不同控制方式對交直流系統(tǒng)潮流計算的影響

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(新疆電力設(shè)計院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

中國東部沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，負荷密集，而能源中心卻位于西部，這就造成了供需矛盾，能源與負荷發(fā)展極不平衡。發(fā)展高壓、大容量、遠距離輸電就變得勢在必行，為了提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性與安全性，各電網(wǎng)之間的互聯(lián)已經(jīng)進入了實施階段[1]。單純交流輸電在遠距離輸電時也存在其局限性，成本高、網(wǎng)損大，在非頻率或非同步的互聯(lián)電網(wǎng)中存在一定的缺陷。因此，無論是經(jīng)濟上還是技術(shù)上，高壓直流輸電都比交流電網(wǎng)有優(yōu)勢。隨著全國電網(wǎng)互聯(lián)的完成，高壓直流輸電必將在西電東送中發(fā)揮重要作用。

換流站是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心部分，換流站靈活、多變的控制策略是保證直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提條件。文獻[2]詳細介紹了6種主要的換流站控制方式。文獻[3]對一種慢速控制方式進行了研究：交直流混合系統(tǒng)變壓器分接頭控制，并對分接頭控制進行了數(shù)學建模。文獻[4]對考慮多種控制方式的高壓直流系統(tǒng)的潮流進行了計算。

在實際運行中，不同控制方式下直流輸電系統(tǒng)的潮流存在很大的差異，整流、逆變的控制方式直接影響潮流結(jié)果，快速控制與慢速控制的配合也對潮流的結(jié)果有一定影響。下面對幾種控制方式進行了研究，對比了電壓波動下的潮流結(jié)果，對其優(yōu)缺點進行了分析，并對潮流影響的程度進行了定量分析。

1 換流器數(shù)學模型

1.1 換流器的數(shù)學表達

高壓直流輸電的核心是換流器，直流系統(tǒng)建模的實質(zhì)就是換流器的建模。圖1為交直流系統(tǒng)等效電路圖[5]，交流電通過整流、逆變形成完整的傳送過程，Xc、Rd分別為等效漏抗和直流電阻；Ud、Id分別為直流電壓與直流電流。

圖1 交直流系統(tǒng)等效圖

換流器穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型[6,7]如下。

(1)

式中，r代表整流側(cè)；i代表逆變側(cè)；α為整流器觸發(fā)角；β為逆變器觸發(fā)超前角；γ為熄弧角；μ為換相角；φ為功率因數(shù)角；T為換流變壓器變比；Ud0為空載直流電壓；Ud為直流側(cè)電壓；Id為直流電流；Pdc為直流輸送功率。

1.2 換流變壓器變比計算

潮流計算時，通常需要考慮有載調(diào)壓變壓器的抽頭級數(shù)，此時的實際變比為與抽頭級數(shù)有關(guān)，如式(2)。

(2)

式中，η為變比；TC為抽頭級數(shù)；EN、Ud0N分別為交流側(cè)母線額定電壓和額定空載直流電壓；Δη為換流變壓器分接頭步長。

2 控制方式

2.1 柵/門極控制

直流系統(tǒng)中，對直流側(cè)電壓和電流的控制響應(yīng)速度較快，通常只有1～4 ms，也稱為快速控制，常用的6種控制模式有：定電壓控制(CV)、定電流控制(CC)、定功率控制(CP)、整流器定觸發(fā)角控制(CN)或逆變器定熄弧角控制(CEA)、定角控制和無功功率控制。

有時為了避免在系統(tǒng)故障時由于電壓過低而造成的危害，還有兩種保護性的控制模式：最小觸發(fā)角限值控制和低電壓限電流控制。

這里主要針對以上6種控制方式，分析研究它們在整流和逆變側(cè)不同組合方式下的優(yōu)缺點，為實際計算提供理論依據(jù)。

2.2 分接頭控制

換流變壓器分接頭控制又叫慢速控制，調(diào)節(jié)時間較長，通常為5～10 s。它起到對換流變壓器有載調(diào)壓分接頭控制、調(diào)節(jié)的目的。這樣就能將整流器或逆變器的角度維持在一定范圍內(nèi)，使直流電壓或換流變壓器閾側(cè)繞組空載電壓在正常的范圍內(nèi)。因此，在實際控制中要對快速控制和慢速控制合理配合。

3 算例分析

采用典型3機7節(jié)點交直流混聯(lián)系統(tǒng)對潮流進行計算，系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 3機7節(jié)點交直流系統(tǒng)圖

