專利名稱：一種空載長線路的啟動方法
技術領域：
本發明涉及一種在電網黑啟動過程中，快速啟動空載長線路的方法，屬輸配電技術領域。

背景技術：
隨著電力系統跨區域互聯的不斷增加，電網的規模越來越大，各子系統之間的相互影響也愈加強烈。子系統局部的故障，可能由于保護或自動裝置的不正確動作而釀成大面積的停電事故。盡管這種嚴重事故發生的可能性很小，但一旦發生，損失巨大，后果不堪設想。因此，如何確保在發生大停電事故后快速有效地恢復系統的運行，一直是電力行業十分關注而迫切需要解決的問題。
大停電的電網恢復一般是通過黑啟動(Black-start)實現，方法是首先用一啟動電源對空載長線路進行空載充電，啟動空載長線路，然后逐步啟動其它發電機組和負荷，最后使整個電網恢復運行。目前，黑啟動過程中一般采用對廠用電要求很低的燃氣輪機組或水輪機組對空載長線路進行空載充電，這種啟動空載長線路方法的缺點是合閘空載長線時會產生操作過電壓，而且啟動電源在充電空載長線時，由于線路電容效應會產生工頻過電壓。為確保電網安全，空載線路的合閘過電壓和空充變壓器鐵磁諧振問題必須經嚴格的計算和實驗驗證，否則有可能造成極其嚴重的后果。這些問題的存在使黑啟動方案的運行速度受到極大限制，大大延長了負荷的停電時間。


發明內容
本發明的目的在于提供一種能有效抑制工頻過電壓以及合閘操作過電壓的空載長線路啟動方法。
本發明所稱問題是以下述技術方案實現的 一種空載長線路的啟動方法，它將聯網的VSC-HVDC的逆變器通過斷路器BRK與要啟動的空載長線路XL直接相連，啟動時先閉合斷路器BRK，再使VSC-HVDC逆變器交流側帶電，并由逆變器控制線路電壓，使電壓有效值按指定曲線恢復。
上述空載長線路的啟動方法，所述逆變器控制線路電壓按下述方式恢復在長線路啟動開始1～5個工頻周期內，讓斷路器BRK接入點的交流母線電壓有效值從0.3～0.6p.u均勻上升到0.8～1p.u，并確保空載線路末端電壓不超過1.1p.u。
上述空載長線路的啟動方法，所述逆變器的調制度m由下式確定 換流器輸出電壓的基波分量Uc和交流母線電壓基波分量Us間的相角差由下式確定 其中，ucd、ucq、為dq0坐標系下交流側電壓；Ud為直流電壓。
本發明以聯網運行的VSC-HVDC作為交流系統大停電時的黑啟動電源，通過VSC-HVDC可實現空載線路的“柔性啟動”，使待恢復交流系統的電壓按指定曲線恢復，避免了交流長線路合閘引起的操作過電壓和變壓器空充引發的鐵磁諧振；通過VSC-HVDC對無功的獨立快速控制，還可避免長線路空載時產生工頻過電壓，因而能大大加快黑啟動速度。本發明能有效抑制工頻過電壓以及合閘操作過電壓的產生，提高黑啟動速度，縮短大停電時間。



下面結合附圖對本發明作進一步詳述。
圖1為VSC-HVDC結構電原理圖； 圖2為電壓源換流器啟動空載長線路的系統結構圖； 圖3為整流側控制算法示意圖； 圖4為抑制空載線路末端工頻過電壓逆變側控制框圖； 圖5為抑制空載線路末端操作過電壓時逆變側控制系統框圖； 圖6為線路長度為250km時直接啟動和柔性啟動時空載線路末端產生工頻過電壓仿真波形； 圖7為線路長度為500km時直接啟動和柔性啟動時空載線路末端產生工頻過電壓仿真波形； 圖8為線路長度為250km時直接啟動時空載線路末端產生操作過電壓仿真波形； 圖9為線路長度為250km時柔性啟動時空載線路末端產生操作過電壓仿真波形； 圖10、11分別是線路長度增加后、采用柔性啟動前后的合閘瞬間過電壓仿真波圖形。
圖中各符號為G、等值的發電機；R、線路電阻；T1、換流變壓器；T2、換流變壓器；B1、交流母線起始點；B2、空載線路末端；BRK、斷路器；XL、空載線路；PI、比例積分環節；PI1、比例積分環節；PI2、比例積分環節；AC Filter、濾波電路；VSC、電壓源換流器高壓直流輸電；K1、增益系數。
