高压直流输电无功补偿的研究毕业论文.doc

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摘要

高压直流输电在输电领域中是一个较新且较活跃的领域之一，它在远距离大功率输电及大区域电网并联方面起到了至关重要的作用。

我国目前已有十多项高压直流输电工程投入运行，它们在国家电力网络构架中起到了优化网络的能源配置、保障国家的能源安全、以及促进国民经济的发展方面起到了重要的作用。

本文围绕直流输电工程需要吸收无功做足分析计算及讨论。

在高压直流输电工程中，利用普通晶闸管换流阀对高压直流输电换流站进行换流的，一般情况下采用电网电源的换相技术，但是这种方法的特点是当换流器在运行时需要从电网中吸收大量的无功功率。

为了保证换流站和交流系统的稳定性，我们需要对换流站的无功消耗、无功补偿、及无功平衡进行分析和计算。

本文重点分析研究高压直流输电换流器吸收无功的机理、影响因素以及对换流器进行无功补偿的分析讨论。

在Matlab或PSCAD/EMTDC仿真软件上建立高压直流输电系统的仿真模型，利用所建的仿真模型，仿真计算高压直流输电换流器对无功方面的要求和关系。

并对上述仿真结果进行分析、比较，给出合理解释，并提出高压直流输电无功补偿的合理化建议。

关键词：

高压直流输电，无功功率，无功补偿，换流器，仿真建模

ABSTRACT

Inthefieldoftransmission,HVDCisanewandactivearea,itisinlong-distancepowertransmissionandlargeregionalgridparallelhasplayedacrucialrole.Chinacurrentlyhasmorethanadozenhigh-voltagedirectcurrenttransmissionprojectputintooperation,theyareinnationalelectricitynetworkarchitectureoptimizedenergynetworkconfiguration,ensuringnationalenergysecurity,andpromotingthedevelopmentofthenationaleconomyplaysanimportantrole.ThispaperfocusesontheDCtransmissionprojectneedstoabsorbreactivepowertohaveenoughanalysis,discussionandcalculation.InHVDCtransmissionproject,thecommutationforHVDCconverterstationwiththeuseofordinarythyristorvalves,forundernormalcircumstances,usingmainspowersupplycommutationtechnology,butthecharacteristicsofthismethodisthatwhentheconverteratruntimeneedtoabsorbalargeamountofreactivepowerfromthegrid.Toensuretheconverterstationandcommunicationsystemstability,weneedtogiveconverterstationreactivepowerconsumption,reactivepowercompensation,andreactivepowerbalanceanalysisandcalculations.

ThispaperfocusesonanalysisofHVDCconverterabsorbsreactivemechanism,influencingfactorsandtheanalysisanddiscussionofreactivepowercompensationoftheconverter.InMatlabsimulationsoftwaretobuildHVDCsystemsimulationmodel,usingthebuiltsimulationmodel,simulationHVDCconverter'srequirementsandrelationshipsofreactivepower.Thesimulationresultswereanalyzedandcompared,givenareasonableexplanation,andproposedHVDCreactivepowercompensationrationalizationproposals.

KEYWORDS:

