交直流输电

关键词： 毕业设计 直流 课题 输电

交直流输电（精选十篇）

交直流输电 篇1

1 计算电网简介

未来江苏电网将拥有锦苏、锡盟—泰州、晋北—南京3 回特高压直流、 龙政超高压直流和淮沪北半环特高压交流,成为典型的特高压交直流混联受端电网。未来江苏电网特高压交直流落点分布如图1 所示。

在交流特高压方面, 目前淮沪特高压交流南半环(1000 k V淮南—皖南 —浙北—沪西) 已建成投入运行;淮沪特高压交流北半环(1000 k V淮南—南京—泰州—苏州—沪西)也已开工建设,将于近期建成投运。

在直流输电方面, 锦苏特高压直流和龙政超高压直流均已建成投运。 根据规划, 晋北—南京特高压直流、 锡盟—泰州特高压直流也将于近年建成投运;其中, 锡盟—泰州特高压直流将创新性地采用特高压直流分层接入方式。 锡盟—泰州特高压直流近10 000MW落地功率的各50%电力将分别接入1000 k V和500 k V交流电网。 锡盟—泰州特高压直流工程分层接入交流系统示意图如图2 所示。

晋北—南京特高压直流、 锡盟—泰州特高压直流投运后,江苏电网将通过3 回特高压直流受入超过23 000 MW的电力。 同时由图1 可知,江苏电网特高压交直流落点之间的电气距离较近、且受电容量大,特高压交直流输电之间的交互影响可能会对江苏电网的运行带来重大影响。本文研究基于规划电网数据进行,江苏境内的交直流特高压电网结构如图1 所示, 其中1000 k V南京站主变1 台、泰州站和苏州站主变均为2台, 各特高压主变容量均为3000 MV·A。 江苏4 回500 k V过江通道如图2 所示。

2 江苏特高压交直流混联电网潮流分析

根据规划数据, 接入江苏的4 回直流落地功率分别为: 晋北—南京特高压直流落地电力约7450 MW、锡盟—泰州特高压直流落地电力约9600 MW(其中约4800 MW接入1000 k V电网), 锦苏特高压直流落地电力约6750 MW、 龙政超高压直流落地电力约2850MW,具体如图3 所示。

由图3 可知,“皖电东送”1000/500 k V断面(1000k V淮南 —南京双线,500 k V当涂 —天目湖双线、 繁昌—廻峰山双线) 共向江苏电网馈入电力约6600MW,对缓解江苏电力紧缺问题起到了重要作用,其中500 k V当涂 —天目湖双线潮流约2950 MW、 接近其3000 MW的稳定限额。 此外,晋北—南京特高压直流和锡盟—泰州特高压直流接入江苏电网后,江苏江北电网电力富裕,1000 k V过江通道泰州—苏州双线南送潮流约3400 MW,淮沪特高压交流“北半环”有效缓解了江苏电网500 k V过江断面的潮流南送压力。

3 江苏特高压交直流交互影响分析

3.1 特高压交流故障对特高压直流的影响

交流系统故障对直流输电运行的影响主要为:交流系统故障导致换流站交流母线电压降低或线电压过零点偏移,进而导致直流换相失败;随后,若交流系统故障及时切除,待交流系统电压恢复后直流输电可恢复正常运行;若故障未能及时切除或故障切除后系统电压未能及时恢复,则会导致直流输电发生持续的换相失败,进而导致直流闭锁[3]。

直流输电系统逆变侧接线及电压波形示意如图4所示。 在换相结束后晶闸管还需承受一定时间(熄弧角)的反向电压以恢复关断能力,若熄弧角过小,则会导致晶闸管在还未完全恢复关断能力时便又承受正向电压而恢复导通,进而造成换相失败[3]。

以阀V5向V1换相时为例, 简要说明换相失败的基本机理。

阀V5向V1换相期间(α 至 α+μ),交流系统a相和c相之间满足:

式(1)中:UL为交流系统线电压;i1和i5分别为流过阀V1和V5的电流。

在换相起止时刻,i1值分别为0 和id,而i5值分别为id和0。 对式(1)在换相起止时刻之间(α 至 α+μ)进行积分,可得直流电流的表达式:

进而可求解得到换相角 μ 的表达式:

可见,交流系统发生故障导致交流系统线电压降低,会导致换相角增大,进而造成熄弧角减小。当熄弧角减小至小于晶闸管恢复关断能力所需的最小值时,便会引起换相失败。

根据仿真计算,1000 k V淮南—南京—泰州—苏州—练塘双线发生三永N-2 故障, 或1000 k V南京、泰州、 苏州主变发生三永N-1 故障后, 江苏境内晋北—南京特高压直流、锡盟—泰州特高压直流、锦苏特高压直流发生换相失败,闭锁情况如表1 所示。

由表1 可知, 在规划电网中,1000 k V淮南—南京—泰州—苏州—练塘双线发生三永N-2 故障,或1000 k V南京、泰州、苏州主变发生三永N-1 故障后,江苏境内晋北—南京特高压直流、 锡盟—泰州特高压直流、锦苏特高压直流会发生换相失败,但在故障切除后上述3 回特高压直流均可恢复、不会发生直流闭锁。

3.2 特高压直流故障对特高压交流的影响

直流系统发生故障造成直流输电闭锁后, 作为受端系统,江苏电网将存在较大的有功缺额、频率下降,若系统保有足够的备用发电容量, 则系统频率将最终恢复正常。同时直流闭锁后,受端系统还将存在较大的无功过剩、 电压上升, 若换流站无功补偿设备及时切除,则系统电压可恢复正常;若换流站无功补偿设备未切除,则系统将运行在较高的电压水平。直流系统发生故障闭锁后, 直流故障对交流系统的影响机理如图5所示。

根据仿真计算,晋北—南京、锡盟—泰州和锦苏3回特高压直流某回发生双极闭锁后,若无功补偿设备均正常退出,系统频率和电压均可保持稳定。

以晋北—南京特高压直流双极闭锁为例,分析特高压直流闭锁对特高压交流的影响。 晋北- 南京特高压直流双极闭锁后,近区500 k V母线频率和电压波形分别如图6 和图7 所示。

由图6 可知,晋北—南京特高压直流双极闭锁后,安澜变和三汊湾变500 k V母线频率快速下降,降幅最大约0.19 Hz,随后频率逐渐回升,并稳定在49.91 Hz左右,系统频率稳定。 由图7 可知,晋北—南京特高压直流双极闭锁后,安澜变和三汊湾变500 k V母线电压迅速上升,峰值分别达到约580 k V和560 k V,若南京站无功补偿未切除,则安澜变和三汊湾变500 k V母线电压将最终稳定在565 k V和550 k V左右,电压过高;若南京站无功补偿逐步退出,则安澜变和三汊湾变500 k V母线电压最后分别稳定在525 k V和520 k V左右,系统电压稳定。

3.3 特高压直流相互影响

未来江苏电网将拥有3 回特高压直流落点, 当某回直流发生故障闭锁后,通过交流系统耦合,其他换流站交流母线电压亦将发生波动,并最终影响其运行。根据仿真计算,晋北—南京、锡盟—泰州和锦苏3 回特高压直流某回发生双极闭锁后, 其他2 回均不会发生换相失败。仍以晋北—南京特高压直流双极闭锁为例,分析江苏电网落点的特高压直流之间的交互影响。 晋北—南京特高压直流双极闭锁后, 泰州换流站和苏州换流站交流母线电压和直流功率波形分别如图8 和图9 所示。

由图8 和图9 可知, 晋北—南京特高压直流双极闭锁后, 泰州和苏州换流站交流母线电压波动均未低于0.95 p.u., 锡盟—泰州特高压直流和锦苏特高压直流均未发生换相失败, 直流功率经一定时间振荡后恢复稳定。

4 江苏特高压交直流协调控制展望

由上述分析可知, 江苏特高压交直流混联电网基本可满足安全稳定运行的要求。

根据国家电网公司规划, 江苏电网未来将拥有多回特高压直流落点;在特高压交流方面,除淮沪特高压交流北半环外, 未来还将通过特高压交流线路与华北和华中电网互联。如图10 所示。现有研究表明,通过对直流输电和交流系统的协调控制可有效提高系统运行的稳定性[4,5,6,7]。 为进一步提高江苏电网运行的安全稳定性, 下一步可推进特高压交直流协调控制提高系统稳定性的相关研究。

5 结束语

分析结果表明,在规划电网和预想故障形式下,江苏电网境内特高压交流设备故障, 不会造成江苏境内落点的3 回特高压直流闭锁; 江苏境内落点的3 回特高压直流某回因自身设备原因发生双极闭锁后, 不会造成电网频率或电压失稳, 也不会引起其他2 回特高压直流换相失败。 特高压交直流系统交互影响机理复杂,后续将开展特高压交直流协调控制的相关研究,以进一步提高电网安全稳定运行水平。

参考文献

[1]朱红萍,罗隆福.直流调制策略改善交直流混联系统的频率稳定性研究[J].中国电机工程学报,2012,32(16):36-43.

[2]董宸,周霞,李威,等.提升特高压电网输电能力的方法[J].江苏电机工程,2013,32(5):1-4.

[3]戴熙杰.直流输电基础[M].北京:水利水电出版社,1990.

[4]毛晓明,张尧,管霖,等.南方交直流混合电网区域振荡的协调控制策略[J].电力系统自动化,2005,29(20):55-59.

[5]黄震,郑超,庞晓艳,等.四川多回±800kV直流外送系统直流有功功率协调控制[J].电网技术,2011,35(5):52-58.

[6]徐式蕴,吴萍,赵兵,等.哈郑直流受端华中电网基于响应的交直流协调控制措施[J].电网技术,2015,39(7):1773-1778.

