新型與常規(guī)直流輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真分析

寧志毫

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

新型與常規(guī)直流輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真分析

寧志毫

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

分析了一種基于新型換流變壓器的直流輸電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于:換流變壓器閥側(cè)采用延邊三角形結(jié)構(gòu)，繞組連接處引出抽頭接濾波兼無功補(bǔ)償裝置，有效地將諧波抑制于閥側(cè)并部分地補(bǔ)償換流器所消耗的無功功率。通過分別采用固定電容器 (FC)和靜止無功補(bǔ)償器 (SVC)2種不同的無功補(bǔ)償方式，應(yīng)用PSCAD/EMTDC仿真工具對比分析了新型與常規(guī)直流輸電系統(tǒng)在典型故障下動(dòng)態(tài)恢復(fù)方面的特性。

直流輸電；無功補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)特性；新型換流變壓器

近年來，高壓直流輸電 (HVDC)以其遠(yuǎn)距大功率輸送、控制方式靈活的優(yōu)點(diǎn)在我國取得了長足的發(fā)展。但在交直流系統(tǒng)發(fā)生故障等擾動(dòng)情況下，可能引起直流輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過電壓、諧波不穩(wěn)定、換相失敗等問題，嚴(yán)重時(shí)還可能造成直流傳輸中斷，當(dāng)逆變側(cè)接弱交流系統(tǒng)時(shí)問題就更加突出〔1－3〕。因此，十分有必要研究HVDC系統(tǒng)在交直流系統(tǒng)故障或擾動(dòng)等情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

基于新型換流變壓器的直流輸電系統(tǒng)是具有不同于常規(guī)的直流傳輸系統(tǒng)，其充分利用了變壓器電磁耦合功能，在二次側(cè)實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償和諧波抑制，大大降低了變壓器鐵芯的諧波磁通，從根本上解決了諧波變壓器的不良影響。文獻(xiàn) 〔4—5〕介紹了新型直流輸電系統(tǒng)的接線方案和技術(shù)特點(diǎn)；文獻(xiàn)〔6〕基于CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)模型及其主電路參數(shù)，對新型直流輸電模型進(jìn)行了典型擾動(dòng)暫態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn) 〔7〕分析了新型直流輸電系統(tǒng)采用FC補(bǔ)償時(shí)的故障對交流系統(tǒng)的影響。

文中在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用PSCAD/EMTDC仿真軟件，分析了在系統(tǒng)發(fā)生典型故障時(shí)，分別采用不同無功補(bǔ)償方式下常規(guī)與新型直流輸電的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1 新型換流變壓器結(jié)構(gòu)及諧波磁通抑制原理

1.1 接線方案設(shè)計(jì)

常規(guī)的12脈動(dòng)直流輸電系統(tǒng)換流變閥側(cè)采用Y/△結(jié)構(gòu)，從而二次側(cè)繞組電壓滿足30°的相位關(guān)系，濾波方式為網(wǎng)側(cè)母線處安裝無源濾波器分流濾波。新型直流輸電系統(tǒng)的換流變采用延邊三角形結(jié)構(gòu)，其中延邊繞組接整流器及負(fù)載，公共繞組接感應(yīng)濾波裝置，上、下橋相應(yīng)繞組電壓需要分別前移和后移15°，使得二者的相位差為30°，進(jìn)而滿足12脈波變流系統(tǒng)的換相要求；同時(shí)，將常規(guī)HVDC交流側(cè)的濾波裝置移至換流變壓器的二次側(cè)中間抽頭處，將特征諧波抑制在換流變二次側(cè)，并達(dá)到大大降低變壓器鐵芯諧波磁通的目的。圖1給出了新型換流變壓器繞組及濾波裝置的接線方案。

圖1 新型換流變壓器及其濾波裝置接線圖

為了求得此變壓器繞組間的匝比約束關(guān)系，需要對圖1變壓器繞組的向量關(guān)系加以分析。由圖1可知，閥側(cè)二次負(fù)載繞組的電壓與二次濾波繞組端電壓存在如下關(guān)系:

式中 Ua1d1，Ub1d1，Ue1d1分別表示二次側(cè) A相延邊繞組、二次側(cè)B相延邊繞組、二次側(cè)B相角接三角形公共繞組的電壓；Ub1a1表示閥側(cè)A、B相的線電壓。假設(shè)一次繞組與二次繞組的線電壓比值為1，由式 (1)可求得新型換流變壓器滿足移相要求二次各繞組匝比關(guān)系:

