串聯(lián)多端直流輸電無功補(bǔ)償及控制策略

劉俊磊

摘 要：多端直流輸電屬于直流輸電的一種形式，能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電以及多落點(diǎn)受電，對(duì)于提高供電質(zhì)量以及供電可靠性具有重要意義。但是基于晶閘管的傳統(tǒng)換流技術(shù)在換流過程中需要消耗大量無功功率，加大了電能的損耗，不利于電能的充分利用，嚴(yán)重影響了多端直流輸電的推廣及應(yīng)用，阻礙了我國電力事業(yè)的發(fā)展，針對(duì)這種狀況必須通過無功補(bǔ)償技術(shù)加強(qiáng)對(duì)線路耗能情況的控制。本文簡要介紹了串聯(lián)多端直流輸電及其無功理論，對(duì)無功補(bǔ)償?shù)木唧w設(shè)置進(jìn)行了分析，并提出了有效的串聯(lián)多端直流輸電無功補(bǔ)償控制策略。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)多端直流輸電；無功補(bǔ)償；理論；技術(shù)；控制策略

中圖分類號(hào)：TM721 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，我國加大了電網(wǎng)建設(shè)力度，通過對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，將直流輸電形式運(yùn)用于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，在建設(shè)大容量、遠(yuǎn)距離電網(wǎng)過程中起到了重要作用，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是傳統(tǒng)直流輸電形式也存在一定的弊端，電流的輸出端與輸入端只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)接，無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入端與輸出端之間的有效連接，不能滿足實(shí)際供電需求，所以在這基礎(chǔ)上發(fā)展形成了串聯(lián)多端直流輸電，通過對(duì)串聯(lián)多端直流輸電無功補(bǔ)償及控制策略進(jìn)行分析、研究，能夠?yàn)樵摷夹g(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造有利條件，發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢。

1.串聯(lián)多端直流輸電介紹以及其無功理論

1.1 串聯(lián)多端直流輸電介紹

串聯(lián)多端直流輸電是指采用串聯(lián)的形式將電網(wǎng)中的不同環(huán)節(jié)站相互連接，在線路中設(shè)置一個(gè)接地點(diǎn)，將所有電流匯集到一起流入到同一個(gè)直流電流，然后通過改變直流電壓來對(duì)功率在不同換流站的具體分配進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電流的輸送。通常情況下，串聯(lián)多端直流電壓的分配是由一個(gè)換流站完成的，通過對(duì)直流電壓進(jìn)行科學(xué)地分配，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線路電流的調(diào)節(jié)，滿足了電網(wǎng)多點(diǎn)同時(shí)供電的需求。

1.2 串聯(lián)多端直流輸電無功理論

串聯(lián)多端直流輸電的換流站主要有基于電流源的換流器和基于電壓源的換流器兩種形式，兩者可以單獨(dú)使用也可以混合使用，本文主要對(duì)基于電流源的換流器進(jìn)行研究，其無功補(bǔ)償?shù)睦碚摶A(chǔ)包括換流器無功消耗以及交流系統(tǒng)無功支持能力。換流器無功消耗主要涉及到換流器功率因數(shù)以及換流器無功功率軌跡，其中換流器吸收的無功功率隨換流器功率的變化所形成的曲線就叫作換流器無功功率運(yùn)行軌跡。根據(jù)換流器的工作原理以及相關(guān)函數(shù)知識(shí)可以得知，換流器的功率因數(shù)與觸發(fā)角以及整流器和逆變器的換相角大小有關(guān)，當(dāng)線路中的直流功率相同時(shí)，交流側(cè)功率因數(shù)與觸發(fā)角以及整流器和逆變器的換相角成反比關(guān)系，會(huì)隨著角度的增加而減小，此時(shí)換流器吸收的無功功率將會(huì)增大。

換流站的無功補(bǔ)償在很大程度上是由交流系統(tǒng)無功支持能力決定的，當(dāng)交流系統(tǒng)無功能力較強(qiáng)時(shí)，較小容量的無功補(bǔ)償便可以滿足換流站的運(yùn)行需求，可以適當(dāng)減少無功補(bǔ)償設(shè)備，節(jié)約了大量的系統(tǒng)運(yùn)行資金，當(dāng)直流系統(tǒng)突然停運(yùn)時(shí)，能夠有效避免因甩負(fù)荷引起的過電壓現(xiàn)象，所以在設(shè)計(jì)串聯(lián)多端直流輸電無功補(bǔ)償裝置的時(shí)候，要對(duì)交流系統(tǒng)的無功支持能力加以充分利用。