模型為330 kV和±800 kV交直流混聯(lián)系統(tǒng)，該模型具體參數(shù)如下：直流系統(tǒng)IN=1.2 kA,UN=800 kV,PN=960 MVA，R=19.8 Ω；觸發(fā)角α=15°；熄弧角γ=15°；換流變壓器整流側(cè)和逆變側(cè)漏抗分別為18.43 Ω、15.0 Ω。針對該模型，分別對所提到的幾種控制方式組合，采用交替迭代法計算潮流。

下面對不同控制方式組合進行分析。

(1)α角、β角固定。整流側(cè)α角和逆變側(cè)β角固定時，該方式下的潮流結(jié)果如表1所示。

表1 整流側(cè)角，逆變側(cè)角固定時潮流結(jié)果

計算結(jié)果表明，交流側(cè)電壓波動時，直流側(cè)電流較為敏感。交流電壓升高約為2 kV時，直流電流由1.2 kA跌落至1.05 kA，直流側(cè)電壓升高約24 kV，傳輸功率減小89 MW。

由式(1)可知，當α、β固定時，空載直流電壓正比于交流電壓，且隨交流側(cè)變化波動較大，由此可以看出，在α、β固定時的直流系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不建議在實際工程中采用。

(2)α角、γ角固定。整流側(cè)α角和逆變側(cè)γ角固定時，該方式下的潮流結(jié)果如表2所示。

表2 整流側(cè)角、逆變側(cè)角固定時潮流結(jié)果

計算結(jié)果表明，直流側(cè)電流波動時，逆變側(cè)電壓較為敏感。當直流側(cè)電流略有增加，逆變側(cè)和整流側(cè)電壓都會下降，但逆變側(cè)下降幅度遠大于整流側(cè)。直流側(cè)電流升高越多，整流和逆變側(cè)的壓差就越大，進而使電流進一步增加，這種惡性循環(huán)將嚴重影響電網(wǎng)安全。

(3)電流Id、γ角固定。整流側(cè)電流Id和逆變側(cè)γ角固定時該方式下的潮流結(jié)果如表3所示。

表3 整流側(cè)Id、逆變側(cè)γ固定時角潮流結(jié)果

計算結(jié)果表明，交流側(cè)電壓波動時，直流側(cè)電流、電壓、功率基本穩(wěn)定，變化不大。當整流側(cè)電流Id和熄弧γ角固定時，交流側(cè)電壓波動α角可自我調(diào)節(jié)。由式(1)可知，直流側(cè)電壓、功率也不隨交流側(cè)電壓波動而變化，這種控制方式能提供持續(xù)、穩(wěn)定的功率輸出，是較為合理的控制方式。

(4)α角、Id固定。整流側(cè)α角和逆變電流Id固定時，該方式下的潮流結(jié)果如表4所示。

計算結(jié)果表明，交流側(cè)電壓波動時，通過調(diào)整熄弧角可使直流側(cè)電流保持恒定，但電壓會有波動。由式(1)可知，α角、Id固定，交流側(cè)電壓直接影響直流側(cè)。這種控制方式適用于整流側(cè)電壓驟降或逆變側(cè)電壓上升的情況。

表4 整流側(cè)角、逆變側(cè)Id固定時潮流結(jié)果

(5)Id、Ud固定。整流側(cè)電流Id和逆變側(cè)電壓Ud固定時，該方式下的潮流結(jié)果如表5所示。

表5 整流側(cè)Id、逆變側(cè)Ud固定時潮流結(jié)果

計算結(jié)果表明，交流側(cè)電壓擾動時，直流側(cè)電壓、電流基本維持穩(wěn)定，是較為理想的控制方式。計算數(shù)據(jù)表明，交流電壓擾動，熄弧角變化明顯，實際采用中應(yīng)該綜合考慮利弊。

(6)Pd、γ角固定。整流側(cè)功率Pd和逆變側(cè)γ角固定時，該方式下的潮流結(jié)果如表6所示。

表6 整流側(cè)Pd、逆變定γ角固定時潮流結(jié)果

計算結(jié)果表明，直流側(cè)電壓波動時，換流站調(diào)整α角，從而改變整流側(cè)電流Id，使輸出功率保持穩(wěn)定。該控制方式適合恒功率傳送，但交流側(cè)電壓波動過大時可能導致?lián)Q流器過電流。

4 結(jié) 論

對不同控制方式下交直流混聯(lián)系統(tǒng)的潮流計算進行了研究，分析了各種控制方式下的優(yōu)缺點，結(jié)果表明：對于高壓直流輸電系統(tǒng)而言，逆變側(cè)定角或定電壓，整流側(cè)定功率或定電流控制，在理論上是較為合適的控制方式，但在實際控制中要根據(jù)具體情況采用不同控制方式相互配合，所做研究對實際工程提供了理論依據(jù)。

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