基于广义短路比的交直流电力系统电压稳定性分析

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在中国,电网换相高压直流输电技术的广泛应用为远距离、大容量、跨区域输电带来了巨大的便利,预计截止至2020年,将有700GW的电能通过直流输送。多回直流落点于同一受端交流电网,这些电气距离较近的直流线路和高压交流受端电网一起构成了多馈入直流系统。与此同时,随着直流输电容量的增加,受端交流系统强度变弱,暂态过电压、换相失败谐振及电压稳定性等问题日益凸显。在理论研究和工程应用中,通常使用短路比指标来刻画交流系统和直流系统之间的相对强度。然而,由于多馈入系统中不仅存在交流和直流的相互耦合,还存在不同直流换流站之间的相互作用,这些耦合及相互作用使得短路比不能直接应用到多馈入系统中。为此,本文围绕直流多馈入系统的电压稳定性问题,从电压稳定性分析、电压稳定裕度计算和参数影响分析等方面开展了研究,并以特征值法为基础,提出了一种能够刻画多馈入交直流系统强度和稳定性的广义短路比指标。该指标以与直流单馈入系统短路比指标相同的特性体现了系统的电压稳定性,具有计算简单、物理意义明确、对系统强弱评价的边界清晰等优点,并能适用于实际的大电网场合。本文的主要工作和创新成果如下:1)分析了静态电压稳定和多馈入系统短路比的联系,从特征根的角度探索了一种刻画交直流系统强度和稳定性的多馈入系统广义短路比指标,克服了传统短路比概念在多馈入下物理机理不明确及对交流系统强度刻画不准确的缺陷,实现了短路比概念在单馈入和多馈入下物理意义及数学形式上的统一。广义短路比是在较弱的假定条件下定义,因此具有一般性。理论证明广义短路比唯一存在且不小于最小多馈入短路比,而传统短路比仅是广义短路比在附加较强假设条件后的一个特例。仿真算例表明新定义下的广义短路比能更准确地描述多馈入系统受端交流电网的强度。2)分析了直流工作点对于广义短路比的影响,提出了一种可考虑直流运行状况的直流多馈入系统广义运行短路比指标,可用来更好的分析交直流系统的电压稳定性。广义运行短路比具有能判断多馈入系统在任意工作点能否稳定运行、给出某方向上的功率裕度以及最快失稳方向的优点。理论分析和仿真算例均表明所提出的广义运行短路比更具普适性,更能准确地描述在任意工作点下的直流多馈入系统的电压稳定特性。3)探讨了弱化假设条件后广义短路比的适用性问题。首先基于功率分岔,分析了定功率-定熄弧角和定电流-定熄弧角直流控制方式下直流多馈入系统广义短路比的适用性。研究表明,基于定功率-定熄弧角和定电流-定熄弧角的广义短路比推导本质上是统一的;临界和边界广义短路比指标适用于两种直流控制方式下的直流多馈入系统。此外,还分析了线路阻抗及直流落点间交流联络功率对广义短路比临界和边界值的影响,算例表明线路阻抗角及直流落点间联络功率对临界和边界广义短路比的影响较小。进一步,分析了无功补偿电容对于广义短路比的影响,提出了一种考虑无功补偿的广义有效短路比指标,克服了广义短路比推导过程中需假设直流消耗无功近似完全补偿,无功补偿容量与直流系统标幺值成比例的缺陷。此外,还提出了一种考虑线路电阻及无功补偿的广义短路比指标,二维广义有效短路比,克服了短路比推导均不考虑线路电阻的缺陷。4)探讨了直流多馈入系统中含异步电动机时,系统电压支撑变化的情况。基于临界电压稳定边界下,雅克比矩阵奇异的性质,推导了含异步电机负荷的多馈入直流系统静态电压稳定数学表达式,基于表达式分析了不同控制方式下异步电机对于广义短路比的影响,研究表明异步电机在合理控制方式下能有效提升受端系统的电压支撑。同时,基于改进的单馈入直流标准算例对不同控制方式下异步电机对广义短路比的影响进行了对比研究,并分析了控制参数对于结果的影响。
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