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基于VDCOL的高压直流输电换相失败抑制系统

2025-03-12 7 上传者：管理员

摘要：在高压直流输电网络中，换相失败是导致无功功率不足的主要原因，无功功率长期不足会导致负载电压的持续下降。为解决上述问题，设计基于VDCOL的高压直流输电换相失败抑制系统。设置VDCOL控制单元与高压直流输电无功导流结构，设计换相失败抑制系统的硬件。完善基于VDCOL的换相原则，联合电压补偿条件，计算输电换相容量的具体数值，分析换相失败抑制作用，完成高压直流输电换相失败抑制系统设计。实验结果表明，在高压直流输电网络中，应用所设计系统可将无功功率缺失量控制在0～0.5 kW数值范围内，不会因换相失败而造成负载电压持续下降。

关键词：
VDCOL控制
无功功率
电压补偿
输电换相
高压直流输电
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高压直流输电适用于远距离或超远距离输电网络,以稳定的直流电作为应用对象,在输电过程中,变电装置将三相交流电整流为直流电后,借助输电线路将电量信号传输至其他换流站节点｡高压直流输电系统的建设和运营需要充足的电力投资,这些投资用于建设换流站和输电线路,包括设备购置､建造施工和土地采购等方面｡通过充分的电力投资,可以建设可靠高效的高压直流输电系统,满足远距离或超远距离输电的需求,并提升交流输电线路的实时输电能力｡完整的高压直流输电网络需包含两个换流站及多个直流输电线缆,且相邻换流站间传输的电量信号必须保持直流状态[1]｡相较于其他类型的输电网络,高压直流输电网对于阻尼信号的调节能力更强｡在网络体系内,只要平均功率水平保持稳定数值状态,适当提高输入端负载电压的数值水平,就可以有效控制传输信号低频振荡行为,提升交流输电线路实时输电能力｡

换相失败是一种常见现象,在高压直流输电网络中,如果不解决上述问题,会导致无功功率不断降低｡文献[2]提出基于主动换相型电流源换流器的并网型系统,设置电流源换流器运行模式,通过调制脉冲波宽度的方式,确定换相组织之间的连接关系,从而实现对信号波动行为的有效抑制｡文献[3]提出考虑非理想特性的应用系统,通过建立等效分区组织的方式,筛选换电过程中可能出现的电量幅值,再以中性点为对象,求解具体的输电换相表达式,实现对电力相位值的准确计量｡

在实际应用中,主动换相型系统和非理想特性型系统在换电相位条件方面容易出现幅值不达标的情况,这也是换相失败的主要原因｡为解决上述问题,利用VDCOL控制算法的应用优势,设计一种新型的高压直流输电换相失败抑制系统｡VDCOL控制是基于减小电网无功需求而提出的电位换相控制原则,能够有效抑制直流换相失败行为｡在电压数值不断变化的电网环境中,应用VDCOL控制原则调节输电相位,既能避免电量传输信号累积,又能有效调度电量无功传输行为,并通过对比实验的方式,突出该系统的实际应用价值｡

1、换相失败抑制系统硬件设计

VDCOL控制结构负责调节高压直流输电网络中的电量行为幅值,由充放电组件､换流母线装置､积分器等多个部件结构共同组成[4]｡充放电组件能够快速整合高压直流网络中的电量传输信号,改变其传输格式,以便主机元件依据实时电位水平选择最适宜的高压直流输电参量[5-6]｡换流母线装置连接于高压回路中,根据直流输电信号的实时输出量,实现对相位标记值的转换,从而避免出现换相失败行为｡积分器连接于高压电量回路､直流电量回路之间,负责完成不同电量相位之间的相互转化｡VDCOL控制结构连接模型如图1所示｡

图1VDCOL控制结构连接模型

高压直流输电无功导流结构连接在电网组织的逆变侧与非逆变侧之间,可以在无功补偿装置､母线换流装置的配合下,调节电量导流量的实时数值水平｡为平衡高压直流网络中的传输电流,无功补偿装置､母线换流装置连接在非逆变侧电网组织中,且装置部件所负荷的电压水平相对较高,为输电换相指令提供大量的电量传输信号[7-8]｡完整的高压直流输电无功导流结构接线模式如图2所示｡

图2高压直流输电无功导流结构连接模型

高压直流输电无功导流是一种普遍存在的输电换相行为,在逆变侧电网组织中,所需导流的电量信号越多,表示高压直流电网所负荷的实时电量水平越高｡

2、换相失败抑制系统软件设计

设计换相失败抑制系统软件,需考虑基于VDCOL的换相原则｡该原则是高压直流电网电量换相所遵循的核心处理原则,对于电网主机而言,按照VDCOL原则调节电量传输行为,能够避免电量信号出现实时堆积的情况,达到抑制换相失败行为的目的[9-10]｡

假设q表示基于VDCOL的高压直流电量切换参数,其定义式如下:

式中,E表示电量信号的带电强度,β表示电量导流参数,Rˉ表示高压直流输电网络的内阻均值,χ表示电量累积系数,I0表示额定电流,δ表示电量信号的功率因数｡

在式(1)的基础上,推导VDCOL换相原则表达式为:

