CN102904242A - 一种提高双馈入直流***稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高压直流输电线监测与控制技术领域中的一种提高双馈入直流***稳定性的方法。包括：在双馈入直流***中增加静止同步补偿器子***，将静止同步补偿器子***和两个电网换相高压直流子***中的任意一个电网换相高压直流子***直接并联到同一交流母线上，再使用与设定电气距离等值的阻抗将两个电网换相高压直流子***的交流母线相连。本发明将静止同步补偿器子***接入不同落点双馈入直流***其中一个直流子***逆变站的交流母线，有效改善了不同落点双馈入直流***的运行特性。

Description

一种提高双馈入直流***稳定性的方法

技术领域

本发明属于高压直流输电线监测与控制技术领域，尤其涉及一种提高双馈入直流***稳定性的方法。

背景技术

电网换相高压直流(Line-Commutated-Converter High Voltage DirectCurrent，LCC-HVDC)技术在远距离输电、异步联网、海底输电等方面获得了广泛的应用。截止到2012年8月，我国已建成投运的LCC-HVDC工程有20项。LCC-HVDC换流器采用晶闸管作为换流元件，LCC-HVDC运行需要交流***提供换相电流，使得LCC-HVDC的运行可靠性受两端交流电网影响。因此，为了可靠换相，LCC-HVDC逆变侧交流***必须有足够的强度。

随着“西电东送、南北互供、全国联网”战略的全面实施，多条直流线路经过一定的电气距离馈入到同一地区形成了多馈入直流(Multi-Indeed DirectCurrent，MIDC)***。根据交直流电网规划，到2015年将有8回以上的直流***馈入华东电网，将有7回以上直流***馈入南方电网。MIDC***必将在交直流电网运行中发挥重大作用。但是，某一直流子***交流侧故障所造成的邻近直流子***交流母线电压波动问题，将成为影响多馈入直流***发展的一大难题。

静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)具有对无功功率进行独立快速控制和提高电压稳定性的特点。STATCOM凭借其优良的动态特性，能显著提高输电***的动态性能，即***抗扰动能力。根据不同的***需求，STATCOM可实现节点电压控制、功率振荡抑制、提高***稳态/暂态稳定极限等功能。

鉴于上述背景，本发明提出将STATCOM接入不同落点双馈入直流输电***其中一个直流子***逆变站的交流母线，利用STATCOM对无功功率进行独立快速控制和提高电压稳定性的优势，既能改善本地直流子***的稳态和暂态运行特性，又能经过一定的电气距离改善远端直流子***的稳态和暂态运行特性，从而为交直流电网的稳定运行和规划发展提供指导意义。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种提高双馈入直流***稳定性的方法，用于解决现有双馈入直流***两回直流子***相互影响，本地直流子***交流侧故障会引起远端另一回直流子***交流母线电压波动的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种提高双馈入直流***稳定性的方法，其特征在于，在双馈入直流***中增加静止同步补偿器子***，将静止同步补偿器子***和两个电网换相高压直流子***中的任意一个电网换相高压直流子***直接并联到同一交流母线上，再使用与设定电气距离等值的阻抗将两个电网换相高压直流子***的交流母线相连。

所述静止同步补偿器子***包括顺次相连的换流电抗、补偿子***换流变压器漏抗和电压源型换流器。

所述电网换相高压直流子***逆变侧包括顺次相连的受端交流子***、***阻抗、高压直流子***换流变压器漏抗、逆变侧滤波器和无功补偿装置的等值电纳和逆变侧换流器。

本发明中将静止同步补偿器子***接入不同落点双馈入直流***其中一个直流子***逆变站的交流母线，建立含静止同步补偿器子***的双馈入直流***模型，其能够有效改善不同落点双馈入直流***的运行特性。