文中所用符號Uc、換流器輸出電壓的基波分量；Us、交流母線電壓基波分量；δ、Uc和Us間的相角差；m、調制度；uca、ucb、ucc、換流器輸出電壓；ucd、ucq、dq0坐標系下交流側電壓；L0、線路單位長度單相電感；C0、線路單位長度單相電容；R0、線路單位長度單相導線電阻；G0、導線對地泄漏電導；γ、線路傳播系數；Zc、線路特征阻抗；UB1、交流母線起始點(B1)處電壓；UB2、線路末端電壓；UB1ref、交流母線起始點(B1)處交流母線電壓參考值；Q、換流器的無功輸出；α、線路傳播系數虛部；β、線路傳播系數實部；Udref、直流母線電壓參考值；Udc、直流母線電壓測量值；i1dref、i1qref、整流側交流電流參考值d軸分量；i1d、i1q、整流側交流電流測量值d軸分量；i1qref、整流側交流電流參考值q軸分量；i1q、整流側交流電流測量值q軸分量；us1d、us1q、整流側系統交流電壓d軸和q軸分量；uc1d、uc1q、整流換流器輸出電壓d軸和q軸分量；Q1ref、整流側交流系統輸出的無功功率參考值；p.u是相電壓幅值標么值，Ud為直流電壓。

具體實施例方式 本發明采用了電壓源換流器高壓直流輸電技術，電壓源換流器高壓直流輸電技術(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current，簡稱VSC-HVDC)與傳統直流輸電相比，具有以下主要優點 (1)能給無源網絡提供電源。
(2)能對有功和無功進行獨立快速的控制，可運行在有功和無功四個象限狀態。
(3)能為交流側提供快速的無功支持，起到STATCOM(靜止同步補償器)的作用，STATCOM是柔性交流輸電系統(FACTS)的一個重要組成部分，可實現靜止無功補償。
由于VSC-HVDC的上述特點，可將聯網運行的VSC-HVDC作為交流系統大停電時的黑啟動電源。如果采用基于聯絡線運行的VSC-HVDC作為大停電的啟動電源，黑啟動中涉及許多問題可迎刃而解，能極大地加快負荷恢復速度。通過VSC-HVDC的PWM技術，實現VSC-HVDC的“柔性啟動”，使待恢復交流系統的電壓有效值按指定斜率直線或指數函數曲線增加，避免了交流長線路合閘引起的操作過電壓和變壓器空充引發鐵磁諧振問題；結合VSC-HVDC無功可以獨立快速控制的特點，還可避免長線路空載時的工頻過電壓問題。
空載長線路工頻過電壓是空載長線路帶電時，由線路電容效應引起的，本質是由于空載線路的工頻容抗Xc大于工頻感抗XL，在電源電勢的作用下，線路中的電容電流在感抗上的壓降UL將使容抗上的電壓Uc高于線路始的電源電勢。
空載線路末端操作過電壓是在其穩態工頻過電壓基礎上振蕩產生的，最終穩定在其工頻過電壓，末端工頻過電壓越高，操作過電壓的幅值越高。因此，合閘空載線路時線路末端操作過電壓很大程度上受工頻過電壓的影響，其振蕩過程非常短。
由工頻過電壓的機理可知，工頻過電壓是一種穩態現象，利用VSC-HVDC的逆變器可進行定交流電壓控制的特點，在啟動空載長線路時，設定其始端電壓在0.8～1p.u之間，則可抑制空載線路末端工頻過電壓。而傳統方法由于變壓器調節的分接頭有限，同時調節電壓時機械過程，調節速度很慢，不能對始端電壓進行快速的高精度的控制，因而不能對空載長線路的工頻過電壓進行有效抑制。
空載線路末端操作過電壓由于是在穩態工頻過電壓基礎上振蕩產生的，因此控制涉及兩個要點一是為減少電磁振蕩波形的產生，因此采用交流電壓定值按指定曲線上升；二是開始交流電壓定值較低。合理的恢復規律應該是，使交流母線電壓有效值從0.3～0.6p.u按指數或一定斜率的直線上升到0.8～1p.u，持續時間為1-5個周波。
控制順序為先抑制空載線路末端操作過電壓，再抑制工頻過電壓。
VSC-HVDC系統結構如圖1所示。Uc為換流器輸出電壓的基波分量；Us為交流母線電壓基波分量；δ為Uc和Us間的相角差；換流器采用PWM控制，m為調制度。則換流器輸出電壓uca，ucb，ucc為
將uca，ucb，ucc經Park變換，得dq0坐標系下交流側電壓ucd，ucq為 所以 本發明中，聯網的VSC-HVDC啟動空載線路的結構如圖2所示。合閘空載線路過程為電磁暫態過程，將線路按分布參數處理。由于實際線路參數隨頻率變化，并且線路是有損耗線路，為能準確、客觀反映其暫態過程，線路采用頻變線路模型。
為簡化分析，在計算由空載線路電容效應引起的工頻過電壓時可假設線路為無損線路，并且與頻率無關。線路長度為1，線路單位長度單相電感、電容、導線電阻、導線對地泄漏電導分別為L0、C0、R0、G0，線路傳播系數γ及特征阻抗Zc為 B1處電壓UB1與B2處電壓UB2之間的關系為UB1＝UB2cosαl。抑制空載線路末端電壓升高，即保持母線電壓UB2有效值為1p.u.(p.u是最高運行的相電壓幅值(標么值)，1p.u為1倍的相電壓.)，即|UB1|＝cosαl。VSC-HVDC采用整流側定直流電壓，逆變側定交流母線電壓控制方式，控制系統框圖如圖3、圖4所示。其中，K1＝-2Q/3U，UB1ref為B1處交流母線電壓參考值，UB1為B1處交流母線電壓的測量值。UB1ref選擇1時為正常啟動，即B1處交流母線電壓達到1p.u，相當于理想電壓源帶空載線路運行；當UB1ref選擇為柔性啟動時，即維持|UB1|＝cosαl，采取此策略抑制空載線路末端工頻過電壓。