HVDC，Reactivepower，converter，reactivepowercompensation，SimulationandModeling

目录

摘要 ………………………………………………………………… 1

ABSTRACT……………………………………………………………………2

第1章前言 1

1.1高压直流输电及无功补偿背景 1

1.2高压直流输电发展及现状 3

1.2.1针对高压直流输电的研究现状 3

1.2.2针对换流站无功补偿及限制的现状 4

1.3本文主要内容 5

第2章换流站无功及无功补偿 6

2.1高压直流输电系统的工作原理及运行方式 6

2.2换流站的无功平衡及无功原理 7

2.2.1换流器的功率因数 7

2.2.2换流器的无功功率消耗 8

2.2.3换流站内的无功平衡 9

2.3换流站的无功补偿 10

2.3.1交流系统的无功补偿能力 10

2.3.2选择无功补偿的装置 11

2.3.3无功补偿与配置的综合考虑 11

2.4无功对交直流系统的影响 12

第3章换流站的无功补偿装置及容量的确定 12

3.1换流站的无功补偿装置 12

3.1.1机械投切式无功补偿装置 12

3.1.2同步调相机 13

3.1.3静止无功补偿装置 14

3.2换流站无功补偿容量及分组容量的确定 15

3.2.1容性无功补偿设备容量的确定 16

3.2.2感性无功补偿设备容量的确定 16

3.2.3无功分组容量的确定 16

3.2.3.1无功大组容量的估算 17

3.2.3.2无功小组容量的估算 17

3.2.4换流站无功补偿容量的校核 17

3.3无功补偿装置的控制 17

第4章仿真建模及结论分析 18

第5章结论与展望 23

参考文献 23

附录 25

致谢 26

29

第1章前言

1.1高压直流输电及无功补偿背景

我国幅员辽阔，发电能源的分布和用电负荷的分布又极不平衡。

江浙等东部沿海地区及广东地区经济比较发达，电力负荷分布比较密集，对能源需求较高，而能源却极为匮乏；西部地区经济比较落后，用电需求和负荷较低，对能源需求较小，而能源却比较丰富。

我国的这一客观现实决定了我国跨区域电力大规模流动的必然性。

随着人口的不断增加，国民经济的快速增长，土地资源越发的匮乏和宝贵，电力的发展和建设越来越受到走廊资源和站址资源的限制。

我国的这一国情决定了建设和发展高压直流输电（HVDC）具有重大的经济意义和技术创新意义。

随着我们国家在南北互供和西电东送以及全国联网等逐步实施的能源发展战略有较大的发展，世界上在远距离大功率大容量等方面的输电网络格局已在我国的大部分大区域电网中出现[1,2]。

而在当今的输电环境中，高压直流输电由于其特有的运行稳定且可靠、调节迅速、线路运行时消耗较小[3,4]还有没有稳定的安全性问题等优点而越来越受到人们的重视[10]。

但是不管是在逆变站侧还是在整流站侧，不管是从交流系统中还是从无功补偿设备中，在运行时的高压直流输电总是要消耗相当多的容性无功功率，为了保障直流系统及交流系统的安全稳定，使整个高压直流输电系统及换流站内的无功功率实现平衡条件，需要在两边换流站交流母线上装设一定容量的无功补偿设备。

换流站的无功平衡显示出了无功补偿在控制、配置以及调节等方面对客观及主观因素的要求，它是指无功补偿控制的电压模式下和交流系统对无功功率的补偿能力以及这些无功补偿设备对直流系统的无功补偿能力这三个方面之间的平衡[10]。

本文从分析换流站内的功率因数到简述高压直流系统的无功平衡，并分析了在不同的运行方式下换流站内的无功功率消耗，然后描述了换流站内的容性无功补偿容量和感性无功补偿设备容量以及无功分组容量的确定，最后仿真模拟了直流输电系统在投入不同无功补偿装置下运行并得出结论。

直流输电和交流输电相比具有诸多的优点：

首先，制造直流输电线路的成本较低，因此可以减少电缆花费产生的费用；其次，直流系统在运行时线路的功率损耗较小，因此其在运行时输电节能成效比较明显；还有，由于可以铺设海底电缆，直流输电可以通过海下电缆输电。

除了直流输电经济方面的优点，直流输电在技术方面也有很多长处。

直流输电系统的运行能限制交流系统内的短路电流，而且直流输电系统具有比较强的稳定性，直流输电具有比较快的调节速度，而且运行可靠。

在正常运行的情况下能够稳定的输出功率，在直流系统出现故障的时候可以紧急支援故障部分，因为由于直流输电的特点，是由晶闸管换流器组成的，因此故障时直流系统可以实现通过晶闸管控制迅速调整功率、完成功率潮流翻转。

另外，直流输电系统内并没有充电电容电流，直流电压分布比较稳定，负载及其功率没有发生电压不正常且不需要并联电抗器。

高压直流输电比较适合用于下面的场合：

相同频率不同期或者不相同频率之间的交流输电系统之间的传输纽带；通过海底电缆输电；大功率较长距离输电；用城市之间的地下电缆向城市输送电能；配电网增加电容或者交流系统之间相连时，高压直流传输系统可以限制故障时的短路电流；新能源可以采用高压直流输电系统进行输电。

高压直流输电可以完成大区域电网互联，在交流系统里，所有的和交流系统相连的同步发电机需要保证同步运行方式，由于直流线路传输的是纯有功功率，并没有电抗，因此当两个交流系统采使用直流线路连接时，不存在稳定问题，这样就表明运用直流输电可以不受输电距离方面的的制约。

