本文關(guān)鍵詞：輸電線路交改直的關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：伴隨著電力負(fù)荷需求的快速增長,輸配電基礎(chǔ)設(shè)施投資方面的相對落后使得現(xiàn)有的交流線路傳輸容量已難以滿足發(fā)展要求,部分輸電線路已接近飽和,亟需升級換代。然而,時間、費用和土地資源等限制增加了新建線路走廊的困難和不可行性。因此,有必要選擇其他有效的途徑對現(xiàn)有交流線路進行改造以提升其輸電容量。將交流線路改造成直流線路(交改直)的方式能夠較大程度地提升現(xiàn)有輸電線路的輸電容量,還具有快速控制運行特性和分割電力網(wǎng)絡(luò)的能力,能夠有效緩解交流系統(tǒng)存在的一些固有缺陷,具有較好的應(yīng)用前景。然而,目前涉及到交改直技術(shù)的文獻較少,因此對其進行深入系統(tǒng)的研究具有工程意義。本文主要圍繞輸電線路交改直技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)展開。主要工作如下：(1)研究了適用于架空線路改造的基于三極結(jié)構(gòu)的直流輸電(Tripole Structure based HVDC, TPS-HVDC)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及與其運行相關(guān)的部分特性,比較分析了換流器的運行要求與組合方式,給出了兩種典型的TPS-HVDC方案。研究了TPS-HVDC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點和電流調(diào)制方式,計算了其理論最大傳輸功率,從功率傳輸及損耗、過負(fù)荷能力、經(jīng)濟性和實用性等幾個方面分析了TPS-HVDC的特性。針對TPS-HVDC不同極對換流器的要求,給出了多種可行的換流器組合方式。提出了兩類典型的TPS-HVDC方案：1)基于電網(wǎng)換相換流器(Line Commutated Converter, LCC)的TPS-HVDC; 2)基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的TPS-HVDC�；趦深惙桨傅牟煌攸c,分別提出了協(xié)調(diào)控制方法與附加控制策略,用于滿足過渡階段電壓電流的順利轉(zhuǎn)換,并維持此階段直流傳輸功率的穩(wěn)定。(2)提出了適用于架空線路改造的基于三線雙極結(jié)構(gòu)的直流輸電(Three-Wire Bipole Structure based HVDC, TWBS-HVDC)系統(tǒng),設(shè)計了過渡階段具體的控制時序,分析并提出了電流調(diào)節(jié)控制器的運行特性和拓?fù)鋵崿F(xiàn)方式。詳細(xì)分析了TWBS-HVDC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運行原理,計算了其理論最大傳輸功率,在分析等效電路運行特性的基礎(chǔ)上,給出了過渡階段各開關(guān)量的詳細(xì)動作時序。電流調(diào)節(jié)控制器是TWBS-HVDC穩(wěn)定運行必不可少的一個環(huán)節(jié),從運行范圍、功率波動、選址三個方面對電流調(diào)節(jié)控制器進行了分析計算,比較分析了兩種可行的拓?fù)鋵崿F(xiàn)形式,并提出了其過流保護策略和控制策略。(3)提出了適用于交流電纜改造的基于方波交流結(jié)構(gòu)的直流輸電(Square Wave AC based HVDC, SWAC-HVDC)系統(tǒng),給出了其不對稱調(diào)制和對稱調(diào)制兩種電壓電流調(diào)制方法,并分別計算了理論最大傳輸功率�；谡{(diào)制方法的分析,給出了SWAC-HVDC兩種可行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案,重點對三相雙極式方波交流輸電(Three-Phase Bipole Type SWAC-HVDC, TPBT-S WAC-HVDC)結(jié)構(gòu)的運行原理、過渡階段開關(guān)量動作時序進行了分析研究。比較分析了TPBT-SWAC-HVDC內(nèi)適用于并聯(lián)線路上電流分配的兩種可行方案,給出了可變電阻器的優(yōu)勢。設(shè)計了可變電阻器的阻值分布及其具體的實現(xiàn)形式。(4)基于TPS-HVDC和TWBS-HVDC,提出了兩種交流線路改造成多端直流(Multi-Terminal HVDC, MTDC)輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案,為更大范圍的功率傳輸提供了技術(shù)支持,有利于電網(wǎng)輸電能力的進一步提升,緩解電能輸送瓶頸。通過仿真對比研究的方法,研究了基于TPS-HVDC技術(shù)的MTDC和基于TWBS-HVDC技術(shù)的MTDC在通信要求、控制協(xié)調(diào)、過渡階段影響范圍等方面的差異性,指出了TWBS-HVDC技術(shù)在交改直構(gòu)成MTDC方面的優(yōu)勢。將新英格蘭10機39節(jié)點系統(tǒng)作為被改造的交流電網(wǎng)對象,建立了含TWBS-MTDC的交直流互聯(lián)仿真模型。