本發明中，整流側控制結構見圖3，圖3中PWM觸發脈沖模塊和鎖相環外其余部分為控制算法關系示意圖，單元1和單元2為控制函數關系，詳細說明見下文，圖3中所涉及的物理量都是經過Park變換獲得的dq0坐標系下的參量。各參量的意義如下。
Udref，Udc分別為直流母線電壓參考值和測量值；i1dref，i1d，i1qref，i1q分別為整流側交流電流參考值和測量值的d軸分量；i1qref，i1q分別為整流側交流電流參考值和測量值的q軸分量；us1d，，us1q分別為整流側系統交流電壓d軸和q軸分量；uc1d，uc1q分別為整流換流器輸出電壓d軸和q軸分量；單元1的函數關系為單元2的函數關系為Q1ref為整流側交流系統輸出的無功功率參考值。
對聯網的VSC-HVDC在直接啟動和柔性啟動兩種啟動方式下啟動空載長線的情況進行了仿真，仿真的線路長度分別為250km、500km，考慮線路為無損且線路參數與頻率無關的基礎上，線路長度為250km時理論計算用VSC直接啟動空載長線時線路末端工頻過電壓為1.04p.u，線路長度為500km時理論計算VSC直接啟動空載長線時線路末端工頻過電壓為為1.15p.u。仿真結果如圖6、7所示。VSC采用直接啟動方式時，在空載線路末端產生工頻過電壓(圖6)；當VSC采用柔性啟動方式后，工頻過電壓明顯降低(圖7)，并且基本上可以維持在1p.u。
本發明抑制合閘空載線路末端的操作過電壓的控制策略為控制B1處交流母線電壓有效值在一個工頻周波內從0.5p.u上升到1p.u，此時整流側控制系統同圖3，逆變側控制系統如圖5。空載線路在1.5s時合閘，采用VSC直接啟動與VSC采用圖5的控制系統的柔性啟動兩種啟動方式啟動，線路末端A相過電壓系數K，即過電壓幅值與穩態電壓幅值之比(其中穩態電壓即為工頻過電壓)，如圖8、9所示。
通過比較圖8、9啟動方式下線路末端操作過電壓得到，當線路長度為250km時其末端工頻過電壓為1.04p.u.，在此基礎上疊加產生的操作過電壓并不明顯(圖8)，但經過VSC柔性控制后末端操作過電壓逐漸上升到穩態電壓(圖9)，沒有沖擊；當線路長度增加后，合閘瞬間的操作過電壓明顯增大(圖10)，當VSC-HVDC采用柔性啟動后，如圖11，操作過電壓明顯減小。證明了在啟動初期降低工頻過電壓可以有效抑制其操作過電壓，采取此控制策略抑制操作過電壓是有效的。
權利要求
1、一種空載長線路的啟動方法，其特征是，它是將聯網的VSC-HVDC的逆變側通過斷路器(BRK)與要啟動的空載長線路(XL)直接相連，啟動時先閉合斷路器(BRK)，再使VSC-HVDC逆變器交流側帶電，并由逆變器控制線路電壓，使電壓有效值按指定曲線恢復。
2、根據權利要求1所述空載長線路的啟動方法，其特征是，所述逆變器控制線路電壓按下述方式恢復在長線路啟動開始1～5個工頻周期內，讓斷路器BRK接入點的交流母線電壓有效值從0.3～0.6p.u均勻上升到0.8～1p.u，并保證空載線路末端電壓不超過1.1p.u。
3、根據權利要求1所述空載長線路的啟動方法，其特征是，所述逆變器的調制度(m)由下式確定
換流器輸出電壓的基波分量(Uc)和交流母線電壓基波分量(Us)間的相角差由下式確定
其中，ucd、ucq、為dq0坐標系下交流側電壓；Ud為直流電壓。
全文摘要
一種空載長線路的啟動方法，屬輸配電技術領域，用于解決黑啟動過程中空載長線路的快速啟動問題。其技術方案是將聯網的VSC-HVDC的逆變側通過斷路器與要啟動的空載長線路直接相連，啟動時先閉合斷路器，再使VSC-HVDC逆變器交流側帶電，并由逆變器控制線路電壓，使電壓有效值按指定曲線恢復。本發明能有效抑制工頻過電壓以及合閘操作過電壓的產生，提高黑啟動速度，縮短大停電時間。
文檔編號H02H7/26GK101252277SQ20071018545
公開日2008年8月27日 申請日期2007年12月21日 優先權日2007年12月21日
發明者趙成勇, 李廣凱, 李庚銀, 盧向東, 營 孫, 李金豐 申請人:華北電力大學