在交流系统日益发展的今天，大区域交流电网不可避免的出现了多多少少的问题，而采用直流输电线路传输电能则可很好地解决这些问题。

随着高压直流输电技术的日益发展和成熟以及输电设备的研发日益加快，保障了高效、稳定的运行下的高压直流输电，高压直流输电在远距离大功率输电及大区域电网之间互联方面显示出极大的优越性。

图1-1直流输电系统原理图

1—换流变压器2—换流器3—平波电抗器4—交流滤波器

5—直流滤波器6—接地装置7—控制保护装置8—远东通信系

在当今的高压直流输电工程中，高压直流输电换流站一般是使用普通晶闸管换流器实现换流的，这种方法一般采用的是基于电网电源的换相技术，但是这种方法的特征是当换流器在正常工作时需要从外部交流系统中吸收相当多的无功功率。

换流站的整流换流站和逆变换流站从外部电网源中吸取的无功功率与换流站和外部电网之间交换的有功功率是成正向关系的，整流换流站侧吸收的无功功率大约为吸收有功功率的30%～50%，逆变换流站侧吸收的无功功率大约为吸收有功功率的40%～60%。

不管是整流站侧还是逆变站侧都将吸收一定的容性无功功率，而且吸收的数值不仅和换流站的运行方式及无功控制方式有关，还和高压直流系统输送的直流功率数值有关。

由于有晶闸管触发角的存在，使换流器在运行时交流侧电流总是滞后于电压。

无功功率补偿的基本原理就是，是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。

这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。

通常在额定负荷运行时，换流器所消耗的无功功率可达额定输送功率的30％～60％，因此换流站需要投入相当多的无功补偿装置。

但是当高压直流系统低负荷运转时，换流站内无功功率的消耗将快速减小，当如果无功补偿设备提供的无功功率不变时，交流电网将吸收来自高压直流系统换流站交流母线侧无功补偿装置产生的过剩的无功功率，从而引发换流站的交流母线侧电压的迅速上升。

因此，为了保障直流系统及周边交流系统的安全及稳定性，必须对投入的无功补偿装置进行控制[14]。

由于高压直流系统的无功功率的不稳定或者不足、过剩将会直接导致电网电压的不稳定，如果严重时甚至会波及到整个交直流系统的安全可靠运行，因此，为了保障换流站安全稳定运行，必须保证合理的进行无功补偿。

无功功率对交流系统的影响：

引起导线、变压器及发电机等许多电气设备容量的增大；而且无功功率会引起用电设备容量的增大；无功功率会直接引起电流变大，并且增加总功率大小，这样的话，测量仪表控制设备等保护装置的规格容量大小等参数都需要做出调整；而且由于无功功率增加能直接导致整个回路的电流大小增加，从而导致回路中电能的消耗也增加；无功功率还会使电气设备的电压最大最小值拉大，而且电压还会在冲击性无功功率负载下导致剧烈波动，并导致电能质量的降低。

