專(zhuān)利名稱(chēng)：一種雙饋入直流輸電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓直流輸電方法，屬輸配電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
高壓直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)因輸電容量大、線路造價(jià)低、所連兩端交流電網(wǎng)可不同步運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了巨大發(fā)展，成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中最成功的應(yīng)用典范之一。但這種輸電方法也存在不足之處，其運(yùn)行可靠性受兩端交流電網(wǎng)的影響，這是由于HVDC換流器一般都采用無(wú)自關(guān)斷能力的普通晶閘管作為換流元件，因而HVDC運(yùn)行時(shí)需要交流系統(tǒng)提供換相電流，這個(gè)電流實(shí)際就是相間的短路電流，當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生故障或三相嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)等導(dǎo)致交流電勢(shì)下降時(shí)，HVDC的換流重疊角將增大，容易導(dǎo)致?lián)Q相失敗。因此，要保證換相可靠，受端交流系統(tǒng)必須具有足夠的容量，即必須有足夠的短路比，否則HVDC容易發(fā)生換相失敗，導(dǎo)致HVDC的運(yùn)行可靠性降低。
電壓源換流器高壓直流輸電(Voltage Source Converter based High VoltageDirect Current，VSC-HVDC)采用全控型器件為換流元件，它與HVDC相比，具有以下特點(diǎn) (1)正常運(yùn)行時(shí)VSC可以同時(shí)且相互獨(dú)立控制有功功率、無(wú)功功率，控制更加靈活方便。而HVDC中控制量只有觸發(fā)角，只能控制有功功率，對(duì)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)能力則很弱。
(2)VSC不僅不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率，而且能夠起到STATCOM的作用，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著故障時(shí)，若VSC容量允許，那么VSC-HVDC既可向故障系統(tǒng)提供有功功率的緊急支援，又可提供無(wú)功功率的緊急支援，從而既能提高系統(tǒng)的頻率特性，又能改善受端交流母線的電壓特性。
(3)VSC電流能夠自關(guān)斷，可以工作在無(wú)源逆變方式，所以不需要外加的換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，克服了HVDC受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷，使利用VSC-HVDC為遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電成為現(xiàn)實(shí)。
盡管VSC-HVDC具有上述優(yōu)點(diǎn)，但卻存在著輸電容量相對(duì)較小(目前的VSC-HVDC在容量上大約可達(dá)到HVDC的十分之一)和輸電成本相對(duì)較高的不足，因而也不是理想的輸電方法。
如何克服HVDC的不足，找到一種能夠使現(xiàn)有HVDC成為運(yùn)行更加可靠的輸電方法，是目前電力工作者面臨的重要而迫切的課題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種輸電容量大、運(yùn)行可靠性高的雙饋入直流輸電方法。
本發(fā)明所稱(chēng)問(wèn)題是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種雙饋入直流輸電方法，它將HVDC子系統(tǒng)和VSC-HVDC子系統(tǒng)并聯(lián)到輸電交流系統(tǒng)的同一母線上或者分別連接到電氣連接非常緊密的兩個(gè)變電站；所述HVDC子系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)S1、系統(tǒng)阻抗Zs1、換流變壓器Ts1、HVDC換流器、輸電線路DC1以及換流變壓器Tr1組成；所述VSC-HVDC子系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)S2、系統(tǒng)阻抗Zs2、換流變壓器Ts2、VSC-HVDC換流器、輸電線路DC2以及換流變壓器Tr2組成；所述VSC-HVDC子系統(tǒng)在HVDC子系統(tǒng)逆變器受端交流系統(tǒng)同一母線連接，或者通過(guò)交流輸電線路L12與HVDC子系統(tǒng)逆變器受端交流系統(tǒng)母線連接，線路L12距離較短。
上述雙饋入直流輸電方法，所述HVDC子系統(tǒng)整流側(cè)采用定直流電流控制方式，逆變側(cè)采用定熄弧角控制；所述VSC-HVDC子系統(tǒng)整流側(cè)采用定直流電壓和定無(wú)功控制，逆變側(cè)采用定直流電流和定無(wú)功控制或定交流電壓的控制方式。
上述雙饋入直流輸電方法，對(duì)所述HVDC子系統(tǒng)的逆變器側(cè)交流系統(tǒng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，若HVDC子系統(tǒng)的逆變器側(cè)交流系統(tǒng)電壓突然降低，則由控制電路使VSC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)采用定交流電壓控制。
上述雙饋入直流輸電方法，所述VSC-HVDC子系統(tǒng)逆變器的調(diào)制度m由下式確定 VSC交流側(cè)母線電壓基波相量

