CN103178764A - 柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法及系统，调节方法对联接变压器网侧或阀侧安装有载分接开关的联接变压器变比进行调节；包括下述步骤：分别计算有载分接开关安装在联接变压器网侧或阀侧的电网电压波动与联接变压器分接位置关系表；对联接变压器的变比进行调节。调节系统包括联接变压器、交流系统、电压源换流器；联接变压器连接在所述交流系统和电压源换流器之间。本发明在电网电压波动的情况下保证联接变压器阀侧电压与直流电压的比值不变，最大利用换流器的无功输出能力；保证换流器的调制比在最优范围内，利用现有的有载分接开关设备实现电压调节，技术成熟、成本可控；保证换流器不过载运行，降低设备成本。

Description

柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法及系统

技术领域

本发明涉及柔性直流输电（VSC-HVDC）技术领域，具体涉及一种柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法及系统。

背景技术

柔性直流输电技术灵活的应用性能，使其在城市电网互联、新能源并网以及无源负荷供电等领域有着极其广阔的应用前景。联接变压器是柔性直流输电系统的核心部件之一，联接变压器的参数设计直接影响到系统的运行性能。在已有的文献中，对柔性直流联结变压器的参数设计多集中于其额定变比，未见变压器分接开关设计与调节的相关报道。王姗姗的博士学位论文《模块化多电平VSC-HVDC系统主电路参数选择的理论和方法》中只对联接变压器阀侧电压额定值的选取进行了研究，没有考虑电网电压波动和换流器调制度比范围对换流器运行特性的影响。而常规直流输电中，换流变压器有载分接头调节主要有两种调节方式：①保持换流变压器阀侧空载电压恒定；②保持控制角（触发角或关断角）于一定范围。但是由于柔性直流输电技术的工作原理不同于常规直流，在变压器有载分接开关的设计上需要考虑的不是控制角（触发角或关断角），而是柔性直流换流器的调制比，因此在设计方法和调节方法上有很大的差异。

基于电压源换流器的柔性直流输电技术（VSC-HVDC）由于其卓越的可控性和灵活性，近年来发展迅速，工程应用不断增多。联接变压器是柔性直流输电系统中换流器与交流系统之间能量交换的纽带，是柔性直流输电系统的核心部件。联接变压器的参数影响着换流站的运行特性，特别是联接变压器的阀侧电压与换流电抗配合可以获得期望的功率运行区间，同时降低设备的制造成本；联接变压器阀侧电压与换流器的调制比相协调，可使换流器调制比运行于合适的范围，减少输出电压和电流的谐波量。

联接变压器在柔性直流输电系统中实现的主要功能有：

1、在交流系统和电压源换流器间提供换流电抗的作用；

2、将交流系统的电压进行变换，使电压源换流器工作在最佳的电压范围之内以减少输出电压和电流的谐波量，进而减小滤波装置的容量，甚至省去滤波装置；

3、将不同电压等级的换流器进行连接；

4、阻止零序电流在交流系统和换流站之间流动。

柔性直流输电基波等效原理图如图1，根据图1所示，当不计联接变压器和相电抗器的电阻时，联接变压器阀侧电压U_υ与换流器输出电压U_c的基频分量共同作用于联接变压器和相电抗器的等效电抗X，并决定了电压源换流器与交流系统间交换的有功功率P和无功功率Q分别为式（1）和式（2）：

$P=\frac{U_{\mathrm{\υ}}{U}_c}{X}\sin \mathrm{\δ}---\left(1\right);$

$Q=\frac{U_{\mathrm{\υ}}(U_c\cos \mathrm{\δ}-U_v)}{X}---\left(2\right);$

式中，

M为调制比，μ为直流电压利用率。

由式（1）和式（2）可知，联接变压器阀侧电压U_υ和调制比M影响换流器传输的有功和无功功率，而在柔性直流输电工程中，联接变压器网侧电压的波动是客观存在的，若忽略其影响，则整个输电系统在运行中可能出现无功出力受限或换流器电流超出额定值运行的状况，这直接影响了电压源换流器的运行性能和经济性。同时，还要保证换流器调制比运行于合适的范围内以获得较好的波形质量。这些问题可以通过动态调节变压器的有载分接开关来解决，相应的，联接变压器有载分接开关的调节方法就成为柔性直流输电工程中需要解决的重要技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法及系统，本发明保证联接变压器阀侧空载电压与直流电压的比值不随网侧电压波动改变，同时能够优化换流器调制比。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法，其改进之处在于，所述调节方法对联接变压器网侧或阀侧安装有载分接开关的联接变压器变比进行调节；所述方法包括下述步骤：

