VFTO作用下柔性直流換流系統(tǒng)寬頻模型研究

鄭陳達，蘭雁寧

（國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司，福建福州 350001）

0 引言

柔性直流輸電（以下簡稱柔直）換流站交流部分通常采用GIS組合電器的形式，以進一步減小占地面積。由于SF6氣體的特殊性質，在GIS部分的正常開關操作或設備帶電部分的對地閃絡，都有可能產生一種波頭極陡的瞬時電壓沖擊(VFTO)，其振蕩頻率一般在幾十kHz到幾十MHz之間[1]。一旦VFTO產生，很可能會對電力設備的安全運行巨大影響，一方面在設備間、設備內部造成極不均勻的電位分布從而破壞設備絕緣；另一方面VFTO中含有的諧波頻率還可能引起設備的諧振，從而進一步損壞設備[2]。因此，建立柔直換流系統(tǒng)組件高頻模型以研究VFTO作用下?lián)Q流閥內部過電壓分布具有現(xiàn)實意義，將為換流閥的絕緣設計與過電壓防護提供理論依據(jù)[3]。

目前對于電力系統(tǒng)設備寬頻建模問題常見的解決方案可分為三類[4]：（1）根據(jù)設備的物理特性建立其等值模型；（2）采取所謂的黑箱模型建立其等效模型；（3）將上述兩者結合起來，以原有等效模型為基礎對模型加以完善。文獻[5-8]分別對傳統(tǒng)高壓、特高壓直流系統(tǒng)進行了寬頻建模方法研究并提出可行的的模型。文獻[9、10]對柔性直流換流站部分設備提出了寬頻模型。文獻[11-13]由器件端特性出發(fā)提出一種網(wǎng)狀結構模型(NIF)，文中通過對實際設備大量的測量工作，表明該模型結構能夠充分反映出設備的寬頻特性。本文在此方法基礎上，根據(jù)實驗室內柔性直流仿真系統(tǒng)實測結果，建立換流系統(tǒng)組件寬頻模型，并在仿真軟件PSCAD/EMTDC內對VFTO入侵后換流系統(tǒng)的電壓響應進行了分析計算。

1 寬頻建模方法

1.1 雙端子設備寬頻模型[14，15]

電力器件的端口阻抗或導納參數(shù)在寬頻范圍內一定會出現(xiàn)一個或多個諧振點。根據(jù)電路理論相關知識，基本諧振單元可以分為串聯(lián)諧振單元和并聯(lián)諧振單元。其電路結構以及發(fā)生諧振的幅頻性分別如圖1(a)和1(b)所示，電路發(fā)生并聯(lián)諧振時，阻抗呈現(xiàn)為極大值，以波峰的形式反映在幅頻特性曲線上；與此相對應的是發(fā)生串聯(lián)諧振時，阻抗幅頻特性曲線呈現(xiàn)極小值。

圖1 基本諧振電路及其特性曲線Fig.1 Basic resonant circuits and characteristic curves

從阻抗的幅頻特性曲線看，常見的阻抗特性可大致分為兩類，反映在幅頻特性曲線上分別如圖2(a)、(b)所示。第一類曲線首先振蕩產生波峰，隨著頻率的升高產生另一個或幾個波峰；第二類是首先產生波谷，進而產生另一個或幾個波谷。

圖2 常見的兩類元件幅頻特性曲線Fig.2 Common types of component amplitude-frequency character?istic curves

圖2 (a)所示阻抗幅頻特性曲線中包含兩個波峰，這表明在對應的頻率范圍內，電路共發(fā)生了兩次諧振。若以波峰為目標將曲線分割為左右兩個部分，根據(jù)電路理論每部分曲線皆可等效表示為一個并聯(lián)諧振單元。如果這兩個并聯(lián)諧振單元的參數(shù)選取得當，那么將二者串聯(lián)起來，即可得到如圖3的等效電路。以此類推，如果在所關心的頻率范圍內共存在M個波峰，則可知組成其等效電路的并聯(lián)諧振單元有M個。同理，圖2(b)中對應頻率內包含兩個波谷，即隨著頻率上升產生了兩次串聯(lián)諧振，該曲線的等效電路由兩個串聯(lián)諧振單元構成。

