1  緒論 

1.1  課題的背景和意義 
高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）輸電的首次商業(yè)化運行是在 1954 年，利用海底電纜從瑞典本土向 Gotland 島輸送電能，自此直流輸電進入了蓬勃發(fā)展階段，目前已在全世界范圍內得到了廣泛應用[1]。與交流輸電系統(tǒng)相比，HVDC 輸電系統(tǒng)一方面投資費用低、運行損耗小，具有顯著的經濟效益；另一方面其使用壽命長、可靠性能高，常作為電力系統(tǒng)的重要聯(lián)絡通道。從 20世紀 60 年代開始，HVDC 輸電技術已發(fā)展比較成熟，并且在遠距離輸電和大電網互聯(lián)方面發(fā)揮了突出作用。目前，全世界約有近百個 HVDC 輸電工程，已建成投運或正在建設 HVDC 輸電工程的國家有二十多個，，未來會有更多國家規(guī)劃建設 HVDC 輸電工程[2]。 我國高壓直流輸電是從 20 世紀 70 年代的晶閘管換流閥時期開始發(fā)展的。由我國電力科研工作者自主設計、建設的舟山直流輸電工程在 1987 年正式投入運行，自此，我國 HVDC 輸電技術的正式起步發(fā)展，隨后建成、投運的葛洲壩—上海 500k V、1200MW 直流輸電工程大大促進了我國高壓直流輸電技術水平的提高。此后，我國又相繼建成投運了天生橋—廣州、三峽—常州、三峽—廣州、貴州—廣州等直流輸電工程，此外，我國還投運了多項背靠背直流輸電工程，實現(xiàn)了大電網間的互聯(lián)，對我國電力規(guī)劃建設總體方略具有重要意義[2]。 水力資源和煤炭資源作為我國發(fā)電能源的兩大主要來源，水力資源主要分布在西南數(shù)省，煤炭資源主要集中在“三西”（山西、陜西和內蒙西部），而東部沿海地區(qū)占全國總負荷的比重達 2/3 左右。鑒于我國能源與負荷的地理分布很不均衡，HVDC 輸電已成為我國大容量、遠距離輸電的主要方式。為了優(yōu)化資源配置，西電東送已成為我國重要的能源發(fā)展戰(zhàn)略，而高壓直流輸電技術已然成為了西電東送的核心技術[3]。另外，HVDC 輸電方式在大電網互聯(lián)系統(tǒng)中具有技術、安全和經濟方面的優(yōu)勢。所以，隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，HVDC 輸電方式在我國的應用也將越來越廣泛[4]。 
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1.2  高壓直流輸電的原理及特點
高壓直流（HVDC）輸電方式是發(fā)電廠發(fā)出的交流電能在輸送之前先變換成直流電能，通過直流聯(lián)絡線將直流電能送到受端逆變站，在該逆變站再把電能變換為交流電能，然后供電給受端交流系統(tǒng)[7]。HVDC 輸電系統(tǒng)主要包括整流站、直流輸電線路、逆變站三大基本組成單元。 HVDC 輸電方式具有明顯的經濟效益，并且能夠克服現(xiàn)有交流輸電技術的很多缺點，相比于交流輸電方式的優(yōu)勢可以概括如下： （1）輸電線路的絕緣等級低，更加經濟。有效值相同時，直流電壓的最大值只有交流電壓的 21 倍，配置絕緣子設備的數(shù)量可以大大減少，甚至輸電桿塔的高度也可以降低，所以，采用直流輸電方式總的經濟效益非常顯著。 （2）直流輸電情況下，輸電效率更高。采用直流輸電方式時，直流系統(tǒng)的功勞因數(shù)為 1，直流線路沒有電抗原件產生無功功率，因此，輸送直流功率不像交流功率那樣需要消耗無功功率，直流輸電可以輸送更多的用于實際消耗的有功功率，說以直流輸電方式效率更高。 （3）直流輸電方式可以利用大地作為導線。交流輸電需要至少兩根及以上的導線，而直流輸電方式可以把大地作為運行的一極，與直流輸電線路構成輸電回路，能夠節(jié)約輸電線路投資，這與交流輸電相比更加經濟。 （4）直流輸電不受輸電距離和輸電容量的制約。當獨立的非同步運行系統(tǒng)需要互聯(lián)時，有些情況下直流輸電是唯一的選擇或者至少是一個有價值的方案，比如采用海底電纜進行電網互聯(lián)。直流聯(lián)絡線的電流是按給定值控制的，所以兩端交流系統(tǒng)的短路容量不會因為它們直流聯(lián)網后而增大。此外，由于直流輸電不存在功角穩(wěn)定性問題，所以輸電距離和輸送容量不受此制約[8]。 （5）直流互聯(lián)可以隔離交流系統(tǒng)。由于直流輸電系統(tǒng)只輸送有功功率，沒有無功功率，當交流系統(tǒng)故障時從鄰近系統(tǒng)流入的電流不會增大，具有隔離兩個交流系統(tǒng)的虛擬效果。因此，通過將現(xiàn)有的交流系統(tǒng)分割成合適大小的系統(tǒng)，并通過直流聯(lián)絡線連接起來，能夠有效抑制短路電流大小，維持整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 
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2  直流輸電系統(tǒng)的控制原理 