（1）分别计算有载分接开关安装在联接变压器网侧或阀侧的电网电压波动与联接变压器分接位置关系表；

（2）对联接变压器的变比进行调节。

其中，所述步骤（1）中，当有载分接开关安装在联接变压器网侧时，计算电网电压波动与联接变压器分接位置关系表包括下述步骤：

步骤A1：确定联接变压器网侧电压的稳态和暂态波动范围；

步骤B1：确定分接开关的调压范围；

步骤C1：确定有载分接开关的分接档距；

步骤D1：计算各分接位置的联接变压器变比；

其中，所述步骤A1中，所述联接变压器网侧电压的稳态和暂态波动范围由电网实际工况决定，或为±10%。

其中，所述步骤B1中，根据联接变压器的网侧电压稳态和暂态波动范围确定分接开关的调压范围，所述调压范围等于步骤A1联接变压器网侧电压的波动范围。

其中，所述步骤C1中，根据柔性直流输电系统对换流器无功输出能力的调节精度要求确定有载分接开关的档距。

其中，所述步骤D1中，计算各分接位置的联接变压器变比，得出电网一次侧电压与联接变压器变比的分接位置关系表，即“一次侧电压—变比”分接位置关系表。

其中，所述步骤（1）中，当有载分接开关安装在联接变压器阀侧时，计算电网电压波动与联接变压器分接位置关系表包括下述步骤：

步骤A2：确定联接变压器网侧电压的稳态和暂态波动范围；

步骤B2：初步确定分接开关的调压范围；

步骤C2：计算所述有载分接开关在最大和最小分接处的联接变压器变比；

步骤D2：将步骤C2中计算得到的最大最小联接变压器变比c2与步骤D1中得到的最大最小联接变压器变比d1进行比较；

步骤E2：确定阀侧有载分接开关的调压范围；

步骤F2：确定分接开关的档距；

步骤G2：计算各分接位置的联接变压器变比。

其中，所述步骤B2中，根据联接变压器的网侧电压波动范围确定分接开关的调压范围。

其中，所述步骤D2中，若c2的范围包含d1的范围，则取c2的范围作为分接开关的设计范围；若d1的范围包含c2的范围，则取d1的变比范围作为目标联接变压器变比范围。

其中，所述步骤E2中，计算目标变比和额定网侧电压条件下的联接变压器阀侧电压，所得联接变压器阀侧电压范围即为阀侧有载分接开关的调压范围。

其中，所述步骤F2中，根据柔性直流输电系统对换流器无功输出能力的调节精度要求确定有载分接开关的档距。

其中，所述步骤G2中，计算各分接位置的联接变压器变比，得出电网二次侧电压与联接变压器变比的分接位置关系表，即“二次侧电压—变比”分接位置关系表。

其中，所述步骤（2）中，对联接变压器的变比进行调节包括以下三种调节方式：

A、电网电压波动时的有载分接开关调节方法；

B、优化调制比运行范围的有载分接开关调节方法；

C、柔性直流输电系统降压运行时的有载分接开关调节方法。

其中，所述A包括：实时监测电网电压，当电网电压波动至分接位置关系表中额定位置外的其他值并持续3-7s时，在“一次侧电压—变比”分接位置关系表或“二次侧电压—变比”分接位置关系表查找最接近的联接变压器变比，并通过有载分接开关的控制系统将联接变压器有载分接开关调节至对应变比。

其中，所述B包括下述步骤：

I、采用反馈的方法，监测换流器的调制比M；

II、当调制比M指令值低于设计阈值（如0.7）且持续时间大于5s时，根据“一次侧电压—变比”分接位置关系表或“二次侧电压—变比”分接位置关系表将有载分接开关向变比增加的方向调节一档，继续监测调制比M，若调制比M仍低于0.7，则继续重复向变比增加的方向调节一档，直至调制比M落在最优范围（0.7~0.95）内；

III、若调制比M指令值高于设计阈值（如0.95）且持续时间大于5s时，则根据“一次侧电压—变比”分接位置关系表或“二次侧电压—变比”分接位置关系表将有载分接开关向变比减小的方向调节一档，继续监测调制比M，若M仍高于设计阈值0.95，则继续重复向变比减小的方向调节一档，直至调制比M落在最优范围（0.7~0.95）内。