1.2 諧波磁通抑制機(jī)理

文獻(xiàn) 〔4〕已從電路研究了新型換流變壓器諧波抑制原理，文中從磁路結(jié)構(gòu)揭示此感應(yīng)濾波變壓器及其組成的直流輸電系統(tǒng)在諧波抑制及變壓器鐵芯諧波磁通抑制方面的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

圖2 變壓器鐵芯諧波磁通流徑

在圖2中，鐵芯中諧波磁通φn為n次特征諧波電流I2n產(chǎn)生，其將在3個(gè)繞組中分別產(chǎn)生諧波電勢e1n， e2n， e3n。

鐵芯中諧波磁通可表示為:

φmn為n次諧波磁通幅值。

濾波繞組3上感應(yīng)的諧波電勢為e3n，表示為:

設(shè)z3n，zfn分別為第3濾波繞組及濾波裝置的n次諧波等值阻抗。當(dāng)濾波繞組3通過濾波器閉合時(shí)，諧波回路方程式為:

對于式 (5)，由于i3n是由i2n引起的，是1個(gè)范圍內(nèi)的值；當(dāng)達(dá)到感應(yīng)濾波條件，即z3n＋zfn為0或者趨近于0時(shí)，則e3n為0或者趨近于0。考慮式(4)，W3為1個(gè)大于0的常數(shù)，sinωt是1個(gè)隨時(shí)間變化的變量，因此，為滿足等式條件，必有φmn為0或趨近于0。也就是說，通過降低濾波支路的阻抗，就可降低變壓器鐵芯的諧波磁通，從而實(shí)現(xiàn)良好的濾波效果。

2 測試系統(tǒng)模型及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

2.1 基于新型換流變壓器的直流輸電測試系統(tǒng)模型

CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)是用于直流輸電控制研究的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，其控制策略具有普遍性，便于用各種仿真軟件在不同電路模型上進(jìn)行各種仿真研究，其直流系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖3。文中在該標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，在整流側(cè)和逆變側(cè)均采用新型換流變壓器及閥側(cè)雙調(diào)諧濾波器 (5/7，11/13次)取代原模型中的常規(guī)換流變壓器和網(wǎng)側(cè)雙調(diào)諧濾波器 (11，13次)，且不改變系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)交流及系統(tǒng)短路比 (SCR)，據(jù)此建立基于新型換流變壓器的新型直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，并與CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

2.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

圖3 CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)模型

圖4 基于新型換流變壓器的直流輸電測試系統(tǒng)模型

文獻(xiàn) 〔7〕對基于新型換流變壓器的直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了分析。直流輸電系統(tǒng)中換流變壓器消耗的無功是由交流濾波器和并聯(lián)電容器提供補(bǔ)償?shù)?，?dāng)系統(tǒng)無功補(bǔ)償裕度較小或考慮電壓穩(wěn)定等問題時(shí)，就需要用到SVC補(bǔ)償裝置。文中基于PSCAD/ EMTDC仿真軟件，在交流系統(tǒng)分別采用FC及SVC時(shí)，分析2種直流輸電測試系統(tǒng)模型不同故障下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。根據(jù)CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，F(xiàn)C的補(bǔ)償容量為125 Mvar，采用SVC時(shí)容量不變；對于新型直流輸電測試系統(tǒng)，SVC與濾波裝置并聯(lián)接至閥側(cè)抽頭處。為了便于對比，各種補(bǔ)償裝置均采用仿真軟件內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)。

2.2.1 整流側(cè)5個(gè)周波三相故障

圖5所示為采用FC補(bǔ)償時(shí)常規(guī)與新型直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)三相故障恢復(fù)特性對比?？梢钥闯觯滦椭绷鬏旊娤到y(tǒng)在故障后0.2 s后即恢復(fù)穩(wěn)定，但常規(guī)直流輸電系統(tǒng)經(jīng)過2次波動(dòng)、0.6 s后才恢復(fù)穩(wěn)定；同時(shí)，就整流器的觸發(fā)角而言，新型較傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的波動(dòng)小，系統(tǒng)穩(wěn)定性能好。

