孤岛高压直流输电系统频率附加控制研究

发布时间：2016-11-26 07:26

1  绪论 

1.1  课题的背景和意义 
高压直流（High Voltage Direct Current，HVDC）输电的首次商业化运行是在 1954 年，利用海底电缆从瑞典本土向 Gotland 岛输送电能，自此直流输电进入了蓬勃发展阶段，目前已在全世界范围内得到了广泛应用[1]。与交流输电系统相比，HVDC 输电系统一方面投资费用低、运行损耗小，具有显著的经济效益；另一方面其使用寿命长、可靠性能高，常作为电力系统的重要联络通道。从 20世纪 60 年代开始，HVDC 输电技术已发展比较成熟，并且在远距离输电和大电网互联方面发挥了突出作用。目前，全世界约有近百个 HVDC 输电工程，已建成投运或正在建设 HVDC 输电工程的国家有二十多个，，未来会有更多国家规划建设 HVDC 输电工程[2]。 我国高压直流输电是从 20 世纪 70 年代的晶闸管换流阀时期开始发展的。由我国电力科研工作者自主设计、建设的舟山直流输电工程在 1987 年正式投入运行，自此，我国 HVDC 输电技术的正式起步发展，随后建成、投运的葛洲坝—上海 500k V、1200MW 直流输电工程大大促进了我国高压直流输电技术水平的提高。此后，我国又相继建成投运了天生桥—广州、三峡—常州、三峡—广州、贵州—广州等直流输电工程，此外，我国还投运了多项背靠背直流输电工程，实现了大电网间的互联，对我国电力规划建设总体方略具有重要意义[2]。 水力资源和煤炭资源作为我国发电能源的两大主要来源，水力资源主要分布在西南数省，煤炭资源主要集中在“三西”（山西、陕西和内蒙西部），而东部沿海地区占全国总负荷的比重达 2/3 左右。鉴于我国能源与负荷的地理分布很不均衡，HVDC 输电已成为我国大容量、远距离输电的主要方式。为了优化资源配置，西电东送已成为我国重要的能源发展战略，而高压直流输电技术已然成为了西电东送的核心技术[3]。另外，HVDC 输电方式在大电网互联系统中具有技术、安全和经济方面的优势。所以，随着电力工业的不断发展，HVDC 输电方式在我国的应用也将越来越广泛[4]。 
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1.2  高压直流输电的原理及特点
高压直流（HVDC）输电方式是发电厂发出的交流电能在输送之前先变换成直流电能，通过直流联络线将直流电能送到受端逆变站，在该逆变站再把电能变换为交流电能，然后供电给受端交流系统[7]。HVDC 输电系统主要包括整流站、直流输电线路、逆变站三大基本组成单元。 HVDC 输电方式具有明显的经济效益，并且能够克服现有交流输电技术的很多缺点，相比于交流输电方式的优势可以概括如下： （1）输电线路的绝缘等级低，更加经济。有效值相同时，直流电压的最大值只有交流电压的 21 倍，配置绝缘子设备的数量可以大大减少，甚至输电杆塔的高度也可以降低，所以，采用直流输电方式总的经济效益非常显著。 （2）直流输电情况下，输电效率更高。采用直流输电方式时，直流系统的功劳因数为 1，直流线路没有电抗原件产生无功功率，因此，输送直流功率不像交流功率那样需要消耗无功功率，直流输电可以输送更多的用于实际消耗的有功功率，说以直流输电方式效率更高。 （3）直流输电方式可以利用大地作为导线。交流输电需要至少两根及以上的导线，而直流输电方式可以把大地作为运行的一极，与直流输电线路构成输电回路，能够节约输电线路投资，这与交流输电相比更加经济。 （4）直流输电不受输电距离和输电容量的制约。当独立的非同步运行系统需要互联时，有些情况下直流输电是唯一的选择或者至少是一个有价值的方案，比如采用海底电缆进行电网互联。直流联络线的电流是按给定值控制的，所以两端交流系统的短路容量不会因为它们直流联网后而增大。此外，由于直流输电不存在功角稳定性问题，所以输电距离和输送容量不受此制约[8]。 （5）直流互联可以隔离交流系统。由于直流输电系统只输送有功功率，没有无功功率，当交流系统故障时从邻近系统流入的电流不会增大，具有隔离两个交流系统的虚拟效果。因此，通过将现有的交流系统分割成合适大小的系统，并通过直流联络线连接起来，能够有效抑制短路电流大小，维持整个系统稳定运行。 
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2  直流输电系统的控制原理 

