CN103855706A - 一种向无源网络和弱交流网络供电的混合伪双极直流输电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种向无源网络和弱交流网络供电的混合伪双极直流输电方法，其特点是整流侧采用两个6脉动电流源换流器，逆变侧采用一个6脉动电压源换流器，建立伪双极直流输电系统。整流侧采用定电流控制方式，逆变侧采用定交流电压-直流电压控制方式，在稳定功率传输的同时，保证了受端系统的电压稳定性，从而使这种新型直流输电系统向无源网络和弱交流网络供电成为可能。该方法与柔性直流输电相比，降低了输电成本；与传统直流输电相比，能实现无源网络供电；本发明提出的新型直流输电系统具有较高的暂态稳定性。

Description

一种向无源网络和弱交流网络供电的混合伪双极直流输电方法

技术领域

本发明涉及一种向无源网络和弱交流网络供电的混合伪双极直流输电方法，属于高压直流输电领域。

背景技术

直流输电系统可分为两种类型：所有换流站均由传统的基于晶闸管电流源换流器构成的直流输电系统（CSC-HVDC）；所有换流站均由基于全控元件电压源换流器构成的直流输电系统（VSC-HVDC）。目前，世界上正在运行的直流输电系统几乎都是CSC-HVDC系统，但由于采用晶闸管构成的电流源换流器，其交流侧系统必须具有一定强度的系统，当一端接入弱交流系统时，就会极大影响整个直流系统的运行特性。近年来在大城市供电、海洋风力发电、优质电能库方面，VSC-HVDC输电系统得到了深入的研究。

传统直流输电换流器由晶闸管构成，基于自然换相的电流源换流器(CurrentSourceConverter,CSC)，仅适用于具有一定短路比的电力系统，不能向弱交流系统和无源负荷中心供电。基于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)轻型直流输电技术(VSC-HVDC)可以工作在无源逆变状态、实现有功功率和无功功率的传输、提高交流系统稳定性、输出电压波形好、功率因数高、谐波小等优点，但鉴于电力电子技术的局限，VSC-HVDC投资成本较高，故而目前只能在小容量的直流输电系统中应用。

在21世纪，人们对环境要求越来越高，发电场远离用电地区，将会出现越来越多无源大城市大负荷情况。随着能源不断开发，出现了越来越多远离海岸的海上钻井平台，传统的直流输电和交流输电向这类场景输送电力是存在很大的约束性。

本发明提出的新型直流输电系统可向无源网络和弱交流网络供电，整流侧采用CSC，降低了输电成本，逆变侧采用VSC，使之向无源网络供电成为可能。

发明内容

本发明的目的是针对现有的直流输电系统中，CSC-HVDC无法向无源网络和弱交流网络供电；VSC可以向无源网络和弱交流网络供电，但输电成本高，输电容量小的不足而提供一种向无源网络和弱交流网络供电的混合伪双极直流输电方法。其特点是在逆变侧采用电压源换流器，实现向无源网络供电；在整流侧采用电流源换流器，技术较成熟，输电成本低。这种新型直流拓扑，在保证无源网络和弱交流网络供电的同时，最大限度地降低了输电成本。

本发明的目的由以下技术措施实现：

向无源网络和弱交流网络供电的混合伪双极直流输电方法包括以下步骤：

1、针对新型直流受端为无源网络和弱交流网络的特殊性，确定逆变侧电压源换流器的控制方式；

2、确定整流侧电流源换流器的控制方式，协调控制整流侧和逆变侧的控制方式，寻找到最佳控制点；

3、针对受端电网的需求，确定直流传输容量以及新型直流输电中重要元件的参数；

4、搭建整流侧为两个6脉波的电流源换流器、逆变侧为一个电压源换流器的伪双极直流输电系统。

传统CSC-HVDC的换流器数学模型为：

$I_{\mathrm{dr}}=\frac{U(\cos \mathrm{\γ}-\cos (\mathrm{\γ}+\mathrm{\μ}))}{\sqrt{2}{n}_{r1}{X}_{r1}}---\left(1\right)$

$U_{\mathrm{dr}}=\frac{3\sqrt{2}U}{{\mathrm{\πn}}_{r1}}\cos \mathrm{\γ}-\frac{3}{\mathrm{\π}}{X}_{r1}{I}_{\mathrm{dr}}---\left(2\right)$

cosφ＝-[cosγ+cos(γ+μ)]/2      （3）

P_dr＝U_drI_dr        （4）

Q_dr＝P_drtanφ         （5）

其中，U为整流侧交流母线电压，I_dr和U_dr分别为整流侧直流电流和单极直流电压，μ和γ分别为叠弧角角和关断角，X_r1表示整流侧变压器漏抗，n_r1表示整流侧6脉波换流阀个数，P_dr和Q_dr分别为整流侧传输有功、无功功率。

VSC-HVDC较常用的为脉宽调制(pulse width modulation，PWM)技术，换流器数学模型为：

$P_{\mathrm{di}}=\frac{U_s{U}_c}{X_i}\sin \mathrm{\δ}---\left(6\right)$

$Q_{\mathrm{di}}=\frac{U_s(U_s-U_c\cos \mathrm{\δ})}{X_i}---\left(7\right)$

$U_c=\frac{\mathrm{\μm}}{\sqrt{2}}{U}_{\mathrm{di}}\∠\mathrm{\δ}---\left(8\right)$

