VSC-HVDC高壓輸電系統(tǒng)控制研究

李恩佳

摘 要：隨著高新科技的快速發(fā)展，高壓輸電網(wǎng)絡(luò)工程的重要性也隨之得到廣泛關(guān)注，在電網(wǎng)建設(shè)過程中，對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)過程中輸電的穩(wěn)定性、安全性及經(jīng)濟(jì)性等的重視程度越來越高。此外，受外部環(huán)境的影響，在輸電工程設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行多重考慮以應(yīng)對(duì)無法預(yù)知的外部變化。因此，在高壓輸電建設(shè)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要加強(qiáng)對(duì)環(huán)境因素的考慮，提高高壓輸電工程控制的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)工程;穩(wěn)定性;高壓輸電

中圖分類號(hào)：TM723文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）25-0110-04

Abstract： With the rapid development of high-tech， the importance of high-voltage transmission network engineering has been widely concerned. In the process of power grid construction， more and more attention has been paid to the stability， security and economy of transmission network. In addition， due to the influence of external environment， multiple considerations are needed to deal with unpredictable external changes in the design process of transmission engineering. Therefore， it is necessary to strengthen the consideration of environmental factors in the design of high-voltage transmission construction to improve the stability of high-voltage transmission project control.

Keywords： power grid engineering;stability;high voltage transmission

1 高壓輸電系統(tǒng)概述

在互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用下，我國電力系統(tǒng)甚至世界上各個(gè)國家的電力系統(tǒng)都逐漸向著聯(lián)合進(jìn)步發(fā)展的方向前進(jìn)[1]。隨著電網(wǎng)工程建設(shè)腳步的加快，高壓輸電作為至關(guān)重要的組成部分，其有關(guān)設(shè)計(jì)工作也引起了相關(guān)研究人員的重視。

結(jié)合辨識(shí)算法、伯德圖、根軌跡圖等方法整定參數(shù)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)HVDC控制系統(tǒng)，對(duì)輸電系統(tǒng)過程中的穩(wěn)態(tài)及小擾動(dòng)現(xiàn)象的控制能取得較好的效果，但是在面對(duì)具有較強(qiáng)非線性特性的交流系統(tǒng)時(shí)，其系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)受到運(yùn)行過程中方式變化等諸多未知因素的影響[2]。因此，在輸電系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)控制方法的效果將會(huì)大大降低。

綜上所述，電網(wǎng)建設(shè)過程中，考慮到遠(yuǎn)距離輸電的電容量、地下及海底輸電和異步聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性等多種因素的影響，采用軌跡法與頻率響應(yīng)法進(jìn)行設(shè)計(jì)的HVDC輸電控制系統(tǒng)的電網(wǎng)工程，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)輸電過程中單輸入、單輸出的線性控制。在眾多輸電線路控制方法中，該方法的綜合優(yōu)勢(shì)不斷得到體現(xiàn)。各控制方法的關(guān)系如圖1所示。

2 HVDC輸電系統(tǒng)與傳統(tǒng)輸電系統(tǒng)對(duì)比

2.1 傳統(tǒng)UPS輸電系統(tǒng)

傳統(tǒng)的UPS輸電系統(tǒng)在工作過程中存在以下多種性能問題。

①在輸電系統(tǒng)中，UPS備用能源的可靠性為0.88，與可靠性為0.99的電池相比，其可靠性明顯不足[3]。采用并聯(lián)輸電方式時(shí)，在UPS之間不僅存在換流問題，而且還增加了UPS的無功損耗，整機(jī)可靠性、應(yīng)急保障及維護(hù)性能也會(huì)下降。

②UPS系統(tǒng)沒有對(duì)冗余系統(tǒng)的輸電配電線路進(jìn)行主次區(qū)分，利用率較低。UPS雙機(jī)冗余系統(tǒng)的負(fù)荷率不足35%，輸出三相之間不平衡，這些問題將直接影響UPS降容的使用。

③UPS系統(tǒng)的維護(hù)性差，無法進(jìn)行不同設(shè)備型號(hào)與系統(tǒng)間的交互，并且其供電容量較低。

2.2 HVDC高壓輸電系統(tǒng)

HVDC作為通信電壓系統(tǒng)的重要優(yōu)勢(shì)為具有高安全性、高可靠性及節(jié)能性。HVDC整機(jī)采用分布式監(jiān)控系統(tǒng)，由交流配電單元、整流單元、直流配電單元、電池單元、監(jiān)控單元及電池巡檢和絕緣巡檢部分組成。HVDC供電系統(tǒng)與UPS系統(tǒng)的性能對(duì)比如表1所示