其中，所述步骤C包括：当柔性直流输电系统降压运行时，如以kU_dc运行时，联接变压器阀侧电压相应调节为额定电压的k倍，即kU_υ；在“一次侧电压-变比”分接位置关系表或“二次侧电压-变比”分接位置关系表中查找最接近的变比，并通过有载分接开关的控制系统将变压器分接开关调节至对应变比；所述k＜1。

本发明基于另一目的提供的一种柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节系统，其改进之处在于，所述调节系统包括联接变压器、交流系统、电压源换流器；所述联接变压器连接在所述交流系统和电压源换流器之间。

其中，在所述联接变压器上安装有有载分接开关；所述有载分接开关用于调节换流器运行于最优的调制比范围内。

其中，所述联接变压器用于：

a、在交流系统和电压源换流器间提供换流电抗；

b、将交流系统的电压进行变换，使电压源换流器工作在最优的电压范围之内；

c、将不同电压等级的电压源换流器进行连接；

d、阻止零序电流在交流系统和电压源换流器之间流动。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、在电网电压波动的情况下保证联接变压器阀侧电压与直流电压的比值不变，从而最大利用换流器的无功输出能力；

2、保证换流器的调制比运行在最优范围内，从而得到较优的输出电压电流波形；

3、利用现有的有载分接开关设备实现电压调节，技术成熟、成本可控；

4、有载分接开关可根据绝缘设计成本安装在联接变压器网侧或者阀侧；

5、在电网电压负向波动时保证换流器不过载运行，降低设备成本。

附图说明

图1是柔性直流输电基波等效原理图；

图2是本发明提供的为联接变压器在额定参数下的运行区间示意图；

图3是本发明提供的电网电压波动至原来的1.1倍时换流器的运行区间变化示意图；

图4是本发明提供的电网电压波动至原来的0.9倍时换流器的运行区间变化示意图；

图5是本发明提供的电网电压一次侧和二次侧电压与联接变压器变比分接位置关系表；

图6是本发明提供的柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法及其系统，该方法包括两种调节方式，方式一：保持联接变压器阀侧空载电压与直流电压的比值恒定；方式二：保持换流器调制比在一定范围之内。

方式一主要用于交流电网本身的电压波动所引起的联接变压器阀侧空载电压与直流电压比值的变化。在根据系统运行要求设计好联接变压器阀侧额定电压与直流电压比值后，联接变压器的额定变比也就确定了。那么在系统电压为额定电压时，变压器的阀侧电压与直流电压比值即为设计值，从而能够得到期望的换流器功率运行区间。但是由于电网电压的波动及其他影响因素，该比值可能偏离设计值，从而无法得到期望的功率运行区间。如图2所示，为联接变压器在额定参数下的运行区间，若没有加装有载分接开关，当电网电压波动至原来的1.1时，阀侧电压与直流电压的比值也相应变化为原来的1.1倍，设为1.1U_υ，此时，换流器的运行区间变化为图3，其无功输出能力明显减小；相反，若电网电压波动至原来的0.9倍，阀侧电压与直流电压之比也相应变化为原来的0.9倍，即0.9U_υ，如图4所示，此时，虽然换流器的无功输出能力增大了，但是换流阀的电流应力超出了额定值，对换流系统也是不利的。若加装了有载分接开关并使用所述调节方法，在上述两种情况下均可保持换流器的运行区间为图2。

方式二保持换流器的调制比M运行于最优的范围之内。若调制比过低，会使换流器输出的电压电流谐波量增加，影响波形质量；若调制比太高，换流器无法达到，从而影响换流器的实际无功输出。因此，在实际运行中，应保证换流器运行于合适的调制比范围内。通过动态调节联接变压器的有载分接开关从而改变联接变压器阀侧电压与直流电压的比值，在达到无功输出要求的同时保持调制比在最优范围内。

针对柔性直流输电系统中联接变压器网侧电压波动的实际情况和调制比的运行范围要求，提出了在联接变压器网侧或阀侧加装有载分接开关进行调节，从而保证联接变压器阀侧电压与直流电压比值保持不变和优化调制比运行范围的解决方法，本发明提供的柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法流程如图6所示，该方法包括下述步骤：

