多馈入交直流电力系统研究中的相关问题.pdf

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1、文章编号:100023673(2000)0820013204多馈入交直流电力系统研究中的相关问题杨卫东,徐政,韩祯祥(浙江大学电机系,浙江省 杭州市310027)SPECI AL ISSUES AND SUGGESTI ONSONM ULTI-INFEED AC?DC POWER SYSTEM SYAN GW ei2dong,XU Zheng,HAN Zhen2xiang(Zhejiang U niversity,Hangzhou 310027,China)ABSTRACT:The main achievements and methods of somespecial issues invo

2、lved in multi2infeed AC?DC power system sunder large disturbance are briefly reviewed in this paper.They mainly concern w ith DC power recovery after commuta2tion failure,angle and voltage stability of AC?DC system s,interactions and coordination between DC controllers,DCmodulation,and so on.Further

3、 problem s to be solved andsome suggestions are proposed for reference.KEY WORDS:multi2infeed AC?DC power system s;coordi2nated control;interactions;commutation failure;emergencypower support摘要:介绍了大扰动下多馈入交直流电力系统中的一些相关问题,如换相失败后直流输电系统的恢复、交直流电力系统的功角及电压稳定性、直流控制器间的相互作用和协调以及直流功率调制等。回顾了近年来针对这些问题所取得的研究成果,并对

4、解决这些问题的方法和对策提出了建议。关键词:多馈入直流输电系统;协调控制;紧急功率支援;电力系统稳定性中图分类号:TM 732文献标识码:A1引言多条直流输电线路落点于同一交流电力系统,便形成所谓的多馈入直流输电系统(M ulti2InfeedD irect Current,M I DC)。与单馈入直流输电系统相比,M I DC具有较大的输送容量和更为灵活的运行方式,但同时也带来一些特殊问题。比如,在两个或多个换流站交流母线间的电气联系较强的情况下,交直流系统之间、直流与直流系统之间的相互作用很强,在不利情况下,可能会导致系统性能的下降,甚至威胁到系统的安全稳定运行。随着三峡电力系统的建成,在

5、原有的葛洲坝-南桥直流线路之后,又将有2条直流线路落点于华基 金 项 目:国 家 重 点 基 础 研 究 专 项 经 费 资 助 项 目(G1998020312)。东电网,一个多馈入交直流电力系统的格局将在我国的华东和华中电网中出现1。华东电网中的3个换流站间的电气距离很近,相互间的作用较强,其暂态行为对该网的安全稳定运行具有重要影响。因而,无论从理论上还是从现实意义上,都有必要加强对多馈入交直流电力系统运行中所引发的特有问题的研究。文献1对含有多个换流站的交直流电力系统小扰动下的相互作用特性进行了论述,本文的重点则是针对大扰动情形。2大扰动下多馈入交直流电力系统中的一些问题大扰动下多馈入交直

6、流电力系统的问题主要表现在以下几个方面:(1)在暂态过程中交直流系统间的相互作用更为复杂。在不利情况下,交流系统中的某一故障可能导致多个换流站同时发生换相失败。若各换流站的输出功率很大,则将会威胁到交流系统的安全稳定运行。(2)交流系统故障及切除后,作为对交流系统紧急支援的一种手段,直流输电系统的快速恢复将有助于缓解交流系统的功率不平衡。但有时,过快的直流功率恢复却又可能造成后继的换相失败和交流系统的电压失稳。(3)为避免暂态过程中不同直流输电线路控制之间产生不良的相互作用,并使系统具有良好的动态性能,还要求直流输电系统的控制器具有鲁棒性,对不同的故障地点和故障类型均应具有适应能力。此外,控制

7、器的参数需经优化后方能使系统整体性能达到最佳。(4)大扰动下直流调制输入信号的选取和控制第24卷 第8期2000年8月电网技术Power System TechnologyVol.24 No.8A ug.2000策略的制订十分关键,与单馈入直流输电系统相比,多馈入直流输电系统中可用于直流调制的手段更为丰富,待选的调制信号和控制策略更多,但所需考虑的问题也更为复杂。(5)直流输电系统的控制对象换流器响应速度很快,各控制器间的相互作用较强,为使系统的总体性能更好,有必要对各控制器进行协调,尤其是2个或多个逆变站间电气距离较近时更是如此。3多馈入交直流电力系统的研究现状及存在问题3.1换相失败后直流

