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增强型直流输电系统

出版社:科学出版社出版时间:2021-12-01
开本: 16开 页数: 274
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增强型直流输电系统 版权信息

增强型直流输电系统 本书特色

适读人群 :从事直流输电技术的系统设计、开发应用、规划运行等方面的工程技术人员,高等院校电力系统相关专业的教师和研究生可以为直流系统拓扑设计及选择提供有价值的理论指导,具有很好的理论研究和工程应用价值。

增强型直流输电系统 内容简介

本书聚焦于提升传统直流输电换相失败抵御能力的增强型直流输电系统,全书分为四篇,涵盖了多直流组合型直流输电系统(混合多馈入直流输电系统、混合并联直流输电系统)、换流器组合式混合直流输电系统(混合双极直流输电系统、混合级联多端直流输电系统)、含有源无功补偿设备(STATCOM、同步调相机)的直流输电系统、提高换相失败抵御能力的多种新型换流器拓扑。书中阐述了多种增强型直流输电系统的特征及运行特性,探讨了对换相失败的抑制作用,并针对不同类型直流输电技术的特殊性提出了改善系统运行特性的控制方法。 本书适合从事直流输电技术的系统设计、开发应用、规划运行等方面的工程技术人员使用,也可供高等院校电力系统相关专业的教师和研究生阅读。