圖5 常規(guī)與新型系統(tǒng)整流側(cè)三相故障對比

2.2.2 逆變側(cè)5個(gè)周波三相故障

圖6 常規(guī)與新型系統(tǒng)逆變側(cè)三相故障對比

圖6 所示為采用FC補(bǔ)償時(shí)常規(guī)與新型直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)三相故障恢復(fù)特性對比?？梢钥闯觯瑑商紫到y(tǒng)故障恢復(fù)時(shí)間基本相同，但是后者在故障恢復(fù)過程中的系統(tǒng)功率跌幅明顯小于前者，且逆變器觸發(fā)波動(dòng)小，更利于系統(tǒng)故障恢復(fù)。

2.2.3 整流側(cè)5個(gè)周波三相故障 (SVC)

圖7 常規(guī)與新型系統(tǒng)整流側(cè)三相故障對比

圖7 所示為采用SVC補(bǔ)償時(shí)常規(guī)與新型直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)三相故障恢復(fù)特性對比。可以看出，兩套系統(tǒng)故障恢復(fù)時(shí)間基本相同，但是后者在故障恢復(fù)過程中的系統(tǒng)功率跌幅以及整流器觸發(fā)度及波動(dòng)方面具有一定的優(yōu)勢。

2.2.4 逆變側(cè)5個(gè)周波三相故障 (SVC)

圖8 常規(guī)與新型系統(tǒng)逆變側(cè)三相故障對比

圖8 所示為采用SVC補(bǔ)償時(shí)常規(guī)與新型直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)三相故障恢復(fù)特性對比。后者在故障恢復(fù)過程中的系統(tǒng)功率跌幅明顯小于前者，且逆變器觸發(fā)波動(dòng)小，系統(tǒng)穩(wěn)定性好且利于系統(tǒng)故障恢復(fù)。

3 結(jié)論

文中在介紹新型直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，對比分析了2種無功補(bǔ)償方案條件下新型與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的故障動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性，研究結(jié)論如下:

1)基于CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)模型，建立了采用感應(yīng)濾波裝置的新型直流輸電系統(tǒng)仿真模型，為研究新型直流輸電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

2)采用FC無功補(bǔ)償方案時(shí)，相比于傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)，新型直流輸電系統(tǒng)發(fā)生整流側(cè)三相故障時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)速度快、波動(dòng)小；發(fā)生逆變側(cè)三相故障時(shí)，兩者故障恢復(fù)特性基本相同。

3)采用SVC無功補(bǔ)償方案時(shí)，相比于傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)，發(fā)生整流側(cè)和逆變側(cè)三相故障時(shí)，新型直流輸電系統(tǒng)仍保持較好的故障恢復(fù)特性。

〔1〕李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行與控制 〔M〕.北京:科學(xué)出版社，1998.

〔2〕戴熙杰.特高壓直流輸電理論 〔M〕.北京:水利電力出版社，2009.

〔3〕趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù) (第2版) 〔M〕.北京:中國電力出版社，2011.

〔4〕羅隆福，李勇，劉福生，等.基于新型換流變壓器的直流輸電系統(tǒng)濾波裝置 〔J〕.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(12): 108-115.

〔5〕李季，羅隆福，許加柱，等.新型直流輸電系統(tǒng)故障恢復(fù)特性〔J〕.高電壓技術(shù)，2007，33(10):137-141.

〔6〕李勇，羅隆福，劉澤洪，等.新型直流輸電系統(tǒng)典型擾動(dòng)暫態(tài)響應(yīng)特性 〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(13):31-34.

〔7〕楊秀，陳鴻煜，靳希.高壓直流輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性的仿真研究 〔J〕.高電壓技術(shù)，2006，32(9):11-14.

Transient response characteristics of new and convention HVDC transmission system

NING Zhihao

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

A new HVDC transmission system based on the new converter transformer is analyzed.The tap at the linking point of the prolonged winding and the common winding of the secondary windings is connected with the LC resonance circuit.There will be no inductive harmonic current in the primary winding.Moreover，the active power that the converter needs can be partly compensated in the secondary winding.Finally，the PSCAD/EMTDC simulation tool is used to study the dynamic recovery performance of the new and convention HVDC system adopting several different var compensating devices in HVDC inverter－Fixed capacitor(FC)，static var compensator(SVC)when HVDC are subject to various typical faults.

HVDC；var compensating；transient response characteristics；new converter transformer

TM721.1

A

1008-0198(2015)05-0016-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.004

寧志毫 (1983)，男，河南洛陽人，博士，主要從事電能質(zhì)量分析與控制、新能源并網(wǎng)測試與評估等工作。

2014-10-15 改回日期:2015-06-16