（1）分别计算有载分接开关安装在联接变压器网侧或阀侧的电网电压波动与联接变压器分接位置关系表；

若有载分接开关安装在联接变压器网侧，则：

步骤A1：确定联接变压器网侧电压的稳态和暂态波动范围；

步骤B1：根据联接变压器的网侧电压波动范围确定分接开关的调压范围；

步骤C1：根据系统对换流器无功输出能力的调节精度要求确定分接开关的档距；

步骤D1：计算各分接位置的联接变压器变比，作出“一次侧电压-变比”对应关系表，即图5中的关系表1。

若有载分接开关安装在联接变压器阀侧，则计算步骤如下：

步骤A2：确定联接变压器网侧电压的稳态和暂态波动范围；

步骤B2：根据联接变压器的网侧电压波动范围初步确定分接开关的调压范围；

步骤C2：计算分接开关在最大和最小分接处的变压器变比；

步骤D2：将步骤C2中计算得到的最大最小变比范围c2与步骤D1中得到的关系表1中的最大最小变比范围d1进行比较，若c2的范围覆盖d1的范围，则取c2的范围作为分接开关的设计范围，若d1的范围覆盖c2，则取d1的变比范围作为目标变比范围；

步骤E2：计算目标变比和额定网侧电压条件下的联接变压器阀侧电压，所得联接变压器阀侧电压范围即为阀侧分接开关的调压范围。

步骤F2：根据系统对换流器无功输出能力的调节精度的要求确定分接开关的档距；

步骤G2：计算各分接位置的联接变压器变比，做出“二次侧电压—变比”对应关系表，即图5中的关系表3。

（2）对联接变压器的变比进行调节：

A、对电网电压波动时的分接开关进行调节：实时监测电网电压，当电网电压波动至分接位置关系表中额定位置外的其他值并持续3-7s时，在图5关系表1或者关系表3中查找最接近的变压器变比，并通过控制系统将变压器分接开关调节至对应变比。

B、对优化调制比运行范围的分接开关进行调节：采用反馈的方法，监测换流器的调制比M；当调制比M指令值低于设计阈值（如0.7）且持续时间大于5s时，根据“一次侧电压—变比”分接位置关系表或“二次侧电压—变比”分接位置关系表，即根据图5关系表1或者关系表3将有载分接开关向变比增加的方向调节一档（调制比偏高时，向变比减小的方向调节；调制比偏低时，向变比增加的方向调节），继续监测调制比M，若调制比M仍低于0.7，则继续重复向变比增加的方向调节一档，直至调制比M落在最优范围（0.7~0.95）内；若调制比M指令值高于设计阈值（如0.95）且持续时间大于5s时，则根据“一次侧电压-变比”分接位置关系表或“二次侧电压-变比”分接位置关系表将有载分接开关向变比减小的方向调节一档，继续监测调制比M，若M仍高于设计阈值0.95，则继续重复向变比减小的方向调节一档，直至调制比M落在最优范围（0.7~0.95）内。

C、对直流系统降压运行时的分接开关进行调节：当柔性直流输电系统降压运行，如以kU_dc（k＜1）运行时，联接变压器阀侧电压相应调节为额定电压的k倍，即kU_υ，在图5关系表1或者关系表3中查找最接近的变比，并通过控制系统将联接变压器分接开关调节至对应变比。关系表2是计算关系表3的一个中间过程。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (19)

1.一种柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述调节方法对联接变压器网侧或阀侧安装有载分接开关的联接变压器变比进行调节；所述方法包括下述步骤：

（1）分别计算有载分接开关安装在联接变压器网侧或阀侧的电网电压波动与联接变压器分接位置关系表；

（2）对联接变压器的变比进行调节。

2.如权利要求1所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤（1）中，当有载分接开关安装在联接变压器网侧时，计算电网电压波动与联接变压器分接位置关系表包括下述步骤：

步骤A1：确定联接变压器网侧电压的稳态和暂态波动范围；

步骤B1：确定分接开关的调压范围；

步骤C1：确定有载分接开关的分接档距；

步骤D1：计算各分接位置的联接变压器变比。

3.如权利要求1所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤A1中，所述联接变压器网侧电压的稳态和暂态波动范围由电网实际工况决定，或为±10%。

4.如权利要求1所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤B1中，根据联接变压器的网侧电压稳态和暂态波动范围确定分接开关的调压范围，所述调压范围等于步骤A1联接变压器网侧电压的波动范围。

5.如权利要求1所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤C1中，根据柔性直流输电系统对换流器无功输出能力的调节精度要求确定有载分接开关的档距。

6.如权利要求1所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤D1中，计算各分接位置的联接变压器变比，得出电网一次侧电压与联接变压器变比的分接位置关系表，即“一次侧电压-变比”分接位置关系表。

