HVDC單極—大地運(yùn)行情況下?lián)Q流變壓器直流偏磁建模仿真

林湘寧，相艷會，全江濤，阮 羚，魯俊生

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省電力公司 電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077，3.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074））

HVDC一般采用雙極兩端中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式.在系統(tǒng)調(diào)試或其中一級發(fā)生故障情況下，可以利用大地作為回線，采用單極—大地回線方式下運(yùn)行.此時(shí)，通過直流接地極流入大地電流將達(dá)到幾千安，如此大的入地電流會導(dǎo)致?lián)Q流變壓器中性點(diǎn)接地電位升高.直流電流流入換流變繞組，會引起換流變壓器直流偏磁，過大的直流偏磁使變壓器鐵芯趨于飽和，勵磁電流畸變，導(dǎo)致漏磁通增加，使變壓器振動加劇，噪聲增大，同時(shí)直流偏磁引起的鐵芯磁通飽和嚴(yán)重時(shí)，將出現(xiàn)不衰減的非對稱勵磁涌流，若此時(shí)變壓器發(fā)生經(jīng)高阻接地或小匝數(shù)匝間故障等弱故障時(shí)，由于差動電流中包含勵磁涌流將可能導(dǎo)致差動保護(hù)拒動［1-2］.

目前，對直流單極—大地運(yùn)行方式下電力變壓器直流偏磁的研究，主要集中在變壓器直流偏磁發(fā)生以后的運(yùn)行特性［3-4］以及變壓器抑制直流偏磁方法的研究［5-7］.但是，如何通過仿真的方式，在系統(tǒng)層面上對直流輸電單極運(yùn)行時(shí)傳輸功率與換流變壓器直流偏磁電流之間映射關(guān)系鮮有研究.

筆者運(yùn)用電磁暫態(tài)仿真計(jì)算軟件PSCAD采用實(shí)際參數(shù)，建立南方電網(wǎng)天廣直流輸電系統(tǒng)單極—大地運(yùn)行情況下模型，提出運(yùn)用電阻等效分流方法來引入換流變壓器中性點(diǎn)直流分量，并對各運(yùn)行工況下?lián)Q流變壓器直流偏磁程度進(jìn)行仿真研究，首次分析直流輸電功率對直流系統(tǒng)換流變壓器中性點(diǎn)電流的影響.

1 HVDC單極大地運(yùn)行變壓器直流偏磁主要研究方法

經(jīng)典接地極理論在分析大地電流分布特征時(shí)，需要對大地導(dǎo)電特性作出某種假設(shè)，之后采用有限元和邊界元算法計(jì)算接地極電流作用下的大地電流場分布以及地表電位分布，再根據(jù)電網(wǎng)直流通路，運(yùn)用場路耦合方法計(jì)算出變壓器中性點(diǎn)電流［8］.

文獻(xiàn)［9］在對直流單極大地運(yùn)行時(shí)換流變壓器直流偏磁的仿真研究中通過在交流側(cè)加電壓源引入直流分量.

直流輸電大地電流分布受土壤電阻率、地質(zhì)條件、土壤含水量、礦物含量、地埋金屬、輸電桿塔及架空地線分布、變壓器接地極、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等眾多因素影響.在研究系統(tǒng)運(yùn)行方式對換流變壓器中性點(diǎn)電流影響的時(shí)候，所有的電磁暫態(tài)仿真模型都沒有提供大地電阻模擬的方法，也缺少相應(yīng)的大地電阻基本模型.

現(xiàn)有研究也主要集中在兩方面，其中通過直接外加電源仿真無法在系統(tǒng)角度上分析變壓器的直流偏磁，而通過對大地進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，考慮各種影響因素的數(shù)值分析計(jì)算方法，計(jì)算復(fù)雜，而且通過簡化部分條件后計(jì)算數(shù)值也存在很大誤差.

在分析直流輸電大地電流對變壓器直流偏磁影響時(shí)，關(guān)注的重點(diǎn)是變壓器中性點(diǎn)直流電流的大小，并不一定需要了解大地電流場和地表電位分布細(xì)節(jié).而且對所有影響因素建立嚴(yán)格數(shù)學(xué)模型非常困難也沒有必要.因此，尋求一種能簡化模擬仿真直流單極大地運(yùn)行時(shí)變壓器中性點(diǎn)電流的方法具有實(shí)際意義.

