CN106208033B - 轻型高压直流输电12脉波换流器的谐波不稳定性判断方法 - Google Patents

轻型高压直流输电12脉波换流器的谐波不稳定性判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻型高压直流输电12脉波换流器的谐波不稳定性判断方法，包括以下步骤：根据12脉波换流器开关函数调制理论，得到直流侧电流调制到交流侧的关系和交流侧电压调制到直流侧的关系；针对低次谐波，在t时刻，设定直流侧基频谐波电流Idc1(t)，直流侧谐波电流经换流器调制到交流侧为在t+Δt时刻，得到谐波电压变化为利用t+Δt时刻和t时刻的电流之比，得出单回直流线路谐波不稳定的工程判据当时，表明直流侧系统中电流将会不断放大，系统不稳定，谐波不稳定会被激发。本发明结合变压器的直流偏磁效应，引入直流偏磁系数，省去交流侧的负序阻抗参数，采用交流侧正序二次阻抗和直流侧基频阻抗来判断系统是否会发生谐波不稳定，更加准确可靠。

Description

轻型高压直流输电12脉波换流器的谐波不稳定性判断方法
技术领域
本发明涉及高压直流输电领域，具体涉及一种轻型高压直流输电(VSC-HVDC)12脉波换流器的谐波不稳定性判断方法。
背景技术
中国幅员辽阔，能源和负荷分布极不平衡，水电资源主要分布在西部地区，煤炭资源主要集中在华北和西北地区，然而负荷中心主要分布在东部沿海地区。因此，大容量远距离输电是不可避免的。与传统的交流输电技术相比，高压直流输电具有智能化程度高、传输容量大、损耗小、异步联网等优点，这使得其在远距离大容量输电以及异步联网工程中得到广泛应用。
随着我国多条高压直流输电工程的投入使用，在实际运行中高压直流输电系统给送端交流系统带来的一系列稳定性问题，逐渐引起了重视。其中，高压直流输电系统送端换流器引起的谐波不稳定问题成为亟待研究及解决的问题。
高压直流输电系统中送端谐波不稳定是指送端系统有扰动时，谐波振荡不衰减或者放大现象，主要表现为交流侧母线电压发生严重畸变，变压器中性点电流直流分量大幅上升。LOUIE K W，WILSON P，WACHAL R W等介绍了直流输电谐波不稳定产生的机理，指出谐波不稳定产生的主要原因是系统受到扰动后产生谐波，通过交直流系统的互补谐振以及饱和换流变压器的作用逐渐放大，出现谐波不稳定的现象。杨小兵基于开关函数调制理论，推导出了适用于六脉波换流器的开关函数。樊丽娟基于六脉波开关函数，考虑到谐波通过换流器在交/直流系统之间的互补谐振，推导出了交/直流互补谐振的判据来进行谐波不稳定问题的研究。HASEGAWA T，MATSUSHITAJ，OUE Y等指出系统在受到谐波的激发下，在直流侧产生基频谐波电流，通过换流器的调制作用在交流侧产生直流谐波电流，直流电流流入饱和变压器，产生大量二次谐波，其幅度高于其他各次谐波。魏玥在交/直流互补谐振的基础上推导出了考虑铁芯饱和的谐波不稳定的判据。
以上研究均是针对六脉波换流器，然而实际工程中大部分使用12脉波换流器，12脉波换流器在电路结构以及换流变压器参数配置与六脉波换流器存在差别，因此有必要对12脉波换流器的谐波不稳定问题进行专门研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种轻型高压直流输电12脉波换流器的谐波不稳定性判断方法，采用换流变压器直流偏磁效应的影响，在此基础上结合开关函数的调制效应，由电路原理出发，判定单回高压直流输电系统谐波的不稳定。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种轻型高压直流输电12脉波换流器的谐波稳定性判断方法，包括以下步骤：
步骤1：根据12脉波换流器开关函数调制理论，得到：
直流侧电流调制到交流侧的关系为式中，为t时刻交流侧(n+1)次正序谐波电流，为t时刻交流侧(n-1)次负序谐波电流，Idcn(t)为t时刻直流侧n次谐波电流；
交流侧电压调制到直流侧的关系为式中，为t时刻交流侧(n+1)次正序谐波电压，为t时刻交流侧(n-1)次负序谐波电压，Udcn(t)为t时刻直流侧n次谐波电压；
步骤2：针对低次谐波，在t时刻，设定直流侧基频谐波电流Idc1(t)，直流侧谐波电流经换流器调制到交流侧为式中，为t时刻交流侧2次正序谐波电流，为t时刻交流侧0次负序直流谐波电流，Idc1(t)为t时刻直流侧1次谐波电流；
根据电路原理得到式中，为t时刻交流侧2次正序谐波电压，为t时刻交流侧0次负序谐波直流电压，为交流侧2次正序谐波阻抗，为交流系统侧0次负序谐波阻抗；
设定变压器所产生的二次谐波电流分量和流入变压器直流电流之比为k，取k＝1，则交流侧二次谐波电压分量可以表示为
步骤3：在t+Δt时刻，变压器所产生的二次谐波从交流侧调制到直流侧，谐波电压变化为式中，Udc1(t+Δt)为(t+Δt)时刻正序二次谐波电压由交流侧调制到直流侧所产生的基频谐波电压；
