基于广义短路比的交直流电力系统电压稳定性分析

发布时间：2020-08-07 02:51

【摘要】：在中国,电网换相高压直流输电技术的广泛应用为远距离、大容量、跨区域输电带来了巨大的便利,预计截止至2020年,将有700GW的电能通过直流输送。多回直流落点于同一受端交流电网,这些电气距离较近的直流线路和高压交流受端电网一起构成了多馈入直流系统。与此同时,随着直流输电容量的增加,受端交流系统强度变弱,暂态过电压、换相失败谐振及电压稳定性等问题日益凸显。在理论研究和工程应用中,通常使用短路比指标来刻画交流系统和直流系统之间的相对强度。然而,由于多馈入系统中不仅存在交流和直流的相互耦合,还存在不同直流换流站之间的相互作用,这些耦合及相互作用使得短路比不能直接应用到多馈入系统中。为此,本文围绕直流多馈入系统的电压稳定性问题,从电压稳定性分析、电压稳定裕度计算和参数影响分析等方面开展了研究,并以特征值法为基础,提出了一种能够刻画多馈入交直流系统强度和稳定性的广义短路比指标。该指标以与直流单馈入系统短路比指标相同的特性体现了系统的电压稳定性,具有计算简单、物理意义明确、对系统强弱评价的边界清晰等优点,并能适用于实际的大电网场合。本文的主要工作和创新成果如下:1)分析了静态电压稳定和多馈入系统短路比的联系,从特征根的角度探索了一种刻画交直流系统强度和稳定性的多馈入系统广义短路比指标,克服了传统短路比概念在多馈入下物理机理不明确及对交流系统强度刻画不准确的缺陷,实现了短路比概念在单馈入和多馈入下物理意义及数学形式上的统一。广义短路比是在较弱的假定条件下定义,因此具有一般性。理论证明广义短路比唯一存在且不小于最小多馈入短路比,而传统短路比仅是广义短路比在附加较强假设条件后的一个特例。仿真算例表明新定义下的广义短路比能更准确地描述多馈入系统受端交流电网的强度。2)分析了直流工作点对于广义短路比的影响,提出了一种可考虑直流运行状况的直流多馈入系统广义运行短路比指标,可用来更好的分析交直流系统的电压稳定性。广义运行短路比具有能判断多馈入系统在任意工作点能否稳定运行、给出某方向上的功率裕度以及最快失稳方向的优点。理论分析和仿真算例均表明所提出的广义运行短路比更具普适性,更能准确地描述在任意工作点下的直流多馈入系统的电压稳定特性。3)探讨了弱化假设条件后广义短路比的适用性问题。首先基于功率分岔,分析了定功率-定熄弧角和定电流-定熄弧角直流控制方式下直流多馈入系统广义短路比的适用性。研究表明,基于定功率-定熄弧角和定电流-定熄弧角的广义短路比推导本质上是统一的;临界和边界广义短路比指标适用于两种直流控制方式下的直流多馈入系统。此外,还分析了线路阻抗及直流落点间交流联络功率对广义短路比临界和边界值的影响,算例表明线路阻抗角及直流落点间联络功率对临界和边界广义短路比的影响较小。进一步,分析了无功补偿电容对于广义短路比的影响,提出了一种考虑无功补偿的广义有效短路比指标,克服了广义短路比推导过程中需假设直流消耗无功近似完全补偿,无功补偿容量与直流系统标幺值成比例的缺陷。此外,还提出了一种考虑线路电阻及无功补偿的广义短路比指标,二维广义有效短路比,克服了短路比推导均不考虑线路电阻的缺陷。4)探讨了直流多馈入系统中含异步电动机时,系统电压支撑变化的情况。基于临界电压稳定边界下,雅克比矩阵奇异的性质,推导了含异步电机负荷的多馈入直流系统静态电压稳定数学表达式,基于表达式分析了不同控制方式下异步电机对于广义短路比的影响,研究表明异步电机在合理控制方式下能有效提升受端系统的电压支撑。同时,基于改进的单馈入直流标准算例对不同控制方式下异步电机对广义短路比的影响进行了对比研究,并分析了控制参数对于结果的影响。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM712
【图文】：