附图说明

图1是含静止同步补偿器子***的不同落点双馈入直流***结构示意图；

图2(a)是不含静止同步补偿器子***时第一电网换相高压直流子***最大功率MPC₁曲线图；

图2(b)是不含静止同步补偿器子***时第一电网换相高压直流子***最大传输有功功率MAP₁曲线图；

图3(a)是静止同步补偿器子***容量变化时第一电网换相高压直流子***最大功率MPC₁曲线图；

图3(b)是静止同步补偿器子***容量变化时第一电网换相高压直流子***最大传输有功功率MAP₁曲线图；

图4是不含静止同步补偿器子***时第二电网换相高压直流子***最大传输有功功率MAP₂曲线图；

图5是静止同步补偿器子***容量变化时第二电网换相高压直流子***最大传输有功功率MAP₂曲线图；

图6(a)是不含静止同步补偿器子***时第一电网换相高压直流子***甩负荷的暂态过电压曲线图；

图6(b)是静止同步补偿器子***容量变化时第一电网换相高压直流子***甩负荷的暂态过电压曲线图；

图7(a)是不含静止同步补偿器子***时第二电网换相高压直流子***甩负荷的暂态过电压曲线图；

图7(b)是静止同步补偿器子***容量变化时第二电网换相高压直流子***甩负荷的暂态过电压曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是含静止同步补偿器子***的不同落点双馈入直流***结构示意图。在本实施例中，将双馈入直流***的两个电网换相高压直流子***分别记作第一电网换相高压直流子***LCC-HVDC₁和第二电网换相高压直流子***LCC-HVDC₂。如图1所示，在双馈入直流***中增加静止同步补偿器子***STATCOM，将静止同步补偿器子***STATCOM和两个电网换相高压直流子***中的任意一个电网换相高压直流子***直接并联到同一交流母线上。不失一般性，在本实施里中，将STATCOM和第一电网换相高压直流子***LCC-HVDC₁直接并联到同一交流母线上。第一电网换相高压直流子***LCC-HVDC₁和第二电网换相高压直流子***LCC-HVDC₂的交流母线之间存在一定的电气距离，因此本发明中使用与该电气距离等值的阻抗将LCC-HVDC₁和LCC-HVDC₂的交流母线相连。

图1中，STATCOM包括顺次相连的换流电抗X_S、换流变压器漏抗X_TS和电压源型换流器C_S。

LCC-HVDC₁逆变侧包括顺次相连的受端交流***E₁、***阻抗Z₁、换流变压器漏抗X_T1、逆变侧滤波器和无功补偿装置的等值电纳Bc₁和逆变侧换流器C₁。

LCC-HVDC₂逆变侧包括顺次相连的受端交流***E₂、***阻抗Z₂、换流变压器漏抗X_T2、逆变侧滤波器和无功补偿装置的等值电纳Bc₂和逆变侧换流器C₂。

在本实施例中，取LCC-HVDC₁与国际大电网标准直流测试***(CIGRE)模型参数相同，容量为1000MW，其逆变侧短路比SCR₁=2.5；LCC-HVDC₂是根据LCC-HVDC₁参数按比例修改得到的，容量为2000MW，其逆变侧短路比SCR₁=2.5；STATCOM子***容量为300Mvar，其交流侧电压为230kV，直流侧电压为±100kV。

下面根据图1，对含有STATCOM的不同落点双馈入直流***模型，当STATCOM容量、直流子***逆变侧的短路比(Short Circuit Ratio，SCR)以及直流落点间的电气距离不同时，通过MATLAB理论计算和PSCAD/EMTDC仿真对双馈入直流***的最大功率曲线(Maximum Power Curve，MPC)、最大传输有功功率(Maximum Available Power，MAP)、暂态过电压(TransientOvervoltage，TOV)等运行指标进行评估，并根据评估结果说明增加STATCOM对双馈入直流***的改善作用。

对于独立的单馈入LCC-HVDC₁的数学模型可描述为

$I_{d1}=\frac{U_1[\cos {\mathrm{\γ}}_1-\cos ({\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\μ}}_1)]}{\sqrt{2}{T}_1{X}_{T1}}---\left(1\right)$

$U_{d1}=\frac{3\sqrt{2}{U}_1}{\mathrm{\π}{T}_1}\cos {\mathrm{\γ}}_1-\frac{3}{\mathrm{\π}}{X}_{T1}{I}_{d1}---\left(2\right)$

P_d1＝U_d1I_d1(3)

Q_d1＝P_d1tanφ₁(4)

$\cos {\mathrm{\φ}}_1=-\frac{\cos {\mathrm{\γ}}_1+\cos ({\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\μ}}_1)}{2}---\left(5\right)$

$P_{\mathrm{ac}1}=[U_1^2\cos {\mathrm{\θ}}_1-E_1{U}_1\cos ({\mathrm{\δ}}_{U1}-{\mathrm{\δ}}_{E1}+{\mathrm{\θ}}_1)]/\left|Z_1\right|---\left(6\right)$