2.串聯(lián)多端直流輸電無功補(bǔ)償設(shè)置

2.1 無功補(bǔ)償原則

在設(shè)置串聯(lián)多端斷直流輸電無功補(bǔ)償時(shí)，為了縮短傳輸距離、減少無功損耗，要堅(jiān)持分層分區(qū)、就地平衡的基本原則。在規(guī)劃直流系統(tǒng)路線的時(shí)候，要根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行分類，合理布置線路。當(dāng)直流系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷較大時(shí)，為了減少容性無功補(bǔ)償裝置數(shù)量，可以對(duì)部分無功電源加以利用；當(dāng)直流系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷較小時(shí)，為了減少感性無功補(bǔ)償設(shè)備裝置數(shù)量，可以通過發(fā)電機(jī)減少無功補(bǔ)償大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無功平衡。除此之外還需要對(duì)無功設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，主要包括容性無功補(bǔ)償裝置容量的校核、感性無功補(bǔ)償裝置容量的校核以及無功補(bǔ)償設(shè)備分組投切是電壓變化率的校核，通過對(duì)無功設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，能夠保證無功補(bǔ)償設(shè)置科學(xué)性以及合理性，滿足直流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需求。

2.2 無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)

在進(jìn)行無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要明確無功平衡方式，并根據(jù)具體方式選擇不同的無功平衡配置方案，常見的無功平衡方式主要有無功獨(dú)立平衡方式、單站獨(dú)配方式以及無功整體平衡方式3種，基于這3種平衡方式可以提出多種無功平衡配置方案，本文所用的無功平衡配置方案為結(jié)合與換流站相連的交流系統(tǒng)的無功支持能力，以滿足換流站的無功消耗需求進(jìn)行平衡配置。根據(jù)具體的系統(tǒng)參數(shù)以及無功邊界條件，結(jié)合計(jì)算公式，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)分別對(duì)換流站無功消耗、換流站無功分容量進(jìn)行計(jì)算，得出較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，確定換流站的大組、小組以及無功分組數(shù)的方案；然后在對(duì)無功小組容量進(jìn)行計(jì)算，推算出無功小組的最大容量；最后根據(jù)計(jì)算以及估算得出的具體數(shù)值確定無功配置方案。

2.3 無功補(bǔ)償與配置方案的校核

為了保證無功補(bǔ)償配置方案滿足實(shí)際需求，需要對(duì)無功補(bǔ)償與配置方案進(jìn)行校核。換流站的無功消耗情況與其運(yùn)行方式有著直接影響，通過對(duì)換流站不同運(yùn)行方式下的無功消耗情況進(jìn)行校核，能夠滿足實(shí)際運(yùn)行需求；無功補(bǔ)償總?cè)萘渴怯幸欢ǖ臈l件要求的，所以需要分別對(duì)整流站逆變站的無功補(bǔ)償容量進(jìn)行校核；除此之外還需要對(duì)感性無功補(bǔ)償設(shè)備容量、投切無功分組電壓波動(dòng)以及無功分組投切工程進(jìn)行校核，以保證無功補(bǔ)償配置方案滿足直流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需求。

3.串聯(lián)多端直流輸電無功補(bǔ)償控制策略

3.1 評(píng)估直流系統(tǒng)故障對(duì)暫態(tài)電壓的影響

當(dāng)直流系統(tǒng)中出現(xiàn)運(yùn)行故障的時(shí)候，會(huì)對(duì)暫態(tài)電壓的穩(wěn)定性造成影響，利用暫態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)可以對(duì)所產(chǎn)生的影響進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而能夠清楚地了解到暫態(tài)電壓可能出現(xiàn)的問題，制定針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，所以在對(duì)串聯(lián)多端直流輸電無功補(bǔ)償進(jìn)行控制的時(shí)候，首先要明確暫態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)，當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，利用相關(guān)指標(biāo)能夠得出故障對(duì)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的具體影響，為優(yōu)化電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償提供了可靠的參考依據(jù)。將暫態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)與有關(guān)的計(jì)算指標(biāo)相結(jié)合，采用時(shí)域仿真法對(duì)故障情況進(jìn)行模擬，然后得出故障情況對(duì)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響程度，根據(jù)評(píng)估結(jié)果提出無功補(bǔ)償優(yōu)化措施，故障所造成的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。同時(shí)還需要以時(shí)間為劃分標(biāo)準(zhǔn)將動(dòng)態(tài)無功備用分為不同等級(jí)，以滿足不同時(shí)間段的實(shí)際需求。