針對交／直流故障,研究并且分析了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。(5)針對采用架空線路輸電的TWBS-HVDC和單／雙極HVDC,提出了一種基于LCC和混雜式MMC (FBSM and HBSM based hybrid MMC, FH-MMC)的混合型直流輸電系統(tǒng)。詳細(xì)描述了FH-MMC的結(jié)構(gòu)特點,分析了FH-MMC在穩(wěn)態(tài)和直流故障下的運行特性。根據(jù)送端交流系統(tǒng)故障電壓跌落特性分析,給出了一種橋臂子模塊數(shù)的配置方法,使得FH-MMC能夠在滿足各方面運行要求的前提下,盡量達(dá)到投資少,損耗低的效果。研究了混合型直流輸電系統(tǒng)的控制特性,提出了FH-MMC換流站級和閥級兩層控制方法,重點研究了子模塊電容電壓平衡策略和子模塊觸發(fā)選擇流程,以維持暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)下FH-MMC的正常工作,同時降低開關(guān)損耗。(6)提出了MTDC在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜(形成直流電網(wǎng)),且含有潮流控制器的情況下,整個直流電網(wǎng)潮流的計算模型。在比較和分析了現(xiàn)有潮流控制器優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的電流潮流控制器(Current Flow Controller, CFC)。介紹了CFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本工作特性,從支路電流同為正向,同為反向和不同向三個方面詳細(xì)研究了CFC的運行原理,并總結(jié)得出了CFC九種運行工況。給出了CFC的控制策略,推導(dǎo)了CFC內(nèi)各狀態(tài)量之間的關(guān)系。通過對CFC經(jīng)濟性的簡略分析,得出了CFC投資成本低、運行損耗小的結(jié)論,表明其具有較好的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：輸電線路交改直 三極直流 三線雙極結(jié)構(gòu) 電流調(diào)節(jié)器 方波交流結(jié)構(gòu) 混合直流輸電系統(tǒng) 多端直流輸電系統(tǒng) 潮流控制器
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM75
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 緒論14-27
• 1.1 課題研究背景及意義14-16
• 1.2 交改直所涉關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀16-24
• 1.2.1 基于電網(wǎng)換相換流器的直流輸電技術(shù)17-18
• 1.2.2 基于電壓源型換流器的直流輸電技術(shù)18-21
• 1.2.3 交改直前后功率關(guān)系21-23
• 1.2.4 交改直拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)23-24
• 1.3 論文的主要研究內(nèi)容24-27
• 第二章 基于三極結(jié)構(gòu)的直流輸電系統(tǒng)27-61
• 2.1 引言27
• 2.2 TPS-HVDC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)特性27-33
• 2.2.1 基本運行原理27-30
• 2.2.2 功率傳輸及線路損耗30-31
• 2.2.3 過負(fù)荷能力31
• 2.2.4 經(jīng)濟性和實用性31-33
• 2.3 換流器的選擇33-36
• 2.4 基于LCC的TPS-HVDC36-43
• 2.4.1 分層控制系統(tǒng)37
• 2.4.2 協(xié)調(diào)時序控制37-38
• 2.4.3 極控制38-39
• 2.4.4 接地極電流平衡控制39-40
• 2.4.5 仿真驗證40-43
• 2.5 基于MMC的TPS-HVDC43-59
• 2.5.1 協(xié)調(diào)時序控制44-45
• 2.5.2 極控制45-49
• 2.5.3 過渡階段附加控制49-54
• 2.5.4 仿真驗證54-59
• 2.6 本章小結(jié)59-61
• 第三章 基于三線雙極結(jié)構(gòu)的直流輸電系統(tǒng)61-85
• 3.1 引言61
• 3.2 TWBS-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)61-62
• 3.3 TWBS-HVDC運行原理及相關(guān)特性62-68
• 3.3.1 運行原理62-63
• 3.3.2 傳輸功率63-65
• 3.3.3 過渡階段65-68
• 3.4 電流調(diào)節(jié)控制器68-77
• 3.4.1 運行范圍68-69
• 3.4.2 過渡階段功率波動69-70
• 3.4.3 選址70-72
• 3.4.4 拓?fù)鋵崿F(xiàn)形式72-74
• 3.4.5 過流保護策略74-75
• 3.4.6 控制策略75-77
• 3.5 仿真驗證77-84