滯后交流系統(tǒng)側(cè)母線電壓基波相量

的角度由下式確定 其中，K1＝Y(jié)sinα，K2＝-UsYcos2α，D＝UsYAsin2α-A2Ysinα，X＝ωL， 式中，Ud為直流電壓，US為交流系統(tǒng)側(cè)母線電壓基波相量的有效值，Qs為交流系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率，Pc為VSC吸收的有功功率，R為VSC的等效損耗電阻，ω為交流系統(tǒng)的角頻率，L為換流電抗器的等效電感。
本發(fā)明將VSC-HVDC與HVDC組成雙饋入直流輸電方法，它們之間的電氣距離很近或?yàn)榱?，由于VSC-HVDC對(duì)無(wú)功功率具有快速控制能力，當(dāng)HVDC子系統(tǒng)的逆變器側(cè)交流系統(tǒng)電壓突然降低時(shí)，可利用VSC-HVDC子系統(tǒng)對(duì)無(wú)功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，給HVDC子系統(tǒng)的受端快速提供交流電壓支撐，防止HVDC子系統(tǒng)逆變器發(fā)生換向失敗。與現(xiàn)有HVDC多饋入(包含雙饋入，現(xiàn)有的雙饋入直流或多饋入系統(tǒng)均為僅包含兩條或多條HVDC饋入的交流系統(tǒng))系統(tǒng)比較，本發(fā)明能有效降低HVDC子系統(tǒng)逆變器發(fā)生換向失敗的幾率，提高HVDC子系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。



圖1為HVDC和VSC-HVDC雙饋入系統(tǒng)電原理圖 圖2為Pc、Qs有功功率、無(wú)功功率控制算法示意圖 圖3為擾動(dòng)時(shí)無(wú)雙饋入直流系統(tǒng)中HVDC系統(tǒng)逆變側(cè)三相交流母線電壓仿真波形； 圖4為擾動(dòng)時(shí)本發(fā)明中HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)三相交流母線電壓仿真波形； 圖5為擾動(dòng)時(shí)雙饋入系統(tǒng)與HVDC系統(tǒng)逆變側(cè)直流電壓； 圖6為擾動(dòng)時(shí)雙饋入系統(tǒng)與HVDC系統(tǒng)逆變側(cè)交流電壓有效值； 圖7為擾動(dòng)時(shí)雙饋入系統(tǒng)與HVDC系統(tǒng)逆變側(cè)關(guān)斷角； 圖8為干擾情況下VSC-HVDC系統(tǒng)兩側(cè)直流電壓 圖9為干擾情況下VSC-HVDC系統(tǒng)兩側(cè)直流電流波形； 圖10為VSC-HVDC系統(tǒng)換流器VSC的簡(jiǎn)化物理模型。
圖中及文中所用符號(hào)為S1、HVDC子系統(tǒng)的等值送端交流系統(tǒng)；Z1、S1的系統(tǒng)等值阻抗；Ts1、HVDC子系統(tǒng)的換流變壓器；DC1、HVDC換流器以及輸電線路；ACfilter、HVDC子系統(tǒng)的交流濾波器；Tr1、HVDC子系統(tǒng)的換流變壓器；Lr、交流輸電線路；Zr、受端交流系統(tǒng)Sr的系統(tǒng)等值阻抗；Sr、雙饋入系統(tǒng)的公共等值受端交流系統(tǒng)；S2、VSC-HVDC的送端交流系統(tǒng)；ZS2、S2的其等值系統(tǒng)阻抗；TS2、VSC-HVDC的換流變壓器；DC2、VSC-HVDC換流器以及輸電線路；Tr2、VSC-HVDC的換流變壓器；L12、交流輸電線路；

