柔性直流輸電系統(tǒng)主回路換相電感的參數(shù)設(shè)計

莊明振,高 磊,李 丹,袁 滿

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)新疆電力公司吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000)

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柔性直流輸電系統(tǒng)主回路換相電感的參數(shù)設(shè)計

莊明振1,高 磊2,李 丹1,袁 滿1

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)新疆電力公司吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000)

柔性直流輸電系統(tǒng)的換相電感是電網(wǎng)側(cè)與換流器側(cè)進(jìn)行能量交換的紐帶,其取值大小影響著系統(tǒng)的運(yùn)行行為以及經(jīng)濟(jì)性。筆者基于以往換相電感參數(shù)設(shè)計基礎(chǔ)上,從電感參數(shù)與系統(tǒng)功率傳輸、電流快速跟蹤以及諧波電流抑制的關(guān)系出發(fā)進(jìn)行了電感參數(shù)設(shè)計。同時利用PSCAD/EMTDC仿真了電感在適用范圍內(nèi)、外兩種情況,其對比分析結(jié)果驗證了該電感設(shè)計方法的正確性。

功率傳輸;電流快速跟隨;諧波電流抑制;PSCAD/EMTDC仿真

基于電壓源換流器(VSC)和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)的柔性直流輸電系統(tǒng)極大地增大了輸電的靈活性,在可再生能源并網(wǎng)、孤島供電、分布式發(fā)電并網(wǎng)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。柔性直流輸電系統(tǒng)包括兩端交流系統(tǒng)、兩個換流站、直流輸電線、濾波器、變壓器、換相電感以及穩(wěn)壓電容等。

換相電感作為柔性直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,可以隔離電網(wǎng)與電壓源換流器、抑制諧波電流等,對整個系統(tǒng)的性能起到了至關(guān)重要的作用。關(guān)于換相電感的參數(shù)設(shè)計,文獻(xiàn)[3-4]介紹的方法是針對整流器或者多端直流輸電的橋臂電感而設(shè)計,但對柔性直流輸電系統(tǒng)不能直接應(yīng)用;文獻(xiàn)[5]提出的設(shè)計方法適用于柔性直流輸電系統(tǒng),但是沒有對電感取值。對此,本文考慮電感與系統(tǒng)功率傳輸、快速電流跟蹤、諧波電流抑制的關(guān)系,提出了主回路中換相電感的參數(shù)設(shè)計方法。同時,在電感參數(shù)滿足本文方法要求與不滿足本文方法要求兩種情況下,利用電磁仿真軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真對比分析,其結(jié)果證明了該設(shè)計方法的可行性。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)基本原理

本文采用的兩端柔性直流輸電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 兩端柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

(1)

由式(1)可知,有功功率的傳輸主要依靠于Uc與θ,通過控制Uc與θ可以改變有功功率的大小與傳輸方向。

通過以上分析,可將換相電感的作用歸納如下:

1) 隔離電網(wǎng)側(cè)與電壓源換流器側(cè)。

2) 抑制輸入電流中的諧波,使電流連續(xù),從而使得換流器交流側(cè)電流正弦化。

3) 完成能量的存儲和傳輸,控制能量雙向流動等[6-7]。

2 柔性直流輸電系統(tǒng)電感設(shè)計

2.1 考慮系統(tǒng)功率傳輸要求

柔性直流輸電系統(tǒng)的主要功能是傳輸功率,電感作為儲能元件,其取值制約著系統(tǒng)功率傳輸能力。電壓源換流器交流側(cè)矢量圖如圖2所示。

圖2 電壓源換流器交流側(cè)矢量圖

Uam=Usm+ωLIm

(2)

式中:Uam為換流器交流側(cè)相電壓峰值;Usm為網(wǎng)側(cè)相電壓峰值;Im為流過電感的相電流峰值。

則電感取值為

(3)

為保證電壓源換流器的正常工作,對直流電壓有如下要求:

Uam≤λEdc

(4)

聯(lián)立式(2)、(3)、(4)可得:

2.2 考慮快速電流跟蹤要求

設(shè)Sl(l=a、b、c)表示整流橋橋臂上三相電壓開關(guān)狀態(tài)的單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)[9],則

電壓源換流器交流側(cè)電壓為

換流站交流側(cè)微分方程為

在電流過零點附近實際電流i與參考電流i*如圖3所示。

穩(wěn)態(tài)條件下,當(dāng)0≤ωt≤T1時,Sa=0,則

當(dāng)T1≤ωt≤T2時,Sa=1,則

滿足電流快速跟蹤時,需要

為了取得最大的電流跟蹤速率,Sb=1,Sc=1,T1=Ts,則

圖3 電流過零點處跟蹤圖

2.3 考慮抑制諧波電流要求

電壓源換流器是基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的非線性電力電子器件,因此在柔性直流輸電系統(tǒng)中存在大量諧波[10]。在正弦波電流峰值附近,諧波電流波動最大,這時電感應(yīng)該設(shè)計的足夠大,才能滿足抑制電流諧波的要求?？紤]在電流峰值附近的一個PWM周期內(nèi)電流跟蹤過程,在電流峰值附近一個PWM周期內(nèi)的實際電流i與參考電流i*波形如圖4所示。