圖2(a)中曲線左半部分I的對應等效電路為圖3中的并聯(lián)諧振單元I。在相對較低的頻段內，電路表現(xiàn)出較低的阻抗值。此時流過電容的電流遠小于流過電感電流，電路阻抗值基本由并聯(lián)的電阻R1以及電感L1的大小決定。電阻R1的阻值可以近似的取電路發(fā)生諧振時的阻抗值，在確定了電阻R1之后電感L1的值也可以初步確定。最后，利用電路發(fā)生諧振時頻率與電路中電感、電容參數(shù)之間的關系計算得到電容值C1。諧振單元所有元件參數(shù)能夠通過聯(lián)立方程（1）～（3）解得。

其中：Z0為諧振阻抗值；Z1為低頻阻抗值；f1為低頻頻率值；f0為諧振頻率值。

對于圖2(b)所示的情況，假設隨著頻率上升共產生M個波谷，那么組成該曲線等效電路的串聯(lián)諧振單元數(shù)為M，各串聯(lián)諧振單元參數(shù)可參照前述過程進行推導。

圖3 第一類幅頻特性對應電路Fig.3 Corresponding circuit of the first type amplitude-frequency characteristics

2.2 多端子設備寬頻模型

絕大多數(shù)電力設備可等效為多端網(wǎng)絡，對于多端網(wǎng)絡而言由于網(wǎng)絡內部存在耦合關系，需要借助不同的測量組合間接獲得網(wǎng)絡參數(shù)。NIF建模思路是通過將網(wǎng)絡內部的各種耦合集中體現(xiàn)在端子間的集中參數(shù)電路上，達到所得模型與實際設備外部等效的目的。

無源設備的NIF模型有以下特點：完全由阻抗（導納）元件構成網(wǎng)絡中各支路，網(wǎng)絡中不含任何形式電源；網(wǎng)絡中支路數(shù)與節(jié)點數(shù)的平方成正比，以m表示支路數(shù)，n表示節(jié)點數(shù)，那么二者關系可由式(4)表示。

例如，對任意三端子的無源設備而言，其NIF模型網(wǎng)絡如圖4所示，圖中A、B、C分別表示設備的三個獨立端子。

圖4 三端設備相應的NIF模型示意圖Fig.4 NIFmodel of three-nodedevice

結合電路理論知識，直接求取圖4中各支路導納“yab”、“ybc”、“yac” 存 在 一定困難，而通過對端子的開路或短接組合則能夠間接地得到這些參數(shù)。仍然以圖（4）為例，將端子“C”作為接地端，表1對采取的測量組合方式作了簡要說明。其中符號“E”代表向該端子施加激勵；符號“G”代表該端子為接地端子。例如在組合“1”情況下，“B”為接地端子，測量支路“AC”導納參數(shù)；組合“2”的情況下，“A”為接地端子，測量支路“BC”導納參數(shù)；組合“3”情況下，對端子“A”與“B”同時施加激勵，測量支路“AC”導納參數(shù)。

表1 對三端設備的測量組合Table1 Measurement combination for threeterminal equipment

若設上述測量中每次測得的導納參數(shù)按順序分別為“y1”、“y2”、“y3”，“Yn”與“Yd”分別如式 （6）、（7） 所示。那么由式（8）、（9）即可解得圖1中模型各支路導納參數(shù)。

對于表1所示這一測量組合，其關聯(lián)矩陣C可按照一定規(guī)則獲得，即將模型中各支路與矩陣C的每一列相對應，同時表1中各種組合與矩陣C的每一行相對應。具體規(guī)則如下，對于每一行元素而言，當其代表的支路任一端在表格中表示為“E”時該元素為“1”，否則為“0”；若其代表的支路兩個端子均為“E”，此時該元素為“0”。那么顯然根據(jù)圖1結合表1可得此時的關聯(lián)矩陣C如式5所示。