、交流系統(tǒng)側(cè)母線電壓基波相量；

、VSC交流側(cè)母線電壓基波相量；δ、

滯后

的角度；Ps、交流系統(tǒng)輸出的有功功率；Qs、交流系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率；Pc、VSC吸收的有功功率；Qc、VSC吸收的無(wú)功功率；Pcref、Qsref、被控量的參考輸入值即設(shè)定值；L、換流電抗器的等效電感；R、VSC的等效損耗電阻；Ud、直流電壓；Id、直流電流；M、VSC所采用PWM技術(shù)的調(diào)制度；A、中間變量；B、中間變量；Uabc、系統(tǒng)逆變側(cè)三相交流母線電壓；ω、交流系統(tǒng)的角頻率。

具體實(shí)施例方式 參看圖1，雙饋入直流輸電方法包括VSC-HVDC子系統(tǒng)和HVDC子系統(tǒng)，VSC-HVDC子系統(tǒng)和HVDC子系統(tǒng)并聯(lián)接到交流系統(tǒng)的同一母線上或電氣連接非常緊密的兩個(gè)變電站。HVDC子系統(tǒng)包括送端交流系統(tǒng)(S1)、系統(tǒng)阻抗(Zs1)、換流變壓器(Ts1)、HVDC換流器以及輸電線路(DC1)、換流變壓器(Tr1)；VSC-HVDC子系統(tǒng)包括送端交流系統(tǒng)(S2)、系統(tǒng)阻抗(Zs2)、換流變壓器(Ts2)、VSC-HVDC換流器以及輸電線路(DC2)、換流變壓器(Tr2)；其中的VSC-HVDC子系統(tǒng)在HVDC子系統(tǒng)逆變器受端交流系統(tǒng)同一母線連接，或者通過(guò)交流輸電線路(L12)與HVDC子系統(tǒng)逆變器受端交流系統(tǒng)母線連接。
VSC-HVDC系統(tǒng)給有源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)，通常采用一端換流站控制直流線路電壓，另一端控制直流線路電流的控制策略。為提高VSC交流側(cè)輸出電壓的穩(wěn)定性，對(duì)直流電壓進(jìn)行控制是必要的，故在VSC-HVDC的整流器采用定直流電壓控制方式。由于所聯(lián)的是有源交流網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)直流電流進(jìn)行控制，故在VSC-HVDC逆變器采用定直流電流控制方式。PWM的調(diào)制波相位δ和調(diào)制度M可同時(shí)且獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)節(jié)，故VSC-HVDC可做到有功和無(wú)功同時(shí)且獨(dú)立的控制。VSC的物理模型如圖10所示，VSC的有功和無(wú)功控制系統(tǒng)關(guān)系如圖2所示。圖2中除PWM觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路和鎖相環(huán)是指具體電路或電路模塊外，其余部分均為有功和無(wú)功控制算法示意圖，單元1-單元4為控制函數(shù)關(guān)系，詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)下文，文中所涉及的主要變量和關(guān)系式如下。