• 3.5.1 穩(wěn)態(tài)仿真78-81
• 3.5.2 暫態(tài)仿真81-84
• 3.6 本章小結(jié)84-85
• 第四章 基于方波交流結(jié)構(gòu)的直流輸電系統(tǒng)85-104
• 4.1 引言85-86
• 4.2 SWAC-HVDC電壓電流調(diào)制特性86-90
• 4.2.1 不對稱調(diào)制方法86-87
• 4.2.2 對稱調(diào)制方法87-90
• 4.3 SWAC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運行原理90-97
• 4.3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)90-93
• 4.3.2 TPBT-SWAC運行原理93-96
• 4.3.3 可變電阻器實現(xiàn)形式96-97
• 4.4 仿真驗證97-103
• 4.4.1 仿真模型及參數(shù)97-98
• 4.4.2 不對稱調(diào)制下的穩(wěn)態(tài)仿真98-99
• 4.4.3 對稱調(diào)制下的穩(wěn)態(tài)仿真99-100
• 4.4.4 功率階躍與交流接地故障仿真100-102
• 4.4.5 直流接地故障仿真102-103
• 4.5 本章小結(jié)103-104
• 第五章 基于三線雙極結(jié)構(gòu)的多端直流輸電系統(tǒng)104-118
• 5.1 引言104
• 5.2 MTDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)104-106
• 5.2.1 TPS-MTDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)104-105
• 5.2.2 TWBS-MTDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)105-106
• 5.3 TWBS-MTDC的仿真特性分析106-111
• 5.3.1 穩(wěn)態(tài)仿真107-109
• 5.3.2 功率階躍仿真109-110
• 5.3.3 電壓偏差控制仿真110-111
• 5.3.4 直流故障仿真111
• 5.4 TPS-MTDC的穩(wěn)態(tài)仿真特性分析111-114
• 5.5 TWBS-MTDC在電網(wǎng)中的應(yīng)用114-117
• 5.5.1 交流接地故障114-116
• 5.5.2 直流接地故障116-117
• 5.6 本章小結(jié)117-118
• 第六章 基于LCC和FH-MMC的混合型直流輸電系統(tǒng)118-138
• 6.1 引言118-119
• 6.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)119-120
• 6.3 橋臂子模塊數(shù)配置方法120-125
• 6.3.1 FH-MMC穩(wěn)態(tài)運行分析121-122
• 6.3.2 送端交流系統(tǒng)故障電壓跌落特性分析122-123
• 6.3.3 直流側(cè)故障特性分析123-125
• 6.4 控制策略125-130
• 6.4.1 系統(tǒng)控制特性125-126
• 6.4.2 FH-MMC控制器設(shè)計126-130
• 6.5 仿真分析130-136
• 6.5.1 參數(shù)介紹130
• 6.5.2 起動仿真130-131
• 6.5.3 送端交流系統(tǒng)故障仿真131-135
• 6.5.4 直流側(cè)故障仿真135-136
• 6.6 本章小結(jié)136-138
• 第七章 適用于環(huán)網(wǎng)式直流電網(wǎng)的新型直流潮流控制器138-152
• 7.1 引言138
• 7.2 含PFC的直流電網(wǎng)潮流計算模型138-141
• 7.3 現(xiàn)有PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)141-142
• 7.4 CFC及其工作原理142-148
• 7.4.1 CFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)142
• 7.4.2 CFC工作原理142-146
• 7.4.3 CFC控制策略和狀態(tài)量之間關(guān)系146-148
• 7.4.4 CFC的經(jīng)濟性148
• 7.5 CFC在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用148-151
• 7.5.1 直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)148-149
• 7.5.2 仿真驗證149-151
• 7.6 本章小結(jié)151-152
• 第八章 總結(jié)與展望152-155
• 8.1 全文總結(jié)152-153
• 8.2 研究工作展望153-155
• 參考文獻155-162
• 作者簡歷162-163
• 攻讀博士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果163-164

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本文編號：1101853