增强型直流输电系统 目录

目录
前言
第1章绪论1
1.1传统直流输电的发展及现状1
1.2柔性直流输电的发展及现状3
1.3不同类型的增强型直流输电系统6
1.3.1多直流组合型直流输电系统7
1.3.2换流器组合式混合直流输电系统9
1.3.3含有源无功补偿设备的直流输电系统11
1.3.4提高换相失败抵御能力的多种新型换流器拓扑12
1.3.5其他增强型直流输电系统17
参考文献18
**篇多直流组合型直流输电系统
第2章混合多馈入直流输电系统21
2.1混合双馈入直流输电系统的结构和数学模型21
2.1.1系统结构21
2.1.2数学模型22
2.2混合双馈入直流输电系统的稳态运行极限25
2.2.1LCC-HVDC对VSC-HVDC稳态运行极限的影响25
2.2.2VSC-HVDC对LCC-HVDC稳态运行极限的影响42
2.3混合双馈入直流输电系统中相互作用关系的定量评估方法45
2.3.1视在短路比增加量的定义45
2.3.2VSC整流/逆变运行时对LCC-HVDC受端交流系统强度的影响46
2.3.3不同电气距离对视在短路比增加量的影响51
参考文献53
第3章混合并联直流输电系统55
3.1混合并联直流输电系统的结构和控制策略55
3.1.1系统结构55
3.1.2控制策略56
3.2混合并联直流输电系统的稳态无功协调控制57
3.2.1LCC-HVDC的稳态无功控制57
3.2.2混合并联直流系统的无功协调控制59
3.2.3稳态无功协调控制的有效性验证62
3.3混合并联直流输电系统的暂态无功协调控制68
3.3.1混合并联直流系统的暂态无功协调控制68
3.3.2暂态无功协调控制的有效性验证70
参考文献78
第二篇换流器组合式混合直流输电系统
第4章混合双极直流输电系统81
4.1混合双极直流输电系统的结构和数学模型81
4.1.1系统结构81
4.1.2数学模型81
4.2混合双极直流输电系统的协调控制策略83
4.2.1协调控制策略83
4.2.2运行特性分析83
参考文献87
第5章混合级联多端直流输电系统88
5.1混合级联多端直流输电系统的结构和控制策略88
5.1.1系统结构88
5.1.2控制策略89
5.1.3系统参数90
5.2并联MMC间不平衡电流的均衡控制策略91
5.2.1并联MMC间不平衡电流的产生机理91
5.2.2并联MMC间不平衡电流的均衡控制策略93
5.2.3不平衡电流均衡控制策略的有效性验证94
5.3暂态过电流抑制方法101
5.3.1暂态过电流现象及原因分析101
5.3.2基于整流站多电气量模糊聚类识别的暂态过电流抑制方法101
5.3.3过电流抑制方法的有效性验证106
参考文献116
第三篇含有源无功补偿设备的直流输电系统
第6章含STATCOM的LCC-HVDC系统119
6.1含STATCOM的LCC-HVDC系统的结构和控制策略119
6.1.1系统结构119
6.1.2控制策略119
6.2STATCOM对单馈入LCC-HVDC的影响120
6.2.1STATCOM对LCC-HVDC功率传输特性的影响120
6.2.2STATCOM对LCC-HVDC换相失败免疫特性的影响125
6.2.3STATCOM对LCC-HVDC暂态过电压特性的影响126
6.2.4STATCOM对LCC-HVDC故障恢复特性的影响127
6.3STATCOM对双馈入LCC-HVDC的影响128
6.3.1STATCOM对双馈入系统稳态运行特性的影响129
6.3.2STATCOM对双馈入系统功率传输特性的影响132
6.3.3STATCOM对双馈入系统换相失败免疫特性的影响136
6.3.4STATCOM对双馈入系统暂态过电压特性的影响140
6.3.5STATCOM对双馈入系统故障恢复特性的影响142
参考文献143
第7章含同步调相机的特高压直流输电系统145
7.1含同步调相机的特高压直流输电系统的结构和控制策略145
7.1.1系统结构145
7.1.2控制策略146
7.1.3系统参数147
7.1.4运行特性分析148
7.2同步调相机对特高压直流输电系统换相失败免疫特性的影响149
7.2.1同步调相机抑制特高压直流系统换相失败的机理149
7.2.2同步调相机对特高压直流系统换相失败的抑制效果153
7.2.3换相失败概率面积比指标161
7.2.4分层接入等效短路比指标165
参考文献171
第四篇提高换相失败抵御能力的多种新型换流器拓扑
第8章换流器内部改进型新型LCC拓扑175
8.1基于晶闸管全桥子模块的新型LCC拓扑175
8.1.1新型LCC拓扑及其控制策略175
8.1.2晶闸管全桥子模块的参数设计方法182
8.1.3基于晶闸管全桥子模块LCC拓扑的系统特性185
8.2基于晶闸管全桥耗能子模块的新型LCC拓扑196
8.2.1新型LCC拓扑及其控制策略196
8.2.2晶闸管全桥耗能子模块的参数设计方法201
8.2.3基于晶闸管全桥耗能子模块的新型LCC拓扑的系统特性207
参考文献213
第9章新型电容换相换流器拓扑215
9.1新型电容换相换流器拓扑及其控制策略215
9.1.1电容换相换流器的工作原理和不足215
9.1.2基于反并联晶闸管全桥子模块的新型电容换相换流器拓扑220
9.1.3阀臂和反并联晶闸管全桥子模块的协调控制策略221
9.2反并联晶闸管全桥子模块的参数设计方法225
9.2.1子模块和阀臂晶闸管电压应力分析225
9.2.2子模块晶闸管电流应力分析227
9.2.3子模块参数的选取方法227
9.2.4换流器的电压电流应力特性229
9.3新型电容换相换流器故障期间的暂态特性232
9.3.1逆变侧交流母线短路故障下的系统暂态特性233
9.3.2子模块换流变压器侧短路故障下的系统暂态特性236
9.3.3子模块阀侧短路故障下的系统暂态特性238
9.4新型电容换相换流器的改进协调控制策略240
9.4.1改进协调控制策略240
9.4.2改进协调控制策略对系统稳态运行性能的影响244
9.4.3改进协调控制策略对系统换相失败抵御能力的影响250
参考文献256
第10章换流站直流侧新型DCChopper拓扑258
10.1新型DCChopper拓扑及其控制策略258
10.1.1新型DCChopper及晶闸管全桥耗能子模块的拓扑结构258
10.1.2阀臂和晶闸管全桥耗能子模块的协调控制策略259
10.2晶闸管全桥耗能子模块的参数设计方法261
10.2.1PCT-FBSM中电阻值的选取方法261
10.2.2PCT-FBSM中电容值的选取方法263
10.2.3PCT-FBSM中晶闸管的电压电流应力分析及参数选取方法263
10.3直流侧配置新型DCChopper的LCC-HVDC的系统特性264
10.3.1系统模型及参数264
10.3.2PCT-FBSM的电压电流应力特性265
10.3.3故障期间系统的暂态特性268
10.3.4DCChopper对LCC-HVDC系统换相失败免疫特性的影响271
10.3.5DCChopper对双馈入直流系统换相失败免疫特性的影响272
参考文献274
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增强型直流输电系统 节选