為交流系統(tǒng)側(cè)母線電壓基波相量；

為VSC交流側(cè)母線電壓基波相量；δ為

滯后

的角度；Ps、Qs為交流系統(tǒng)輸出的有功功率和無(wú)功功率；Pc、Qc為VSC吸收的有功功率和無(wú)功功率；Pcref、Qsref為被控量的參考輸入即設(shè)定值；(其中X＝ωL，L為換流電抗器的等效電感，R為VSC的等效損耗電阻)；Ud為直流電壓；M為VSC所采用PWM技術(shù)的調(diào)制度。
圖2中，單元(1)的控制關(guān)系為單元(2)的控制關(guān)系為(其中K1＝Y(jié)sinα，K2＝-UsYcos2α，D＝UsYAsin2α-A2Ysinα)；單元(3)的控制關(guān)系為單元(4)的控制關(guān)系為 通常VSC-HVDC的有功功率由直流電壓或直流電流控制，即由一側(cè)的直流電壓和直流電流得到Pcref；而無(wú)功功率則通過(guò)直接設(shè)定交流系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率Qs的定值或交流電壓進(jìn)行控制。而VSC-HVDC子系統(tǒng)的整流側(cè)采用定直流電壓和定無(wú)功控制方式；逆變側(cè)采用定直流電流和定交流電壓的控制方式，以達(dá)到穩(wěn)定交流母線電壓的目的。
對(duì)圖1中的雙饋入系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。該系統(tǒng)含有2條直流輸電線路，其中直流線路DC1、DC2分別為HVDC和VSC-HVDC子系統(tǒng)的直流線路。HVDC子系統(tǒng)采用CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)；VSC-HVDC子系統(tǒng)參數(shù)為送端VSC交流側(cè)系統(tǒng)額定線電壓為62.5kV，等效損耗電阻R＝0.1Ω，換流電抗器的等效電感L＝37mH，直流側(cè)電容C＝250μF，直流線路為100km的電纜線路，直流電壓整定值Ud＝120kV。連接HVDC和VSC-HVDC的交流架空線路L12長(zhǎng)1km。交流輸電線路Lr為10km架空線路。受端交流系統(tǒng)同CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)的受端交流系統(tǒng)。
為與上述雙饋入系統(tǒng)對(duì)比，采用單饋入的HVDC系統(tǒng)進(jìn)行研究，除沒(méi)有VSC-HVDC子系統(tǒng)，其他部分的接線和參數(shù)同圖1。
HVDC子系統(tǒng)的控制方式為整流側(cè)采用定電流控制和最小觸發(fā)角限制；逆變側(cè)采用定熄弧角控制和定電流控制。所有控制方式均采用PI調(diào)節(jié)器。此外，整流側(cè)和逆變側(cè)均配有依賴電壓的電流定值限制(voltage dependent current orderlimit，VDCOL)控制。VDCOL控制可避免逆變器長(zhǎng)時(shí)間換相失敗，改善故障后直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性。
而VSC-HVDC子系統(tǒng)控制方式為整流側(cè)采用定直流電壓和定無(wú)功控制方式；逆變側(cè)采用定直流電流和定交流電壓的控制方式，以達(dá)到穩(wěn)定交流母線電壓的目的。
假定該雙饋入系統(tǒng)1.6s時(shí)受端交流系統(tǒng)遠(yuǎn)方受到擾動(dòng)，使受端系統(tǒng)電壓降低約0.1，0.1s后干擾消除，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。作為對(duì)比，無(wú)VSC-HVDC饋入的HVDC系統(tǒng)在相同干擾情況下的逆變側(cè)交流電壓波形如圖3，而雙饋入系統(tǒng)HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)交流母線電壓如圖4所示。直流電壓、交流母線電壓(有效值)、熄弧角的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5、如圖6、如圖7所示。
由圖3，圖4可見(jiàn)，同一干擾下，HVDC系統(tǒng)的交流母線電壓降低，而且畸變較大，而含有VSC-HVDC的雙饋入系統(tǒng)交流電壓波形較為平穩(wěn)，除幅值有所降低外，波形基本無(wú)畸變，為近似正弦波。在圖5中，無(wú)VSC-HVDC饋入的HVDC系統(tǒng)的直流電壓約直接下降至0.2；在圖6中，逆變側(cè)交流電壓波動(dòng)比較大，在圖7中，逆變器的關(guān)斷角也立即減小為0°，逆變器發(fā)生換相失敗，而含有VSC-HVDC的雙饋入系統(tǒng)的直流電壓和交流母線電壓波動(dòng)幅度明顯減小，故障期間關(guān)斷角降為9.39°，關(guān)斷角的減小得到了有效抑制，沒(méi)有發(fā)生換相失敗，且干擾消除后的恢復(fù)過(guò)程也比較平穩(wěn)、快速。這主要是因?yàn)椋ㄟ^(guò)定交流電壓控制，VSC-HVDC能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償受端交流系統(tǒng)無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。