$Q_{\mathrm{ac}1}=[U_1^2\sin {\mathrm{\θ}}_1-E_1{U}_1\sin ({\mathrm{\δ}}_{U1}-{\mathrm{\δ}}_{E1}+{\mathrm{\θ}}_1)]/\left|Z_1\right|---\left(7\right)$

$Q_{c1}=B_{c1}{U}_1^2---\left(8\right)$

P_d1-P_ac1-P_c1＝0(9)

Q_d1-Q_ac1+Q_c1＝0(10)

式中：U_d1，I_d1为LCC-HVDC₁***直流电压和电流；P_d1，Q_d1为直流有功和无功功率；P_ac1，Q_ac1为交流侧有功和无功功率；P_c1，Q_c1为逆变侧滤波器和无功补偿装置的有功功率消耗和无功补偿容量；X_T1为换流变压器漏抗；T₁为换流变压器变比；B_c1为逆变侧滤波器和无功补偿装置的等值电纳；θ₁为等值阻抗角；U₁为交流母线电压幅值；δ_U1为交流母线电压相角；E₁为交流电动势幅值；δ_E1为交流电动势相角；φ₁为逆变侧换流器C₁的总功率因数；Z₁为***等值阻抗；U₁∠δ_U1为交流母线电压；E₁∠δ_E1为交流电动势；μ₁是换流器的换相重叠角；γ₁为关断角。

含STATCOM的双馈入直流***的功率传输方程，需要考虑STATCOM与LCC-HVDC₁之间的无功功率传输，同时还需考虑LCC-HVDC₁与LCC-HVDC₂之间联结线的有功和无功功率传输。因此，将LCC-HVDC₁功率方程式修改为

P_d1-P_ac1-P_c1-P₁₂＝0(11)

Q_d1-Q_ac1+Q_c1-Q₁₂+Q_S＝0(12)

式中：P₁₂和Q₁₂分别为联结线上LCC-HVDC₁向LCC-HVDC₂传输的有功和无功功率；Q_S为STATCOM向LCC-HVDC₁传输的无功功率。

若Q_S在STATCOM容量范围内，则STATCOM按无功需求吸收或发出无功；若在STATCOM容量范围之外，则STATCOM视作恒定电流源对待。

LCC-HVDC₂功率方程式为：

P_d2-P_ac2-P_c2+P₁₂-ΔP₁₂＝0(13)

Q_d2-Q_ac2+Q_c2+Q₁₂-ΔQ₁₂＝0(14)

式中：ΔP₁₂和ΔQ₁₂为联结线有功和无功功率消耗。

LCC-HVDC₁向LCC-HVDC₂的功率传输式为

$P_{12}+j{Q}_{12}={\stackrel{\·}{U}}_1{\left(\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1-{\stackrel{\·}{U}}_2}{Z_{12}}\right)}^{*}---\left(15\right)$

式中：为LCC-HVDC₁***逆变侧交流母线电压相量值，

为LCC-HVDC₂***逆变侧交流母线电压相量值，Z₁₂为两回直流子***逆变侧的联结阻抗。

最大功率曲线和最大有功功率分析。最大功率曲线MPC是指不采用特殊的交流电压的控制时，直流***的直流功率随着直流电流增长的变化曲线。当直流电流增大到某一点时，直流电压下降的速率大于直流电流上升的速率，直流功率就会下降，因此MPC曲线中存在最大值，即为最大传输有功功率MAP值。

根据含STATCOM双馈入直流***的功率传输模型，研究STATCOM容量、两回直流子***逆变侧SCR和两回子***逆变侧直流落点间的电气距离L₁₂不同时，对LCC-HVDC₁和LCC-HVDC₂直流子***MPC曲线和MAP值的影响。其中，SCR₁和SCR₂从2.5变化到5.5；电气距离L₁₂取为39km和117km，Z₁₂线路阻抗比X₁₂/R₁₂＝6，单位阻抗值为0.41Ω/km。

(1)STATCOM对LCC-HVDC₁最大传输有功功率MAP₁的影响：

改变SCR₁时，滤波器和无功补偿装置的容量保持不变。为保证在额定状态时LCC-HVDC₁***的输出有功功率同CIGRE标准模型相同以及两条直流***之间的传输功率为零，需重新计算LCC-HVDC₁***逆变侧交流***的电动势幅值E₁和相位角δ_E1，以保证交流母线电压的相位角δ_U1与LCC-HVDC₂***交流母线电压的相位角δ_U2相同。