第1章绪论 1.1 传统直流输电的发展及现状 我国能源分布与负荷中心的不平衡决定了我国电力资源优化配置的基本选择是远距离大容量输电。电网换相换流器型高压直流输电 (line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)具有输送容量大、有功功率快速可控、不存在交流输电稳定问题、可实现电网非同步并网等优势,已被广泛应用于远距离大容量架空线输电场合[1-3]。自舟山直流输电工程投运以来,我国的高压直流输电发展迅猛,并在世界范围内成功运行了±800kV特高压直流输电工程,首个特高压直流输电工程云南—广东±800kV直流输电工程于 2010年投运。2019年我国投运了世界上电压等级昀高、输送容量昀大、输送距离昀远的昌吉—古泉特高压直流输电工程,电压等级为 ±1100kV,额定输电容量为 12000MW,输电距离达 3324km。截至 2020年 12月,我国已建成投运 38条 LCC-HVDC系统,如表 1-1所示。 表 1-1 我国已投运的 LCC-HVDC系统 然而,由于 LCC-HVDC换流器采用无自关断能力的晶闸管作为换流器件,在客观上存在无功补偿容量需求大、交流系统依赖性强、换相失败问题等不足。此外,由于多条直流从不同能源基地向同一负荷中心输电,使我国的华东电网和南方电网出现了多馈入直流输电的情况,交流与直流、直流与直流之间有很强的相互作用,在故障情况下可能会导致多直流系统发生同时或级联换相失败,威胁电网的安全稳定运行[4]。据统计,2004年~2018年,国家电网公司运营的 21条直流系统共发生换相失败 1353次;自 2011年**条复奉特高压直流大功率送电开始,国家电网共发生因交流系统故障或异常引发两回及以上的直流系统同时换相失败 66次,其中接入华东电网直流系统发生同时换相失败 60次、接入华中电网直流系统发生同时换相失败 6次,四回直流系统同时换相失败 9次,三回直流系统同时换相失败 9次,两回直流系统同时换相失败 48次[5]。其中, 2012年 8月 8日,葛南、宜华、林枫和复奉 4回直流级联换相失败,60ms内 4回直流输送总有功功率从 9168MW降到 1023MW;在三峡近区,葛南、宜华和林枫三回直流有功损失共 6924MW,导致三峡电厂 32台机组有功输出总共减少 5024MW;同时,葛南、宜华、林枫和复奉直流恢复过程中吸收的无功功率分别突然增加 2067Mvar、 4039Mvar、553Mvar和 2872Mvar[6],该事故给电网的功率平衡和电压 /频率稳定造成了很大冲击。因此,增强 LCC-HVDC系统的换相失败抵御能力,对我国电网的安全稳定运行具有重要意义。 1.2 柔性直流输电的发展及现状 20世纪 90年代以后,采用全控型器件的电压源换流器型高压直流输电 (voltage sourced converter based HVDC,VSC-HVDC)得到了快速发展。该类型换流器功能强、体积小、可减少换流站的设备、简化换流站的结构, ABB公司将这一技术称为 HVDC Light,西门子公司称之为 HVDC Plus,我国称之为柔性直流输电[7,8]。与 LCC-HVDC相比,柔性直流输电具备有功和无功功率的四象限独立控制、不需要交流系统提供换相支撑、且不存在换相失败风险等技术优势。其中,模块化多电平换流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)系统,因具有模块化设计、谐波含量低、损耗小等技术优势,目前已成为柔性直流输电的主流方案,并在国内外得到了广泛关注和工程应用。 目前我国已投运和建设中的柔性直流输电工程均采用 MMC拓扑。 2011年上海南汇风电场柔性直流输电工程投运,直流电压为±30kV,额定功率为 18MW,用于南汇风电场并网,并形成交流输电线路和柔性直流输电线路并列运行方式。 2013年 12月,广东汕头南澳三端柔性直流输电示范工程建成投运,直流电压为 ±160kV,额定功率为 200MW,该工程同样适用于大型风电场联网,是世界上首个多端柔性直流输电工程。2014年 6月,浙江舟山五端柔性直流输电工程建成并投运,该工程用于实现多个海岛之间的互联,也是世界上端数昀多的柔性直流输电工程。2015年 12月,福建厦门柔性直流输电工程建成投运,额定电压为 ±320kV,额定功率为 1000MW,该工程首次采用真双极的接线方式,用于厦门城市中心供电。