圖4 電流峰值處跟蹤圖

在峰值電流附近很小的一個PWM周期內(nèi),認(rèn)為參考電流i*是一條直線,實際電流在一個周期內(nèi)的充放電量應(yīng)盡量相同。在0≤ωt≤T1時,換流器A相下橋臂開通,電路給電感充電,電流上升,實際電流增長量為|Δi1|,此時有

則可得到

(5)

在T1≤ωt≤T2時,換流器A相上橋臂導(dǎo)通,電感放電,實際電流下降,下降量為|Δi2|,此時有

則可得到

(6)

為使峰值附近電流波動更小,須使

|Δi1|=|Δi2|

(7)

由式(5)、(6)、(7)得電感的取值范圍如下:

其中,Δimax在工程上一般取相電流基波峰值的20%左右。

3 算例分析

為了驗證電感參數(shù)設(shè)計方法可行性,針對一個實際系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,利用PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)參數(shù)如下:交流母線線電壓有效值為110 kV,經(jīng)一個110/10 kV的變壓器進(jìn)行隔離;電壓變?yōu)?0 kV;傳輸?shù)挠泄β蕿? MW;無功功率為2 Mvar;系統(tǒng)頻率為50 Hz;PWM載波頻率為3000 Hz;直流側(cè)電壓為25 kV。根據(jù)本文的設(shè)計方法,電感參數(shù)滿足系統(tǒng)功率傳輸要求時,必須小于0.03 H;滿足快速電流跟蹤要求時,必須小于0.12 H;滿足抑制諧波要求時,必須大于0.014 H,最終確定電感參數(shù)為0.03 H。電感參數(shù)越小,系統(tǒng)功率傳輸和快速電流跟蹤的要求越易滿足;參數(shù)越大,抑制諧波電流的要求越易滿足。為了增強(qiáng)對比性,本文在電感取值為0.03 H和0.05 H時,對系統(tǒng)分別進(jìn)行了仿真分析。系統(tǒng)傳輸功率如圖5所示,交流側(cè)A相電流如圖6所示,直流側(cè)電壓如圖7所示。

圖5 系統(tǒng)傳輸功率示意圖

從圖5(a)看出,電感設(shè)計為0.03 H時,輸送的有功功率為5 MW,無功功率為2 Mvar,系統(tǒng)功率輸送正常;從圖5(b)可以看出,電感設(shè)計為0.05 H時,系統(tǒng)功率傳輸?shù)囊鬅o法滿足,系統(tǒng)可能面臨崩潰的風(fēng)險。從圖6(a)看出,電感設(shè)計為0.03 H時,送端交流側(cè)電流為正弦波,電流在過零點處響應(yīng)迅速,在峰值處存在微小諧波;從圖6(b)可以看出,電感設(shè)計為0.05 H時,雖然電流峰值處諧波有所減小,但是無法滿足電流過零點處的快速跟蹤要求,交流側(cè)電流不再是正弦波。從圖7可以看出,直流電壓維持在25 kV。

圖6 交流側(cè)A相電流圖

圖7 直流側(cè)電壓示意圖

4 結(jié) 語

柔性直流輸電系統(tǒng)主回路換相電感參數(shù)設(shè)計需要考慮多個方面的因素,本文考慮滿足系統(tǒng)功率傳輸、電流快速跟蹤、諧波電流抑制等方面進(jìn)行分析,給出了電感參數(shù)選擇的適用范圍。滿足系統(tǒng)功率傳輸要求時,電感參數(shù)越小越好;滿足電流快速跟蹤要求時,電感參數(shù)越小越好;滿足諧波電流抑制要求時,電感參數(shù)越大越好。同時,利用PSCAD/EMTDC平臺仿真了電感參數(shù)滿足以上要求以及電感參數(shù)不滿足以上要求兩種情況,其仿真結(jié)果驗證了本文提出電感設(shè)計方法的正確性。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Parameter design of commutation inductance of main circuit of VSC-HVDC transmission system

ZHUANG Mingzhen1, GAO Lei2, LI Dan1,YUAN Man1

(1.Electrical Engineering College, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China;2.State Grid Xinjiang Power Company, Turpan Power Supply Company, Tulufan 838000, China)

The commutation inductance of VSC-HVDC transmission system is the tie to energy exchange between grid side and converter side.Besides, its value affects the running behavior and the economical efficiency of the system.The author, according to the previous parameter design of commutation inductance, designed the inductance parameter from the aspect of power transmission, fast current tracking and harmonic current suppressing.Through the simulation of inductance in and not in the scope of application via PSCAD/EMTDC, the result verifies the correctness of the design method.

power transmission;fast current tracking;harmonic current suppressing;PSCAD/EMTDC simulation

2016-04-26。

莊明振(1989—),女,碩士研究生,研究方向為柔性直流輸電。

TM721.1

A

2095-6843(2016)05-0447-04