4.高壓直流輸電及柔性交流輸電系統(tǒng)

1、第四章 高壓直流輸電及柔性交流輸電系統(tǒng) 概述 直流輸電的根本原理與穩(wěn)態(tài)模型 交直流電力系統(tǒng)潮流計算 柔性輸電元件的工作原理及數(shù)學(xué)模型 含柔性輸電元件的電力系統(tǒng)潮流計算1、輸電形式的開展過程AC、DC、多相、分頻 2、與交流輸電相比，直流輸電： 適合遠距離輸電 控制與調(diào)節(jié)快速 無同步穩(wěn)定性問題 3、FACTSFlexibleAC Transmission System技術(shù) 是利用大功率電力電子元器件構(gòu)成的裝置來控制或調(diào)節(jié)交流電力系統(tǒng)的運行參數(shù)和或網(wǎng)絡(luò)參數(shù)從而優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高電力系統(tǒng)的輸電能力的技術(shù)。 4.1 概述4、FATCS設(shè)備應(yīng)用背景：電力負荷的不斷增長使現(xiàn)有的輸電系統(tǒng)在現(xiàn)有的運

2、行控制技術(shù)下已不能滿足長距離大容量輸送電能的需要。由于環(huán)境保護的需要，架設(shè)新的輸電線路受到線路走廊短缺的制約，因此，挖掘已有輸電網(wǎng)絡(luò)的潛力，提高其輸送能力成為解決輸電問題的一條重要途徑。大功率電力電子元器件的制造技術(shù)日益開展，價格日趨低廉，使得用柔性輸電技術(shù)來改造已有電力系統(tǒng)在經(jīng)濟上成為可能。計算技術(shù)和控制技術(shù)方面的快速開展和計算機的廣泛應(yīng)用，為柔性輸電技術(shù)發(fā)揮其對電力系統(tǒng)快速、靈活的調(diào)整、控制的作用提供了有力的支持。電力系統(tǒng)運營機制的市場化使得電力系統(tǒng)的運行方式更加復(fù)雜多變，為盡可能地滿足市場參與者各方面的技術(shù)經(jīng)濟要求，電力系統(tǒng)必須具有更強的自身調(diào)控能力。4.2 直流輸電的根本原理與穩(wěn)態(tài)模型

3、通過控制直流電壓，調(diào)節(jié)功率一、根本原理4.2 直流輸電的根本原理與穩(wěn)態(tài)模型二、穩(wěn)態(tài)模型1、幾個假設(shè)1交流側(cè)系統(tǒng)三相對稱、電壓波形為正弦波；2直流側(cè)電流無紋波，即為恒直流；3不計換流變壓器電阻和激磁支路的影響；2、換流器模型及等值電路三相六脈沖橋式電路等值電路換流器特性方程2、穩(wěn)態(tài)模型：換相系數(shù)橋數(shù)3、控制方式觸發(fā)滯后角熄弧超前角3、控制方式定電流定電壓定功率定控制角常用正常運行控制方式為：調(diào)整整流器的觸發(fā)角使其直流電流為定值，即定電流控制方式；調(diào)整逆變器的觸發(fā)角，使其熄弧超前角為常數(shù)，即定熄弧角控制方式。4.3 交直流電力系統(tǒng)潮流計算 交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)中的有關(guān)變量通過換流器的特性方程建立起數(shù)

4、學(xué)上的聯(lián)系。在純交流電力系統(tǒng)中，決定潮流分布的是節(jié)點的電壓大小和相角，而在直流電力系統(tǒng)中，由于只流過有功功率直流功率，其功率分布僅由直流系統(tǒng)各節(jié)點的電壓大小決定。不過由于通過換流器進行相位控制，流入換流器的交流電流的基波分量將比外加于換流器的交流電壓滯后一個角度；即通過換流器，一方面實現(xiàn)了交直流系統(tǒng)間的有功功率傳遞，另一方面由于換流器的存在又要從交流系統(tǒng)中吸取相當(dāng)?shù)臒o功功率。另外，直流系統(tǒng)的運行必須對各個換流器的運行控制方式加以指定，直流系統(tǒng)的狀態(tài)量是給定的直流控制量值和換流器交流端電壓的函數(shù)。因此，交直流系統(tǒng)潮流計算就是根據(jù)交流系統(tǒng)各節(jié)點給定的負荷和發(fā)電情況，結(jié)合直流系統(tǒng)指定的控制方式，通過

5、計算來確定整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 目前廣泛采用的交直流電力系統(tǒng)潮流計算方法多在牛頓法或者P-Q分解法的根底上形成，主要分為統(tǒng)一解法Integrated Methods和順序解法Sequential Methods兩大類，是根據(jù)在交流系統(tǒng)潮流計算中如何處理直流輸電環(huán)節(jié)的方法來區(qū)分的。 統(tǒng)一解法:一般以極坐標(biāo)形式的牛頓法為根底，將直流系統(tǒng)方程和交流系統(tǒng)方程統(tǒng)一進行迭代求解，即潮流雅可比矩陣除包括交流電網(wǎng)參數(shù)外，還包括直流換流器和直流輸電線路的參數(shù)。 順序解法:在迭代計算過程中，那么將直流系統(tǒng)方程和交流系統(tǒng)方程分別進行求解交替迭代法。在求解交流系統(tǒng)方程時，將直流系統(tǒng)用接在相應(yīng)節(jié)點上的其有功功率和無功功