2 換流變壓器直流偏磁仿真平臺的建立

天廣直流工程于1991年開始進(jìn)行可行性研究，1997年與德國西門子公司簽訂了供貨合同，2000年12月極1投入運(yùn)行，2001年工程全部建成.該工程為西電東送工程的一部分，它和天廣500kV交流輸電工程形成交直流并聯(lián)的輸電系統(tǒng).其直流工程為雙極±500kV，1 800A，1 800MW，西起天生橋水電站附近的馬窩換流站，東至廣州的北橋換流站，全長約960km.

筆者以天廣直流輸電系統(tǒng)工程為研究對象，依照其系統(tǒng)工程的實(shí)際參數(shù)，通過PSCAD／EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件建立包括交流系統(tǒng)、換流變圧器、整流／逆變器、交／直流濾波器、平波電抗器、直流輸電線路的高壓直流輸電模型，在CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)高壓直流輸電控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，搭建出天廣單極12脈動高壓直流輸電系統(tǒng)模型.仿真天廣直流輸電系統(tǒng)在單極—大地運(yùn)行工況下?lián)Q流變壓器直流偏磁情況，仿真對象為高壓側(cè)換流變壓器，其繞組為Y-Δ接線.

由于PSCAD無法直接仿真直流接地極入地電流在大地中的擴(kuò)散效應(yīng)，所以不能直接仿真由地電流引起的換流變壓器直流偏磁現(xiàn)象.筆者提出電阻等效分流方法，將接地極直流電流引入變壓器中性點(diǎn)來仿真實(shí)際系統(tǒng)中直流偏磁電流，即通過在換流變壓器中性點(diǎn)接地，直流接地極分別串聯(lián)電阻R1，R2，直流接地極電流主要部分經(jīng)過R2流入大地，其余小部分經(jīng)過電阻R1流入換流變中性點(diǎn).在此過程中，電阻R1，R2的大小可通過綜合考慮土壤電阻率、直流接地極、變壓器接地極等直流偏磁各種影響因素進(jìn)行設(shè)定.在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過現(xiàn)場錄波的情況，記錄HVDC系統(tǒng)單極—大地運(yùn)行時(shí)，不同輸送功率情況下，接地極的實(shí)際入地電流和流過相關(guān)交流變壓器的實(shí)際直流電流，對電阻值進(jìn)行擬合，使其符合直流電流的實(shí)際分布.則該模型即可用于該區(qū)域直流系統(tǒng)單極運(yùn)行時(shí)研究相關(guān)變壓器直流偏磁的基準(zhǔn)模型.綜上，通過電阻等效分流法，直流偏磁分析中復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算問題可等效轉(zhuǎn)換為直流電路問題進(jìn)行分析研究，而且能夠與系統(tǒng)的運(yùn)行方式形成緊密的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從系統(tǒng)而不是從單一設(shè)備的角度研究HVDC輸電系統(tǒng)對相鄰交流系統(tǒng)的影響.仿真模型如圖1所示.

圖1 直流單極大地運(yùn)行換流變壓器直流偏磁仿真模型示意Figure 1 Simulation diagram of convert transformer DC-biasing when HVDC system in ground return operation

3 換流變壓器直流偏磁仿真

為簡單起見，筆者只研究直流輸電單個(gè)直流接地極對換流變中性點(diǎn)直流電流的影響，不考慮多個(gè)直流接地極因?yàn)闃O性對變壓器中性點(diǎn)電流存在的加強(qiáng)或者抵消作用.

基于上述模型，在單極—大地運(yùn)行情況下，通過給出電阻初值R1=1Ω，R2=0.1Ω，研究直流輸電功率與變壓器中性點(diǎn)直流分量之間映射關(guān)系.

在所建模型中改變直流線路輸電電流來調(diào)節(jié)直流傳輸功率，從而得出直流單極—大地運(yùn)行時(shí)不同傳輸功率下直流系統(tǒng)運(yùn)行狀況.圖2，3分別為當(dāng)電阻初值R1=1Ω，R2=0.1Ω時(shí)，調(diào)節(jié)傳輸功率變化對應(yīng)的直流接地接電流與變壓器中性點(diǎn)電流.

由圖2，3可知，當(dāng)通過調(diào)節(jié)直流電流控制直流輸電功率由337.84MW變化到984.95MW時(shí)，直流接地極電流相應(yīng)地由590A增加到1 800A，變壓器中性點(diǎn)電流由20A增加到62A.變壓器中性點(diǎn)電流隨直流功率增大而增大且變化趨勢明顯.這與目前實(shí)測的變壓器中性點(diǎn)直流偏磁隨輸送功率變化特性趨勢上吻合，由此可得，所建模型能夠在特性上正確地仿真模擬換流變壓器的直流偏磁.

