交直流系统潮流计算及相互关联特性分析

摘要

直流输电具有可远距离大容量输电、可连接不同频率电网等优势，随着电力电子技术的日臻成熟而得到快速发展，在中国已经形成了交直流混合的格局。一方面，随着全球能源互联网的推进以及新能源的不断接入电网，直流输电比例不断增加，交直流系统的潮流以及运行控制等方法将发生本质性的变化。另一方面，持续攀升的负荷需求量威胁着直流输电受端电网的电压稳定性，该现象引起了学者们的普遍关注;相比于传统的负荷节点，直流输电有其特殊性，受端电网电压稳定性机理需重新审视。为探究交直流相互关联特性，本文提出基于交直流关联最小雅可比矩阵结构的潮流算法以及直流受端电网电压稳定性判据的解析表达式，同时探究了受端运行方式与交直流系统稳定性的关系。具体内容如下:
　　首先，在总结已有交直流系统潮流算法的基础上，以交直流有机耦合为基础，提出基于交直流关联最小雅可比矩阵结构的潮流算法。根据直流输电系统不同控制方式间的相通性，以直流电流作为状态量，消除直流系统其它状态量，实现直流输电单元与交流系统的有机关联的潮流计算，为评价或调控交直流混合电网提供基础工具。该算法实现直流系统状态可观，同时保持了雅可比矩阵维数的最小化;相比于保留全部直流变量的潮流算法、消除全部直流变量的潮流算法，该算法计算效率更高，所用时间更短。
　　其次，在分析传统负荷节点处电压稳定性的基础上，本文从无功电压(QU)角度对直流输电受端电网电压稳定机理进行了阐述。将逆变器与补偿滤波电容器统称为逆变站，借助直流输电功率可表达为受端电压函数的特性，构建了受端系统供给无功与逆变站消耗无功的新的表达式，揭示了两者的不匹配是受端电压失稳的根本原因;计及直流输电系统的不同控制方式，借助戴维南在线等值技术，给出了受端系统电压稳定判据的解析表达式，便于进行各种控制方式和策略的比较与分析，为控制的有效性奠定了基础。
　　最后，在分析交直流系统相互作用的基础上，本文着力探究了受端运行方式与直流输电系统安全稳定运行的关系，其中受端运行方式的改变包括负荷变化、励磁系统以及补偿设备的调整。以考虑发电机励磁调节系统的扩展潮流为工具，本文仿真了受端系统发生波动时交直流系统的有效短路比、逆变器的换相角、受端电网电压幅值、系统无功功率等参数的变化，得出威胁逆变站正常工作的因素，并在算例进行了相应的控制以改善交直流系统运行状况。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 交直流潮流计算研究现状

1．2．2 交直流系统电压稳定性研究现状

1．2．3 交直流系统相互关联特性研究现状

1．3 目前研究中存在的问题及本文的主要工作

1．3．1 目前研究存在的问题

1．3．2 本文主要工作

第二章 交直流系统潮流算法

2．1 引言

2．2 直流单元数学模型

2．2．1 直流输电单元的基本方程

2．2．2 直流输电系统的控制方式

2．2．3 不同控制方式下的直流功率表达

2．3 交直流潮流方程及雅可比矩阵结构

2．3．1 交直流潮流方程

2．3．2 雅可比矩阵的结构

2．4 交直流潮流算法

2．4．1 稀疏技术

2．4．2 牛顿拉夫逊法和PQ分解法流程

2．5 算例分析

2．5．1 算例情景1

2．5．2 算例情景2

2．6 本章小结

第三章 考虑直流输电控制方式的受端电网电压稳定性机理分析

3．1 引言

3．2 交直流系统的等值模型

3．3 受端电压稳定性机理分析

3．3．1 直流有功功率为恒定位的情形

3．3．2 直流有功功率随受端电压变化的情形

3．4 受端电压稳定判据的解析

3．4．1 受端电压稳定判据的显式表达

3．4．2 电压稳定指标与广义雅可比矩阵判据的相通性

3．4．3 电压稳定指标与dPd／dId的相关性

3．5 不同控制方式下电压稳定性比较

3．6 算例及分析

3．6．1 两节点系统仿真

3．6．2 39节点系统仿真

3．7 本章小结

第四章 受端行为对直流输电的影响

4．1 引言

4．2 考虑励磁系统的交直流扩展潮流

4．2．1 交直流简化模型

4．2．2 IEEE-I励磁模型

4．2．3 交直流的扩展潮流方程

4．2．4 求解流程

4．3 受端行为对直流输电的影响

4．3．1 系统负荷对直流输电影响

4．3．2 系统无功补偿对直流输电影响

4．3．3 励磁系统对直流输电影响

4．3．4 受端支撑能力影响因素

4．4 算例分析

4．4．1 综合调控算例分析

4．4．2 多机系统算例

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

附录

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的论文及参与的项目