由于对无功功率不正确的控制，导致整个交流系统产生巨大的冲击并带来损失，所以我们应当合理的对高压直流输电系统装设无功补偿设备。

电网电源不能作为唯一的无功功率电源给正常运行时的换流站提供无功功率，并且电网电源和其所连接的高压直流输电系统是不应该有过多的无功功率输入输出。

这是因为在高压直流输电系统和电网之间进行大量的无功功率吸收与输出时，会伴随着无功功率损失，而且这样的话，换流站的交流母线侧电压会大幅降低并且不稳定。

因此，为了保障高压直流输电系统安全稳定的工作，我们必须同时考虑直流系统内无功功率的特性来安装适合的无功补偿装置。

1.2高压直流输电发展及现状

1.2.1针对高压直流输电的研究现状

1928年，具有栅极控制功能的汞弧阀成功问世，让高压直流输电的实施得到了实现。

首先，海底电缆输电使用了高压直流输电技术进行输电。

首先，1967年在意大利投入运行的撒丁岛高压直流工程和1954年在瑞典投入运行的哥特兰岛高压直流工程是在在高压直流输电开发运行的早期。

远距离大功率输电然后也应用了高压直流输电技术。

到2006年的时候，全世界已经有80多个开发投入运营的高压直流输电工程。

在这80多个高压直流输电工程中，利用汞弧阀组成的高压直流输电工程差不多有11个，它们几乎都是高压直流输电技术刚开始的前25年的研究并投入运行的项目。

其他的晶闸管高压直流输电工程都是近期的研究发展成果。

在这些全部的高压直流输电工程中，有大约所有工程的，大约为28个工程是背靠背高压直流输电工程，剩下的为远距离高压直流直流输电工程。

我国开始进行高压直流输电的研究是从二十世界五十年代开始的，而我国的高压直流输电技术获得关键性大幅度提升是从二十世纪八十年代末开始的，到目前为止，已经有10多个竣工并且投入运营的高压直流输电工程，按照目前的进度和计划，在2020年前我国将有至少30个高压直流输电工程建成并投入运行。

我国第一条±100kV高压直流输电工程是在1987年建成并投入运行的，在我国舟山地区的跨海高压直流输电工程技术得到解决以来，我国的高压直流输电技术发展迅速，上海-葛洲坝和广州-天生桥等远距离大功率高压直流输电工程陆续建成并投入运行。

2003年五月五号的七点，常州—长沙±500kV的高压直流输电工程成功结束了176个实验测试并投入试运营，它的运行成为了世界上高压直流输电工程中输送电能功率最大的项目。

它的试运行奠定了三峡水电厂电力向外输送的基础，并且增加了西电东送线路容量，贯彻落实了这一政策。

国家电网公司为了实现最近建设电网的新要求，规划了在2010年的时候完成建设至少十个大型的高压直流输电工程。

到目前为止，我国已经完成建设全球输送功率最大±800kV高压直流输电工程，除此之外，还有众多的±1000kV，±800kV，±660kV，等高压直流输电工程正在建设，这些措施进一步贯彻落实了我国的西电东送这一政策。

高压直流输电仍将是我国从今往后几十年重点发展的项目，高压直流输电和大电网交流输电之间相互配合相互补充[6]。

1.2.2针对换流站无功补偿及限制的现状

现今，并联无功补偿装置是目前世界上投入运行的高压直流输电工程无功补偿的主要措施，选择什么样的无功补偿装置主要取决于当地的交流系统强度。

一般的情形下，当交流系统的短路比不大于3的时候，电网的稳定性较弱，我们应该考虑安装一些其它的无功补偿装置，并非非要采取一般的换流技术，主要的办法是可以安装同步调相机；当交流系统短路比介于3和5之间时，交流系统的电压可能会不稳定，因此可以考虑采取静止无功补偿装置，这种装置具有控制电压的能力；当交流系统的短路比不小于5的时候，从投资等方面考虑，可以考虑只装设电容电抗器。

正常的装设无功补偿装置和进行滤波的大部分措施是装设交流滤波器还有并联电容器，几乎所有高压直流输电工程的百分之九十都是采用的。

我国近期投运的一些高压直流输电工程都是采取的这种方法，例如云广±800kV高压直流输电工程、三峡—常州±500kV高压直流输电工程、三峡广东±500kV高压直流输电工程、南桥葛洲坝±500kV高压直流输电工程，还有灵宝背靠背高压直流输电工程。

根据近期的高压直流输电机械投切的电容器，电抗器和同步调相机是传统形式的无功补偿设备，而静止无功补偿装置是较为新型的无功补偿装置。

静止无功补偿装置在直流工程中已得到应用，英法海峡直流工程和加拿大恰图卡背靠背工程，还有中国和俄罗斯的黑河背靠背工程，青海至西藏的直流工程等都采用了静止无功补偿器。

