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交直流并联输电的稳定性与控制

摘要：介绍了一种将暂态角和电压稳定度相结合的交直流并联输电的通用概念。证明了高压直流输电系统在交流输电线路并联运行时，极易发生暂态摆角和电压不稳定。这一趋势随着并联交流互联的增强而加剧。这一概念也解释了为什么装有经典直流功率控制的直流输电方案对系统同步转矩没有贡献，并且可能增加不稳定的风险。这一概念为开发鲁棒性策略以并行控制交直流输电系统的动态运行提供了可靠的手段。在这种策略下，高压直流输电方案可以根据电网条件，特别是在扰动条件下，积极参与电力的瞬时重新调度

关键词：暂态稳定，电压稳定性，直流输电，控制

简介

高压直流输电技术的典型应用一直围绕着异步交流电网的互联，主要是为了从远程资源中经济地输送电能。早期点对点高压直流输电方案的规划者总是确保直流终端的互联点是电性强的。这对于维持高压直流输电线路的主要功能至关重要。近年来，由于暂态电压稳定现象的存在，人们才认识到弱酸性互联点在动态运行时会限制直流链路的功率传输能力。从那时起，高压直流输电技术已显示出成熟的迹象，以应对这些挑战和其他方面。然而，所有的高压直流输电方案仍然使用自然换流器，其控制方案基于传统的恒功率函数，这些特性容易产生角度和电压稳定性问题

长距离交流输电系统的大功率或不稳定功率振荡是由暂态角稳定现象引起的。几十年来，这种现象一直是交流输电系统的一个限制因素。然而，在应用高压直流输电完全并联运行的可比容量的交流输电网络中，基本上采用了相同的经典直流控制特性再次，基于早期应用的假设已经进行，以强调诸如“可以利用这样一个事实，即直流链路传输的功率独立于其交流终端之间的角度差，并且将基本上响应其控制要求。除了为开发能够同时与多个稳定性方面相互作用的非常规控制所做的少量尝试外，开发的主要目的是改善并联交流输电系统的功率振荡阻尼（动态稳定性），而不考虑更大的问题瞬态稳定性。因此，与具有可比容量的交流输电并联运行的高压直流输电方案通常配备有附加的小信号（功率调制）阻尼控制装置，这些装置在首次摆动稳定性期间没有显著改善，或者可能会引发暂态电压不稳定。一个很好的例子是1996年夏天美国西部的交流/直流系统的断电，这可以归因于这里出现的现象。

本文提出了一种综合交直流并联输电暂态角和电压稳定性的通用概念。研究了高压直流输电和并联交流输电的相对容量以及直流控制策略对系统稳定性的影响。在这种相互作用下为规划者和设计人员提供了必要的背景，以发展稳健的直流输电控制概念，即共模为并联交流输电提供及时和充分的同步转矩和阻尼转矩，并避免电压不稳定。因此，利用直流变换器固有的短期过载能力，可以大大提高交流系统的平稳裕度，并允许在并联交流输电上实现更高的功率传输。

研究方案

图1描绘了两个与并联交直流输电系统互连的电力系统的研究网络。S变电所是1000公里长输R变电所（G、H母线）的送出端 -500kv双极直流方案额定功率为1800mW（取1.0pu），两端短路率较高（gt;5.0）

在图1所示的系统开发阶段，假设交流220千伏并联互联系统与新的500千伏输电系统并联运行，与高压直流输电方案互补。可以假设直流方案也从单极升级到双极。

由于本研究的目标是研究暂态稳定性，因此假设系统最初是在具有特定发电调度的稳定运行条件下运行的。在大扰动下，系统会发生动态变化，直至达到新的工作点。因此，所研究的时间被限制在几秒钟之内，并且没有重新安排发电

交流互联强度的影响

直流输电功率独立于交流输电角度的早期概念可在研究系统的早期阶段的图2中看到。并联交流输电Sa的容量远小于直流（单极）功率Pd。比值Sa/Pd=0.7。从图2可以清楚地看出，所发送的ac和dc的组合功率遵循众所周知的ac发送的功率/角度曲线，并且与dc电流阶数成比例。这意味着，在交流输电角的暂态稳定波动过程中，直流输电可以通过保持恒定的直流功率或暂时增加其电流阶数来有效地提高稳定裕度。

在ac/dc系统的后期，Sd/Pd的比率接近1.5，两个ac区域之间传输的总功率如图3所示。在这种情况下，在交流传输负载角的瞬态变化期间保持恒定的直流功率会使系统失去急需的同步转矩，如总功率锐减超过摆动角80°所示。与图2中的情况相比，在方案的有效过载能力范围内增加直流电流，对暂态稳定性产生相反的影响

为了进一步说明这种现象，如图4-7呈现那样。在不同的摆动角度下，增加高压直流双极输电的直流电流对交流功率和直流功率的影响如图所示。分别为4-a和4-b。由于由HVDC方案连接的两个交流系统之间的交流互联更强，直流电流的增加将显著降低瞬时交流功率传输能力，从而降低同步转矩，特别是在图4-a所示的大摆角（gt;60°）下。这同样适用于直流功率传输，考虑到电压稳定性，尽管如图4-b中箭头相反所示，在相对较大的角度摆动。应记住，在如此大的摆动角度下，交流系统需要更高的同步转矩来保持瞬态稳定性，否则它们会变得不稳定，随后会发生级联停电。