8、系统的快速恢复换流器换相失败后,将导致直流电压下降、电流增大;若采取的控制措施不当,还会引发后继的换相失败,最终导致直流传输功率的中断,进而不能为交流系统的稳定运行提供帮助2。已有的研究认为,交流电压幅值的降低和电压过零点相角的移动是导致换相失败的根本原因3,4;交直流系统之间以及直流与直流系统之间存在不良的相互作用时,直流功率往往很难快速恢复,其原因在于直流系统的恢复常常与交流系统的具体情况密切相关,并可能受制于交流系统的恢复5。文献6指出,电流控制放大器(CCA)和与电压相关的电流限制特性(VDCOL)的参数对多馈入直流输电系统故障后的恢复有重要影响。并认为VDCOL的参数设定应使各直流输

9、电线路的恢复有先后之分,这样可避免由于无功需求的大量增加而导致交流电压的下降。直流控制器的作用在于,使直流系统在交流系统故障期间输送尽可能多的功率,且在交流故障切除后使直流功率尽快地恢复,以缓解交流系统功率的不平衡。文献7认为换相失败是导致直流功率不能快速恢复的主要原因,并提出了一种新的控制策略。其主要思路是直接检测阀的反向阻断间隔,并于故障发生期间修改熄弧角的参考值。仿真结果表明,该控制策略有助于直流功率的快速恢复,并能有效地避免换相失败及后继换相失败的发生。文献8的研究结果表明,通过改变整流侧的电流参考值,采用步进方式(staggered mode)恢复直流系统,会使系统的整体性能达到最佳

10、,且该策略对不同的故障类型及故障地点均具有适应能力。步进方式恢复(staggered recovery)的目的是提供“较缓和的”暂态相互作用,从而使多个直流输电系统中的控制器同时作用时系统的整体性能较好。多馈入直流输电系统运行中引发的一个新问题是,当各逆变站之间的电气距离较近,交流系统的某一故障引起多个逆变站交流母线电压同时下降时,可能会导致多个逆变站同时发生换相失败。故障的严重程度、故障发生地点及各逆变站之间的电气距离等因素均对多个逆变站是否会同时发生换相失败产生影响。对于三峡电力系统的受电端华东电网,研究导致逆变站换相失败的故障类型十分重要。原则上,可将华东电网交流系统的故障类型分为4类:

11、第一类故障导致3个换流站同时发生换相失败,第二类故障导致2个换流站同时发生换相失败,第三类故障导致1个换流站发生换相失败,第四类故障不引起换流站发生换相失败。前三类故障对于华东电网的安全稳定运行具有举足轻重的影响,必须认真加以研究。一方面要努力防止此类故障的发生,另一方面需研究此类故障发生后直流输电系统的最佳恢复控制策略。但上述工作至今未见文献报道。3.2交直流电力系统的功角及电压稳定性对于两端的交流系统,直流输电系统可被看作为一具有快速动态的负荷及功率源。当传输功率较大时,直流输电系统在交流系统发生故障期间的行为及交流系统故障切除后的恢复性能,对与之相连的两端交流系统的功角及电压稳定性能否维

12、持具有重要影响。因此要求所设计的直流控制器在暂态过程中,一方面要能够为发电机提供同步转矩和阻尼转矩,另一方面还应保证系统的电压稳定;此外,还应具有较快的响应速度和良好的动态性能,且对运行点附近的小扰动以及对由故障或线路切换导致的大扰动均具有鲁棒性。这些因素使得直流输电系统应采取怎样的控制策略成为人们关注的问题。在直流输电系统的常规控制方法中,大多在逆变端采用定电压和定熄弧角控制,在整流端采用定电流控制;定功率控制与定电流控制相比,响应速度较慢;另外,逆变端仅控制熄弧角,整流端仅控制电流,均未考虑到对方的功率控制要求。所有这些特性对于需求快速功率支援的弱交流系统或重负荷交流系统的稳定性帮助不大9

13、。对于电压稳定性,已有的研究多是针对小扰动进行的,且大多采用基于电压稳定因子(V SF)指标和特征值分析的方法1。对大扰动下的电压稳定性研究,目前尚无系统化的方法。寻找更为合理的动态41Power System TechnologyVol.24 No.8电压稳定判定指标,搞清电压失稳与功角失稳的关系应是今后研究的方向。电压稳定性与负荷的动态特性有关,而功角的稳定性则与发电机的动态特性有关。为确保所得结论的准确性,有必要同时考虑发电机和负荷的动态特性,并采用与实际情形更为接近的负荷模型。负荷模型的选取应使负荷功率与电压紧密相连,并能跟踪扰动后实际负荷的恢复能力。文献10提出了电压稳定性研究中高压