干擾情況下VSC-HVDC系統(tǒng)兩側(cè)直流電壓波形如圖8所示；干擾情況下VSC-HVDC系統(tǒng)兩側(cè)直流電流波形如圖9所示。
由圖9可見(jiàn)，VSC-HVDC系統(tǒng)在干擾情況下的直流電壓和電流波動(dòng)較小，這表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可有效改善VSC-HVDC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
上述仿真實(shí)驗(yàn)表明，在本發(fā)明的雙饋入系統(tǒng)中，通過(guò)兩者的協(xié)調(diào)控制，減少了交流系統(tǒng)電壓突然降低時(shí)HVDC逆變站發(fā)生換相失敗的幾率，提高了HVDC系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
權(quán)利要求
1.一種雙饋入直流輸電方法，其特征是，它將HVDC子系統(tǒng)和VSC-HVDC子系統(tǒng)并聯(lián)到輸電交流系統(tǒng)的同一母線上或者分別連接到電氣連接非常緊密的兩個(gè)變電站；所述HVDC子系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)(S1)、系統(tǒng)阻抗(Zs1)、換流變壓器(Ts1)、HVDC換流器以及輸電線路(DC1)、換流變壓器(Tr1)組成；所述VSC-HVDC子系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)(S2)、系統(tǒng)阻抗(Zs2)、換流變壓器(Ts2)、VSC-HVDC換流器以及輸電線路(DC2)、換流變壓器(Tr2)組成；所述VSC-HVDC子系統(tǒng)在HVDC子系統(tǒng)逆變器受端交流系統(tǒng)同一母線連接，或者通過(guò)交流輸電線路(L12)與HVDC子系統(tǒng)逆變器受端交流系統(tǒng)母線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙饋入直流輸電方法，其特征是，所述HVDC子系統(tǒng)整流側(cè)采用定直流電流控制方式，逆變側(cè)采用定熄弧角控制；所述VSC-HVDC子系統(tǒng)整流側(cè)采用定直流電壓和定無(wú)功控制，逆變側(cè)采用定直流電流和定無(wú)功控制或定交流電壓的控制方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述雙饋入直流輸電方法，其特征是，對(duì)所述HVDC子系統(tǒng)的逆變器側(cè)交流系統(tǒng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，若HVDC子系統(tǒng)的逆變器側(cè)交流系統(tǒng)電壓突然降低，則由控制電路使VSC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)采用定交流電壓控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述雙饋入直流輸電方法，其特征是，所述VSC-HVDC子系統(tǒng)逆變器的調(diào)制度(m)由下式確定
VSC交流側(cè)母線電壓基波相量
滯后交流系統(tǒng)側(cè)母線電壓基波相量
的角度由下式確定
其中，k1＝Y(jié)sinα，K2＝-UsYcos2α，D＝UsYAsin2α-A2Ysinα，X＝ωL，
式中，Ud為直流電壓，Us為交流系統(tǒng)側(cè)母線電壓基波相量的有效值，Qs為交流系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率，Pc為VSC吸收的有功功率，R為VSC的等效損耗電阻，ω為交流系統(tǒng)的角頻率，L為換流電抗器的等效電感。
全文摘要
一種雙饋入直流輸電方法，屬輸配電技術(shù)領(lǐng)域，用于解決高壓直流輸電的運(yùn)行可靠性問(wèn)題。其技術(shù)方案是它將HVDC子系統(tǒng)和VSC-HVDC子系統(tǒng)并聯(lián)到輸電交流系統(tǒng)的同一母線上或者分別連接到電氣連接非常緊密的兩個(gè)變電站；所述HVDC子系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)S1、系統(tǒng)阻抗Zs1、換流變壓器Ts1、HVDC換流器以及輸電線路DC1、換流變壓器(Tr1)組成；所述VSC-HVDC子系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)S2、系統(tǒng)阻抗Zs2、換流變壓器Ts2、VSC-HVDC換流器以及輸電線路DC2、換流變壓器(Tr2)組成。與現(xiàn)有HVDC系統(tǒng)比較，本發(fā)明能有效降低HVDC子系統(tǒng)逆變器發(fā)生換向失敗的幾率，提高HVDC子系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
文檔編號(hào)H02J3/00GK101202445SQ20071018545
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者趙成勇 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)