图5明确地示出了直流功率对直流电流的瞬态增加的响应。由于两个交流系统都是相对“强”的，人们期望直流功率在直流电流高值时达到其最大值（称为最大可用功率~MAP）。然而，这仅在如图5中的上曲线所示的低传输角摆动期间是真实的。当两个交流系统分开时，特别是在大的干扰下，这样的最大功率点会向I的较低值移动，最终可以达到1.0pu值。这是暂态角稳定和暂态电压稳定共同作用的结果。这简单地说，直流系统也容易发生暂态角稳定，类似于交流系统，但通过电压稳定的机制。换言之，当高压直流输电方案具有平行交流路径时，如果不考虑传输角摆动的影响，就不能增加直流电流。

图6（a，b）描绘了作为摆角和直流电流过载的函数的直流电源和总功率转移的三维视图。这证明了探针的瞬态角度稳定性。图7示出了通过跟踪研究系统的总线G处的交流电压相对于不同直流电流水平下的总功率转移的暂态电压稳定性方面

通过研究上述特性，可以得出结论，在交流系统振荡期间保持恒定的直流功率可能是毁灭性的，特别是在交流和直流传输容量相当的情况下。这一趋势随着交流互联的增强而增强。此外，有可能开发一种直流控制策略，以优化并联交直流输电产生的瞬时同步转矩。这种控制策略的操作特点，也可以优化高压直流输电短期过载的利用，将在下一节中进一步说明.

系统扰动时的动态性能

对于所研究的交流系统，暂态稳定判据要求当一条并联交流线路停止运行时，通过断开故障相并成功地重合闸（700ms），系统在清除单一故障（80ms）后保持稳定。在这种情况下，最坏的情况发生在低容量（220千伏）线路不运行，帕雷尔高压直流输电系统只有一个极点的情况下。在下面的模拟中，故障被应用在靠近总线F的交流线路段EF的一个相位上，如图一所示。

扰动前，交流输电系统的功率流为900mw。假设高压直流输电在900mw的单极恒功率控制下运行。在这种情况下，500kv线路EF段单相故障的交直流系统响应如图8所示。从发电机转子角的轨迹可以看出交流系统是不稳定的。这也可以从变电站E和F的非常大的电压偏移（崩溃）和500千伏交流线路部分的功率波动中看出。这是典型的断电情况，因为发电机将在几秒钟内通过失步保护和方向和过载保护相继跳闸

在下一种情况下，寻求HVDC方案的长期和短期过载能力，以确保交流系统的稳定性。首先，采用传统方法假设直流变换器具有50%的过载能力。为了使高压直流输电方案在这种严重干扰条件下能够将其功率传输提高到50%，研究发现，在功率波动期间，必须在S和R两端切换额外的并联无功补偿，以支持下垂的交流电压，并避免瞬态电压不稳定。这种无功补偿可以采用并联电容器组或交流滤波器，甚至SVC的形式，因为在这些条件下有严格的要求。图9示出了这种情况，并且添加了高压直流输电单极所需的MVAr补偿量的两倍。很明显，这个体系仍然不稳定。此外，如图4、5和6所示，在这些条件下，尝试应用更大数量的dc过载是不可能的。在这种情况下，高压直流输电的常规控制和过载应用不能对交流系统的同步转矩做出任何贡献。

图10展示了通过高压直流控制器稳定系统的可能性，在干扰期间无需切换额外的无功支持。控制器是使用[8]和[10]中描述的技术开发的，控制信号来自并联交流线路上的功率流。也可以使用[12]中采用的概念。如图10所示，故障初期及时施加同步转矩，然后引入阻尼转矩，以抑制单相重合闸后的功率和频率振荡。此外，产生足以使系统稳定的同步转矩的临时（1.0秒）高压直流输电过载要求仅为百分之二十。在这种情况下，不需要使用长期过载。在这种控制策略下，可以将并联交流输电的功率传输从800mw增加到1100mw，而不会有系统不稳定的风险。

结论

1.高压直流输电系统并联运行时，容易产生暂态摆角和电压不稳定。这种趋势随着并联交流互联的加强而加剧

2.当高压直流输电系统采用经典的恒功率控制时，即使附加阻尼信号，也会使并联交流系统在扰动时失去所需的同步转矩，从而增加转子角和电压不稳定的风险

3.高压直流换流站的短期和长期过载能力不能应用于常规控制策略下的并联交流系统。为了将这种过载用于任何其他目的，必须在高压直流终端提供额外的快速无功功率支持

4.通过改变传统的功率控制方式和采用先进的监控技术，可以大大提高交直流并联输电系统的动态性能，降低暂态摆角和电压不稳定的风险

先进的直流大信号稳定控制策略可以产生大量的同步转矩和阻尼转矩，从而有效地稳定交流

5.在交流或直流线路发生故障后，抑制并联交流输电系统的功率振荡。这种控制还可以优化UVDC短期过载能力的使用，以增加交流输电的暂态稳定裕度，而无需额外的无功功率支持。并联交流输电暂态稳定Mw传输极限的增加几乎等于HVDC的临时Mw过载。与传统解决方案相比，这些特点构成了巨大的经济节约。

参考文献

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9. X. Wang, D. Woodford, “具有交流传输特性的长距离直流传输”北京
10. A. Hammad，“交直流并联输电的稳定性与控制”，约翰内斯堡，1997年9月
11. A. Hammad，“静止无功补偿器提高电力系统稳定性分析”1986年11月

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