2016年 6月,南方电网鲁西背靠背直流异步联网工程建成投运,首次采用大容量 MMC-HVDC与 LCC-HVDC组成多直流混合并联运行结构,其中 MMC单元容量为 1000MW,直流电压为 ±350kV。2019年投运的渝鄂柔性直流背靠背联网工程,直流电压为 ±420kV,输送容量为 4×1250MW(单个 MMC容量达 1250MW)。 2020年,乌东德特高压混合三端直流输电工程投运,其额定电压达 ±800kV,云南送端 LCC换流站的额定容量为 8000MW,广东、广西受端 MMC换流站的额定容量分别为 5000MW和 3000MW。2020年,张北四端柔性直流电网工程投运,其电压等级达±500kV,单端昀大容量达 3000MW,该工程将充分发挥柔性直流输电在新能源利用方面的技术优势,可实现大规模风电、光伏、储能、抽水蓄能等多种形态能源的汇集与输送,也将是国内外首个柔性直流电网工程。国家电网正在建设的白鹤滩—江苏特高压混合级联多端直流输电工程,预计 2022年投运,直流电压为±800kV,输送容量为 8000MW,该工程中的受端换流站将采用 LCC与多个并联 MMC组串联的混合级联直流技术。截至 2020年底,国内外主要投运与在建的柔性直流输电工程如表 1-2所示。 表 1-2 国内外投运与在建的柔性直流输电系统 1.3 不同类型的增强型直流输电系统 电压源型换流器 VSC对于功率的快速可控性和交流电压的灵活调节能力,为增强 LCC-HVDC的换相失败抵御能力提供了可行方案。目前,结合 LCC和 VSC技术经济优势的不同类型直流输电系统逐步在电网中出现。例如, 2014年国家电网投运了舟山五端柔性直流工程,其嵊泗站与芦嵊传统直流线路的逆变站在嵊泗岛上形成了混合双馈入直流输电系统; 2014年,挪威和丹麦之间的 Skagerrak HVDC Interconnections Pole 4工程投运了一条 VSC-HVDC作为极 4,与原有 3极 LCC-HVDC构成了混合多极直流输电系统; 2016年,南方电网投运的鲁西背靠背直流异步联网工程,采用两条 LCC-HVDC与一条 MMC-HVDC组成的多直流混合并联运行结构;南方电网已投运的乌东德混合三端直流输电工程,送端云南采用 LCC,受端广东、广西采用 MMC,因而其逆变站不存在换相失败问题,投运后广东侧的 MMC将与建成的溪洛渡-广东±500kV LCC-HVDC工程逆变站落点接近,形成由 LCC-HVDC和 MMC-HVDC构成的混合双馈入直流输电系统;此外,国家电网正在建设的白鹤滩-江苏±800kV特高压混合级联多端直流输电工程,送端采用 LCC、受端采用 LCC与三个并联 MMC组串联的结构。上述直流输电工程,虽然建设目标各有不同,但由于电压源换流器对无功功率的快速灵活调节能力,在一定程度上均可以改善交流电压的动态特性,增强 LCC-HVDC系统的换相失败抵御能力。 具有良好动态调节性能的无功功率补偿装置,也可以增强 LCC-HVDC的换相失败抵御能力。STATCOM通过脉宽调制技术控制全控器件的开断,依靠改变电压源换流器交流侧电压的幅值和相位来实现无功功率的快速调节。南方电网为改善交流系统的电压动态特性,降低 LCC-HVDC换相失败概率,投运多套大容量 STATCOM,从而形成含 STATCOM的 LCC-HVDC系统。同步调相机相当于不带机械负载的同步电机,通过励磁系统调节无功输出,其无功输出特性受母线电压影响较小,并具备较强的过载能力,电网故障导致电压跌落时仍能输出较大容量的无功功率;作为旋转设备,同步调相机还能提供旋转惯量和增加短路电流。国家电网公司已在锡盟 -泰州、上海庙 -山东等多回特高压直流输电工程的受端加装同步调相机,以增强 LCC-HVDC的换相失败抵御能力,改善系统的运行特性。 国内外很多学者也一直在探索新型 LCC换流器拓扑结构,通过引入可控电压源模块,来增加晶闸管关断期间的反向电压大小及反向电压持续时间,从而主动增强故障及系统恢复期间 LCC-HVDC的换相能力,以达到降低换相失败概率的目的。其中,电容换相换流器 (capacitor commuted converter,CCC)[10]在逆变器和换流变压器间串入了电容器,利用串联的电容不仅可以增强换相失败的抵御能力,

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