6、率的負荷來等值。而在求解直流系統(tǒng)方程組時，將交流系統(tǒng)模擬成加在換流器交流母線上的一個恒定電壓。1、標(biāo)幺制下的換流器根本方程基準(zhǔn)值：2、潮流方程式 為了方便交直流混合系統(tǒng)潮流計算數(shù)學(xué)模型的建立，將整個系統(tǒng)的節(jié)點分為直流節(jié)點和純交流節(jié)點。直流節(jié)點即與換流變壓器一次側(cè)相連的節(jié)點，純交流節(jié)點是指沒有換流變壓器與之相連的節(jié)點。(na:AC節(jié)點，nc:DC節(jié)點1對于純交流節(jié)點，其節(jié)點功率方程式為：DC節(jié)點：不計換流損耗2、換流器方程對換流器k：3、直流網(wǎng)絡(luò)方程4)控制方程3 統(tǒng)一迭代求解 擴展變量的迭代初值與運行約束：1擴展變量的迭代初值。擴展變量的迭代初值采用其估計值。對于每一個換流器可以按其預(yù)估或給定

7、的直流功率由換流器根本方程估算擴展變量的初值。在估算時，對于已由換流器指定控制方式給出定值的量，即直接取其定值而將此變量作為常數(shù)。2擴展變量的運行約束。與傳統(tǒng)潮流計算中對越界變量的處理方式類似，假設(shè)某擴展變量越界，那么將此變量限定在所越的界值上。4 順序解法 順序解法的根本思想是：迭代計算過程中，將交流系統(tǒng)潮流方程和直流系統(tǒng)潮流方程分別單獨進行求解。在求解交流系統(tǒng)方程組時，將直流系統(tǒng)換流站處理成接在相應(yīng)交流節(jié)點上的一個等效P、Q負荷。而在求解直流系統(tǒng)方程時，將交流系統(tǒng)模擬成加在換流站交流母線上的一個恒定電壓。在每次迭代中，交流系統(tǒng)方程的求解將為隨后的直流系統(tǒng)方程的求解建立起換流站交流母線的電壓

8、值，而直流系統(tǒng)方程的求解又為后面的交流系統(tǒng)方程的求解提供了換流站的等效P、Q負荷值。比較： 統(tǒng)一迭代法完整地考慮了交、直流變量之間的藕合關(guān)系，對各種網(wǎng)絡(luò)及運行條件的計算，均呈現(xiàn)良好的收斂特性。但其雅可比矩陣的階數(shù)比純交流系統(tǒng)的要大，對程序編制的要求高，占用內(nèi)存較多，同時計算時間長。 交替迭代法由于交、直流系統(tǒng)的潮流方程分開求解，因此整個程序可以利用現(xiàn)有任何一種交流潮流程序再加上直流系統(tǒng)潮流程序模塊即可構(gòu)成。另外，交替迭代法也更容易在計算中考慮直流變量的約束條件和運行方式的合理調(diào)整。但是，交替迭代法的收斂性不及統(tǒng)一迭代法。 計算實踐說明，當(dāng)交流系統(tǒng)較強時，其收斂特性是令人滿意的。4.4 柔性輸電

9、元件的工作原理及數(shù)學(xué)模型根本分類： 按連接方式可分為: 并聯(lián)型SVC、STATCOM 串聯(lián)型TCSC、SSSC 綜合型UPFC、TCPST4.4 柔性輸電元件的工作原理及數(shù)學(xué)模型1 SVC的工作原理及數(shù)學(xué)模型2 STATCOM的工作原理與數(shù)學(xué)模型 STATCOM 也稱為靜止無功發(fā)生器 Advanced StatiC Var Generator , ASVG ) ，其功能與 SVC 根本相同，但是運行范圍更寬、調(diào)節(jié)速度更快。SVC 的控制元件為晶閘管。晶閘管是半控型器件，只能在閥電流過零時關(guān)斷。 STATCOM 是用全控型器件實現(xiàn)的。下面為用 GTO 實現(xiàn)的 STATCOM 的根本原理。理想的

10、GTO 開關(guān)特性：當(dāng)閥有正向電壓且在門極加正向控制電流時，閥即時開通。當(dāng)在門極加負向控制電流時閥即時關(guān)斷。3、UPFC4、TCSC 調(diào)整閥的導(dǎo)通角將使串聯(lián)在線路中的電抗 XTcsc 發(fā)生變化，從而使得線路的等值阻抗成為一個可控參數(shù)。由于對閥的控制是由按一定的控制策略事先設(shè)計的控制器完成的，在其動態(tài)響應(yīng)特性理想的條件下，可以使輸電線的輸電容量到達其熱穩(wěn)極限。4.5 含柔性輸電元件的電力系統(tǒng)潮流計算 含柔性輸電元件的電力系統(tǒng)潮流控制及潮流問題計算問題根本分為兩大類： 1、根據(jù)具體的柔性輸電元件的功能和系統(tǒng)運行的需要給出潮流控制目標(biāo)，通過計算獲得電力系統(tǒng)的潮流和柔性輸電元件的控制參數(shù)。 2、給定柔性輸電元件的控制參數(shù)，通過計算獲得系統(tǒng)的潮流。 當(dāng)柔性輸電元件被用于直接控制其安裝地點的運行參數(shù)，如節(jié)點電壓的幅值、線路的有功或無功功率時，采用第一類；在優(yōu)化系統(tǒng)運行狀態(tài)時，柔性輸電元件可以間接的控制非安裝地點的運行參數(shù)，這時采用第二類。第二類問題多用于數(shù)學(xué)優(yōu)化問題中，即通過對柔性輸電元件參數(shù)的一系列調(diào)整使系統(tǒng)的運行狀態(tài)滿足一定的要求。 與直流輸電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)一樣，柔性輸電元件介入電力系統(tǒng)后也不改變潮流方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)，即描述系統(tǒng)的方程仍然是一組非線性代數(shù)方程。因此，在計算方法上也仍然以第二章介紹的牛頓法為根底。與交直流混合系統(tǒng)的潮流計算相類似，迭代也大致分為兩種，即