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多馈入高压直流输电系统的在线功率/电压稳定指标
发布时间:2019年11月06日 22:51    作者:张子越    点击:[]

着我国直流输电工程快速建设,电力系统强直弱交矛盾日益凸显。在多馈入直流系统中,各直流输电的运行状态不仅受交流系统影响,还会通过交流网络产生相互影响。我国特高压直流输电输送容量巨大,并伴随较大的无功消耗,因而配备了大容量无功补偿设备。直流输电的这些特点改变了我国电力系统的运行特性与稳定情况,需要对多馈入直流输电的电力系统稳定指标进行研究。


1多馈入直流系统存在怎样的功率稳定问题?


高压直流输电的换相失败和闭锁问题已经受到了广泛重视,但考虑交直流系统相互作用的功率稳定问题尚未被充分研究。高压直流输电的功率稳定与其有功输送极限相关。一般认为,直流输电最大有功功率由换流站的设计容量决定,但事实上,输送功率的上限还和交流侧系统有很大关系。当直流输电系统增加直流电流、期望获得更大有功功率时,其无功消耗也会增加。更大的无功消耗会降低换流器交流侧电压,进而降低直流侧电压。此时,为了保证功率不变,又需要进一步增加直流电流。以期望的直流功率为目标,直流电压、直流电流、换流站无功消耗量和交流电压之间循环影响。若这一循环稳定,那么直流输电就会达到稳态;若循环不稳定,那么直流输电就无法达到期望的功率值,发生功率失稳现象。


2多馈入直流系统存在怎样的电压稳定问题?


在传统的电力系统电压稳定问题中,系统的主要组成部分一般为电压源、有功无功负荷及传输线路。而馈入交流电网的高压直流输电既是一个无功负荷,又是一个有功电源。因而,常规的电压稳定分析方法不能直接应用到含直流输电的系统中去。此外,多馈入直流系统的电压稳定问题在某些方面更加严峻。以并联电容器为主的无功补偿装置极大地增加了直流馈入点的无功—电压灵敏度,使得交流电压更易受到影响。直流系统本身的控制会通过交、直流间的相互作用影响到交流电压。多回直流线路之间也会产生相互作用。


3功率/电压问题的内在联系和评价指标


随着直流电流增加,直流输电系统的功率会先上升后下降,如图1所示。这一现象也可以理解为,对于同一直流功率,存在两个可能的运行方式,即大电流运行方式和小电流运行方式。其中,大电流运行方式是一种不稳定的运行方式。



1 直流电流与直流功率的关系


这和交流系统中关于电压稳定的鼻型曲线十分类似,如图2所示。对于单电源—单负荷的交流系统而言,对应同一负荷功率,存在两个可能的潮流解,即高电压解和低电压解。其中,低电压解是一种不稳定的潮流方式。


 

2 交流电压与交流功率的关系


以上述两种稳定机理为基础,打通直流电流、直流功率、交流电压间的解析关系,将直流输电系统视为一种交流侧广义负荷,寻找多馈入直流系统的极限运行模式,据此建立功率/电压稳定指标(power/voltage stability index, PVSI)。



4稳定指标的在线计算与应用

 

本文通过数据采集与监视控制(SCADA)系统和广域测量系统(WAMS)获取电网参数、量测各主要发电机与负荷的电气状态,实时计算各节点的PVSI,判断系统的薄弱环节,为多馈入系统的调度与在线控制提供指导,如图3所示。系统的PVSI取值范围在01之间,值越大说明电力系统越接近稳定边界。当PVSI1靠近时,应当及时采取必要措施,提升电力系统的安全稳定裕度。



3 稳定指标在大型系统中的在线应用流程

 

5稳定指标的应用效果


在重载的双馈入系统中增加无功负荷,会导致交流电压降低、直流电流上升,触发典型的功率/电压失稳现象,如图4所示。该现象虽然与直流功率密切相关,但却和频率、功角无关。本文提出的稳定指标能准确识别这一现象。根据稳定指标的指示,如图5所示,及时采取直流电流限制措施,可以有效避免系统功率/电压失稳。


4 系统失稳指标


5 系统稳定指标


主要作者介绍

徐箭:博士,武汉大学电气与自动化学院教授,博士生导师,主要研究方向包括电力系统电压稳定、风力发电控制与并网技术。

 

兰天楷:武汉大学电气与自动化学院博士研究生,主要研究方向包括高压直流输电技术、新能源并网技术。

 

廖思阳:博士,武汉大学电气与自动化学院副研究员,主要研究方向包括负荷控制技术、含大规模新能源的电力系统运行与控制技术。


 

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