2.1  直流輸電控制系統(tǒng)可控性概述 

由圖 1 和方程（1）可知，α 是整流側的觸發(fā)控制角， β 是逆變側的觸發(fā)控制角，這 2 個控制變量都具有非�？斓捻憫俣�，通常響應時間在 4~1 ms 以內；dorU 是整流側換流變壓器的閥側控制電壓，doiU 是逆變側換流變壓器的閥側控制電壓，通過改變換流變壓器的抽頭位置來調整這 2 個控制變量大小，但這種調節(jié)方式的響應速度較慢，一般情況下，換流變壓器的抽頭每調節(jié) 1 個檔位需要 10~5 s。所以，當兩側的交流系統(tǒng)出現(xiàn)大的擾動，或直流輸電系統(tǒng)出現(xiàn)閉鎖、跳閘等故障時，直流輸電系統(tǒng)只能通過控制整流側觸發(fā)控制角α 和逆變側的觸發(fā)控制角 β 進行系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，而此時調整換流變壓器的抽頭在該暫態(tài)過程中不能得到有效的控制效果。通常情況下，對于兩側交流系統(tǒng)中的電壓變化速度較快的情況，可以通過調整觸發(fā)控制角大小來維持直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而對于兩側交流系統(tǒng)中電壓變化較慢的情況，可以通過改變換流變壓器的抽頭位置來維持在觸發(fā)控制角在額定值附近。 為了實現(xiàn)對直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性的快速有效控制，只能通過控制觸發(fā)控制角的大小，也就是說對于兩端直流輸電系統(tǒng)而言，其控制系統(tǒng)中能被控制的自由變量只有 2 個。一般情況下，直流輸電系統(tǒng)需要根據某種指定的功率曲線運行，所以定功率控制模塊可以實現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)中最基本的功率控制功能，定功率控制模塊的基本原理是換流器一側維持直流電壓大小不變，另一側維持直流電流大小不變�？紤]到換流器工作于整流狀態(tài)與逆變狀態(tài)時的特征有很大不同，通常在整流側實現(xiàn)直流電流大小維持恒定，在逆變側實現(xiàn)直流電壓大小維持恒定不變的目的。所以，整流側換流器的理想控制特性為一條垂直線，逆變側換流器的理想控制特性為一條水平線，如圖 2.2 所示。 

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2.2  直流輸電控制系統(tǒng)的分層結構 
直流輸電系統(tǒng)主控制級的功能實現(xiàn)原理框圖如圖 2.4 所示。主控制級結構一般由 3 個控制模塊構成，第 1 個模塊的作用是用來接收上級下達的直流功率指令 )(setP ，第 2 個模塊的作用是對直流輸送功率大小進行調整控制，第 3 個模塊的作用是根據直流功率綜合指令值除以直流聯(lián)絡線中點電壓值，進而計算得出直流電流的指令值，并輸出至極控制級。 通過調整控制聯(lián)絡線所傳輸?shù)闹绷鞴β�，能夠顯著提高兩端交流系統(tǒng)的振蕩阻尼，尤其對于交直流并列運行的輸電系統(tǒng)效果更加明顯。對于典型的連接兩端非同步交流系統(tǒng)的直流聯(lián)絡線，調整控制其直流輸送功率可以對兩端交流系統(tǒng)進行調頻。功率緊急變化控制包含功率快速提升和功率快速回降，主要應用于通過直流輸電線連接的兩端交流系統(tǒng)和交直流并列運行的交直流混合輸電系統(tǒng)的緊急功率支援[23]。緊急功率提升功能常用于應對逆變側交流系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額、整流側交流系統(tǒng)發(fā)生甩負荷，或交直流并列輸電系統(tǒng)中交流線路跳閘等故障；而緊急功率回降功能則常用于應對整流側交流系統(tǒng)出現(xiàn)掉機或逆變側交流系統(tǒng)甩負荷等工況。 
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3  高壓直流孤島運行系統(tǒng)建模 ........... 21 
3.1  主電路系統(tǒng)建模 .... 21 
3.1.1  主電路電氣設備 ...... 22 
3.1.2  電氣設備建模 .......... 23 
3.2  控制系統(tǒng)模型 ......... 27 
3.3  模型仿真驗證 ......... 33 
3.4  本章小結 ......... 35 
4  可拓控制理論 ....... 36 
4.1 可拓學簡介...... 36 
4.1.1  可拓集合 ......... 36 
4.1.2  關聯(lián)函數(shù) ......... 37 
4.1.3  物元理論 ......... 38 
4.1.4  可拓控制方法 .......... 39
4.2  可拓直流附加控制器設計 .... 43 
4.3  本章小結 ......... 48 
5  故障仿真結果分析 ..... 49 
5.1  掉機故障 ......... 49
5.2  單相接地故障 ......... 51 
5.3  單極閉鎖故障 ......... 53 
5.4  本章小結 ......... 55 