2.1  直流输电控制系统可控性概述 

由图 1 和方程（1）可知，α 是整流侧的触发控制角， β 是逆变侧的触发控制角，这 2 个控制变量都具有非常快的响应速度，通常响应时间在 4~1 ms 以内；dorU 是整流侧换流变压器的阀侧控制电压，doiU 是逆变侧换流变压器的阀侧控制电压，通过改变换流变压器的抽头位置来调整这 2 个控制变量大小，但这种调节方式的响应速度较慢，一般情况下，换流变压器的抽头每调节 1 个档位需要 10~5 s。所以，当两侧的交流系统出现大的扰动，或直流输电系统出现闭锁、跳闸等故障时，直流输电系统只能通过控制整流侧触发控制角α 和逆变侧的触发控制角 β 进行系统的稳定性控制，而此时调整换流变压器的抽头在该暂态过程中不能得到有效的控制效果。通常情况下，对于两侧交流系统中的电压变化速度较快的情况，可以通过调整触发控制角大小来维持直流输电系统的稳定性；而对于两侧交流系统中电压变化较慢的情况，可以通过改变换流变压器的抽头位置来维持在触发控制角在额定值附近。 为了实现对直流输电系统稳定性的快速有效控制，只能通过控制触发控制角的大小，也就是说对于两端直流输电系统而言，其控制系统中能被控制的自由变量只有 2 个。一般情况下，直流输电系统需要根据某种指定的功率曲线运行，所以定功率控制模块可以实现直流输电系统中最基本的功率控制功能，定功率控制模块的基本原理是换流器一侧维持直流电压大小不变，另一侧维持直流电流大小不变。考虑到换流器工作于整流状态与逆变状态时的特征有很大不同，通常在整流侧实现直流电流大小维持恒定，在逆变侧实现直流电压大小维持恒定不变的目的。所以，整流侧换流器的理想控制特性为一条垂直线，逆变侧换流器的理想控制特性为一条水平线，如图 2.2 所示。 

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2.2  直流输电控制系统的分层结构 
直流输电系统主控制级的功能实现原理框图如图 2.4 所示。主控制级结构一般由 3 个控制模块构成，第 1 个模块的作用是用来接收上级下达的直流功率指令 )(setP ，第 2 个模块的作用是对直流输送功率大小进行调整控制，第 3 个模块的作用是根据直流功率综合指令值除以直流联络线中点电压值，进而计算得出直流电流的指令值，并输出至极控制级。 通过调整控制联络线所传输的直流功率，能够显著提高两端交流系统的振荡阻尼，尤其对于交直流并列运行的输电系统效果更加明显。对于典型的连接两端非同步交流系统的直流联络线，调整控制其直流输送功率可以对两端交流系统进行调频。功率紧急变化控制包含功率快速提升和功率快速回降，主要应用于通过直流输电线连接的两端交流系统和交直流并列运行的交直流混合输电系统的紧急功率支援[23]。紧急功率提升功能常用于应对逆变侧交流系统出现功率缺额、整流侧交流系统发生甩负荷，或交直流并列输电系统中交流线路跳闸等故障；而紧急功率回降功能则常用于应对整流侧交流系统出现掉机或逆变侧交流系统甩负荷等工况。 
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3  高压直流孤岛运行系统建模 ........... 21 
3.1  主电路系统建模 .... 21 
3.1.1  主电路电气设备 ...... 22 
3.1.2  电气设备建模 .......... 23 
3.2  控制系统模型 ......... 27 
3.3  模型仿真验证 ......... 33 
3.4  本章小结 ......... 35 
4  可拓控制理论 ....... 36 
4.1 可拓学简介...... 36 
4.1.1  可拓集合 ......... 36 
4.1.2  关联函数 ......... 37 
4.1.3  物元理论 ......... 38 
4.1.4  可拓控制方法 .......... 39
4.2  可拓直流附加控制器设计 .... 43 
4.3  本章小结 ......... 48 
5  故障仿真结果分析 ..... 49 
5.1  掉机故障 ......... 49
5.2  单相接地故障 ......... 51 
5.3  单极闭锁故障 ......... 53 
5.4  本章小结 ......... 55 

