高压直流互联性电网发展文献综述.docx

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高压直流互联性电网发展文献综述

高压直流互联性电网发展文献综述

LiteraturereviewonthedevelopmentofHVDCinterconnectedpowersystem

学生姓名：

侯亚东

学生学号：

1422060213

专业名称：

自动化

班级名称：

14及自动化2班

控制与机械工程学院

2017年1月11日

第一章研究的目的和意义

1.1直流输电电网发展前景

1.1.1高压直流输电的优势

中国的能源分布和电网结构决定了高压直流输电具有广阔的应用前景。

我国电网面临空前发展的局面.由于直流输电具有送电距离远、送电容量大、控制灵活等特点,因此在运、在建及规划建设中的直流输电工程已经和即将在西电东送、南北互供中承担主要送电任务,在未来全国联网中发挥重要作用.做好直流输电的研究、规划和建设是今后一段时间我国电网发展的重要任务。

无论是能源电力战略转型与结构调整，大规模新能源发电接入电网，还是构建全球能源互联网，都需要有经济高效的远距离、大容量电力输送手段，而高压/特高压直流输电、柔性直流输电正是其中最为关键的技术支撑。

与交流输电相比，直流输电具有输送容量大、送电距离远、电网互联方便、功率调节容易、线路走廊窄等诸多优点，因此，在远距离电能传输、非同步电网互联、分布式能源接入电网、海岛供电，以及大城市中心区域电缆供电等领域具有明显优势。

1.1.2直流输电设备各国百花齐放

当前，“全球能源互联网”概念方兴未艾，高压直流输电技术研究和工程实践十分活跃，尤其是在中国、印度、南美、欧盟等。

近日，来自12个国家的300多名专家聚焦高压大功率电力电子器件、直流输电装备、常规高压/特高压直流输电、柔性直流输电、直流输电系统与运行、特高压直流输电、柔性直流输电、直流输电装备等方向，旨在推荐高压直流输电技术在世界范围内的研究和应用。

1.2直流输电技术

1.2.1关于高压直流输电两大技术

高压直流输电技术在长距离跨区电能的传输、异步电网的互联、弱电网的电能输送等领域开展了广泛的应用，换流阀技术是高压直流输电技术的关键核心。

目前，高压直流输电换流阀技术分为两大类，一类是应用LCC技术的换流阀，一类是应用VSC技术的换流阀。

查鲲鹏表示，中国在运行中的超高压/特高压直流输电工程大部分应用的是LCC技术的换流阀，现有LCC的换流阀已到达±800千伏/5000安培的技术指标。

在现有±800千伏/5000安培技术的基础上，将进一步开发±1100千伏/5500安培与±800千伏/6250安培两种技术规格。

VSC换流阀技术是新一代换流阀技术，其在新能源并网、海岛电网输电等领域上具备巨大的优势。

使用该项技术的换流阀已经在上海南风工程、浙江舟山工程、福建厦门工程成功应用，未来更高电压、更大容量的换流阀将在2017年豫鄂背靠背等工程中应用。

如今，特高压、大容量的输电特性对换流变压器提出了很高的工艺要求，因此采用多端的特高压直流输电技术就成了解决上述问题的一种方案，多端特高压直流输电技术还具备运输方式多样、灵活的输电特点。

瑞士ABB中国电网项目开发经理王卫国介绍了ABB公司的特高压多端直流输电及柔性直流电网的发展：

ABB公司通过逆导IGBT概念形成的双模式绝缘栅晶体管BIGT技术会进一步使得VSC换流阀达到3000安培/800千伏的技术指标。

目前ABB公司已具备生产525千伏直流电缆的能力，下一步将研发更大容量的，电压等级达到600千伏至800千伏的直流电缆。

第二章国内外研究状况和发展趋势

2.1高压直流输电系统分析

我国电网正处于高速发展时期，目前已经进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的阶段，随着高压直流输电技术在我国的广泛应用和西部大开发战略中各项西电东送工程、全国联网工程的实施，直流输电技术将在西电东送和全国联网中起着主导作用。