《高压直流输电系统》开题报告 篇2

一、毕业设计(论文)课题来源、类型 本毕业设计的课题来源为导师给定，课题类型为研究类。

二、选题的目的及意义 本毕业设计的主要任务是高压直流输电系统谐波电流的分析与研究。我国能源和负荷的地理分布极不均衡，决定了我国要解决21世纪上半叶的电力供应问题，就必须在大力开发水电和火电的同时，建设全国能源传输通道，实现长距离大容量的“西电东送”和“北电南送”，从而实现全国联网，充分发挥电网的水火互补调剂及区域负荷错峰作用。目前，我国已经建成了多条直流输电线路，包括早期建成的舟山试验工程和葛卜直流输电工程，以及近年新建的天广、三常、三广和贵广直流输电工程等。我国正在建设和规划建设中的还有灵宝背靠背、三峡一上海、云南水电送广东、四川水电送华中、华东以及西南水电送江西、福建，广东一海南联网等直流输电工程。我国的直流输电技术必将在此过程中有长足的发展。直流输电因其输电容量大，控制响应速度快，自身没有同步运行的稳定性问题，远距离、大容量送电优势明显，已成为我国重要的远距离、大容量送电和区域联网方式。高压直流输电中的谐波问题也日益突出，谐波的存在使

得系统电能质量下降。其不但会严重影响电力系统自身的安全运行，而且还影响输变电设备的正常运行和干扰周围的通信系统。为此，我国于1993年对电网中的谐波制定了相应的国家标准。谐波对电力系统和其他用电设备可能带来非常严重的影响和危害。如果交、直流系统的谐波分量过大，会使系统电压波形发生畸变，降低电能的质量。谐波电压和谐波电流对电力系统的影响一般有以下几点：

1．会在电网中引起局部的并联或串联谐振，加大了谐波分量；

2．由谐振导致的局部过电压，加速电力设备绝缘老化，缩短使用寿命，增加建设投资；

3．增加电网中发电机和电容器的附加损耗；

4．影响换流器控制的稳定性；

5．干扰邻近的通信设备，使电话线路产生杂音，降低通信质量。

6.干扰仪表和电能计量，造成较大误差;

7.对继电保护或自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动

8．谐波的存在对电网的经济运行也有一定程度的影响。即使是在谐波分量没有超标的情况下，谐波也会造成大量有功功率和无功功率的损耗。虽然它的相对值并不大，但是绝对数量也是非常可观的。高压直流输电的换流器是一个高度非线性的谐波源，高

压直流输电系统运行时会在交、直流系统中产生丰富的谐波，包括特征谐波及非特征谐波，因而进行谐波治理之前需要了解高压直流输电系统中谐波的次数及含量。这也正是本课题的研究意义所在。

三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势 由于电力系统日益复杂化以及电能质量要求日益提高，高压直流输电系统谐波检测研究也在向纵深发展，主要发展趋势有：

(1)谐波检测对象研究从以稳态谐波检测研究为主转向非稳态谐披(波动谐波、快速变化谐波)检测。目前，对稳态谐波检测的研究已经比较深入，其中的FFT检测方法及其实现技术已经比较成熟。

(2)谐波检测方法研究将以改善FFT为主转向探索新的有效方法。由于DFT、FFT受使用条件的限制，对小波变换、瞬时无功功率理论、d-q旋转坐标变换、NN遗传算法等开展深入研究是一种必然选择，这些新的谐波检测方法被广泛应用是一种发展趋势。

(3)谐波检测实现技术研究将以模拟电路技术和不可编程数字电路技术为主转向追求高精度、高速度和高可靠性、高实时性、高鲁棒性的可编程器件技术”。

(4)谐波理论研究从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。传统的谐波理论很少关注不同次谐波之间产生的畸变

功率问题以及非稳态谐波问题，已经不能完全适应电力系统复杂化的客观实际，探索适用于复杂化系统的通用谐波理论以及新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自身发展的需要，更是解决电力系统谐波问题的客观需求。

四、本课题主要研究内容 本课题主要研究内容为：

了解国内外高压直流输电系统及其谐波问题的研究状况及研究方法。

学习快速傅里叶变换理论，深入研究分析FFT理论用于分析高压直流输电系统谐波的可行性和可能遇到的问题。

利用Matlab编写基于FFT谐波检测算法，验证该算法程序的正确性和有效性。

利用Matlab搭建 Simulink 仿真模型产生比较符合实际的高压直流输电系统电流波形并进行抽样采集。

直流输电系统故障分析与保护 篇3

【关键词】直流输电;过电压;交流滤波器

前言

在二十一世纪的今天，随着用电量的不断增加，在输电线路形式上不断改革，提升输送电力的容量和电压时满足人们日益增长用电需求的重要手段。然而如何在直流电的输送过程中对直流输电系统做好防护措施，是目前电力工作者所不得不面对的一个难题。本文通过对直流输电系统的主要故障进行了分析，并且提出了相对应的保护措施，希望能为相关工作人员提供一定的参考和借鉴。

一、过电压的存在与保护

在我国实际的直流输电的过程中，由于受到自然恶劣的环境影响或者是认为的失误出现故障等形成过电压，过电压严重影响了在直流电输送系统的运行，甚至威胁者整个电力系统的安全，所以必须要及时发现和解决。在目前中国的实际情况来说主要以过电压保护器和避雷针为保护措施。对于避雷针来说，由于其构造简单，价格便宜而又耐用的优点成为现在应用最广泛的防过电压的手段。但是避雷针也有自身无法克服的缺陷，其在应用的过程中没有自动灭弧能力，而且放电电压小稳定。因此在自流输送系统中有着完善的控制调节系统，在保护间隙之后能够自动降低电压。为了降低设备绝缘水平，必须降低避雷器额定值，因此为了保证避雷器本身安全必须串联间隙，因此仍然带来了小确定性。

二、绝缘配合缺陷的存在与保护

绝缘配件是根据整个电力系统设备上出现的电压水平，对其进行分析预估后用来进行电压阻隔，以保护电压保持在一个安全水平现内的电气。多个绝缘配件就形成了绝缘配件组，在摸个绝缘设备发生故障，如不能承受电压长期过高、或者发生因为雷电或操作耐受电压忽然变得极高的情况下，绝缘体发热烧坏，同时使与之配合的绝缘配件组都陷入极大的工作压力下，着种情况对整个电力系统的安全都会勾着极大的威胁。由于电压输送过程中电压等级不断增加，电器设计从主接线、绝缘配件、设备选型等方面都有了明显的变化。

目前我国由于直流输电技术仍然处于发展的阶段，在许多的应用方法方式上都没有晚上，仍然是当前电力系统中的不充电和缺陷点。 换流变压器具有四总结构：三相组合式;三相双绕式;单相祝贺式和单相双绕组式，每一种的形式都有具有其特有的优势和特点，当然也有其不足的地方，我们在实际的电网设计中在选择换流变压器的时候要根据实际情况，选择最适合实际工程的换流变压器，比如 在面对电压特别高、电压等级大、容量大的工程的时候我们一般都会采用单相双绕组变压器。而面对电压比较小的电网工程一般来说会选择三相结合或者单相组合的交流变压器。

三、交流滤波器故障分析

作为直流输电换流站的重要组成部分——交流滤波器的运行情况直接影响着整个直流电输送系统的情况。交流滤波器主要是连接在换流变压器侧母线上的，平时需要承受相当高的电压，而且因为交流滤波器需要通过大量的基波及谐波电流，因此对于其稳定性与电流绝缘的能力要求十分的高，对于这一设备的故障问题的研究也就十分的重要。

1.短路故障。所谓短路故障就是交流滤波器设备内部的线路短路或者设备的外连线接地出现短路的情况，交流滤波器设备的特性问题可以判断其出现间接的短路情况不存在。现短路的情况的时候会造成元件因为受到了电流的冲击而损坏。出现短路的情况的时候，可以根据母线侧电流的通过率与接地线侧电流的通过率之间的差来判断。

2.电容器故障。所谓电容器故障就是指电容器背部的原件出现了损坏。作为交流滤波器的主要构成部分——电容器具有两种连接方法一种是H型连接：另一种是分支连接。不管采用什么方式进行电容器的连接，电容器的内部每一个节点的构成都是由同量的点容易组合而成的，不管对于那一台电容器来说其内部每一个原件的损坏都意味着电容器的故障。如何找出究竟是哪一个的原件损坏就需要通过相对比的方法，通过和正常的电容器惊醒对比发现问题，另外还可以准备一个配用的点容易以免发生意外。

3.设备承受的负荷过大。这里指的主要是电容器、电抗器、电阻器的负荷过大。由于交流滤波器在工作环境下承受的特殊的情况，可能是其在长时间因为大量的流过谐波电流，出现电容器、电抗器、电阻器的热量过高而破坏，在一般的情况下，交流滤波器能够承受的谐波电流是基波电流的20%～30%之间，当出现频率较高的电流的时候，时间越长电容器、电抗器、电阻器的温度就越高，导致超负荷的承受，例如一般的交流滤波器的每个设备环节的电负荷通过率是正常值的50%，如果电压的不稳定导致过高的膨胀使通过率超过50%的时候就出现元件的损伤，当然每一个元件还有一定的承受范围，如果在基础的范围内超出10%～20%的时候就是超负荷的工作，这个时候的各个元件就会出现问题，产生故障。

4.滤波器故障。滤波器故障主要是指滤波器实际的调谐频率与电网系统所需要的谐波频率之间有一定的误差。导致这一问题出现的主要原因就是滤波器的内部元件的结构参数考察值和整个电网系统的变化频率之间的偏离程度，一般的偏离程度是5%到10%不等。这个时候滤波器就会达不到原有的滤波要求，导致整个直流输电换流站的不能正常运转。这就要求在的使用过程中对于滤波器的内部元件的变化在早期的时候及时的进行一些常规的检测与监控，同时元件的后期检测也相当的重要。

对于以上的四种故障，我们应该更具实际情况进行分析，在日常的工作中判断出交流滤波器问题究竟出现在哪里，为能够开速的解决问题创造条件，以保证直流输电站系统正常的运行，于此同时，对相关工作人员进行技术理论培训，为我国的直流输电系统的不断完善做出贡献。

四、结语

由于二十一世紀科学技术的发展，计算机不断普及广泛的运用大各行各业中，在直流输电系统中，由于线路较长，而且大多在露天的野外，是如何监控本文中问题的出现问题的出现是一个巨大的难题，这就要充分的利用计算机技术加强对于可能出现的问题进行监控，及时的处理。直流输电系统在应用中提高输电效率，保证自身的良好运行，为人们生活提供基础保证，是对于每一个电力工作中的的工作要求，我相信随着我们的努力，在不久的将来中国的直流输电系统会越来越完善。

参考文献

[1]杨振宇，俞澄一.超高压直流输电换流站阀冷却系统的故障[J].华东电力，2010，（3）：78-79.