2.3 輸電系統(tǒng)調(diào)整與控制

由于發(fā)電、輸電及負(fù)荷系統(tǒng)均與輸電電壓穩(wěn)定性有直接關(guān)系，因此輸電系統(tǒng)在電力需求高度緊張時(shí)容易出現(xiàn)電壓紊亂或崩潰的問題。但是，造成此問題的根本原因在于電力系統(tǒng)的脆弱性。此外，輸電系統(tǒng)的輸電網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度與傳輸能力、發(fā)電機(jī)無功功率、電壓控制、負(fù)荷等多種設(shè)備因素的共同作用對(duì)輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有著決定性影響。圖2為有功功率與無功功率傳輸模型。

對(duì)于典型的輸電系統(tǒng)而言，在進(jìn)行功率傳輸時(shí)，當(dāng)功角不足30°時(shí)，可以使用[sinδ=δ]將接收端和發(fā)送端方程（1）和（3）線性化，從而得出有功功率傳輸和功角[δ]之間的關(guān)系。

當(dāng)輸電系統(tǒng)功率傳輸方式為無功功率傳輸時(shí)，在研究輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性時(shí)可以忽略電壓幅值。當(dāng)輸電系統(tǒng)遭遇緊急情況或崩潰時(shí)，會(huì)降低系統(tǒng)的接收端、負(fù)載端的電壓，此時(shí)對(duì)輸電線路及變壓器兩端功率傳輸特性的研究對(duì)輸電系統(tǒng)具有重要的意義。

通過上述各方程計(jì)算可以得出：輸電電壓始終從高電壓節(jié)點(diǎn)向低電壓節(jié)點(diǎn)傳輸，其幅值決定了無功率傳輸?shù)奶匦?。因此，可以得出[P]和[δ]，[Q]和[U]的關(guān)系緊密關(guān)聯(lián)。

對(duì)比有功功率傳輸和無功功率傳輸特性，其差異較為明顯，無功率傳輸存在以下缺點(diǎn)。

①在輸電線兩端具有較大功角進(jìn)行傳輸時(shí)，只能從高電壓節(jié)點(diǎn)向低電壓節(jié)點(diǎn)傳輸，傳輸過程中，電壓幅值始終保持在（[1±5%]）p.u.的特性給無功功率傳輸方式在實(shí)際輸電工程中的應(yīng)用帶來很大的困難。

②考慮到輸電工程的經(jīng)濟(jì)性要求，在輸電線路上要求始終保持有功損失與無功損失最低。其無功損失最小是為了降低無功投資。

綜上所述：輸電系統(tǒng)有功功率[P]的傳輸和功角有直接關(guān)系，電壓幅值[U]對(duì)無功功率[Q]傳輸具有重要影響。輸電線路上的負(fù)荷過大、電壓源距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)、電壓值過低及負(fù)荷無功補(bǔ)償值過低等因素影響著輸電電壓的穩(wěn)定性。

2.4 VSC-HVDC控制

在輸電過程中，可以采用同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、禁止無功補(bǔ)償器等多種方式調(diào)節(jié)輸電網(wǎng)絡(luò)中的電壓分布，使其穩(wěn)定在良好的電壓范圍和較高的電壓值[4]。為了獲得有效的控制方式來提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研究者對(duì)VSC-HVDC控制方式進(jìn)行了研究分析。

在兩交流電網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，在輸電系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，為保證VSC-HVDC控制方式對(duì)直流電源和功率平衡具有有效的控制效率，本文分析了前人的研究，并提出VSC-HVDC輸電系統(tǒng)故障控制策略，即模式切換控制策略。

本文對(duì)VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的直流功率與兩側(cè)換流器直流電源的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，提出了直流電壓閥值和直流電壓參考值的計(jì)算方法。

2.4.1 VSC-HVDC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了分析的簡便性，本文對(duì)VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，將換流器和交流相電抗器等效為電阻和電抗進(jìn)行串聯(lián)。圖3為帶有交流電網(wǎng)的VSC-HVDC輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2.4.2 換流器數(shù)學(xué)模型。根據(jù)基爾霍夫電壓定律推導(dǎo)出換流器交流側(cè)的微分方程：

3 結(jié)論

VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的直流電壓穩(wěn)定性的根本原因在于直流側(cè)電容和線路的充放電功率是否保持平衡。隨著輸電系統(tǒng)中直流電容器和線路存儲(chǔ)電能的增大，輸電線路的直流電壓隨之增加。直流側(cè)電容和線路的充放電功率作為直流輸電系統(tǒng)功率平衡節(jié)點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入限流模式或因故障出現(xiàn)停止時(shí)，直流輸電網(wǎng)絡(luò)的功率表現(xiàn)出不穩(wěn)定現(xiàn)象，其無法維持功率平衡，造成輸電系統(tǒng)對(duì)直流電壓的控制失效。此時(shí)，可采用VSC-HVDC輸電方式的輸電系統(tǒng)對(duì)有功功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)中的功率平衡，提高直流電壓的穩(wěn)定性。

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