与此同时，高压直流输电技术的广泛应用也将带来一系列技术和管理上的问题，比如直流系统对所连交流系统发生的故障非常敏感，交流系统的动态行为会对整个互联电网的稳定运行产生重要的影响；直流输电一个显著的特点就是其高度可控性，对其基本控制策略和各基本控制方式的配合以及对电压和功率在大扰动后恢复的影响进行研究很有必要。

另外，交直流系统其相互作用的性质和相关问题在很大程度上取决于交流系统相对直流输电容量的强弱程度，受端为弱交流系统的HVDC很容易产生运行上的问题。

因此，开展直流输电系统上述环节的研究工作是很有必要的，掌握直流系统的运行特性和规律不仅对于保证整个系统的安全稳定运行和充分发挥其输电的潜力有着重要意义，也是当前电力系统研究的当务之急。

本文以国际大电网会议（CIGRE）提出的高压直流输电系统的标准模型为研究对象，采用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC，做了大量的仿真试验。

主要做了以下工作：

一、基于电磁暂态分析程序PSCAD/EMTDC，研究了所用的模型系统运行中交流系统发生各种故障时直流输电系统的动态特性以及故障恢复情况，仿真表明在系统发生单一故障时可以在短时间内恢复到正常运行。

二、研究了造成直流输电换相失败的原因、影响换相失败的各种因素及避免换相失败的措施。

重点分析了影响换相失败的各个因素之间的关系以及对换相失败的影响程度。

三、介绍了HVDC控制系统的结构、各模块的功能，并详细说明直流输电系统换流站上的基本控制方式。

以CIGRE直流输电标准测试系统为模型，研究了其各控制器的结构和功能，做出了其稳态时的响应特性，进一步说明直流输电控制设备的控制策略和性能，并对系统出现不同故障时其控制策略进行了分析。

简单阐述了直流输电系统基本控制方式大扰动后对电压和功率恢复的影响比较。

四、提出联于弱交流系统比较容易出现的一些问题，如换相失败、电压稳定性以及故障后系统恢复情况等。

分析了在受端交流系统较弱的直流系统中，容易发生换相失败的机理。

以CIGRE标准系统为模型，通过改变逆变端不同短路比时对系统动态稳定进行了仿真测试，并对交流母线上不同无功补偿装置对弱交流系统运行和故障恢复的影响进行了仿真分析，提出了解决弱交流系统问题的一些方法。

[1][8][9]

2.2暂态保护分析

现时高压直流输电线路保护广泛采用ABB或西门子保护方案和配置。

通过对ABB和西门子行波保护动作特性仿真结果分析及运行经验表明，二者保护方案无法可靠、灵敏地切除高阻接地故障，且易受噪声等外界信号干扰。

同时，对国内外直流线路暂态保护的新思想进行分析总结，提出了提高高压直流输电线路暂态保护抗过渡电阻能力及区内、区外故障暂态分析所必须解决的几个关键性问题，为日后高品质直流线路保护判据的提出提供研究方向。

[2][7]

2.3高压直流输电系统机电暂态-电磁暂态混合仿真研究

为了准确分析高压直流输电系统的动态特性，针对±500kV江城（湖北江陵-广东鹅城）高压直流输电实例工程，给出一种基于全数字实时仿真装置（ADPSS）的机电暂态-电磁暂态混合建模方法。

利用电路等值转换理论分析了机电-电磁混合仿真的计算机理，进而阐述了机电模型及电磁模型的建模方法。

利用所构建的直流工程混合模型，开展了整流侧与逆变侧的交流系统分别发生接地故障的模拟仿真，并与采用交流电网化简处理的常见直流系统纯电磁建模仿真进行了比较分析。

仿真结果表明，基于ADPSS的高压直流输电系统机电-电磁混合仿真建模方法是有效的，其相比纯电磁模型能更精确地反映直流系统的动态运行特性，从而增强仿真模型的准确度。