[2]叶林.对高压直流输电换流站中无功控制系统的探讨[J].广东科技.2011，（22）：105-107.

浅论直流输电 篇4

直流输电诞生于19世纪80年代末，高压直流输电技术起步在20世纪50年代后期，随着电力需求的增长及交流输电局限性的进一步突出，整流和逆变技术的研制成功，直流输电取得了突破性的发展。据不完全统计，80年代，全世界已建成了30多项直流输电工程，直流输电在工业生产中发挥了越来越重要的作用。在这期间，具有代表性的项目有是电压等级为±600kv的巴西伊泰普水电站送出工程。进入20世纪90年代，随着电力电子控制理论和计算机技术的迅速发展，以及全控型电力电子功率器件和电压源换流器技术的发展，使得高压直流输电技术迅速成熟，可靠性大大加强。

直流输电技术在我国起步较晚，在20世纪80年代开始逐渐发展。进入90年代，开始建设葛南高压直流输电工程和三常直流输电工程，葛南高压直流输电工程于1989年12月极投产，1990年建成双极投产;三常直流输电工程于2003年5月投入运行。2001年开工建设的三峡———广东直流输电工程，2004年6月正式投产;同样是2001年开工的贵州———广东直流输电工程于2004年9月双极投产。

“十一五”发展期间，我国加大了高压直流输电工程的建设速度，建成的部分高压及超高压直流输电工程包括：贵州至广东第二回直流输电工程，输送容量为3000MW，送电距离为1000 km，电压为±500kv，于2007年建成投运;陕北至山东直流输电工程，电压等级为±500 kv，输送容量为3000MW，输电距离为1000 km;宁夏银南至天津直流输电工程，电压等级为±500kv，输电距离超过1200km。

2 直流输电的特点

直流输电的主要装置为换流站，包括整流站(把三相交流电变换成直流电的换流站)和逆变站(把直流线路送来的直流电变换成交流电的换流站)。直流输电按接线方式，分为单极直流输电、单极两线直流输电和双极直流输电。

与交流输电相比，直流输电具有下列优点：1)送电距离远，高压直流输电工程可以送电到2000公里以上的距离。2)直流输电的输送容量比交流输电更大，目前，在高压直流输电领域，已建成多项输送容量达到和超过5000MW的输送电工程。3)直流输电的稳定性好，直流输电的输送容量和距离不受同步运行的限制，可以实现两个不同频率系统的连接，达到电网的非同期联网。而交流输电的同步发动机必须保持同步运行。4)适用范围比交流输电更广，不仅可以在空中架设线路，也可以采用海底电缆送电。5)直流输电过程中，电能损耗少，直流输电一般只需用两根线，海底只需要一根电缆，远低于交流输电的导线根数，导线的电阻损耗比交流小很多，而且，直流输电没有集肤效应，导线可以变细，导线的截面积还可以得到充分利用。6)直流输电可以通过可控硅换流器进行快速调节，改变输送功率的大小。7)可以有效节约线路走廊，提高输电效率，按同等输送电压进行比较，直流线路的走廊还略小于交流线路，而输送容量约为交流线路的两倍，也就是说，直流输电的效率为交流输电的两倍。8)当输送功率相同时，其线路造价低;当输送功率相同时，其功率损耗小。9)两端交流电力系统无需同步运行，输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制;可以实现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联系。10)直流输电线路在稳态运行时线路电压降较小(仅电阻性压降)，线路部分不需要无功补偿装置。

同时，直流输电有一些缺点，比如必须采取抑制谐波的措施;换流站造价高;单极直流输电的大地回流对地下埋设设备的金属物造成腐蚀等。

3 直流输电的发展前景

作为远距离、大功率输电模式，直流输电可以采用海底电缆送电，用地下电缆向用电密度高的城市供电，也适合火电基地电力外送以及巨型水电网络互联等。对于能源资源主要集中在西部，而主要负荷却集中在中东部的我国而言，恰是我国电网发展中所需要的。

如何选择输电方式，不仅关系到电力系统建成后的输送能力，还关系到电力系统工程效益、安全稳定和电力市场营销等一系列问题。随着我国加大对西部电力资源的开发力度，巨型电站大规模建设，输送电力的容量越来越大，输送电力的距离越来越远，对输送电的可靠性要求越来越高，直流输电技术特别是高压直流输电技术将在我国电网的发展中发挥越来越重要的作用。同时，也给直流输电技术提出了更高的要求。

加快交直流并联系统的研究：电网互联采用交流联网方式，有方案实施简便、反应速度快的优点。但考虑到联网后两网之间的自然“捆绑”，使交流同步范围延伸，当其中一个电网发生故障时，可能会波及到多个互联电网，导致故障的后果蔓延。如果电网互联采用直流方式时，则可以有效地隔断互联交流电网间的相互影响，不会形成相互干扰，本网所发生的事故可以控制在本网范围内。因此，如何更好地结合交、直流的优点，认真研究交直流并联运行系统的问题，提高交直流并联系统的运行水平，成为一个重要课题。

提高额定输送容量和额定电压等级：目前，高压输电工程的电压等级对于送电距离在1000km左右、送电容量不超过3000MW的直流工程来说，±500kv的电压基本合适。但当送电容量超过3000MW，送电距离接近或超过1500 km时，需要将电压等级提高到±600kv甚至更高，以充分利用线路走廊资源，减少输电回路数，降低输电损耗。比如，特变电工特高压研究基地正在研究的±1100kv的超高电压就是一种很好的尝试。

4 结语

提高直流输电技术的可靠性，提高直流输电的输送容量和输送的电压等级，提高交直流并联系统的运行能力，加快交直流并联的研究，这是我国电网发展的需要，也将是世界电网发展的趋势。有理由预测，在未来10～20年，采用直流输电将成为输电方式的主流。

参考文献

[1]王兆安, 黄俊编著.电力电子技术.机械工业出版社, 2003.

[2]李兴源编著.高压直流输电系统的运行和控制.北京:科学出版社, 1998.

[3]全国联网规划深化研究工作组.全国联网规划研究总体报告, 2003.

交直流输电 篇5

4发展现状与趋势

4.1发展现状

现阶段，我国电能在传输过程中主要通过柔性直流输电工程技术进行传输，该技术与传统的直流技术相比存在着很大的优势，可以在各个领域中得到广泛应用，常见的有可再生能源的接入、孤岛海上供电、城市供电等，可以满足不同领域的用电需求，促进各个领域快速发展。柔性直流输电工程技术与传统直流输出技术相比存在着很多不可替代的优势，而这些优势对其在未来的发展来说也打下了良好的基础。

4.2发展趋势

柔性直流输电工程技术发在这个领域中得到了广泛的应用，促进各行领域快速发展，这对其在未来的发展来说也有着非常重要的作用，扩大了其在未来发展的空间，并在一定程度上促进了电力行业发展。现阶段，我国柔性直流输电工程技术在发展成功推动了风电并网，实现电力互联，提高我国经济效益[7]。然而，我国柔性直流输电工程技术与一些发达国家相比仍存在着一定的不足，要想从根本上解决这一问题就需要不断吸取、借鉴其他国家的技术、经验、手段，并根据自身发展现状制定出一项全新的发展方案，只有这样才能柔性直流输电工程技术进一步发展，扩大自身的使用功能，实现高压大容量柔性直流技术、直流电网技术等。

5结束语

电能是人们日常生活中重要组成部分，而电能的传输会直接影响人们的用电安全性与稳定性。因此，要想保证电能可以以一个安全、稳定的形式运行下去，就可以通过柔性直流输电工程技术进行操作，只有这样才能满足现代人们的用电需求，从而促进我国电力行业快速发展，扩大柔性直流输电工程技术的发展空间。文章对柔性直流输电工程技术的应用、发展现状以及发展趋势进行了简单的研究，并根据自身的发展现状制定出科学、合理、安全、可靠的电能传输方式。文章中存有不足，希望我国专业技术人员加强对柔性直流输电工程技术的应用、发展现状以及发展趋势的研究。

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交直流输电 篇6

关键词：柔性直流输电；电压源换流器；输电线路；智能电网；电力事业 文献标识码：A

中图分类号：TM721 文章编号：1009-2374（2015）18-0143-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.072

1 柔性直流输电技术的特点及其研究现状

柔性直流输电是一种新型的直流输电技术，CIGRE和IEEE将之定义为VSC-HVDC，其中VSC为电压源换流器，它在工业驱动装置上的应用十分广泛，HVDC为高压直流输电，它是ABB公司在50多年前研发的一项技术，主要作用是提高远距离输电效率。

1.1 VSC-HVDC的系统结构及其工作原理

从图1中可以清楚地看到，该系统主要是由VSC、滤波器（交流）、电抗器、直流输电线路、电容等元件构成。其中VSC为核心部件，它是由换流桥和直流电容器构成的。

1.1.2 系统运行原理。在VSC-HVDC系统当中，按照其主电路的拓扑结构及开关器件的类型，可采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，通过该技术在调制参考波与三角载波进行比较，若是前者的数值比后者大，则会触发上桥臂到导通并关断下桥臂，如果前者的数值小于后者，则会触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。因参考波的幅值及相位可利用脉宽调制技术实现自动调节，故此VSC的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节。