式中，U_s和U_c分别表示电网侧和换流阀侧基频电压分量，U_di表示逆变侧直流电压，δ为U_s和U_c之间的相角差，P_di和Q_di分别为逆变侧传输有功、无功功率，X_i为逆变侧相电抗，μ表示直流电压利用率，m表示调制度。

电压源换流器采用直流电流双闭环解耦控制，即D-Q解耦控制方式，由Park变换得到d-q坐标系下交流侧三相动态微分方程为

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=\frac{u_{\mathrm{sd}}-u_{\mathrm{cd}}}{L}-\frac{R}{L}{i}_d+\mathrm{\ω}{i}_q\\ \frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=\frac{u_{\mathrm{sq}}-u_{\mathrm{cq}}}{L}-\frac{R}{L}{i}_q-\mathrm{\ω}{i}_d\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，u_sd、u_sq分别为电网电压的d、q轴分量；u_cd、u_cq分别为VSC交流侧电压基波的d、q轴分量；i_d、i_q分别为电网电流的d、q轴分量；R、L是联结变压器加相电抗器的等效电阻及等效电感。

由式（9）得

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{cd}}=u_{\mathrm{sd}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q-({\mathrm{Ri}}_d+L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}})\\ u_{\mathrm{cq}}=u_{\mathrm{sq}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d-({\mathrm{Ri}}_q+L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}})\end{array}\right.---\left(10\right)$

进而得VSC的控制量m和δ分别为

$m=\frac{2\sqrt{u_{\mathrm{cd}}^2+u_{\mathrm{cq}}^2}}{U_{\mathrm{dc}}}---\left(11\right)$

$\mathrm{\δ}=\arctan \frac{u_{\mathrm{cd}}}{u_{\mathrm{cq}}}---\left(12\right)$

根据新型直流输电向无源网络和弱交流网络的需求，模型搭建步骤如下：

（1）确定整流侧电流源换流器控制方式为定直流电流的方式，实现对α角的控制；

（2）确定逆变侧电压源换流器的控制方式为定直流电压-交流电压控制方式；通过整流侧定直流电流，逆变侧定直流电压，从而实现定直流功率的目的。逆变侧定交流电压，保证向无源网络和弱交流网络供电时受端网络电压的稳定性；

（3）根据受端电网的需求，确定新型直流输电的电压等级和传输功率；

（4）根据以上所述的控制方式和系统参数，搭建整流侧12脉波CSC，逆变侧6脉波VSC的混合伪双极直流输电系统。

本发明具有如下优点：

1本发明通过混合伪双极高压直流输电向无源网络和弱交流网络供电的方法，与柔性直流输电相比，本发明降低了输电成本，与传统直流输电相比，本发明实现无源网络供电，提出的直流输电系统具有较高的暂态稳定性。

2本发明从实际工程需求入手，当受端电网为无源大城市用电、海上钻井平台用电以及弱交流系统用电时，通过本发明能实现向这些场景供电；整流侧为电流源换流器，在实现电力传输的同时，降低了输电成本。另外，逆变侧为电压源换流器，能够实现有功、无功的解耦独立控制，不需增加无功补偿装置就能够保证受端电网电压的稳定性。

附图说明

图1为新型直流输电系统的拓扑结构。

整流侧为两个6脉波电流源换流器I和II，逆变侧为一个6脉波电压源换流器III，S₁和Z_s1分别为新型直流输电系统的送端等值交流系统和其等值系统的阻抗。T_s1和T_s2分别为整流侧正极和负极的换流变压器，T_r为逆变侧换流变压器。C₁和C₂分别为直流电容器。

图2为三相两电平电压源型换流器拓扑结构图。

U_s和U_c分别表示电网侧和换流阀侧基频电压分量，U_d表示逆变侧直流电压，δ为U_s和U_c之间的相角差，P和Q分别为向直流传输有功、无功功率，R_C，L_C分别表示换流变压器的等效电阻和等效电抗。电网侧连接有一个交流滤波器LC。

图3为整流侧控制逻辑图。

I_dr和V_dr表示为整流侧直流电流和直流电压的测量值，V_dr0表示整流侧直流电压的整定值，VDCOL表示低压限流换流，α表示整流侧换流器触发角。

图4为逆变侧控制逻辑图。

u_sd、u_sq分别为电网电压的d、q轴分量；u_cd、u_cq分别为VSC交流侧电压基波的d、q轴分量；i_d、i_q分别为电网电流的d、q轴分量；R、L是联结变压器加相电抗器的等效电阻及等效电感，δ为U_s和U_c之间的相角差，m表示调制度。和U_dc表示直流电压的整定值和测量值，

和U_ac表示交流电压的整定值和测量值。

图5表示稳态情况下新型直流输电系统整流侧和逆变侧传输的有功功率。

图6表示整流侧换流母线发生三相接地短路故障后，整流侧正极直流电压的暂态特性。

图7表示整流侧换流母线发生三相接地短路故障后，整流侧正极直流电流的暂态特性。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