14、母线上的动态负荷模型,其思路值得借鉴。三峡电厂建成后,3条直流输电线路均具有较大的输送容量和有功无功调节能力,充分利用直流系统的快速调节性,可以实现直流输电系统对交流输电系统的紧急支援。因此,对各直流控制器在暂态过程中采取的控制方式和策略进行深入的研究及改进,对于提高交流系统的功角和电压稳定性是十分必要的。如在某些场合,可尝试通过无功调制改善交流系统的电压稳定性;充分利用直流输电线路的短时过载能力,则可发挥多馈入直流输电系统的优势,减小交流系统发生故障时的功率不平衡。有关此方面的研究亦亟待进行。3.3多馈入直流输电系统中各控制器间的相互作用及协调在多馈入直流输电系统中,加强各控制器间的协调,使

15、系统具有整体的最佳性能十分必要。例如,换流站附近的严重交流故障清除后,利用直流输电系统的短时过载能力,通过对各控制器的协调,可尽快恢复整个多馈入直流输电系统的直流功率,并能成功地解决交流系统中的同步问题11;再如,在公共交流母线上对无功进行协调控制,可避免不必要的切换直流系统控制方式12,以能保证直流输电系统的正常运行。文献11指出,当存在有多条直流输电线路时,有效的协调控制方案是,使用一条直流输电线路控制区域间振荡的阻尼,其余的直流输电线路则可用于控制区域间的同步功率。各控制器必须进行协调设计,否则可能造成不良后果。例如,分别设计的两个不同的阻尼控制器,虽可阻尼各自期望阻尼的模态,但却可能会

16、激发出一个新的低阻尼模态。除了协调控制的规则外,各控制器参数的整定及优化对协调控制目标的最终实现也很重要。例如,当整流侧采用定电流控制,逆变侧采用定熄弧角控制时,如果参数整定不当则将会导致系统性能的下降,文献13表明了这一观点。多馈入直流输电系统中控制器的数量较多,其参数优化问题是一个多目标的优化问题,需要用到大系统中多目标的动态优化理论。当有多条直流输电线路作为2个交流系统的非同步联络线时,各条直流输电线路之间应采取怎样的协调控制策略是一个有待深入研究的问题。目前有关协调控制的系统化研究方法也不多见。针对三峡及华东电网这一典型实例,对3条直流输电线路的控制方式和控制策略的协调进行研究,具有重

17、要意义。笔者认为,对直流输电系统的有效协调控制不能仅依靠本地信息。应用分散递阶控制理论14,将整个交直流电力系统复杂的控制问题分解为若干个相互关联子系统的控制问题,有望在解决多馈入交直流电力系统的协调控制方面取得一些成效。3.4大扰动下的直流功率调制针对大扰动情形,通过直流功率调制来改善交流系统的暂态稳定性,可实现直流输电系统对交流系统的紧急功率支援,其中,选取恰当的调制信号和合适的控制规律是直流调制研究中必须解决的问题。文献11采用特征值分析和频率响应法,对整个交直流系统进行了动态稳定分析,确定了系统的主要机电振荡模态;通过对各个模态的可控性指标进行规格化处理,又进一步得出各直流输电线路的可

18、控性表。该表对于确定适当的直流输电线路调节,并提供对主振模态的阻尼十分有效。文献15基于特征值分析和根轨迹法,在4个待选信号中,选择了交流电流的幅角作为直流调制信号,并用仿真方法验证了其优越性。好的调制效果要求所选取的调制信号中必须包含系统的被控模态。许多研究表明,调制信号的选取与系统的结构有关16,17。当系统规模较大时,采用传统的特征值分析和频率响应法来确定系统的调制信号会有一定的困难,因而寻找一种系统化的调制信号选取方法便显得十分重要。文献18提出了一种提高交流系统暂态稳定性的直流制动方法。与交流电阻制动相比,当直流功率突增突减时会有一定的延时或超调。直流控制器的类型及参数、不同的故障地

19、点及故障严重程度、直流制动的控制方法及制动容量等都是影响直流制动效果的因素。笔者认为,在直流制动研究中,应考虑如何根据交流系统的运行方式和直流系统的实际状态找到恰当的制动时间和相应的制动容量,以及直流51第24卷 第8期电网技术制动对交流系统电压稳定性的影响等问题。在大扰动情形下,多馈入交直流电力系统中的直流调制研究尚属一较新的领域,目前这方面的研究在国际上尚不多见。由于有多条直流输电线路,使得可供选择的调制信号较多,控制策略选择的余地也较大。但同时也带来了一些新的问题,如调制信号的选择及传输问题,多条直流输电线路间的控制如何协调,调制效果与交直流系统具体结构间的关系,等等,有关这些问题的深入

