统的运行稳定性。(5)针对采用架空线路输电的TWBS-HVDC和单／双极HVDC,提出了一种基于LCC和混杂式MMC (FBSM and HBSM based hybrid MMC, FH-MMC)的混合型直流输电系统。详细描述了FH-MMC的结构特点,分析了FH-MMC在稳态和直流故障下的运行特性。根据送端交流系统故障电压跌落特性分析,给出了一种桥臂子模块数的配置方法,使得FH-MMC能够在满足各方面运行要求的前提下,尽量达到投资少,损耗低的效果。研究了混合型直流输电系统的控制特性,提出了FH-MMC换流站级和阀级两层控制方法,重点研究了子模块电容电压平衡策略和子模块触发选择流程,以维持暂态和稳态下FH-MMC的正常工作,同时降低开关损耗。(6)提出了MTDC在网架结构更加复杂(形成直流电网),且含有潮流控制器的情况下,整个直流电网潮流的计算模型。在比较和分析了现有潮流控制器优缺点的基础上,提出了一种新型的电流潮流控制器(Current Flow Controller, CFC)。介绍了CFC的拓扑结构和基本工作特性,从支路电流同为正向,同为反向和不同向三个方面详细研究了CFC的运行原理,并总结得出了CFC九种运行工况。给出了CFC的控制策略,推导了CFC内各状态量之间的关系。通过对CFC经济性的简略分析,得出了CFC投资成本低、运行损耗小的结论,表明其具有较好的应用前景。
【关键词】：输电线路交改直 三极直流 三线双极结构 电流调节器 方波交流结构 混合直流输电系统 多端直流输电系统 潮流控制器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM75
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 绪论14-27
• 1.1 课题研究背景及意义14-16
• 1.2 交改直所涉关键技术的研究现状16-24
• 1.2.1 基于电网换相换流器的直流输电技术17-18
• 1.2.2 基于电压源型换流器的直流输电技术18-21
• 1.2.3 交改直前后功率关系21-23
• 1.2.4 交改直拓扑结构23-24
• 1.3 论文的主要研究内容24-27
• 第二章 基于三极结构的直流输电系统27-61
• 2.1 引言27
• 2.2 TPS-HVDC的拓扑结构和相关特性27-33
• 2.2.1 基本运行原理27-30
• 2.2.2 功率传输及线路损耗30-31
• 2.2.3 过负荷能力31
• 2.2.4 经济性和实用性31-33
• 2.3 换流器的选择33-36
• 2.4 基于LCC的TPS-HVDC36-43
• 2.4.1 分层控制系统37
• 2.4.2 协调时序控制37-38
• 2.4.3 极控制38-39
• 2.4.4 接地极电流平衡控制39-40
• 2.4.5 仿真验证40-43
• 2.5 基于MMC的TPS-HVDC43-59
• 2.5.1 协调时序控制44-45
• 2.5.2 极控制45-49
• 2.5.3 过渡阶段附加控制49-54
• 2.5.4 仿真验证54-59
• 2.6 本章小结59-61
• 第三章 基于三线双极结构的直流输电系统61-85
• 3.1 引言61
• 3.2 TWBS-HVDC拓扑结构61-62
• 3.3 TWBS-HVDC运行原理及相关特性62-68
• 3.3.1 运行原理62-63
• 3.3.2 传输功率63-65
• 3.3.3 过渡阶段65-68
• 3.4 电流调节控制器68-77
• 3.4.1 运行范围68-69
• 3.4.2 过渡阶段功率波动69-70
• 3.4.3 选址70-72
• 3.4.4 拓扑实现形式72-74
• 3.4.5 过流保护策略74-75
• 3.4.6 控制策略75-77
• 3.5 仿真验证77-84
• 3.5.1 稳态仿真78-81
• 3.5.2 暂态仿真81-84
• 3.6 本章小结84-85
• 第四章 基于方波交流结构的直流输电系统85-104
• 4.1 引言85-86
• 4.2 SWAC-HVDC电压电流调制特性86-90
• 4.2.1 不对称调制方法86-87
• 4.2.2 对称调制方法87-90
• 4.3 SWAC-HVDC拓扑结构和运行原理90-97
• 4.3.1 拓扑结构90-93
• 4.3.2 TPBT-SWAC运行原理93-96
• 4.3.3 可变电阻器实现形式96-97
• 4.4 仿真验证97-103
• 4.4.1 仿真模型及参数97-98
• 4.4.2 不对称调制下的稳态仿真98-99
• 4.4.3 对称调制下的稳态仿真99-100
• 4.4.4 功率阶跃与交流接地故障仿真100-102
• 4.4.5 直流接地故障仿真102-103
• 4.5 本章小结103-104
• 第五章 基于三线双极结构的多端直流输电系统104-118
• 5.1 引言104
• 5.2 MTDC拓扑结构104-106
• 5.2.1 TPS-MTDC拓扑结构104-105
• 5.2.2 TWBS-MTDC拓扑结构105-106
• 5.3 TWBS-MTDC的仿真特性分析106-111
• 5.3.1 稳态仿真107-109
• 5.3.2 功率阶跃仿真109-110
• 5.3.3 电压偏差控制仿真110-111
• 5.3.4 直流故障仿真111
• 5.4 TPS-MTDC的稳态仿真特性分析111-114
• 5.5 TWBS-MTDC在电网中的应用114-117
• 5.5.1 交流接地故障114-116
• 5.5.2 直流接地故障116-117
• 5.6 本章小结117-118
• 第六章 基于LCC和FH-MMC的混合型直流输电系统118-138
• 6.1 引言118-119
• 6.2 拓扑结构119-120
• 6.3 桥臂子模块数配置方法120-125
• 6.3.1 FH-MMC稳态运行分析121-122
• 6.3.2 送端交流系统故障电压跌落特性分析122-123
• 6.3.3 直流侧故障特性分析123-125
• 6.4 控制策略125-130
• 6.4.1 系统控制特性125-126
• 6.4.2 FH-MMC控制器设计126-130
• 6.5 仿真分析130-136
• 6.5.1 参数介绍130
• 6.5.2 起动仿真130-131
• 6.5.3 送端交流系统故障仿真131-135
• 6.5.4 直流侧故障仿真135-136
• 6.6 本章小结136-138
• 第七章 适用于环网式直流电网的新型直流潮流控制器138-152
• 7.1 引言138
• 7.2 含PFC的直流电网潮流计算模型138-141
• 7.3 现有PFC拓扑结构141-142
• 7.4 CFC及其工作原理142-148
• 7.4.1 CFC拓扑结构142
• 7.4.2 CFC工作原理142-146
• 7.4.3 CFC控制策略和状态量之间关系146-148
• 7.4.4 CFC的经济性148
• 7.5 CFC在直流电网中的应用148-151
• 7.5.1 直流电网结构及参数148-149
• 7.5.2 仿真验证149-151
• 7.6 本章小结151-152
• 第八章 总结与展望152-155
• 8.1 全文总结152-153
• 8.2 研究工作展望153-155
• 参考文献155-162
• 作者简历162-163
• 攻读博士学位期间的学术成果163-164

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