首先计算不同落点双馈入直流***在不含STATCOM时LCC-HVDC₁的MPC₁曲线和MAP₁值，功率基准为1000MW。LCC-HVDC₂***的参数保持不变，SCR₂=2.5，Q_S=0。LCC-HVDC₁的直流电流I_d1从零逐渐增大。联立求解式(1)-(15)，即可求解两回直流子***交流母线电压的幅值和相位U₁、U₂、δ_U1、δ_U2以及两回直流子***联结线之间的交换功率P₁₂、Q₁₂。根据已求得的变量值，便可计算出LCC-HVDC₁的直流功率，从而可得到无STATCOM情况下同时改变SCR₁和L₁₂时的MPC₁和MAP₁，如附图2所示。

附图2可知，电气距离L₁₂不变时，当LCC-HVDC₁***的SCR₁增大时，自身的稳定运行区域增大，MAP₁值也越大，MAP₁对应的直流电流值I_d1也增大；SCR₁不变时，电气距离越小，LCC-HVDC₁和LCC-HVDC₂的联系越强，达到MAP₁时，LCC-HVDC₂对LCC-HVDC₁的无功功率支撑就越大，自身的稳定运行区域增大。MAP₁对应的直流电流值I_d1也增大。可见，SCR₁越大，电气距离越小，LCC-HVDC₁的运行稳定性越高。

将STATCOM接入不同落点双馈入直流***，计算STATCOM容量从0Mvar变化到300Mvar时LCC-HVDC₁子***的MPC₁曲线和MAP₁值，其中SCR₁=SCR₂=2.5。

从附图3可以看出STATCOM接入到不同落点双馈入直流***LCC-HVDC₁子***逆变侧交流母线后，STATCOM容量越大，电气距离越小，LCC-HVDC₁的运行稳定性越高。

对比附图2(b)和附图3(b)发现，无STATCOM时的MAP₁值和STATCOM容量变化时的MAP₁值有类似的变化趋势。可见，STATCOM接入后能等效的增大LCC-HVDC₁子***逆变侧的交流***强度。附图3(b)中，达到MAP₁时，STATCOM和LCC-HVDC₂都为LCC-HVDC₁提供无功功率。L₁₂越小，LCC-HVDC₁和LCC-HVDC₂的联系越强，LCC-HVDC₂对LCC-HVDC₁的无功功率支撑就越大，MAP₁值就越大。

(2)STATCOM对LCC-HVDC₂最大传输有功功率MAP₂的影响：

LCC-HVDC₂的直流电流I_d2从零逐渐增大，LCC-HVDC₁***的参数保持不变，SCR₁=2.5，此时研究STATCOM对LCC-HVDC₂的影响。同理，计算LCC-HVDC₂子***在STATCOM容量、SCR₂和L₁₂变化时的MPC₂曲线，取其最大值可得MAP₂值，功率基准为2000MW，如附图4和附图5所示。需要注意的是SCR₂变化后，需重新计算LCC-HVDC₂逆变侧交流***的电动势幅值E₂和相位角δ_E2。

由附图4可知，SCR₂越大、L₁₂越小，MAP₂值也越大，LCC-HVDC₂的运行稳定性越强。附图5中，STATCOM相当于经过L₁₂与LCC-HVDC₂子***相联。对比附图4和附图5的纵坐标可以发现，STATCOM接入后也能等效的增大LCC-HVDC₂逆变侧交流***强度。只是这种等效增大程度小于对LCC-HVDC₁交流***强度的增大程度。可见，经过一定的电气距离后，STATCOM对直流***的改善能力减弱。L₁₂越大，这种减弱程度越明显。

另外，L₁₂=117km时，STATCOM容量达到200Mvar后，MAP₂在STATCOM容量增大到200Mvar后将不再增大。造成此现象的主要原因是LCC-HVDC₁与LCC-HVDC₂***的联系较弱，LCC-HVDC₂子***直流功率达到最大值时造成LCC-HVDC₁交流母线的无功缺额为200Mvar左右。再继续增大STATCOM的容量，LCC-HVDC₂子***直流功率最大值不再改变。