1.2 VSC-HVDC的特点分析

大体上可将VSC-HVDC的特点归纳为以下六个方面：

1.2.1 VSC-HVDC系统中的换流站独立对有功及无功功率进行控制，由此不但实现了有功与无功功率的四象限运行，而且控制非常方便和灵活。

1.2.2 换流站之间无需通讯，各个站能够独立控制运行。

1.2.3 不需要在线路间增设无功补偿装置。

1.2.4 开关频率高、滤波装置的容量较小，无需设置专门的换流变压器。

1.2.5 新型直流电缆的应用使其能够适应多种恶劣的环境。

1.2.6 采用先进的模块化设计，使其本身的体积较小，有效节省了占地面积，且便于安装。

综上，与传统的直流输电系统相比，VSC-HVDC的可控性更高，对线路中潮流的控制更加方便，对扰动的响应速度更快，更适合用于中小功率和远距离输电。

1.3 VSC-HVDC技术的研究现状

VSC-HVDC技术自问世以来便受到了业界的广泛关注，一些专家学者也加大了对其的研究力度。ABB和SIEMENS等多家公司对VSC-HVDC的技术特点及设备研发进行了深入的研究，并承担了一些实际工程的建设。与国外的发达国家相比，我国在VSC-HVDC应用方面的研究起步较晚，但在国家的大力支持下，近几年来在该领域取得了显著的研究成果。有的专家对VSC-HVDC系统的数学模型、控制策略及试验系统进行了研究；有的专家对VSC-HVDC系统的暂态建模进行了研究；有的专家对VSC-HVDC技术在城市电网中应用的可行性进行了研究。诸如此类研究还有很多，限于篇幅在此不一一介绍。

2 柔性直流输电技术的应用前景展望

由于VSC-HVDC技术所具备的诸多优点，使其在风电场并网、海上平台等方面获得了广泛应用。其在未来一段时期的应用方向主要集中在以下三个方面：

2.1 在城市电网增容及直流供电中的应用

近年来，随着我国经济的快速发展，城市化进程逐步加快，这使得城市电网的负荷出现了持续增长的态势，人们对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高。由于国内大部分城市的电网均是以交流输电为主，在当前的形势下，电网面临的困难和挑战越来越大，如城市电网电能传输通道资源日渐紧张、供电容量激增导致短路电流超标、土地资源紧缺导致输变电站站址选择困难。由于VSC-HVDC技术所产生的谐波含量要明显少于传统的直流输电，加之其能够对有功和无功功率进行快速控制，将其应用到城市电网当中，必然能够使供电质量获得显著改善。同时VSC-HVDC的电缆为埋地式直流电缆，工程建设中不需要设置输电走廊，既能够满足城市电网的增容目的，又不会对城市市容造成影响。此外，换流站本身的占地面积较小，可大幅度节约土地资源。上述的这些优点，使VSC-HVDC技术在城市电网增容扩建中具备了一定的应用优势，这也成为未来一段时期该技术应用的主流发展方向。

2.2 替代交直流联网

从国内目前的总体情况上看，西部具有能源多、负荷少的特点，将近90%的水电集中在西部地区；东部则具有能源少、负荷多的特点，相关调查数据结果显示，东部七省的电力消费约占全国的40%以上。由上述分析不难看出，我国东西部的能源和负荷严重失衡，正因如此，使得大容量、远距离输电尤为必要，这也是特高压直流输电工程不断增多的主要原因之一。相关研究结果表明，传统的直流输电对接入电网的短路容量要求较高，并且需要额外配置大量的无功补偿装置。与此同时，随着大量特高压直流线路接入电网，使得传统直流输电系统出现了各种新的问题，如换相失败、多条直流并入电网后互相影响等。从理论的角度上讲，VSC-HVDC对接入的交流电网无任何特殊要求，可实现各种形式的交直流联网，由此对电网运行稳定性所产生的影响十分轻微，可忽略不计。从目前VSC-HVDC系统的输送容量上看，其主要受VSC容量和直流电缆耐受电压的限制，由于尚未研发出适用于大电流开断的直流断路器，故此，VSC-HVDC系统的主流侧故障自清除能力相对较差，若是在直流侧发生短路故障，则必须对交流断路器进行切除，并对整个直流系统进行闭锁处理，由此会导致故障恢复时间延长，所以不宜采用架空输电线路，而更适合电缆输电。为了使VSC-HVDC满足实际应用需要，其必须向大容量、长距离方向发展，在这一过程中，应当突破以下技术障碍：（1）改变VSC的材质，可利用碳化硅替代二氧化硅，并对其封装材料的绝缘性和耐热性进行改进，以此来突破容量的限制；（2）加大对大电流直流断路器的研发力度。一旦上述技术障碍得以有效突破，相信在不久的将来，VSC-HVDC势必会替代传统的直流输电系统承担其大容量、远距离输电的任务。

2.3 在孤立负荷供电方面的应用

由于VSC-HVDC能够对无缘网络进行直接供电，且没有最低输送有功功率的限制，故此可将之应用于远方孤立负荷的供电。以南方电网为例，在其区域内存在一些较为偏远的海岛等孤立负荷主网，其交流供电的困难较大，一般都是采用柴油机组就地发电，这种方式不但成本高，而且对环境污染大，不符合节能环保的要求。将VSC-HVDC應用于这些孤立负荷的供电，可使上述问题获得有效解决。

3 结语

综上所述，柔性直流输电是一项极具应用优势的电力技术，它的出现进一步促进了新能源使用的发展，该技术现已成为海上风电唯一的并网方法，不仅如此，它的应用还可以使电压和电流更容易达到电能质量的相关标准。由此可见，柔性直流输电技术的应用前景一片光明。在未来一段时期，应当重点加大对柔性直流输电技术相关方面的研究力度，并对现有的技术进行不断改进和完善，使其能够更好地为电网发展服务，这对于推动我国电力事业的发展具有非常重要的现实意义。

参考文献

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浅谈高压直流输电与交流输电的特点 篇7

1.1 高压直流输电基本原理

高压直流输电的定义:发电厂发出的交流电, 经整流器变换成直流电输送至受电端, 再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网。

直流输电的一次设备主要由换流站 (整流站和逆变站) 、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成。

1.2 高压直流输电的技术特点

(1) 高压直流输电输送容量更大、送电距离更远。

(2) 直流输送功率的大小和方向可以实现快速控制和调节。

(3) 直流输电接入系统是不会增加原有电力系统的短路电流容量的, 也并不受系统稳定极限的限制。

(4) 直流输电是可以充分利用线路的走廊资源, 线路的走廊宽度大致为交流输电线路的一半, 并且送电容量相比前者更大。

(5) 直流输电工程运行时, 无论任一极发生故障时, 另一极均能继续运行, 并可以发挥过负荷能力, 保持输送功率不变或最大限度的减少输送功率的损失。

(6) 直流系统本身具有调制功能, 可根据系统的要求做出快速响应, 对机电振荡产生阻尼, 阻尼能够产生低频振荡, 从而提高了电力系统暂态稳定水平。

(7) 能够通过换流站内配置的无功功率自动控制装置对系统交流电压进行自动调节。

(8) 对于大电网而言, 能够实现大电网之间通过直流输电互联供电的方式, 同时2个电网之间也不会因为这种方式产生互相干扰和影响, 并在必要时可以迅速进行功率交换。

2 高压交流输电

2.1 交流输电的基本原理

发电厂发出的电能以交流形式输送的方式送至受电端。交流电可以方便灵活地根据需要通过变压器升压和降压, 使配送电能变得极为便利。

2.2 交流输电的特点

(1) 高压交流输电在输电的过程中可以有中转点, 可以组成强大的电力网络, 根据电源点分布、负荷点的布点、传输电力和进行电力交换等实际需要而构成国家高压、特高压主体电网网架。因此高压交流电网的最大优势是:输送电能的能力比较强大、覆盖的范围很广、电网线损小、输电路径明显减少, 能很灵活地适应电力市场运营的要求。

(2) 采用高压交流输电能够实现如同网络般的功能, 我们知道高压交流同步电网中线路两端的功角差是可以控制在20°及以下的。因此, 交流同步电网的安全稳定性越高, 同步的能力就越大、电网的功角稳定性就越好、抗干扰的能力就越强。

(3) 在输送电能的过程中, 由于高压交流线路是采用三相交流输电方式, 导线间会产生充电无功功率, 容易造成过电压效应。为了抑制因此造成的工频过电压, 线路须装设并联电抗器。每当线路输送功率产生变化, 送端和受端的无功也将随之发生变化。如果受端电网的无功功率潮流的分层分区平衡不合适, 特别是系统动态无功备用容量不足, 在极端的运行情况和严重故障条件下, 电压的稳定就会上升成为系统安全运行的主要问题。这使得电网的安全稳定运行受到很大的威胁, 是个非常严重的问题。

(4) 基于以上的问题, 提出了适时引入1 000 k V特高压输电的方案, 这样就可为受端电网提供更可靠的电压和无功支撑, 此方案可以说是从根本上解决500 k V短路电流严重超标和500 k V以下的高压输电能力低的问题。

3 高压直流与交流输电比较

3.1 技术特性比较

(1) 交流输电的优点:从设备造价上来说要相对低廉, 输、配电在该环节中, 交流电可以方便地通过变压器升压和降压, 使得配送电能变得非常的方便、合理、灵活, 能够适应不同的用电需求。此点是交流电与直流电相比所具有的独特优势。直流电相比于交流电的一次设备由于多了逆变环节而变得更加繁琐, 并且因为环节变得多了, 设备造价就不可能低, 而直流输电对技术的要求更高, 因此在设备造价上没有优势。三相交流电因为环节简单且具有造价的优势, 所以获得了广泛应用。