7.如权利要求1所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤（1）中，当有载分接开关安装在联接变压器阀侧时，计算电网电压波动与联接变压器分接位置关系表包括下述步骤：

步骤A2：确定联接变压器网侧电压的稳态和暂态波动范围；

步骤B2：初步确定分接开关的调压范围；

步骤C2：计算所述有载分接开关在最大和最小分接处的联接变压器变比； 

步骤D2：将步骤C2中计算得到的最大最小联接变压器变比c2与步骤D1中得到的最大最小联接变压器变比d1进行比较；

步骤E2：确定阀侧有载分接开关的调压范围；

步骤F2：确定分接开关的档距；

步骤G2：计算各分接位置的联接变压器变比。

8.如权利要求7所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤B2中，根据联接变压器的网侧电压波动范围确定分接开关的调压范围。

9.如权利要求7所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤D2中，若c2的范围包含d1的范围，则取c2的范围作为分接开关的设计范围；若d1的范围包含c2的范围，则取d1的变比范围作为目标联接变压器变比范围。

10.如权利要求7所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤E2中，计算目标变比和额定网侧电压条件下的联接变压器阀侧电压，所得联接变压器阀侧电压范围即为阀侧有载分接开关的调压范围。

11.如权利要求7所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤F2中，根据柔性直流输电系统对换流器无功输出能力的调节精度要求确定有载分接开关的档距。

12.如权利要求7所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤G2中，计算各分接位置的联接变压器变比，得出电网二次侧电压与联接变压器变比的分接位置关系表，即“二次侧电压—变比”分接位置关系表。

13.如权利要求1所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤（2）中，对联接变压器的变比进行调节包括以下三种调节方式：

A、电网电压波动时的有载分接开关调节方法；

B、优化调制比运行范围的有载分接开关调节方法；

C、柔性直流输电系统降压运行时的有载分接开关调节方法。

14.如权利要求13所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述A包括：实时监测电网电压，当电网电压波动至分接位置关系表中额定位置外的其他值并持续3-7s时，在“一次侧电压-变比”分接位置关系表或“二次侧电压-变比”分接位置关系表查找最接近的联接变压器变比，并通过有载分接开关的控制系统将联接变压器有载分接开关调节至对应变比。

15.如权利要求13所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述B 包括下述步骤：

I、采用反馈的方法，监测换流器的调制比M；

II、当调制比M指令值低于设计阈值且持续时间大于5s时，根据“一次侧电压—变比”分接位置关系表或“二次侧电压—变比”分接位置关系表将有载分接开关向变比增加的方向调节一档，继续监测调制比M，若调制比M仍低于0.7，则继续重复向变比增加的方向调节一档，直至调制比M落在最优范围0.7~0.95内；

III、若调制比M指令值高于设计阈值且持续时间大于5s时，则根据“一次侧电压—变比”分接位置关系表或“二次侧电压—变比”分接位置关系表将有载分接开关向变比减小的方向调节一档，继续监测调制比M，若M仍高于设计阈值0.95，则继续重复向变比减小的方向调节一档，直至调制比M落在最优范围0.7~0.95内。

16.如权利要求13所述的联接变压器有载分接开关的调节方法，其特征在于，所述步骤C包括：当柔性直流输电系统降压运行时，如以kU_dc运行时，联接变压器阀侧电压相应调节为额定电压的k倍，即kU_υ；在“一次侧电压—变比”分接位置关系表或“二次侧电压—变比”分接位置关系表中查找最接近的变比，并通过有载分接开关的控制系统将变压器分接开关调节至对应变比；所述k＜1。

17.一种柔性直流输电联接变压器有载分接开关的调节系统，其特征在于，所述调节系统包括联接变压器、交流系统、电压源换流器；所述联接变压器连接在所述交流系统和电压源换流器之间。

18.如权利要求17所述的联接变压器有载分接开关的调节系统，其特征在于，在所述联接变压器上安装有有载分接开关；所述有载分接开关用于调节换流器运行于最优的调制比范围内。

19.如权利要求17所述的联接变压器有载分接开关的调节系统，其特征在于，所述联接变压器用于：

a、在交流系统和电压源换流器间提供换流电抗；

b、将交流系统的电压进行变换，使电压源换流器工作在最优的电压范围之内；

c、将不同电压等级的电压源换流器进行连接；

d、阻止零序电流在交流系统和电压源换流器之间流动。 

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