进而得到式中，Zdc1为在平波电抗器的阀侧端口看来等效的基频谐波阻抗，Idc1(t+Δt)为Udc1(t+Δt)在(t+Δt)时刻产生的在直流侧的电流基频谐波分量；
代入k＝1，则得式中，Idc1(t+Δt)表示(t+Δt)时刻直流侧谐波电流的基频次谐波分量；
步骤4：利用t+Δt时刻和t时刻的电流之比，得出单回直流线路谐波不稳定的工程判据当时，表明直流侧系统中电流将会不断放大，系统不稳定，谐波不稳定会被激发；即在单回直流输电系统中，发生谐波不稳定的工程判据为
与现有技术相比，本发明的有益效果是：结合变压器的直流偏磁效应，加入直流偏磁系数，省去交流侧的负序阻抗参数，只采用交流侧正序二次阻抗和直流侧基频阻抗来判断系统是否会发生谐波不稳定，结果准确可靠。
附图说明
图1为12脉波换流器单回高压直流输电系统中谐波传递过程图。
图2为含12脉波整流器的单回直流线路模型图。
图3为12脉波换流器单回直流判据算例仿真直流侧电流图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明提供的轻型高压直流输电12脉波换流器的谐波不稳定性判断方法，包括以下步骤：
1)根据12脉波换流器开关函数调制理论，得到直流侧电流调制到交流侧的关系为：
式中，为t时刻交流侧(n+1)次正序谐波电流，为t时刻交流侧(n-1)次负序谐波电流，Idcn(t)为t时刻直流侧n次谐波电流；
交流侧电压调制到直流侧的关系为：
式中，为t时刻交流侧(n+1)次正序谐波电压，为t时刻交流侧(n-1)次负序谐波电压，Udcn(t)为t时刻直流侧n次谐波电压；
2)谐波不稳定一般考虑低次谐波；在t时刻，假设直流侧基频谐波电流Idc1(t)，直流侧谐波电流经换流器调制到交流侧为：
式中，为t时刻交流侧2次正序谐波电流，为t时刻交流侧0次负序直流谐波电流，Idc1(t)为t时刻直流侧1次谐波电流。根据电路原理则有：
式中，为t时刻交流侧2次正序谐波电压，为t时刻交流侧0次负序谐波直流电压，为交流侧2次正序谐波阻抗，为交流系统侧0次负序谐波阻抗；
此时，考虑换流变压器直流偏磁效应，假设变压器所产生的二次谐波电流分量和流入变压器直流电流之比为k，即使在最恶劣的情况下也是小于1，所以在此考虑最严重情况，取k＝1，所以交流侧二次谐波电压分量可以表示为：
3)在t+Δt时刻时，谐波从交流侧调制到直流侧，谐波电压变化为：
式中，Udc1(t+Δt)为(t+Δt)时刻正序二次谐波电压由交流侧调制到直流侧所产生的基频谐波电压；从而，
式中，Zdc1为在平波电抗器的阀侧端口看来等效的基频谐波阻抗，Idc1(t+Δt)为Udc1(t+Δt)在(t+Δt)时刻产生的在直流侧的电流基频谐波分量；
按前文所述，取k＝1，则：
式中，Idc1(t+Δt)表示(t+Δt)时刻直流侧谐波电流的基频次谐波分量；
4)利用t+Δt时刻和t时刻的电流之比，得出单回直流线路谐波不稳定的工程判定方法：
当时，则表明直流侧系统中电流将会不断放大，系统不稳定，谐波不稳定会被激发；所以在单回直流输电系统中，发生谐波不稳定的工程判定方法：
下面通过具体实施例子对本发明方法及效果进行进一步阐述。
如图1所示，在t时刻，直流侧存在谐波分量，经换流器调制到交流侧。如图2所示，模型交流侧系统经过一系列滤波装置由换流器与直流系统连接，换流器左侧为交流侧，右侧为直流侧，直流侧也设有一系列滤波装置。
如图2所示，模型参数如表1所示，变压器参数如表2所示。扰动设为交母线处三相短路，持续0.1s，选取只含整流器的交直流系统模型作为电力系统仿真算例，在软件PSCAD中仿真，交流侧电压设定为100kV，直流侧电压设定为100kV，换流器为CIGRE定电流控制。
表1算例参数设置
参数 R1[ohm] R2[ohm] R3[ohm] C1[uF] C2[uF] C3[uF] L1[mH] L2[mH] L3[mH]
算例 80.9 190.2 1 1200 397.49 22.066 6.207 300 818
表2变压器参数设置
额定容量(MVA) 绕组电压(kV) 漏抗(pu) 饱和电抗 磁化电流 拐点电压
80.118 100/41.099 0.13 0.2pu 2％ 1.25pu
在系统稳定的前提下，在软件PSCAD中采用频率阻抗扫描模块分别在交流侧和直流侧进行动态的频率扫描分析，以获得送端系统的交/直流阻抗——频率特性，得到交流侧正序二次阻抗值和直流侧基频阻抗值|Zdc1|＝210.00，此时根据阻抗频率扫描结果，带入单回直流判据可得，如表3所示。
表3单回直流线路铁心饱和谐波不稳定风险评估值
由表3得知，此时判据值为正，说明下一时刻的谐波电流比上前一时刻的谐波电流大于1，谐波将不断放大，将会发生谐波不稳定，与图3仿真结果结论一致。结果表明：判定单回高压直流输电系统谐波不稳定的方法能有效地判定系统是否发生谐波不稳定。