(2) 交流输电的缺点:在交流输电线路中, 除了传输导线本身的电阻损耗外, 还有导线因为距离过长而产生的交流感抗的损耗。为了解决交流输电所附带产生的电阻损耗, 方法是采用升高电压等级, 例如500 k V或者更高的1 000 k V电压。由电能计算公式S=U×I可以得知, 当输送同样的电力功率S的情况下, 电压等级U如果变高了, 输送的电流I就可以下降, 可用此方法来减小损耗。但是交流电感损耗不能采用这种方法来减小, 因此交流输电做太远距离输电的效果也不是很好。同样根据电能计算公式可知, 因为线路本身是有电阻的, 如果线路过长, 输送的电能就会全部消耗在输电线路上。另外, 交流输电并网还要考虑相位一致的问题。如果2个上网电厂的发电机组的相角不一致, 或差异很大的情况下, 2组发电机一旦并网发电功率就会互相抵消。所以现在许多电力技术发达的国家正在研究直流输电方式。

(3) 直流输电的优点:1) 因为直流输电只有两极, 从原理上直流输电不存在交变频率 (如工频) , 直流输电就可以避免如前所述的交流输电产生的电感损耗, 只有导线电阻的损耗。因此可以被用作远距离大容量输电、电力系统联网、远距离海底电缆或大城市地下电缆送电、配电网络的轻型直流输电等方面。2) 直流系统不存在稳定问题, 交流电力系统中所有的同步发电机都必须保持同步运行。两端机组的交流输电系统的等值电路如图1所示。

输送功率为:P= (E1E2/XΣ) sinδ

式中, E1、E2分别为受、送端交流系统的等值电势;XΣ为线路、发电机、变压器的等值电抗;δ为发电机两端的电势的相角差。

如果采用直流输电系统连接2个交流系统, 由于直流没有交变频率、没有电抗值、没有电抗的影响, 因此不存在电网并网同期的问题。由此可得出, 直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制, 还可连接2个不同频率的系统, 实现非同期联网, 这就大大提高了系统的稳定性。

(4) 直流输电面临的问题:其与交流输电一样也存在的问题是电压等级升高了, 随之对设备的外绝缘要求肯定也更高。直流输电环节中的最重要的核心设施换流站的主接线的基本结构是非常复杂的, 而换流站污秽等级较高, 污染同时也会造成直流场设备绝缘问题;直流输电极易受到干扰, 抗干扰相对于交流输电要差, 因此对电磁环境的要求更高;在故障发生时, 由于直流系统没有电抗, 等值电阻非常小, 直流系统一级接地的电流会比交流系统接地电流更大;强大的故障电流对电力系统的冲击, 电网内的其他交流系统能否承受是个很大的问题。大功率的直流交流变换设备目前仍存在着制造技术难度, 还没有能够解决随之而产生的问题。现有的运行经验能够得出的数据也很少。因为用户大多数采用的都是交流电, 直流电经过传输后到了用户端还是要转变为交流电, 直流输电仅仅是传输电能的中间环节, 但是直流输电的应用价值非常值得研究和推广。

3.2 经济性能比较

(1) 直流架空线路投资省。直流输电一般采用双极中性点接地方式, 这种方式仅需2根导线, 而三相交流线路就需要3根导线, 但两者输送的功率几乎相等, 显然前者减轻了杆塔的荷重, 减少了线路路径的宽度, 节约了占地面积。对于同等的输送功率和距离, 直流架空线路的投资一般为交流的2/3。

(2) 直流电缆线路的投资少。同样绝缘等级的电缆, 用于直流时, 允许工作电压是交流的2倍, 所以同等电压等级, 直流电缆的造价远低于交流电缆。

(3) 换流站比变电站投资大。直流输电环节中的换流站的设备比交流变电站复杂, 除换流变外, 还有可控硅换流器, 以及换流器的其他附属设备, 这些设备的造价都非常高昂, 因此换流站的投资高于同等容量的交流变电站。

(4) 运行维护费用较省。根据国外的运行经验, 线路和站内设备的年折旧维护费用占工程建设费用的百分数, 交流与直流基本持平。但在相同导线截面和输送有功功率时, 直流输电电能损耗是交流输电的2/3。

4 结语

由上所述, 可知单一的交流输电和直流输电并不能全部解决问题。更好的方法是将直流输电与交流输电这2种方式结合起来, 发挥各自的优势, 构成新型的电力传输网络, 组建更强大的电网, 以满足电网日益发展的需要, 使电网更加安全稳定可靠。

参考文献

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[2]中国电力顾问集团特高压系统研究组.特高压电网目标网架规划 (讨论稿) [R].2005

直流高压输电问题研究 篇8

关键词：高压,输电线路,电磁环境,电压稳定性,线路保护

1 绪论

1.1 研究背景

电力系统输电方式多种多样, 目前较为常见的有高压交流输电和高压直流输电。两种方式都有广泛的应用, 也各有所长。高压直流输电比传统交流输电方式、高效的输电能力;同时直流输电具有较为简单的高压输电线路。由于只存在正负极, 高压直流输电线路在维护和保养过程中更加简单, 这也在一定程度上减少了工作任务, 增强了安全系数。高压直流输电线路有两条线路, 每条线路可以独立工作互不干扰。高压直流输电具有输送距离长、承载容量大、功率容易控制等多种优点, 因此, 它的主要应用领域在以下几个方面:远距离、非同步电网互联、新能源接入电网、城市中心区域供电。

目前我国直流电的应用规模在世界范围内都处于前列。高压直流输电技术在我国前途光明, 用途广泛, 但是我国在直流技术研究方面并不领先。高压直流输电线路保护的情况对电力系统安全、稳定性影响重大, 关系到国计民生。应当加大线路保护的研发力度。

1.2 问题的引入

1.2.1 电磁环境

输电线路和变电站的生态环境影响主要表现在土地的利用、电晕所引起的通信干扰等方面。由于特高压输电电压高、分裂导线多等特点, 必然导致导线表面电场强度以及输电设备周围的空间电场强度的升高。而特高压输电线路和变电站出现的电晕现象和强电场效应对人体和生态环境是否会带来危害, 长期以来一直受到社会的广泛关注。

1.2.2 电压稳定性

高压直流输电技术极大的提高了电网的经济效益, 同时也带来许多的问题, 其中电压稳定性问题一直是研究中的一个重点, 高压直流输电系统接入弱交流系统被认为是引起电压失稳的主要因素。相比交流系统, 直流系统具有更多的参数和变量, 并且其中应用大量的电力电子器件, 使得交直流系统具有很强的非线性特性, 直流换流器的运行需要大量的无功功率作为支撑, 逆变器吸收的无功功率约占直流传输功率的40%~60%, 这对直流系统的容量提出非常高的要求, 使得系统电压稳定性置于危险的挑战之中。因此通过对高压直流输电对电力系统电压稳定性的研究, 对于具体的工程规划、设计和运行都具有非常重要的理论意义和工程价值。

1.2.3 线路保护

高压直流输电线路具有巨大的经济效应, 因此对高压直流输电线路的保护工作尤为重要。高压直流输电线路分布广阔、地理环境恶劣和气象环境复杂, 是最容易发生故障的电力设备。高压直流输电线路故障后果严重, 不仅对电网本身是一个较大的损失, 对需要电力供应的其他生产活动也会带来不可估量的损失。世界上曾出现过多次高压直流输电线路故障案例, 这些事故均产生了严重的经济后果。

2 问题研究

2.1 高压直流输电过程中的电磁环境

交流输电线路工作时, 导线上的电荷将在空间产生工频电场, 导线内的电流将在空间产生工频磁场。电场一般用电场强度描述。工频电场能在人和物体上感应出电压。在强电场中, 对地绝缘的人接触接地物体, 处于地电位的人接触对地绝缘的物体, 可能会有能感觉到的电流流过人体或出现不火花放电。这是工频电场的短期效应。关于工频电场另外一个问题是, 工频电场是否会产生长期的生态影响。随着电压等级的提高, 尤其发展到特高压阶段, 输电工程的工频电场和磁场的长期生态影响如何, 已经变成人们关注的焦点。而且选择输电线路走廊, 除了考虑电气强度因素外, 输电线路下方的电场强度也是一个重要因素。

空间某点电场强度值与每根导线上电荷的数量以及该点与导线之间的距离有关;导线上的电荷多少, 除与所加电压有关外, 还与导线的几何位置及其尺寸有关。因此, 导线的布置形式、对地距离和相间距离、分裂根数以及双回路时两回路间电压的相序等, 都直接影响线下电场强度的分布和大小。

高压输电线路的电场还会产生生态影响, 主要有短期影响、长期影响两类。短期影响指人在高压输电线路附近短暂停留可能产生的影响;相对的, 长期影响指人在高压输电线路附近长期工作或生活时可能受到的影响。

2.2 高压直流输电过程中的电压稳定性研究

电力系统在给定的运行状态下并在某一时刻受到一定的扰动后, 如果负荷节点处的电压趋于扰动后某一平衡值, 就称系统是“电压稳定”的, 如果电压不断降低 (不断升高) 则电压失稳。

电压稳定根据受到扰动的大小可以分为静态电压稳定 (小扰动电压稳定) 和大扰动电压稳定。静态电压稳定主要是研究系统中负荷缓慢变化的过程中对电压的控制能力, 通常使用的研究方法是在给定平衡点对系统进行线性化。大扰动主要研究例如系统发生故障、切负荷、切机、直流闭锁等情况下对系统电压的控制能力, 需要通过在一个相对长的时间内对系统的动态行为进行分析。

根据研究的方法的不同, 可以把电压稳定分为静态、动态和暂态稳定。静态电压稳定研究中所用的系统模型采用不计及元件动态特性的代数方程表示, 负荷端母线电压随负荷的缓慢增加而缓慢变化, 最后恢复到稳定的水平。动态电压稳定研究负荷缓慢变化过程中系统维持电压在某一稳定值的水平。暂态电压稳定研究系统DAE模型在大扰动下, 节点电压能够恢复到稳定性水平的能力。