示意图,短路比,电压曲线,功率

２．２单愦入短路比理论基础逡逑２．２．１单馈入直流系统模型逡逑单馈入直流输电系统拓扑结构如图２．１所示，图２．１仅保留逆变侧及交流系统部分。逡逑对于稳态模型而言，受端交流电网可以采用戴维南定理进行等值，等值后的逆变侧交流逡逑系统阻抗用Ｚ表示，逆变侧受端交流电网电源用等值后的戴维南等值电势五表示，逆变逡逑侧换流母线交流电压为直流和交流线路注入逆变侧换流母线的有功和无功功率逡逑分别为Ｐ和０，／Ｖ厶、％分别为直流有功功率，直流电流和直流电压，０／为直流和无逡逑功补偿设备注入逆变侧换流母线的无功功率，及为直流线路电阻（本章忽略不计），尺为逡逑逆变侧变压器变比，Ｘ为换相电抗，ｙ为熄弧角，＃为每极的６脉动换流桥个数，＜７为逡逑逆变侧换流母线交流电压幅值，＜５为五和间的电压相角，ｐ为直流功率因数角，凡为逡逑无功补偿和滤波装置基波下的等值电容，直流控制方式为定功率定熄弧角控制（ｃｏｎｓｔａｎｔ逡逑ｐｏｗｅｒ邋ｃｏｎｓｔａｎｔ邋ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ邋ａｎｇｌｅ

示意图,短路比,电压曲线,边界

路比用于刻画在不同运行条件下直流系统输送极限问题，故可从静态电压稳定角度分析逡逑短路比和输送极限的关系Ｉｍ［４６］＇［４７１。经典参数下，ＣＳＣＲ和ＢＳＣＲ与电压稳定鼻型曲线逡逑的关系如图２．２和图２．３所示。逡逑从图２．２可以看出，当ＳＣＲ＝２．０６时系统在额定工作点到达电压稳定极限；从图２．３逡逑可以看出，当ＳＣＲ从２．８变化到２．９丨的过程中，换相重叠角等于３０°邋（正常运行中，１２逡逑脉换流器换相重叠角／／需小于３０°Ｗ）的工作点逐渐靠近最大传输功率点，当ＳＣＲ＝２．９１逡逑时，系统在换相重叠角为３０°处到达电压稳定极哏。为方便起见，实际应用时常将临界逡逑短路比为和边界短路比分别近似取值为２和３。因此，交直流系统中短路比可描述交流逡逑电网的电压支撑强度，其初衷之一是刻画直流系统电压稳定特性。逡逑１．０５邋逦＇逦＇逦ｒ，逦逦逡逑？邋Ｈ＝３０°逦ｓ逦Ｘ：邋１．０４９逡逑５邋0．９邋－逦＊逦Ｍ＝３０°逦Ｎ邋＼邋＼邋Ｙ：邋０．８８３３逡逑古逦逦－ＳＣＲ＝２．８逦１逦：逦■邋ＭＡ１Ｊ逡逑＃逦逦ＳＣＲ＝２．８５逦／邋＾Ｊ逡逑（）．８５逦逦ＳＣＲ＝２．９１逦？邋ｙ逡逑０．８邋－邋ｚＺ逡逑

短路比,馈入,边界,广义

改变直流１的额定输送功率，计算直流２的额定输送功率以保证系统在额定逡逑工作点或直流换相重叠角均为３０°的工作点到达电压稳定临界点，计算此时两馈入临界逡逑和边界广义短路比如图２．８所示。逡逑３．１１逦邋２．１１逦逡逑｜逦？？？？＿？邋？？…＿一一＇＿逦｜逡逑？逦３．０－逦ｉ逦２．０．逦．．．．．．．．．．．．逡逑ｉ逦？逡逑Ａ逦Ｊ逡逑２．９１逦＇逦１逦邋１．９１逦１逦＇逦■逦逡逑０．０逦０．５逦１．０逦１．５逦０逦１２逦３逦４逡逑功率比值功率比值ＰＢＲ（／Ｖ＆，）逡逑（ａ）边界广义短路比逦（ｂ）临界广义短路比逡逑图２．８两馈入临界及边界短路比逡逑Ｆｉｇ邋２．８邋Ｃｒｉｔｉｃａｌ邋ａｎｄ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ邋ｇＳＣＲ邋ｏｆ邋ｄｕａｌ－ｉｎｆｅｅｄ逡逑从图２．８可以看出，两馈入系统的临界广义短路比约为２，边界广义短路比约为３，逡逑跟单馈入临界和边界短路比的结论一致。此外，从该图还能发现，随着额定容量的改变，逡逑系统对应的临界和边界广义短路比的波动都很小，其中临界广义短路比偏差约为丨．５４％，逡逑边界广义短路比偏差约为０．６１％，因此临界广义短路比和边界广义短路比对于交流系统逡逑强度具有较好的区分度。逡逑为了进一步说明多馈入临界广义短路比和边界广义短路比的值分别在２和３附近的逡逑性质，下面基于ＣＩＧＲＥ的标准模型构造图２．４所示的多馈入系统。在此基础上，改变逡逑网络拓扑参数使得系统在额定功率下分别满足ｇＳＣＲ邋＝邋２和ｇＳＣＲ邋＝邋３，并观察临界运行逡逑点时的特性：１）当ｇＳＣＲ邋＝邋２时

【相似文献】