調(diào)節(jié)電阻初值使得R1=1Ω，R2=0.2Ω時(shí)，得出調(diào)節(jié)輸送不同功率后換流變壓器中性點(diǎn)電流與直流接地極電流，如圖4，5所示.

圖2 傳輸功率P=337.84MW時(shí)換流變壓器中性點(diǎn)電流與直流接地極電流Figure 2 Converter transformer neutral point current and DC grounding joint current when transmission power P=337.84MW

圖3 傳輸功率P=984.95MW時(shí)換流變壓器中性點(diǎn)電流與直流接地極電流Figure 3 Converter transformer neutral point current and DC grounding joint current when transmission power P=984.95MW

圖4 傳輸功率P=337.84MW時(shí)換流變壓器中性點(diǎn)電流與直流接地極電流Figure 4 Converter transformer neutral point current and DC grounding joint current when transmission power P=337.84MW

圖5 傳輸功率P=984.95MW時(shí)換流變壓器中性點(diǎn)電流與直流接地極電流Figure 5 Converter transformer neutral point current and DC grounding joint current when transmission power P=984.95MW

由圖2，4可知，當(dāng)輸送功率同為337.84MW，等值電阻由R1=1Ω，R2=0.1Ω變?yōu)镽1=1Ω，R2=0.2Ω時(shí)，換流變壓器中性點(diǎn)電流由20A增大到37A，同樣，當(dāng)輸送功率同為984.95MW，等值電阻由R1=1Ω，R2=0.1Ω變?yōu)镽1=1Ω，R2=0.2Ω時(shí)，換流變壓器中性點(diǎn)電流由62A增大到110A，由此可以說明，如果得到實(shí)測直流輸送功率與換流變壓器中性點(diǎn)電流關(guān)系，可以通過調(diào)節(jié)R1與R2比例來調(diào)節(jié)發(fā)生直流偏磁變壓器中性點(diǎn)直流電流，使仿真模型中換流變壓器中性點(diǎn)直流分量大小符合實(shí)際.

為進(jìn)一步研究換流變壓器中性點(diǎn)電流與直流接地極電流以及直流輸送功率關(guān)系，調(diào)節(jié)功率變化得出不同傳輸功率情況下?lián)Q流變壓器中性點(diǎn)電流，結(jié)果如表1所示.

對表1結(jié)果進(jìn)行二次擬合，繪制換流變壓器中性點(diǎn)電流隨直流傳輸功率變化曲線，如圖6所示.

表1 直流輸電傳輸功率與換流變壓器中性點(diǎn)電流關(guān)系Table 1 Relationship of converter transformer neutral point current and the transmission power

圖6 傳輸功率與換流變中性點(diǎn)電流關(guān)系曲線Figure 6 Converter transformer neutral point current and the transmission power curve

由圖6可知，換流變壓器中性點(diǎn)電流與傳輸功率呈線性化增長趨勢，主要原因是由于電路等值元件采用了具有線性化特征的電阻元件，考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中因?yàn)楦鞣N因素影響，換流變壓器中性點(diǎn)電流與輸送功率之間可能為非線性增長關(guān)系.

如前所述，為了能準(zhǔn)確地仿真直流系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下變壓器中性點(diǎn)直流分量，可以依據(jù)直流輸電工程在調(diào)試和運(yùn)行期間變壓器中性點(diǎn)監(jiān)測到的直流分量對電阻R1，R2進(jìn)行校核，此工作將在后續(xù)研究中進(jìn)行.

4 結(jié)論

筆者在建立的天廣直流模型基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用阻抗等值方法，對直流單極—大地運(yùn)行時(shí)換流變壓器直流偏磁進(jìn)行仿真，通過等值簡化對影響換流變中性點(diǎn)電流主要因素單一映射分析，在保證精度基礎(chǔ)上避免了進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算.該仿真方法具有實(shí)際運(yùn)用意義.

由于缺少工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，所以筆者選用的電路等值元件側(cè)重于對換流變壓器直流偏磁的原理性仿真，但是其結(jié)果以及變化趨勢總體符合實(shí)際，所提出的仿真方法能夠從系統(tǒng)角度對變壓器直流偏磁進(jìn)行仿真研究，為后續(xù)研究提供了一種可行性強(qiáng)且十分有效的研究思路.

如果條件足夠，可以收集系統(tǒng)調(diào)試以及運(yùn)行時(shí)錄波監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況分析直流接地極電流與變壓器中性點(diǎn)電流之間映射關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對電路等值元件進(jìn)行選擇和校核，根據(jù)分析結(jié)果等值元件也可以采用一些非線性元件，或?qū)⒏魈匦栽ㄟ^組合方式等值使仿真結(jié)果更精確.

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