如图1所示，送端等值交流系统S₁与一个等值系统阻抗Z_s1连接，然后通过两个变压器T_s1和T_s2分别与6脉动电流源换流器I和II连接，通过直流传输线路与一个6脉动电压源换流器III连接，通过一个变压器T_r与无源网络连接。直流侧两个直流电容器C₁和C₂串联后并联在直流线路的正负极。

如图2所示，逆变侧电压源换流器VSC为三相两电平拓扑结构。换流阀I和换流阀IV串联成一个阀桥臂，换流阀III和换流阀VI串联成一个阀桥臂，换流阀V和换流阀II串联成一个阀桥臂，然后三个阀桥臂并联在直流的正负极。直流侧两个直流电容器C₁和C₂串联后并联在直流线路的正负极。通过换相电抗R_C，L_C与交流侧连接，电网侧接有一个交流滤波器LC。

如图3所示，直流电压测量值V_dr与直流电压整定值V_dr0通过低压限流环节VDCOL得出直流电流整定值，然后与直流电流测量值I_dr比较，最后通过PI环节得到电流源换流器CSC的触发角α。

如图4所示，直流电压整定值

和直流电压测量值U_dc之差通过PI环节得到电网电流整定值的d轴分量然后与电网电流测量值的d轴分量i_sd相比较，通过PI环节再与电网电压的d轴分量u_sd和电网电流测量值的q轴分量i_sq与换相阻抗的乘积相加得到VSC交流侧电压基波的d轴分量u_cd，同理通过无源网络的交流电压控制得到VSC交流侧电压基波的q轴分量u_cq，最后通过u_cd和u_cq的关系得到电压源换流器VSC的相角差δ和调制度m。

PSCAD／EMTDC电磁暂态仿真软件简介

PSCAD／EMTDC电磁暂态仿真软件是一种电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，EMTDC即直流系统电磁暂态（Electro-Magnetic Transient in DC System）。EMTDC的主要功能是分析电力系统中的各种暂态过程。EMTDC的优点是：它可对包含复杂非线性元件（如直流输电设备）的大型电力系统进行全三相的精确模拟，其输入、输出界面非常直观、方便。EMTDC是在一定的时域内采用逐步法进行计算的，所以一般认为其所能处理的仿真过程时间较短，只适于进行1～2s以内的电磁暂态计算，这样往往不能描述一个完整的动态过程。而在实际计算分析中经常需要进行这样的描述。例如在一个交、直流输电系统中发生了故障，就需要观察直流系统、甚至机组的反应；或者是多次连续的故障中，需要观察一个完整的全过程。所以，有必要利用EMTDC来进行较长时间的仿真研究。

在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序中建立新型直流输电系统向无源网络供电的模型，无源网络负荷为400MW，选取直流传输功率为400MW，直流电压等级为±200kV，直流电流为1kA。其中整流侧交流系统电压等级为220kV；逆变侧无源网络电压等级为10.5kV，逆变侧直流电容为600μF，相电抗器为0.0543H。

如图5所示，为系统正常运行时的整流、逆变侧传输功率。整流和逆变侧传输功率分别为420MW和390MW，直流功率损耗为20MW，损耗率为5％。

为了研究新型直流输电系统的暂态特性，在整流侧换流母线施加三相接地故障扰动，故障发生时间为2s，故障持续时间0.02s。

图6和图7为故障后整流侧单极直流电压和电流。当整流侧换流母线发生故障时，整流侧直流电压和直流电流都降到0，在故障切除后，系统能迅速恢复稳定。

本发明建立了含有整流侧CSC换流器和逆变侧VSC换流器的新型伪双极高压直流输电系统的模型向无源网络供电，推导了其在稳态时的数学模型，针对向无源网络供电的特性条件，对整流侧与逆变侧协调控制策略进行研究。然后在PSCAD/EMTDC环境下对混合直流输电系统的稳态特性、整流侧换流母线三相接地故障发生时的动态特性及故障恢复特性进行了研究。

实施例表明，这种新型直流输电系统有效向无源网络供电，通过在整流侧换流母线施加三相接地短路故障仿真，仿真结果表明了新型直流输电系统具有较好的抗干扰能力，在故障后能迅速恢复稳定。这种新型直流输电系统完全可以满足向无源网络和弱交流网络供电的实际工程需要。

Claims (1)

1.一种向无源网络和弱交流网络供电的混合伪双极直流输电方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）确定整流侧电流源换流器控制方式为定直流电流的方式，实现对α角的控制；

（2）确定逆变侧电压源换流器的控制方式为定直流电压-交流电压控制方式；通过整流侧定直流电流，逆变侧定直流电压，从而实现定直流功率的目的；逆变侧定交流电压，保证向无源网络和弱交流网络供电时受端网络电压的稳定性；

（3）根据受端电网的需求，确定新型直流输电的电压等级和传输功率；

（4）根据以上所述的控制方式和系统参数，搭建整流侧12脉波CSC，逆变侧6脉波VSC的混合伪双极直流输电系统。

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