5  故障仿真結果分析

天-廣直流輸電工程孤網運行方式下，孤島系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性直接決定著送端交流系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行，因此除了利用發(fā)電機組的一次調頻功能外，還要充分利用直流附加控制功能，必要情況下配合安穩(wěn)切機措施，以達到穩(wěn)定送端頻率的目的。 送端發(fā)電機組跳閘、交流母線單相接地和直流單極閉鎖故障是直流輸電工程中較常見的故障，上述三種故障均會導致送端系統(tǒng)發(fā)出功率與直流輸送功率的嚴重不平衡，可能引起頻率的劇烈振蕩，嚴重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。直流輸電系統(tǒng)孤網運行方式下，由于失去了當?shù)亟涣髦骶W的支援，上述故障發(fā)生時引起的后果通常比聯(lián)網狀態(tài)下更為嚴重，因此，本章在前文所搭建的天-廣直流輸電系統(tǒng)模型基礎上，考慮送端天一電廠 3004× MW 機組全開，天-廣直流輸送 1200MW 功率運行，分別對傳統(tǒng)附加控制器和可拓附加控制器在上述三種故障情況下送端系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性進行了仿真分析。 

5.1  掉機故障
在系統(tǒng)正常運行情況下，突然發(fā)生掉機故障，將引起送端系統(tǒng)發(fā)出功率嚴重不足，進而導致系統(tǒng)頻率大幅跌落。設置故障情況如下：在 st =5 時，送端 4號機組斷路器跳閘。在傳統(tǒng)直流附加控制器和可拓直流附加控制器分別作用下，送端交流系統(tǒng)頻率變化曲線如圖 5.1 所示，直流輸送功率變化曲線如圖 5.2 所示。 由圖 5.1～5.2 可知，天-廣直流送端孤島系統(tǒng) 4 臺機組，直流輸送 1200MW運行方式下發(fā)生天一電廠 4 號機掉機的情況，由于送端功率缺額較大，頻率發(fā)生迅速跌落，在傳統(tǒng)附加控制器和機組調速器綜合作用下，送端系統(tǒng)頻率最低跌落至 49.00Hz，直流功率最大調制量達到 600MW，頻率經過約 18s 的振蕩最終才穩(wěn)定到 ±2.050 Hz 以內，不滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制要求。在可拓附加控制器和機組調速器協(xié)調控制作用下，系統(tǒng)頻率的波動范圍為 49.56Hz～50.15Hz，發(fā)生故障后 1.5s 左右系統(tǒng)頻率降到最低 49.56Hz，故障發(fā)生 3s 后頻率穩(wěn)定到±2.050 Hz，滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定運行要求。 
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結論 

近年來，我國電力發(fā)展的步伐不斷加快，電壓等級不斷提高，電網結構日趨合理，資源配置能力大幅提升。區(qū)域電網互聯(lián)和高壓直流輸電技術的快速發(fā)展，不斷推動我國電力系統(tǒng)向著大功率、遠距離、跨區(qū)域、交直流混合輸電格局方向發(fā)展。孤島運行方式作為交直流輸電系統(tǒng)故障后或正常運行情況下的運行方式之一，將越來越多的出現(xiàn)在新建或投運的高壓直流工程中，系統(tǒng)穩(wěn)定性將面臨更大挑戰(zhàn)。因此，深入研究送端孤島運行方式下電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性具有重要意義。 本文主要介紹了國內外直流送端孤島工程的運行概況和研究現(xiàn)狀，通過對直流輸電系統(tǒng)快速可控性原理的分析，利用改進的可拓控制方法設計了一種可拓直流附加控制器，用于調整控制直流聯(lián)絡線輸送的直流功率，抑制孤島直流送出系統(tǒng)中的由于功率不平衡引起的系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。 根據天-廣直流工程的實際參數(shù)，使用 PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真軟件搭建了該雙極 12 脈動高壓直流輸電工程的詳細模型，并驗證了所搭建模型的準確性。在此基礎上，針對孤島運行方式下送端掉機、換流站交流母線單相接地短路和直流單極閉鎖三種故障，分別仿真分析了在傳統(tǒng)附加控制器和可拓附加控制器作用下送端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。 仿真研究結果表明，傳統(tǒng)直流附加控制器和本文所設計的可拓附加控制器對故障后系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性均有顯著作用，能夠有效平衡系統(tǒng)功率差額，及時抑制系統(tǒng)頻率振蕩。由于傳統(tǒng)的直流附加控制器是基于線性控制方法，當系統(tǒng)實際運行點偏離控制器所設計的平衡點較遠時，控制效果將明顯受到制約。而基于可拓控制方法的可拓附加控制器，不僅考慮了頻率變化的幅度，還同時考慮了頻率變化的速度，進而能夠對系統(tǒng)頻率進行更加精準的控制，具有較好的收斂性，且故障后頻率能夠更快的恢復穩(wěn)定。 
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參考文獻(略)

本文編號：193916