2.3 高压直流输电过程中的线路保护

对于长距离直流输电线路, 有些情况下的故障可能会使直流差动保护的机制发生误判。比如, 则分布电容电流较大。为了提高线路的可靠性, 可以适当补偿对该分布电容电流, 从而使得分布电容电流对于直流差动保护的影响大大降低。

新型特高压直流输电线路差动保护方案为了保证线路的可靠稳定和灵敏度要求。

传统直流线路差动任何导致直流电压变化的暂态过程均可导致传统直流差动保护误动。之所以这样是由于传统线路保护没有考虑长距离大容量直流线路故障后的暂态电容电流影响。新型的直流线路电流差动保护应该具有的灵敏度高、动作速度快的优点。

耐故障电阻能力差是目前高压直流输电线路保护遇到的最大问题。总体来看, 当前所采用的高压直流输电线路保护方案存在隐患。在直流线路末端故障或直流。

3 全文总结

本文研究了高压直流输电的问题。首先分析了高压直流输电的技术特点, 优势和广泛应用的原因。随后研究了其输电过程中产生的电磁环境问题, 电压稳定性问题和线路保护等问题。分析了当前解决上述问题的常用方法。

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直流输电系统的“诊断医生” 篇9

该研究内容来源于国家高技术产业发展计划项目“直流输电系统全数字实时仿真系统的开发”项目 (项目号:SP11J-2001-01) 和国家电网公司资助项目“电力系统全数字实时仿真装置的研制” (项目号:SP11-2001-01-06) , 在《中国电机工程学报》 (Proceedings of the CSEE) 2011年8月第31卷22期的论文《交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法》中得到了全面阐述。

随着跨区互联电网的规模日益扩大以及直流输电工程的日益增多, 为确保电网安全稳定运行, 迫切需要进行交直流系统相互影响、直流输电系统控制策略、直流输电系统控制保护装置验证等仿真分析和试验研究工作。然而, 现有离线仿真软件无法进行物理设备的试验验证, 物理模型动态模拟和数模混合半物理仿真又存在仿真规模小, 试验工作量大, 效率不高等不足, 实时数字仿真具有仿真规模相对较大、效率高、方便灵活等优点, 但现有RTDS实时仿真装置采用专有硬件, 扩展性差, 为此迫切需要开发基于通用硬件平台的、扩展性好、能进行直流输电系统电磁暂态实时仿真的仿真系统。直流输电系统电磁暂态实时仿真的难点主要体现在:直流输电系统由大量换流阀组成且换流阀频繁导通或关断, 每一次导通或关断都意味着网络的拓扑结构发生变化。现有的电磁暂态数字仿真方法, 一般是将交直流电力系统中的交流网络、换流器、直流网络等各部分分别形成暂态等值计算电路, 然后根据其连接关系形成统一的网络节点电压方程来进行求解。换流阀导通或关断导致网络拓扑结构发生变化时, 该节点电压方程中的计算电导阵需要重新进行三角分解, 由于网络拓扑变化频繁, 会引起计算量的大幅度上升, 难以实现实时仿真。

该文针对上述问题的特点, 提出了一种交直流分割并行的电磁暂态数字仿真方法, 其主要思路有两点, 一是将拓扑结构变化频繁的直流输电系统与很少发生变化的交流网络的计算分开, 避免直流输电系统拓扑结构变化对电力系统其它部分的影响, 打个比方说, 要将一本书里的插图都编上号, 一种方法是将全书插图统一编号, 如果要在中间插入一张新图, 那么这张图之后的所有的图号都需要重编, 工作量很大, 该文的方法类似于将图分章节来编号, 如果要插一张新图, 只需要对插入新图的那一章节中位于这张图之后的图重新编号, 工作量要小很多;二是采用并行计算技术, 以提高计算速度。并行计算可以打个比方是很多个人同时来干一件事情, 任务分割了, 各人领到的任务量少了, 速度自然就提高了, 例如, 一本书共10章, 由10个人来写, 每人写1章, 在各人写作能力相同的前提下, 肯定比1人写10章要快很多。当然并行计算的各任务之间彼此有联系, 比上例要复杂得多。实际案例应用效果表明, 该方法大大提高了直流输电系统电磁暂态仿真的效率。

交直流输电 篇10

现代电力系统的运行需要市场运作机制, 同时也带来了许多亟待解决的技术问题。可用输电能力 (ATC) 的研究和计算便是问题之一。ATC是在协议使用基础上, 衡量实际输电网络保留功率传输能力的尺度, 以利于进一步的商业活动[1]。在市场环境下, 不能精确、可靠地反映网络实际的ATC水平, 会导致市场参与者的利润、系统运行安全可靠性以及用户服务水平的严重降低。

ATC的计算是一项十分复杂的工作, 它既要考虑许多因素的影响, 如系统运行状态、电网结构及各种商业成分, 还应考虑许多约束条件的限制, 如电压水平、过负荷等静态安全性约束及动态稳定性约束。从方法学的角度来看, 现有的研究方法可以概括为基于概率的求解方法和确定性的求解方法[2]2类。

基于概率的求解方法就是利用概率理论和数理统计分析确定输电系统的ATC。基于电力系统所具有的随机特征, 通过模拟发输电设备的随机开断及负荷变化确定系统可能出现的运行方式, 然后使用适当的优化算法求解这些运行方式下系统的ATC, 最后分析综合各运行状态下的ATC得到系统 ATC的期望值, 但其计算量较大[3]。

确定性的求解方法主要分为直流潮流方法[4]、连续潮流方法[5]和最优潮流方法[6]。直流潮流方法以直流潮流为基础, 利用线性规划计算, 一般用到多种线性分布因子, 但该方法无法计及无功潮流和电压的非线性影响。连续潮流方法可以方便地计及各种约束条件、各种运行方式, 也可以考虑各种故障情况的影响, 但该方法在计算中不能进行发电和负荷功率的优化分布。最优潮流方法以ATC最大化为目标函数, 将潮流方程作为等式约束, 把支路过负荷约束、电压约束和各种稳定约束等作为不等式约束, 从而把ATC的计算问题转化为一个纯粹的非线性规划数学问题, 因而可以采用各种优化算法求解, 如二次规划法[7]、内点法[8]、人工神经网络法[9]、遗传算法[10]和粒子群优化算法[11]等。最优潮流方法可以对系统资源进行优化调度, 而且易于借鉴最优化计算方法的最新成果, 是一种有发展前景的方法。

由于高压直流输电 (HVDC) 在实际输电系统中的作用日益突显, 现代大输电系统往往以交直流系统混联的形式出现, 而对交直流混合系统ATC的研究至今还少有人问津。因此, 对交直流混合系统ATC的研究具有重要理论和实际意义。HVDC的加入改变了原有交流电力系统的结构, 使系统的运行特性更加复杂[12,13], 也对混合系统的运行及ATC的研究提出了新的挑战。本文提出并建立了交直流混合系统ATC的最优潮流模型, 并运用非线性原—对偶内点法对模型进行求解。

1 直流系统的数学模型

假设交直流混合系统的节点i接有换流站, 其特性方程为[12]:

$U{}_{\text{d}i}=\frac{3\sqrt{2}}{\text{π}}{\rm N}{}_{\text{b}}k{}_{\text{Τ}}U{}_i\cos \theta {}_{\text{d}i}-\frac{3}{\text{π}}X{}_{\text{c}i}{\rm I}{}_{\text{d}i}(1)$

式中:Udi和Idi分别为直流电压、电流平均值;Nb, kT, θdi, Xci分别为换流站每极串联的电桥数、换流变压器变比、控制角 (整流器的触发延迟角和逆变器的熄弧超前角) 、换相电抗;Ui为换流站交流母线电压。

忽略换流器功率损耗下, 直流电压的另一表达式如下:

$U{}_{\text{d}i}=\frac{3\sqrt{2}}{\text{π}}k{}_{\text{r}}{\rm N}{}_{\text{b}}k{}_{\text{Τ}}U{}_i\cos \text{ϕ}{}_i(2)$

式中:kr为计及换相效应而引入的系数;ϕi为换流器的功率因数角。

忽略换流器功率损耗, 换流站交流侧的功率应与直流功率相等, 表示如下:

$\{\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{d}i}=U{}_{\text{d}i}{\rm I}{}_{\text{d}i}\\ Q{}_{\text{d}i}=U{}_{\text{d}i}{\rm I}{}_{\text{d}i}\tan \text{ϕ}{}_i\end{array}(3)$

根据换流站的个数, 直流系统可分为两端直流系统和多端直流系统。其中多端直流系统的结构和控制较为复杂, 其结构总体可分为并联连接和串联连接[12]2种形式。

在m端并联直流系统运行和控制中, 要选一个端点m的直流电压作为参考电压Udm, 执行定电压或定控制角控制, 控制整个并联系统的电压。那么, 整个直流网络方程表示如下:

$[\begin{array}{c}U{}_{\text{d}1}\\ U{}_{\text{d}2}\\ ⋮\\ U{}_{\text{d}m-1}\end{array}〗=\mathit{R}[\begin{array}{c}{\rm I}{}_{\text{d}1}\\ {\rm I}{}_{\text{d}2}\\ ⋮\\ {\rm I}{}_{\text{d}m-1}\end{array}〗+[\begin{array}{c}1\\ 1\\ ⋮\\ 1\end{array}〗U{}_{\text{d}m}(4)$

式中:R为直流网络的阻抗方阵。

整个直流网络中各个端点的电流之间要保持平衡, 故注入直流电流之和为:

${\displaystyle \sum _{i=1}^m{\rm I}}{}_{\text{d}i}=0(5)$

而在m端串联直流系统中, 要选一换流站作为定电流控制端, 控制串联直流系统的电流Id, 并且整个串联系统的直流电压要保持平衡, 即

${\displaystyle \sum _{i=1}^{j}U}{}_{\text{d}i}-{\displaystyle \sum _{i=j+1}^{m}U}{}_{\text{d}i}+R{}_{\text{Σ}}{\rm I}{}_{\text{d}}=0(6)$