但它在直流工程中应用的仍较少。

1.3本文主要内容

本文以经典的直流输电理论研究直流输电系统的无功理论。

主要研究内容：

（1）重点分析了高压直流输电换流器吸收无功的机理、影响因素；

（2）通过换流站的无功消耗公式分析计算不同运行方式下换流站的无功消耗以及对换流器进行了无功补偿的分析讨论；

（3）介绍了不同的无功补偿装置及其运用的方式及场合；

（4）在满足无功平衡下的无功补偿装置的配置；

（5）在Matlab或PSCAD/EMTDC仿真软件上建立高压直流输电系统的仿真模型，利用所建的仿真模型，仿真计算高压直流输电换流器对无功方面的要求和关系。

并对上述仿真结果进行分析、比较，给出合理解释，并提出高压直流输电无功补偿的合理化建议。

图1-2葛-南高压直流输电工程模型

第2章换流站无功及无功补偿

2.1高压直流输电系统的工作原理及运行方式

一般正常情况下的高压直流输电工程大多数都采用电网电源的换流方式，这是因为大多数的包含整流装置和逆变装置的高压直流输电工程的换流器是用可控硅晶闸管构成的。

高压直流输电工程里换流装置扮演者一个至关重要的角色。

换流器采用三相桥式的连接方式是高压直流输电工程换流装置一般采用的方法。

这里的换流器一般指6脉动换流器，6脉动换流器的每个换流阀是由六个桥（又称桥臂）构成的，这六个桥臂每个桥的周期是的基波周期，并且按时间顺序一个个触发，接在电网中。

三相桥式的换流装置利用半控型的晶闸管触发和断开使系统的电路模型构成发生了变化，这样就发生了交流系统和直流系统间的交直流的互相转化。

换流装置的换流过程是通过换流变压器阀的绕组的短路电流来完成的。

与整流装置极性相反的逆变装置是需要高压直流输电工程所接入的电网来供给换相所需的电流电压[7]。

正常情况下，高压直流输电工程的两端换流站中任一个是采用正负两极换流器在换流站的直流侧串联的方式构成的。

这时，由于想让直流电压的波动频率变得更少，因此正负换流装置交流侧电压之间的相位差是30°，此时换流器阀之间

图2-1高压直流输电系统模型图

的相位差也是30°，于是就构成了12脉动换流装置[9]。

因为要降低高压直流输电工程产生的谐波对交流系统的影响，并且可以减少并化简换流站交流滤波器和整个换流站的结构，一般采用交流端通过换流变压器并联，而且有两个六脉动的换流装置串联在直流系统的直流端构成一个十二脉动

的换流器，这样就可以减少建设高压直流输电工程的投资。

高压直流输电的工作原理就是通过直流输电线路在交流系统1和交流系统2之间输送功率，高压直流输电系统里和交流系统1相连的换流站1被称为整流站，它是由整流器构成的，运行方式是整流方式；直流系统里和交流系统2相连的换流站2被称为逆变站，它是由逆变器构成的，运行方式是逆变方式。

当高压直流输电系统两侧的交流系统有功率交换时，首先交流系统1送来的交流功率被换流站1转换成直流功率，然后转换的直流功率通过直流线路传输到换流站2，并利用换流站2将直流功率变化成交流功率，这样就完成了交流系统1到交流系统2的功率传输，称为高压直流输电原理过程。

高压直流输电的换流站的运行方式有主要：

（1）双极全压的运行方式，这时直流系统输送的是额定功率；

（2）单极大地回路的运行方式，这时直流系统输送的功率是额定功率的二分之一；（3）单极金属回路的运行方式，直流系统输送的功率依然是额定功率的二分之一；（4）反向输送功率方式；（5）电压降低70％的运行方式，直流系统输送的功率是额定功率的70％；（6）电压降低80％的运行方式，直流系统输送的功率是额定功率的80％。

图2—1代表整个高压直流输电系统的模型图，RPC代表一组交流滤波器模块，SVC代表一组静止无功补偿器模块。

2.2换流站的无功平衡及无功原理

众所周知，当一个电力设备的电压和电流之间的相角不为零的时候，总是伴随着无功功率的流动，而换流器运行时导致交流侧电流变畸形，因此换流站运行时理所当然有无功功率的吸收或发出。

晶闸管是换流器的主要构成器件，换流器运行时整流器侧的交流侧的电流是滞后于电压的，是由于换流器在工作运行时总是有触发角α和换相角γ存在的，于是这就产生了整流器在正常工作时必须多多的吸取无功功率。

2.2.1换流器功率因数

（1）整流装置的基波功率因数可由以下公式得出

（2-1）

基波功率因数角可近似由以下公式得出

（2-2）

（2）逆变装置的基波功率因数可由以下公式得出

（2-3）

在式中，是交流的基波功率因数角，它可以认为是相电流相角超前于相电压向量的相角，则基波功率因数角可有以下公式表示[9]

（2-4）

以上各式中，γ是熄弧角；是整流器的换相角；是逆变器的换相角；是交流侧整流器的基波功率因数角。

从