MAP₁和MAP₂的增加由STATCOM提供无功功率的能力决定。从提供无功功率的角度分析，STATCOM的接入能等效的增大两回直流子***的交流***强度。

STATCOM对不同落点双馈入直流***暂态过电压的影响：

LCC-HVDC***在紧急停运、逆变侧甩负荷、换流器触发脉冲丢失等情况下，换流器消耗的无功功率迅速减小，换流站过剩的无功功率将会注入所联的交流***，引起换流站交流母线电压升高，导致暂态过电压(TOV)。TOV是衡量直流***性能的重要指标。下面将分析两回直流子***逆变侧分别甩负荷时，STATCOM对LCC-HVDC₁和LCC-HVDC₂的暂态过电压的影响。

(1)LCC-HVDC₁***甩负荷时的TOV值：

考虑LCC-HVDC₁***逆变侧甩掉全部负荷，即直流***与逆变侧交流***没有功率流动，P_d1和Q_d1等于零。式(11)和(12)改为

-P_ac1-P_c1-P₁₂＝0(16)

-Q_ac1+Q_c1-Q₁₂+Q_S＝0(17)

***不含STATCOM，Q_S=0。当LCC-HVDC₁逆变侧SCR₁增大时，LCC-HVDC₁和LCC-HVDC₂逆变侧交流母线的TOV理论计算值和PSCAD/EMTDC仿真结果如附图6(a)所示。当***含不同容量STATCOM时的TOV计算值和仿真值如附图6(b)所示。

LCC-HVDC₁子***甩负荷，其逆变侧会产生暂态过电压TOV₁，同时过剩的无功功率经过联结线流向LCC-HVDC₂子***逆变侧交流母线，引起暂态过电压TOV₂。附图6中，实线和虚线是MATLAB的计算曲线，圆圈代表PSCAD/EMTDC的仿真值。计算曲线和仿真值基本一致，验证了理论计算和仿真结果的正确性。随着SCR₁的增大(附图6(a))和STATCOM容量的增大(附图6(b))，TOV₁和TOV₂都呈下降趋势。并且L₁₂越近，LCC-HVDC₁和LCC-HVDC₂之间联系越强，LCC-HVDC₁甩负荷后产生的越多的无功功率通过联结线注入另一***，从而导致的TOV₁越小，TOV₂越大。

（2）LCC-HVDC₂***甩负荷时的TOV值：

研究LCC-HVDC₂子***逆变侧甩负荷造成的暂态过电压时，P_d2和Q_d2等于零。式(13)和(14)改为

-P_ac2-P_c2+P₁₂＝0(18)

-Q_ac2+Q_c2+Q₁₂＝0(19)

同上所述，SCR₂增大时，可得到***不含STATCOM时不同电气距离下的LCC-HVDC₁和LCC-HVDC₂逆变侧交流母线的暂态过电压理论计算曲线和PSCAD/EMTDC仿真值，如附图7(a)所示。改变STATCOM容量时不同电气距离下的暂态过电压计算曲线和仿真值如附图7(b)所示。

由附图7可知，随着SCR₂的增大和STATCOM容量的增大，TOV₁和TOV₂也都有下降的趋势。STATCOM相当于经过一定的电气距离吸收LCC-HVDC₂逆变侧过剩的无功，来维持电压稳定。此外，由于LCC-HVDC₂的无功补偿容量是LCC-HVDC₁的2倍，LCC-HVDC₂甩负荷所造成过电压明显要高。

TOV₁和TOV₂的减小由STATCOM吸收无功功率的能力决定的。根据以上研究可知，从吸收无功功率的角度分析，STATCOM也能等效的增大交流***的强度。

上述计算和仿真结果表明，所发明的利用STATCOM改善不同落点双馈入直流***运行特性的方法，既能等效的增大本地直流子***的交流强度，改善本地直流子***的稳态和暂态运行特性；又能等效的增大远端直流子***的交流***强度，改善远端直流子***的稳态和暂态运行特性。可见，该方法对改善不同落点双馈入直流***的运行特性有着重要的意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种提高双馈入直流***稳定性的方法，其特征在于，在双馈入直流***中增加静止同步补偿器子***，将静止同步补偿器子***和两个电网换相高压直流子***中的任意一个电网换相高压直流子***直接并联到同一交流母线上，再使用与设定电气距离等值的阻抗将两个电网换相高压直流子***的交流母线相连。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静止同步补偿器子***包括顺次相连的换流电抗、补偿子***换流变压器漏抗和电压源型换流器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网换相高压直流子***逆变侧包括顺次相连的受端交流子***、***阻抗、高压直流子***换流变压器漏抗、逆变侧滤波器和无功补偿装置的等值电纳和逆变侧换流器。

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