式中:第1至第j个换流站是整流站, 第j+1至第m个换流站是逆变站;RΣ为串联系统中各直流线路电阻的总和。

基于以上各式对直流系统的描述, 直流网络中各换流站的状态统一用参数向量Xd=[Ud, Id, kT, cos θd, ϕ]T表示。

2 交直流混合系统的ATC求解模型

ATC计算的目标函数J是使送电区对外联络线 (包括直流线) 的总传输功率最大[6], 即

$\begin{array}{l}J=\max [{\displaystyle \sum _{i\in A,j\in E}(}{\rm P}{}_{ij}(\mathit{X}{}_{\text{a}})+{\rm P}{}_{\text{d},ij}(\mathit{X}{}_{\text{d}}))-\\ {\displaystyle \sum _{i\in A,j\in E}(}{\rm P}{}_{ij}+{\rm P}{}_{\text{d},ij})2〗(7)\end{array}$

式中:${\displaystyle \sum _{i\in A,j\in E}(}{\rm P}{}_{ij}(\mathit{X}{}_{\text{a}})+{\rm P}{}_{\text{d},ij}(\mathit{X}{}_{\text{d}}))$为送电区A对外区域E所有联络线上传输的有功功率;${\displaystyle \sum _{i\in A,j\in E}(}{\rm P}{}_{ij}+{\rm P}{}_{\text{d},ij})$为基态下区域A所有对外联络线上传送的有功功率;Xa和Xd分别为交流系统和直流系统有关变量。

等式约束是交直流混合系统的潮流方程、直流系统中各换流器的特性方程 (式 (1) 、式 (2) ) 以及直流网络方程 (式 (4) 、式 (5) 或式 (6) ) 。潮流方程应有如下考虑:当节点没有接换流站时, 该节点的潮流方程就是交流系统的普通潮流方程;当节点接有换流站时, 原来的潮流方程就要加入换流站的等效注入功率Pd和Qd, 其潮流方程表示为:

$\{\begin{array}{l}{\rm P}{}_i\pm {\rm P}{}_{\text{d}i}-U{}_i{\displaystyle \sum _{j=1}^{n}U}{}_j(G{}_{ij}\cos \theta {}_{ij}+B{}_{ij}\sin \theta {}_{ij})=0\\ Q{}_i-Q{}_{\text{d}i}+Q{}_{\text{S}i}-U{}_i{\displaystyle \sum _{j=1}^{n}U}{}_j(G{}_{ij}\sin \theta {}_{ij}-\\ B{}_{ij}\cos \theta {}_{ij})=0\end{array}(8)$

式中:Pi和Qi分别为节点i的交流系统注入有功和无功功率;Pdi前的±符号分别表示母线所接的换流站是逆变站和整流站;Ui和θi分别为节点i的电压幅值和相角;Gij+jBij为交流系统节点导纳阵中的元素;QSi为无功补偿容量。

不等式约束首先考虑交流系统, 有发电机组出力约束、负荷容量约束、无功补偿容量约束、节点电压和线路电流约束, 即

$\{\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{G}i}^{\min }\le {\rm P}{}_{\text{G}i}\le {\rm P}{}_{\text{G}i}^{\max }i\in S{}_{\text{G}}\\ Q{}_{\text{G}i}^{\min }\le Q{}_{\text{G}i}\le Q{}_{\text{G}i}^{\max }i\in S{}_{\text{G}}\\ {\rm P}{}_{\text{L}i}^{*}\le {\rm P}{}_{\text{L}i}\le {\rm P}{}_{\text{L}i}^{\max }i\in S{}_{\text{L}}\\ Q{}_{\text{L}i}^{*}\le Q{}_{\text{L}i}\le Q{}_{\text{L}i}^{\max }i\in S{}_{\text{L}}\\ Q{}_{\text{S}i}^{\min }\le Q{}_{\text{S}i}\le Q{}_{\text{S}i}^{\max }i\in S{}_{\text{S}}\\ U{}_i^{\min }\le U{}_i\le U{}_i^{\max }i\in S{}_{\text{Ν}}\\ {\rm I}{}_{ij}^{\min }\le {\rm I}{}_{ij}\le {\rm I}{}_{ij}^{\max }i,j\in S{}_{\text{Ν}}\end{array}(9)$

式中:SG为送电区的所有发电机节点集合;SL为受电区所有负荷节点集合;SS为装有无功补偿装置的节点集合;SN为系统所有节点集合;*表示基态潮流中的值。

直流系统的不等式约束应考虑换流站的直流电压与电流约束、换流变压器变比上下限约束、换流器的控制角约束, 还有各直流线路的电流极限, 即

$\{\begin{array}{l}U{}_{\text{d}i}^{\min }<U{}_{\text{d}i}<U{}_{\text{d}i}^{\max }\\ {\rm I}{}_{\text{d}i}^{\min }<{\rm I}{}_{\text{d}i}<{\rm I}{}_{\text{d}i}^{\max }\\ k{}_{\text{Τ}i}^{\min }<k{}_{\text{Τ}i}<k{}_{\text{Τ}i}^{\max }\\ \theta {}_{\text{d}i}^{\min }<\theta {}_{\text{d}i}<\theta {}_{\text{d}i}^{\max }\\ {\rm I}{}_{ij}^{\min }<{\rm I}{}_{ij}<{\rm I}{}_{ij}^{\max }\end{array}(10)$

式中:i∈Sd, Sd为所有换流站节点的集合;换流变压器变比kT视为连续变量;θdi为对应整流器的触发延迟角或逆变器的熄弧超前角。

3 模型求解

3.1 原-对偶内点法最优潮流[8]

第2节的优化问题可紧凑表示如下:

$\{\begin{array}{l}\min f(\mathit{x})\\ \text{s}.\text{t}.\mathit{g}(\mathit{x})=0\\ \mathit{h}{}_{\min }<\mathit{h}(\mathit{x})<\mathit{h}{}_{\max }\end{array}(11)$

引入松弛变量su和sl, 把不等式约束转换为等式约束, 然后用拉格朗日法处理等式约束, 用统一的障碍因子μ处理各松弛因子, 形成拉格朗日函数如下:

$\begin{array}{l}\mathit{L}=f(\mathit{x})+\mathit{y}{}^{\text{Τ}}\mathit{g}(\mathit{x})+\mathit{l}{}^{\text{Τ}}(\mathit{h}(\mathit{x})-\mathit{h}{}_{\min }-\mathit{s}{}_{\text{l}})+\\ \mathit{u}{}^{\text{Τ}}(\mathit{h}(\mathit{x})+\mathit{h}{}_{\max }-\mathit{s}{}_{\text{u}})-\mu {\displaystyle \sum _i(}\ln s{}_{\text{l}i}+\ln s{}_{\text{u}i})(12)\end{array}$

式中:x, sl, su为原始变量;y, l, u为对偶变量。

根据Kuhn-Tucker最值条件, 求该拉格朗日函数对各变量的一阶偏导, 取值为0, 并用牛顿法对其求解得各相应修正方程:

$\{\begin{array}{l}\widetilde{\mathit{{\rm H}}}(\mathit{x},\mathit{y},\mathit{l},\mathit{u})\text{Δ}\mathit{x}-\nabla \mathit{g}(\mathit{x})\text{Δ}\mathit{y}-\nabla \mathit{h}(\mathit{x})(\text{Δ}\mathit{l}+\\ \text{Δ}\mathit{u})=\nabla f(\mathit{x})-\nabla \mathit{g}{}^{\text{Τ}}(\mathit{x})\mathit{y}-\\ \nabla \mathit{h}{}^{\text{Τ}}(\mathit{x})(\mathit{l}+\mathit{u})=-\mathit{L}{}_{\mathit{x}0}\\ \nabla \mathit{g}{}^{\text{Τ}}(\mathit{x})\text{Δ}\mathit{x}=-\mathit{g}(\mathit{x})=-\mathit{L}{}_{\mathit{y}0}\\ \nabla \mathit{h}{}^{\text{Τ}}(\mathit{x})\text{Δ}\mathit{x}-\text{Δ}\mathit{s}{}_{\text{l}}=\mathit{h}(\mathit{x})-\mathit{h}{}_{\min }-\mathit{s}{}_{\text{l}}=-\mathit{L}{}_{\mathit{l}0}\\ \nabla \mathit{h}{}^{\text{Τ}}(\mathit{x})\text{Δ}\mathit{x}+\text{Δ}\mathit{s}{}_{\text{u}}=-(\mathit{h}(\mathit{x})-\mathit{h}{}_{\max }+\mathit{s}{}_{\text{u}})=-\mathit{L}{}_{\mathit{u}0}\\ [\mathit{s}{}_{\text{l}}]\text{Δ}\mathit{l}+[\mathit{l}]\text{Δ}\mathit{s}{}_{\text{l}}=-([\mathit{s}{}_{\text{l}}]\mathit{l}-\mu \mathit{e})=-\mathit{L}{}_{\mathit{s}{}_{\text{l}}0}\\ [\mathit{s}{}_{\text{u}}]\text{Δ}\mathit{u}+[\mathit{u}]\text{Δ}\mathit{s}{}_{\text{u}}=-([\mathit{s}{}_{\text{u}}]\mathit{u}+\mu \mathit{e})=-\mathit{L}{}_{\mathit{s}{}_{\text{u}}0}\end{array}(13)$

式中:[]表示以该向量元素为主对角元的对角阵;e为单位向量;$\widetilde{\mathit{{\rm H}}}(\mathit{x},\mathit{y},\mathit{l},\mathit{u})=\nabla {}^{2}f(\mathit{x})-\nabla {}^2\mathit{g}(\mathit{x})\mathit{y}-\nabla {}^2\mathit{h}(\mathit{x})(\mathit{l}+\mathit{u})$。

对以上各修正方程变换行列得到降阶的简约修正矩阵:

$\left[\begin{array}{cc}\mathit{{\rm H}}& \nabla \mathit{g}(\mathit{x})\\ \nabla {}^{\text{Τ}}\mathit{g}(\mathit{x})& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}\text{Δ}\mathit{x}\\ \text{Δ}\mathit{y}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\tilde{\mathit{h}}\\ -\mathit{L}{}_{\mathit{y}0}\end{array}\right](14)$

式中:

$\begin{array}{l}\mathit{{\rm H}}=-\widetilde{\mathit{{\rm H}}}-\nabla \mathit{h}(\mathit{x})([\mathit{s}{}_{\text{u}}]{}^{-1}[\mathit{u}]-[\mathit{s}{}_{\text{l}}]{}^{-1}[\mathit{l}])\nabla {}^{\text{Τ}}\mathit{h}(\mathit{x})(15)\\ \tilde{\mathit{h}}=\mathit{L}{}_{\mathit{x}0}-\nabla \mathit{h}(\mathit{x})[[\mathit{s}{}_{\text{u}}]{}^{-1}([\mathit{u}]\mathit{L}{}_{\mathit{u}0}-\mathit{L}{}_{\mathit{s}{}_{\text{u}}0})-\\ [\mathit{s}{}_{\text{l}}]{}^{-1}([\mathit{l}]\mathit{L}{}_{\mathit{l}0}+\mathit{L}{}_{\mathit{s}{}_{\text{l}}0})〗(16)\end{array}$

用原—对偶内点法求解本文优化问题的计算步骤可概括如下:

1) 给定测试系统的网络参数、各原始变量及其函数不等式的上下限;

2) 对优化问题的各变量初始化, 其中松弛变量和对偶变量取sl>0, su>0, l>0, u<0, |y|∈[0, ρ] (ρ为趋于0的小正数) , 取中心参数σ∈ (0, 1) , 收敛精度取ε=10-6;

3) 计算互补间隙Cgap=lTsl-uTsu, 若Cgap<ε, 输出最优解, 计算结束;否则, 继续;

4) 计算障碍因子μ=σCgap/ (2r) , r为不等式个数;求解方程 (14) 得Δx, Δy, 并在式 (13) 中回代可得Δsl, Δsu, Δl, Δu;

5) 根据文献[8]确定原始和对偶修正步长, 对各变量进行修正, 转步骤3。

3.2 算法中的关键问题

1) 初始值的选取

本文在编程和大量的计算实践中得知, 初值的选取对算法的收敛性有很大影响, 各变量的初值按如下原则选取能有效提高算法的收敛性:原始变量中的x取基态潮流值, 比平启动初始化的收敛效果明显好, 即迭代次数少;松弛变量su, sl按在其他变量的初始条件下, 不等式约束转化为等式约束的原则确定;对偶变量l, u, y按l>0, u<0, |y|∈[0, ρ]的原则选取;中心参数σ在理论上应选在 (0, 1) 之间, 当其分别趋于0和1时, 能分别保证解的最优性和存在性[14], 应视具体问题而定, 经大量仿真表明选在0.01～0.10之间比较适合该模型。

2) 对简约修正矩阵的处理

在算法实现过程中发现, 简约修正方程 (14) 所占计算量是主要的。其中各原始变量x和各等式约束方程的对偶变量y的排序对算法运算效率也有很大的影响。设yPi和yQi表示节点i潮流方程对应的对偶变量, 列向量Yde是直流系统各等式约束方程的对偶变量组成的向量, 若对两者的顺序排列如下:PTG, PTL, QTG, QTL, QTS, yP1, yQ1, θ1, U1, …, yPi, yQi, θi, Ui, …, yPn, yQn, θn, Un, XTd1, …, XTdi, …, XTdm, YTde, 并对简约修正矩阵进行相应行列变换, 则得到:

$\mathit{B}=\left[\begin{array}{ccccc}\mathit{D}& \mathit{{\rm I}}& 0& 0& 0\\ \mathit{{\rm I}}& \mathit{{\rm N}}& \mathit{C}& \mathit{J}{}_1& 0\\ 0& \mathit{C}& \mathit{{\rm H}}{}_{\text{d}}& \mathit{J}{}_2& \mathit{J}{}_3\\ 0& \mathit{J}{}_1& \mathit{J}{}_2& 0& 0\\ 0& 0& \mathit{J}{}_3& 0& 0\end{array}\right](17)$

B阵中的D, Hd, C的部分元素都是式 (15) 中H的子块和相应元素, 而I, J1, J2, J3以及C的另一部分元素是∇g (x) 的子块和相应元素。对式 (15) 中H的构成以及x和y的排序作深入分析可知:D对应于H中各功率控制变量, 是一对角子块;Hd是H中与修正变量XTd和Xd对应行列的子块。同样对∇g (x) 的构成分析可知:I是只含有0, -1, 1的稀疏子块, 各非零元素是潮流方程对功率变量求一阶导元素;而J1是换流站特性方程对该母线电压求一阶导元素组成的子块;J2和J3都是直流系统等式约束对直流变量求一阶导元素组成的子块。C是H中与修正变量XTd和U对应行列的元素和∇g (x) 中潮流方程对变量Xd求导元素组合成的子块。N也是H和∇g (x) 中相应元素的组合子块, 每个4×4单元格是简约修正矩阵中与每对修正向量[yP, yQ, θ, U]和[yP, yQ, θ, U]T对应行列的子块, 它的结构与牛顿潮流算法的雅可比矩阵2×2单元格相似, 其中每个单元格所含有的导纳就是相应导纳阵中的元素, 便于数据存储和编程实现, 同时也提高了计算效率。由此可知, I, C, J1都是较为稀疏的子块, 可利用稀疏技术处理。

4 算例分析

为验证所建立的模型及采用的算法的正确性和有效性, 本文采用了文献[15]的混合测试系统进行仿真计算分析, 交直流混合系统数据见文献[16]。该系统是在IEEE 30节点系统的1, 2, 4, 6, 28节点之间添加了5个直流换流站 (各换流站等效为单极换流站) 和四回直流传输线形成的, 系统中接在节点1和节点2的是整流器, 节点4, 6, 28接的是逆变器, 还有41回交流线路和6台发电机, 划分为3个区域, 如图1所示。限于篇幅, 只讨论区域1到区域3的ATC的仿真计算。

基态下直流系统中各换流站的控制策略为:换流站C5控制整个直流系统的电压, 采用定电压控制, 其他直流端点均采用定电流控制, 也可以采用其他控制策略, 通过交替法计算系统基态潮流[17], 则区域1通过对外联络线向区域3传输的线功率如表1所示。

直流系统各换流站的直流电压、换流变压器变比、整流器C1和C5的触发延迟角、逆变器C2, C3, C4的熄弧超前角的变化范围分别在1.00～1.48, 0.9～1.1, 7°～ 90°, 16°～90°范围, 而换流站直流电流和直流传输线电流上下限如表2所示。

换流站要消耗大量无功, 需占所传输有功功率的40%～60%。若不对换流站进行无功补偿, 将造成大量无功穿越, 使整个系统的输送能力降低。下面讨论换流站采取无功补偿与否对ATC的影响, 并分别进行仿真分析。

各换流站不采取无功补偿, 所需无功由交流系统提供, 则区域1到区域3的ATC及互补间隙迭代到49次收敛, 分别如图2 (a) 、图3 (a) 所示, 算得ATC是71.61 MW。送电区1的对外各联络线输送功率如表1的算例1所示。

直流系统中所装设的无功补偿装置最常用的是机械投切电容电抗器, 本文采用无功功率注入模型, 不改动交流系统导纳阵。由于母线1和母线2接有发电机, 可作为无功电源, 所以只需在母线4, 6, 28的换流站进行无功补偿。各换流站的无功补偿容量设在-40 Mvar～0 Mvar之间。依此计算结果为:区域1到区域3的ATC值及互补间隙迭代到45次收敛, 如图2 (b) 、图3 (b) 所示, ATC是79.67 MW, 换流站C2, C3, C4的无功补偿量分别是-39.97 Mvar, -17.14 Mvar, -33.82 Mvar。送电区1的对外各联络线输送功率如表1算例2所示, 直流系统各状态变量在最优处的值如表3所示。

计算结果表明:换流站要消耗大量无功功率, 由表1可知, 若不对换流站进行适当的无功补偿, 将抑制直流线路有功功率的传送;若对其进行无功补偿, 可以相应提高整个混合系统的ATC。目前已提出了各种直流系统的控制模式, 其中控制比较复杂的多端直流系统其控制模式就有定电流控制模式、定电压限制控制模式、分散控制模式、最小关断角模式等[13]。随着现代控制技术的不断提高, 换流站的控制策略和技术将越趋广泛灵活, 可根据优化结果, 选择合适的控制模式, 在一定范围内实现直流系统的最优目标控制, 进而充分挖掘直流系统的输电能力。

5 结语

本文提出并建立了交直流混合系统的ATC计算模型, 该模型中的混合系统可以包含两端直流系统或多种结构的多端直流系统, 模型通用性强。运用非线性原—对偶内点法对模型进行求解, 在求解过程中, 对简约修正矩阵进行行列变换, 形成了一种便于存储和编程的数据结构, 提高了计算效率。仿真计算表明了在换流站进行无功补偿对提高ATC有明显作用, 同时也验证了所提出的模型和算法的合理性和有效性。

摘要：提出并建立了交直流混合系统可用输电能力优化计算模型, 该模型中的混合系统可以包含两端直流系统或多种结构的多端直流系统, 模型通用性强。运用非线性原—对偶内点法求解模型, 在求解过程中, 对简约修正矩阵进行行列变换, 形成了一种便于存储和编程的数据结构, 提高了计算效率。以修改的IEEE30节点混合系统为算例进行验证, 仿真计算表明在换流站进行无功补偿对提高可用输电能力有明显作用, 同时也验证了所提出的模型和算法的合理性和有效性。