Claims (1)

1.一种轻型高压直流输电12脉波换流器的谐波不稳定性判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据12脉波换流器开关函数调制理论，得到：
直流侧电流调制到交流侧的关系为式中，为t时刻交流侧(n+1)次正序谐波电流，为t时刻交流侧(n-1)次负序谐波电流，Idcn(t)为t时刻直流侧n次谐波电流；
交流侧电压调制到直流侧的关系为式中，为t时刻交流侧(n+1)次正序谐波电压，为t时刻交流侧(n-1)次负序谐波电压，Udcn(t)为t时刻直流侧n次谐波电压；
步骤2：针对低次谐波，在t时刻，设定直流侧基频谐波电流Idc1(t)，直流侧谐波电流经换流器调制到交流侧为式中，为t时刻交流侧2次正序谐波电流，为t时刻交流侧0次负序直流谐波电流，Idc1(t)为t时刻直流侧1次谐波电流；
根据电路原理得到式中，为t时刻交流侧2次正序谐波电压，为t时刻交流侧0次负序谐波直流电压，为交流侧2次正序谐波阻抗，为交流系统侧0次负序谐波阻抗；
设定变压器所产生的二次谐波电流分量和流入变压器直流电流之比为k，取k＝1，则交流侧二次谐波电压分量表示为
步骤3：在t+Δt时刻，变压器所产生的二次谐波从交流侧调制到直流侧，谐波电压变化为式中，Udc1(t+Δt)为(t+Δt)时刻正序二次谐波电压由交流侧调制到直流侧所产生的基频谐波电压；
进而得到式中，Zdc1为在平波电抗器的阀侧端口看来等效的基频谐波阻抗，Idc1(t+Δt)为Udc1(t+Δt)在(t+Δt)时刻产生的在直流侧的电流基频谐波分量；
代入k＝1，则得式中，Idc1(t+Δt)表示(t+Δt)时刻直流侧谐波电流的基频次谐波分量；
步骤4：利用t+Δt时刻和t时刻的电流之比，得出单回直流线路谐波不稳定的工程判据当时，表明直流侧系统中电流将会不断放大，系统不稳定，谐波不稳定会被激发；即在单回直流输电系统中，发生谐波不稳定的工程判据为
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