[3][7]

2.4高压直流输电仿真

交直流电网仿真系统针对实际高压直流输电系统建立了准确的换流设备模型，可详细仿真与实际高压直流输电系统换流站完全一致的正常操作、误操作以及故障设置等功能，例如通过修改一次系统中断路器的开关状态模拟实际高压直流输电系统中整流侧或逆变侧交流母线的单相或相间短路故障，通过调节电压整定值模拟实际系统的降压运行等，保证对实际高压直流输电系统运行过程的准确仿真。

基于建立的一次系统仿真模型，交直流电网仿真系统采用数字物理混合仿真方法模拟完整的高压直流输电系统，通过数字物理混合接口将实际直流输电控制系统与建立的一次系统仿真模型连接，通过对一次系统仿真模型的不同操作分析讨论控制系统的调整过程，实现对高压直流输电一次系统运行过程及控制系统性能改善方法的研究。

为了使高压直流输电系统的研究更加经济、快速并符合实际高压直流输电系统的运行情况，需要针对实际高压直流输电控制系统建立数字仿真模型。

通过数字模型接口将建立的控制系统仿真模型与一次系统仿真模型连接，实现完整的全数字高压直流输电系统仿真模型，通过针对性仿真实验进行一次系统动态运行过程及控制系统性能的研究。

[3~5]

2.5混合型高压直流输电系统拓扑与仿真

混合型高压直流输电系统两端分别由传统电网换相换流器（LCC）和电压源换流器（VSC）构成，是一种新型拓扑，可以合理结合二者的优点，具有广泛的应用前景。

其运行特性、控制策略和故障特性等方面不同于LCC高压直流输电系统和VSC高压直流输电系统，有必要对其进行研究分析。

文中研究了整流侧采用VSC、逆变侧采用LCC的混合型高压直流输电系统，设计了不同的控制策略，在电磁暂态仿真软件PSCAD／EMTDC下进行了正常和故障情况下的仿真，对比采用不同控制策略时对系统换相失败的影响和故障恢复特性，选择了适用于此类系统的最优控制策略。

目前，针对VSC的控制方式主要可以分为间接控制和直接控制两大类，而占主导地位的是具有快速电流响应的直接电流控制，它通常由外环电压控制和内环电流控制2个环构成。

内环电流控制用于实现换流器交流侧电流波形和相位的直接控制，以快速跟踪参考电流。

外环电压控制则根据柔性直流输电系统级控制目标可以实现定直流电压控制、定有功功率控制、定频率控制、定无功功率控制和定交流电压控制等控制目标。

[5]

2.6特高压交、直流输电的适用场合及其技术比较

从世界范围看,特高压输电技术将长期发展.根据中国电网的发展趋势,特高压电网将由1000kV级交流输电系统和±800kV级直流系统组成.根据特高压交流和直流2种输电方式不同的技术经济特性,比较分析了两者的适用场合,并对特高压输电线路的防雷保护、可靠性、稳定性、电磁环境、绝缘子选型和交直流配合等技术问题,分别展开比较.得出主要结论:

特高压交流主要定位于近距离大容量输电和更高一级电压等级的网架建设,特高压直流主要定位于送受关系明确的远距离大容量输电以及部分大区、省网之间的互联;特高压直流的正极性导线比负极性导线更易遭受雷害;应避免出现由一个大电厂通过数回特高压交流线路集中送至同一地区的情况,也要重视包含多回特高压和超高压直流线路的"多馈入直流输电系统"的安全稳定问题;建议中国特高压输电线路优先采用大吨位、高强度的合成绝缘子,并采用由数片玻璃防污绝缘子和合成绝缘子构成的组合绝缘子方式,避免合成绝缘子芯棒碳化脆断的事故发生.