3.2 基于模型預(yù)測控制的動(dòng)態(tài)無功協(xié)調(diào)優(yōu)化

在對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功協(xié)調(diào)進(jìn)行控制的時(shí)候，如果僅僅是對(duì)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行考慮，是很難實(shí)現(xiàn)有效的控制效果的，無法保證控制的連續(xù)性。在對(duì)無功裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程中，因裝置特性的不同彼此之間可能會(huì)存在競爭關(guān)系，所以在對(duì)串聯(lián)多端直流輸電無功補(bǔ)償進(jìn)行控制的時(shí)候，需要采用MPC動(dòng)態(tài)無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法建立模型，對(duì)每一個(gè)時(shí)間層未來的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬和預(yù)測，確定響應(yīng)特性與之匹配的無功設(shè)備的動(dòng)作量及動(dòng)作時(shí)刻，根據(jù)預(yù)測結(jié)果對(duì)各類離散、連續(xù)無功設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)，提前響應(yīng)系統(tǒng)中預(yù)見變化，滿足電壓安全并預(yù)留快速無功備用。

3.3 不基于負(fù)荷模型的暫態(tài)電壓穩(wěn)定快速評(píng)估

因?yàn)榻M成電力系統(tǒng)負(fù)荷具有多變、靈活的特點(diǎn)，很難通過構(gòu)建負(fù)荷模型將其基本情況反映出來，所以在對(duì)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候，如果采用負(fù)荷模型評(píng)估方法，是無法得出準(zhǔn)確的結(jié)果的，便無法實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)挠行Э刂啤ａ槍?duì)這種狀況，通過利用李雅普諾夫指數(shù)，可以在不構(gòu)建負(fù)荷模型的情況下，根據(jù)PMU數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)情況得出電力系統(tǒng)所發(fā)生的具體變化，進(jìn)而得知暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，然后對(duì)無功補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)控。

3.4 自律、協(xié)同的暫態(tài)電壓穩(wěn)定緊急控制體系

在對(duì)串聯(lián)多端直流輸電無功補(bǔ)償進(jìn)行控制的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)遇到緊急情況，需要通過就地切負(fù)荷方式迅速完成控制過程，但是就當(dāng)前的緊急控制裝置來看，是很難實(shí)現(xiàn)就地智能控制的，所以就需要建立一套有效的緊急控制體系，來減少切負(fù)荷量。通過將動(dòng)態(tài)無功裝置與發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，然后將快速切負(fù)荷控制與兩者結(jié)合形成的協(xié)調(diào)控制器相互配合，能夠使負(fù)荷感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在故障期間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降減少，提高負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在故障切除后的電壓恢復(fù)能力，可以有效減少暫態(tài)電壓穩(wěn)定的故障切除所需時(shí)間，實(shí)現(xiàn)緊急控制系統(tǒng)的構(gòu)建。

結(jié)語

與常規(guī)的高壓直流輸電相比，串聯(lián)多端直流輸電具有多方面的應(yīng)有優(yōu)勢，首先是擴(kuò)大了直流傳輸容量以及傳輸距離；拓寬了直流功率的調(diào)節(jié)范圍；并且當(dāng)換流器出現(xiàn)故障的時(shí)候，系統(tǒng)中的其他運(yùn)行環(huán)節(jié)仍然可以繼續(xù)工作。但是同時(shí)也增加了換流站數(shù)量以及線路段的增加，也會(huì)提高直流系統(tǒng)的復(fù)雜程度，加大了無功補(bǔ)償難度，并且換流過程中會(huì)造成大量的電能損耗，電能利用率較低，所以需要優(yōu)化無功補(bǔ)償配置，制定科學(xué)、有效的無功補(bǔ)償控制策略。

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