20、研究也有待进行。4关于开展直流输电系统对交流输电系统紧急支援研究的几点建议结合我国华东和华中电网的实际,开展直流输电系统对交流输电系统紧急支援的研究,对我国电力系统的减灾、防灾和安全稳定运行至关重要,其关键是要解决好多馈入交直流电力系统中存在的上述问题,并将直流输电系统控制策略的选择作为研究的重点。在该项研究中,笔者认为应着重解决好如下几方面的问题:(1)由于华东电网中3个换流站间的电气距离很近,在不利的情况下,该系统中发生的某一故障可能会导致多个换流站同时换相失败,因而影响到华东甚至华中电网的安全稳定运行。针对华东和华中实际的交流系统,考虑换流器的动态过程,用解析方法对多馈入交直流电力系统中

21、多个换流站可能同时发生换相失败的原因进行分析,进而找出防止措施,是一项有意义的工作。另一项关键研究的内容是,提出一套暂态过程中直流输电系统的控制策略,在使直流系统自身能够快速恢复的同时,还要能实现对交流系统的紧急功率支援。(2)在多馈入交直流电力系统的功角与电压稳定性研究中,应考虑多馈入直流输电系统的特殊性,如直流输电系统的换流器控制变量(直流电压和电流)可以快速调节和协调多条直流输电线路的控制等。进一步搞清直流输电系统的恢复速度对交流系统功角稳定性和电压稳定性的作用及影响,进而找出其决定性因素,具有十分重要意义。电压稳定性与功角稳定性是电力系统稳定性问题的两个侧面,在实际系统中,电压失稳和功

22、角失稳可能相伴发生,因此,研究中应将二者统一考虑。(3)寻找直流调制信号选取的系统化方法一直是个难题。当2个交流系统间有多条直流输电线路存在时,如何寻找调制信号使暂态期间交流系统的暂态稳定性得以维持,更是一个新课题。在多馈入交直流电力系统的直流调制研究中,结合华东电网的具体结构,找出直流输电系统的调制信号和控制规律与交流系统的结构和参数之间的关系,并搞清不同调制信号在实现直流输电系统对交流输电系统紧急功率支援这一目标中的影响,亦十分重要;此外,还应探讨在控制信号确定的情况下,采用何种控制策略对实现上述目标更为有效。(4)直流输电系统中的换流器具有很强的的非线性,系统的运行工况随时都会发生改变,

23、系统扰动发生的地点、类型及严重程度具有随机性;此外,换流器还含有未建模动态部分。这些因素使得基于直流输电系统准静态模型的常规控制器设计方法常常不能很好地满足系统的实际要求。将非线性与鲁棒控制的思想相结合,设计出更加符合多馈入交直流电力系统的控制器,可作为今后在控制策略选择方面的首选目标。在某些场合下,将多模型方法与自适应控制方法相结合,也可作为一种待选的控制策略。(5)由于暂态过程中交直流系统间的相互作用十分复杂,换流器内部的动态过程很快,在采用详细的时域仿真方法对大扰动下的系统性能进行分析时,应仔细考虑换流器模型的选取、控制器的投切以及幅值和变化速率的限制等问题。在仿真模型中对直流输电线路及

24、其控制系统的描述及简化应尽量符合系统的实际,否则可能导致片面甚至错误的结论。此外,在直流输电系统对交流输电系统的紧急支援研究中,交流系统采用怎样的模型亦十分重要。保证所做假设的合理性以及对交流系统简化和等值的准确性,以确保研究结果的真实可信,也是研究中应该注意的问题。参考文献:1徐政.含多个直流换流站的电力系统中交直流相互作用特性综述J.电网技术,1998,22(2).2浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电M.北京:水利电力出版社,1985.3 Thio C V,Davies J B,Kent K L.Commutation failures inHVDC transm ission s

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32、 Apparatus and System s,1978,97(4).18卜丽莉,李隽,周良松,等.交直流混合电力系统中直流制动的仿真研究C.全国高等学校电力系统及其自动化专业第十二届学术年会论文集,下册,1996.收稿日期:2000201221;改回日期:2000205208。作者简介:杨卫东(19672),男,博士研究生,工程师,从事交直流电力系统稳定性控制研究;徐政(19622),男,博士,教授,博士生导师,从事直流输电与柔性交流输电、电力谐波与电能质量、电力市场及其技术支持系统等方面的研究工作;韩祯祥(19302),男,教授,博士生导师,中国科学院院士,从事电力系统分析、电力系统运行与控制、人工智能在电力系统中的应用等多方面的研究。71第24卷 第8期电网技术