2.7交直流混合运行出现的问题

交直流混合运行后，直流系统的调制功能可以抵消电力系统扰动引起的功率变化，还具有随交流频率、系统电压变化及时调整、起到抑制系统低频振荡的作用。

但是交直流混和运行也有一些新的特点并带来一些新的问题。

（1）直流输电系统对交流系统有一定的负面影响。

主要为：

①直流输电系统故障对交流稳定冲击，特别是双极闭锁冲击很大。

如2001-08-14直流双极闭锁，甩负荷1550MW。

天生桥一级电厂切机4台共1150MW，并解列云南电网，系统低周达49．54Hz。

天平线潮流由1480MW增加到1620MW，天广交流沿线电压短时大幅下降，梧州电压由523kV降为508kV。

②直流输电系统接地极电流入侵交流变压器会导致变压器励磁电流畸变[11-14]。

（2）交流系统异常对直流系统产生影响，甚至造成直流双极闭锁事故。

突出表现为：

①逆变站附近的交流线路发生接地故障，经常造成换相失败。

如2006年7月增城一回线单相故障导致天广、贵广、三广3条直流同时换相失败等。

②交直流系统混合运行的保护配合问题研究不够深入，存在定值不当、直流保护系统考虑不周等，发生过交流系统故障引起直流系统未避开区外故障而双极闭锁的事故。

典型事故为2004-04-04直流区外马窝站原220kV罗马线故障，由于天广直流极I、极Ⅱ换流变小差保护（KBCHl30）的电流滤波回路设置有缺陷（电流滤波回路中，换流变三角型侧电流输入未接人零序滤波器），而造成双极闭锁，甩负荷1400MW，天生桥一级电厂切机3台共900MW，并解列云南电网，系统低周达49．41Hz。

2006-06-23500kV罗马线区外故障，交直流系统保护定值配合不当导致天广直流双极闭锁。

第三章结论

电力系统仿真技术可分为纯物理仿真、数模混合仿真和全数字仿真。

电力系统数模混合仿真目前是指发电机等旋转设备采用了数字模拟的方法，而电网其他模型采用物理模拟方法。

数模混合仿真技术在交直流输电工程的试验研究中得到广泛应用。

物理仿真技术的优点是能够真实地反映实际系统的各种特性，但仿真电网规模受仿真装置的规模限制，很难模拟未经等值的大规模电网，建模工作量也很大。

全数字实时仿真装置优点是维护和建模方便，使用灵活，但对于换流阀等大功率电力电子器件的快速电磁暂态过程模拟的精确度以及未知物理现象均无法模拟，有待于进一步研究提高。

因此，用全数字实时仿真模型仿真大部分交流系统和一部分直流输电系统，用物理模型仿真需要深入研究物理响应特性的交、直流输电系统，并将它们连接起来形成大规模交直流输电仿真电网，是目前进行特高压大电网规划实时仿真试验研究的最佳方案。

交流和直流都是电网的组成部分，在电网中的应用各有特点，两者相辅相成;电网的发展不能单纯依靠直流输电，需构建交流、直流相互支撑的坚强电网。

直流输电适用于超过交直流经济等价距离的远距离点对点、大容量输电;“背靠背”直流输电技术主要适用于不同频率的系统间的联网。

交流输电主要定位于构建坚强的各级输电网络和电网互联的联络通道，同时在满足直流输电的经济等价距离条件下，广泛应用与电源的送出，为直流输电提供重要的支撑。

应深入研究交、直流系统保护配合问题。

直流工程设计，直流一次设备换流变、换流阀等应能满足交直流系统混合运行的需要；换流站附近交流线路的重合闸时间、线路后备保护的动作时间，与直流保护的动作时间应能很好地配合；双极的动作时间应适当错开。

还应深入研究交直流混合运行系统的稳定性，研究与换流站直流连接的交流系统保护不正确动作后果和可以采取的防范措施，尽可能防止交流系统误动、特别是拒动时引发直流系统事故。

参考文献

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