式中,α表示电量换相参数,ε表示电流传输系数,e表示直流压变参数,ΔQ表示输电换相过程中电力信号的单位累积量｡

电压补偿是在相同条件下定义的高压直流输电换相控制原则,旨在解决换相失败问题,因此在补偿处理时,要求逆变侧和非逆变侧电压幅值均保持在补偿调节的数值范围内[11-12]｡此外,为有效抑制换相失败行为,在调度电量信号时,必须保持高压直流输电网络中负载电压的数值稳定性｡对于电压补偿条件的求解参考公式(3):

式中,Umax表示输电母线实时负载电压的最大数值,Umin表示输电母线实时负载电压的最小数值,φ表示逆变､非逆变电压幅值之间的物理夹角,o表示电量补偿特征,ϕ表示电压调度参数｡

输电换相容量是指换相过程中高压直流电网对输电信号的实时负载能力｡在电网系统中,导致换相失败问题的主要原因是网络体系对于输电信号的负载能力有限,因此为有效抑制换相失败行为,在实时换相处理的过程中,按照电压补偿条件对电量信号进行调节,达到缓解电量压力､提升高压主机对于电信号负荷能力的目的[13-14]｡随机选择n个高压直流输电信号,其定义式如下:

式中,l1､l2､⋯､ln表示n个不相等的电量标度值,γ1､γ2､⋯､γn分别表示与电量标度值匹配的换相向外向量｡推导输电换相容量计算式如下:

式中,η表示电量信号在高压直流输电过程中的换相效率,S表示敏感性电容特征,ι表示高压直流输电端的电量无功参考系数｡

换相失败抑制标准是遵循VDCOL控制原则所定义的输电换相调节标准,在高压直流输电网络中,调节标准对电量信号传输行为的规定越细致,发生换相失败行为的可能性就越小[15-16]｡假设κ表示一个随机输电抑制参数,λ表示输电条件系数,gκ表示参数κ的输电换相向量,将换相阈值dκ表示为:

在式(6)的基础上,推导换相失败抑制标准表达式如下:

式中,f表示抑制作用判定参量,h1､h2､⋯､hn表示n个不相等的输电换相行为数值定义指征｡高压直流输电换相是一项不可逆的电量调度行为,因此为抑制失败行为的出现,依照VDCOL控制原则进行调节时,默认电量信号不存在往复传输的情况｡

3、实例分析

3.1前期准备

该实验选择图3所示的高压直流输电装置作为实验对象,将其接入380kV的实验电路中,记录电力元件无功功率的数值情况｡

图3高压直流输电装置

设置A､B､C三个换相回路,闭合控制开关,当装置进入稳定运行状态后,开始记录各项实验数值,具体电路结构如图4所示｡

图4输电换相调度电路

首先依据图4所示调相回路,确保电量触发板两端的实时负载电压与380kV的额定电压数值水平相等;然后分别将基于VDCOL的高压直流输电换相失败抑制系统(实验组)､基于主动换相型电流源换流器的并网型系统(对照A组)､考虑非理想特性的应用系统(对照B组)执行程序输入电网控制主机中,记录不同系统作用下电力元件无功功率的实验数值;最后将所得实验结果与电力元件无功功率标准值进行对比,计算无功功率缺失量;根据所得计算结果,总结实验规律｡

3.2结果讨论

电力元件无功功率缺失量是指标准无功功率与无功功率实验值之间的数值差,在高压直流输电网络中,无功功率缺失量过大会导致换相失败问题,从而造成负载电压的持续下降｡该实验根据无功功率缺失量的具体数值,分析高压直流输电网络出现换相失败问题的可能性｡表1记录了标准无功功率的数值情况｡

表1电力元件标准无功功率

分析表1可知,随着实验时间的延长,电力元件标准无功功率保持不断增大的数值变化态势,其单位增大幅度为0.5kW｡其中无功功率缺失量小于0.5kW,表示不会因电力元件无功功率不足而造成换相失败的问题｡

图5为实验组､对照A组､对照B组电力元件无功功率的具体实验数值｡

分析图5可知,实验组无功功率缺失量始终保持在0~0.5kW的数值范围内｡第40min时对照A组无功功率缺失量为0.45kW,处于0~0.5kW的数值范围内,第50min时对照A组其他无功功率缺失量计算结果明显大于0.5kW｡第10min､第20min时,对照B组无功功率缺失量分别为0.05kW､0.15kW,处于0~0.5kW的数值范围内,第50min时对照B组其他无功功率缺失量也明显大于0.5kW｡

综上可知,应用所设计系统可以实现对无功功率缺失量的有效控制,在高压直流输电网络中,不会因无功功率不足而导致换相失败的问题,符合维持负载电压的实际应用需求｡

图5电力元件无功功率实验数值

4、结束语

基于VDCOL的高压直流输电换相失败抑制系统的应用,不会因换相失败而造成负载电压持续下降的问题[17-18],可以改善由无功功率不足造成的负载电压持续下降的情况,无功功率缺失量始终保持在0~0.5kW的数值范围内｡VDCOL控制结构配合高压直流输电无功导流结构,可以切换高压直流电量,同时抑制换相失败行为的出现,在高压直流输电网络中具有突出作用价值｡

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