3 換流系統(tǒng)組件寬頻模型

3.1 概述

圖5 換流系統(tǒng)組件連接示意圖Fig.5 Connection of converter system

柔直換流系統(tǒng)由換流變壓器以及換流閥構成，這里給出換流變壓器及與之相連接的一條橋臂結構拓撲，如圖5所示。換流變壓器連接交流電網(wǎng)及換流閥；橋臂電抗器以及若干個子模塊串聯(lián)組成換流閥橋臂。所有設備參數(shù)的測量結果均做歸一化處理。將橋臂電抗器、橋臂子模塊作為雙端子設備處理，換流變壓器作為三端子設備處理。通過網(wǎng)絡分析儀測量各組件的寬頻阻抗參數(shù)，頻率范圍為100 kHz～30 MHz，經前文所述方法建立這些組件寬頻電路模型。

3.2 橋臂子模塊寬頻模型

子模塊采用半橋結構，圖6為橋臂子模塊寬頻模型，圖7為實測阻抗特性曲線同寬頻模型阻抗特性曲線對比。

圖6 子模塊寬頻模型Fig.6 Broadband model of SM

圖7 子模塊寬頻阻抗幅頻特性對比Fig.7 Comparison of impedancecharacteristic curve

3.3 橋臂電抗器寬頻模型

圖8 為橋臂電抗器寬頻模型，圖9為實測阻抗特性曲線同寬頻模型阻抗特性曲線對比。

圖8 橋臂電抗器寬頻模型Fig.8 Broadband model of bridgearmreactor

3.4 換流變壓器寬頻模型

換流變壓器采用單相雙繞組變壓器，聯(lián)結組別為Ii0。變壓器各支路標號如圖10所示。圖11為換流變壓器模塊各支路寬頻模型，圖12(a)～(c)分別為對應支路實測阻抗特性曲線同寬頻模型阻抗特性曲線對比。

圖10 換流變壓器NIF模型Fig.10 NIFmodel of converter transformer

圖11 換流變壓器寬頻模型Fig.11 Broadband model of converter transformer

4 VFTO對換流系統(tǒng)的影響分析

根據(jù)圖5中各組件連接方式在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型。以節(jié)點“1”作為電壓輸入點，節(jié)點“1’”為參考點，輸入圖13所示電壓波。圖14(a)～14(c)分別為換流變壓器、橋臂電抗器以及串聯(lián)子模塊兩端電壓響應波形，這里以輸入的電壓作為基準值，不難看出，雖然換流變壓器與橋臂電抗器對輸入電壓起了一定的削弱作用，但串聯(lián)子模塊兩端仍將承受超過50%的電壓峰值；另一方面，圖15給出此時各組件承受電壓幅頻特性對比，由圖可知，換流變壓器以及橋臂電抗器對輸入的高頻電壓削弱程度有限，絕大多數(shù)的高頻電壓將會直接作用在子模塊上。

圖12 換流變壓器寬頻阻抗幅頻特性對比Fig.12 Comparison of impedancecharacteristic curve

圖13 電壓輸入波形Fig.13 Input voltagecurve

圖14 各組件響應電壓波形Fig.14 Output voltagecurveof components

圖15 各組件響應電壓幅頻特性對比Fig.15 Comparison of amplitude-frequency characteristic of components

5 結論

本文通過對柔性直流換流系統(tǒng)組件的寬頻參數(shù)測量，建立了各組件的寬頻電路模型，模型的準確性令人滿意。在此基礎上，通過計算機仿真分析計算了VFTO作用下各組件的電壓響應，結果表明，雖然換流變壓器等設備對VFTO幅值有一定限制作用，但無法有效組織高頻電壓侵入換流閥子模塊，而對于由大功率電力電子器件組成的子模塊而言，這樣的高頻電壓具有很強的破壞性，因此有必要引起設備制造商以及設計部門的注意。