5  故障仿真结果分析

天-广直流输电工程孤网运行方式下，孤岛系统的频率稳定性直接决定着送端交流系统能否安全稳定运行，因此除了利用发电机组的一次调频功能外，还要充分利用直流附加控制功能，必要情况下配合安稳切机措施，以达到稳定送端频率的目的。 送端发电机组跳闸、交流母线单相接地和直流单极闭锁故障是直流输电工程中较常见的故障，上述三种故障均会导致送端系统发出功率与直流输送功率的严重不平衡，可能引起频率的剧烈振荡，严重影响系统的安全稳定运行。直流输电系统孤网运行方式下，由于失去了当地交流主网的支援，上述故障发生时引起的后果通常比联网状态下更为严重，因此，本章在前文所搭建的天-广直流输电系统模型基础上，考虑送端天一电厂 3004× MW 机组全开，天-广直流输送 1200MW 功率运行，分别对传统附加控制器和可拓附加控制器在上述三种故障情况下送端系统频率稳定性进行了仿真分析。 

5.1  掉机故障
在系统正常运行情况下，突然发生掉机故障，将引起送端系统发出功率严重不足，进而导致系统频率大幅跌落。设置故障情况如下：在 st =5 时，送端 4号机组断路器跳闸。在传统直流附加控制器和可拓直流附加控制器分别作用下，送端交流系统频率变化曲线如图 5.1 所示，直流输送功率变化曲线如图 5.2 所示。 由图 5.1～5.2 可知，天-广直流送端孤岛系统 4 台机组，直流输送 1200MW运行方式下发生天一电厂 4 号机掉机的情况，由于送端功率缺额较大，频率发生迅速跌落，在传统附加控制器和机组调速器综合作用下，送端系统频率最低跌落至 49.00Hz，直流功率最大调制量达到 600MW，频率经过约 18s 的振荡最终才稳定到 ±2.050 Hz 以内，不满足系统频率稳定控制要求。在可拓附加控制器和机组调速器协调控制作用下，系统频率的波动范围为 49.56Hz～50.15Hz，发生故障后 1.5s 左右系统频率降到最低 49.56Hz，故障发生 3s 后频率稳定到±2.050 Hz，满足系统频率稳定运行要求。 
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结论 

近年来，我国电力发展的步伐不断加快，电压等级不断提高，电网结构日趋合理，资源配置能力大幅提升。区域电网互联和高压直流输电技术的快速发展，不断推动我国电力系统向着大功率、远距离、跨区域、交直流混合输电格局方向发展。孤岛运行方式作为交直流输电系统故障后或正常运行情况下的运行方式之一，将越来越多的出现在新建或投运的高压直流工程中，系统稳定性将面临更大挑战。因此，深入研究送端孤岛运行方式下电力系统的安全稳定性具有重要意义。 本文主要介绍了国内外直流送端孤岛工程的运行概况和研究现状，通过对直流输电系统快速可控性原理的分析，利用改进的可拓控制方法设计了一种可拓直流附加控制器，用于调整控制直流联络线输送的直流功率，抑制孤岛直流送出系统中的由于功率不平衡引起的系统振荡，提高系统的频率稳定性。 根据天-广直流工程的实际参数，使用 PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真软件搭建了该双极 12 脉动高压直流输电工程的详细模型，并验证了所搭建模型的准确性。在此基础上，针对孤岛运行方式下送端掉机、换流站交流母线单相接地短路和直流单极闭锁三种故障，分别仿真分析了在传统附加控制器和可拓附加控制器作用下送端系统的频率稳定性。 仿真研究结果表明，传统直流附加控制器和本文所设计的可拓附加控制器对故障后系统的频率稳定性均有显著作用，能够有效平衡系统功率差额，及时抑制系统频率振荡。由于传统的直流附加控制器是基于线性控制方法，当系统实际运行点偏离控制器所设计的平衡点较远时，控制效果将明显受到制约。而基于可拓控制方法的可拓附加控制器，不仅考虑了频率变化的幅度，还同时考虑了频率变化的速度，进而能够对系统频率进行更加精准的控制，具有较好的收敛性，且故障后频率能够更快的恢复稳定。 
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参考文献(略)

本文编号：193916