CN106953312B - 多桥换流器高压直流输电送端谐波不稳定抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多桥换流器高压直流输电送端谐波不稳定抑制方法,包括:在正常运行时,系统通过合理安排开机数降低系统谐波不稳定的风险;通过调节换流变压器分接头降低直流运行电压;将一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器;切除另一12脉波换流器,将系统从双极运行方式切换成单极运行方式;将剩余一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器;切除一12脉波换流器后,剩余的12脉波换流器切除,至此系统完全双极闭锁,不再具有输送能力。本发明根据高压直流输电系统送端直流偏磁下不同工况下多桥换流器的谐波不稳定情况,给出的提高系统谐波稳定性的措施,能较好地抑制谐波不稳定。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统稳定分析领域,具体涉及一种多桥换流器高压直流输电送端谐波不稳定抑制方法。
背景技术
高压直流输电系统在实际运行过程中会出现直流输电线路谐波放大、换流母线电压畸变、变压器中性点直流电流增大等现象,会引发送端系统功率振荡和电压振荡,严重时导致送端系统直流闭锁,对电力系统的安全稳定运行构成了严重威胁。因此,研究多桥换流器高压直流输电系统送端不同工况直流偏磁下谐波不稳定问题具有重要的意义。
对于谐波不稳定问题国内外已经有了许多研究,这些研究指出系统谐波不稳定主要是因为系统受到扰动或局部谐振后产生一个小谐波,该小谐波又通过交直流系统的互补谐振及饱和换流变压器的作用逐渐放大,进而导致系统谐波不稳定。
直流电流流入饱和变压器,会产生大量二次谐波,且其幅度高于其他各次谐波。过去的研究均是针对6脉波换流器,基于开关函数调制理论,推导出适用于6脉波换流器的开关函数,进而考虑谐波通过换流器在交直流系统间的交互调制,推导出交直流互补谐振判据,又考虑换流变压器的直流偏磁推导出6脉波换流器直流偏磁下谐波不稳定判据。然而实际工程中大部分使用双极单12脉波换流器和双极双12脉波换流器,换流桥的增加在提高系统输送功率及运行电压同时,也改变了系统谐波不稳定的响应特性,且不同工况下系统谐波不稳定响应特性也有差别,因此有必要对不同工况下多桥换流器直流偏磁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多桥换流器高压直流输电送端谐波不稳定抑制方法,有效提高高压直流输电系统的稳定性。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种多桥换流器高压直流输电送端谐波不稳定抑制方法,包括以下步骤:
步骤1:在正常运行时,系统通过合理安排开机数降低系统谐波不稳定的风险;
步骤2:当系统在机组检修以及系统开机数最大,也无法保证系统谐波稳定性要求时,则应采用紧急情况下的谐波不稳定抑制措施,包括:
步骤2.1:通过调节换流变压器分接头降低直流运行电压;
步骤2.2:在采用步骤2.1后,系统谐波不衰减,但增长幅度减小,则将一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器;
步骤2.3:在采用步骤2.2后,系统谐波不衰减,但增长幅度减小,在步骤2.2基础上切除另一12脉波换流器,将系统从双极运行方式切换成单极运行方式;
步骤2.4:在采用步骤2.3后,系统谐波不衰减,但增长幅度减小,则将剩余一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器;
步骤2.5:在采用步骤2.4后,系统谐波不衰减,但增长幅度减小,则将步骤2.4中切除一12脉波换流器后,剩余的12脉波换流器切除,至此系统完全双极闭锁,不再具有输送能力。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:根据高压直流输电系统送端直流偏磁下不同工况下多桥换流器的谐波不稳定情况,给出相应的提高系统谐波稳定性的措施,能较好地抑制高压直流输电系统的谐波不稳定。
附图说明
图1为单极换流器PSCAD模型。
图2为双极换流器PSCAD模型。
图3为本发明步骤1不同阻抗比值实例仿真。
图4为本发明步骤2.3单极和双极换流器算例仿真。
图5为本发明步骤2.2和步骤2.4单脉波和双脉波换流器算例仿真。
图6为本发明步骤2.1直流系统降压运行算例仿真。
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。
本发明还推导出了谐波不稳定判据。具体如下:
一:根据开关函数理论,基于6脉波换流器的直流电压以及交流换相电流得到6脉波换流器开关函数系数,在此基础上考虑多桥换流器交流电流和直流电压的叠加得到多桥换流器开关函数系数,包括单极单12脉波换流器、单极双12脉波换流器、双极单12脉波换流器和双极双12脉波换流器。
二:以单极单12脉波换流器为例说明谐波通过换流器的放大过程,推导出其谐波不稳定判据以此类推出单极双12脉波换流器、双极单12脉波换流器和双极双12脉波换流器的谐波不稳定判据。
三:根据步骤二提出的谐波不稳定判据,分析影响谐波不稳定因素,进而提出改进措施。
所述步骤一根据开关函数调制理论推导的换流器开关函数系数,具体包括:
1.1)根据开关函数调制理论,直流电压可看成交流电压经过开关函数调制而得,交流电流看成由直流电流经过开关函数调制而得,表示为
其中,ud和id为直流电压和电流;ua、ub、uc为换流器阀侧三相换相电压;ia、ib、ic为三相换相电流;Sia、Sib、Sic表示电流的开关函数,Sua、Sub、Suc表示A、B、C相对应电压的开关函数。
1.2)单极单12脉波换流器副边三角型绕组换相电压与副边星形绕组换相电压幅值相等,相角相差π/6,电流向量满足
其中,ia1为第1个换流桥a相换相电流;ia2和ib2为第2个换流桥a、b相换相电流。
1.3)ud1和ud2为两个换流桥直流侧输出电压,则12脉波换流器直流侧输出电压
1.4)根据上述分析,得单极单12脉波换流器开关函数系数
Aun、Ain分别为6脉波换流器电压、电流开关函数系数,则单极单12脉波换流器开关函数系数是6脉波换流器2倍,同理得:单极双12脉波换流器开关函数是6脉波换流器4倍,双极单12脉波换流器电流开关函数系数和电压开关函数系数分别是6脉波换流器的4倍和2倍,双极双12脉波整流器交流电流和直流电压开关函数系数分别是6脉波换流器的8倍与4倍。
所述步骤二:以单极单12脉波换流器为例说明谐波通过换流器的放大过程,推导出其谐波不稳定判据,以此类推出单极双12脉波换流器、双极单12脉波换流器和双极双12脉波换流器的谐波不稳定判据,具体包括:
2.1)将换流器直流侧有一基频谐波电流Idc1(t)和换流器电流开关函数系数代入步骤1.1)的公式中,得到换流变压器阀侧谐波电流,并采用对称分量法重新表示谐波电流并化简取其傅里叶分解第一项,可得经换流器调制后换流变压器阀侧谐波电流
2.2)考虑最严重情况:与同相位,且所占比值k为1,可得系统换流变压器网侧二次谐波电流
2.3)换流变压器网侧二次谐波电压Uac2(t)的大小为
2.4)电压开关函数系数和谐波电压代入步骤1.1)的公式中,再化简取其傅里叶分解第一项可得Δt时间后调制回直流侧谐波电压为
其中,Udc1为直流侧基频谐波电压;Zdc1为直流侧基频谐波阻抗。
2.5)经过一个调制周期后,直流侧的基频谐波电流为
2.6)如果表明系统不稳定,按照上面的推导,可得单极单12脉波换流器、单极双12脉波换流器、双极单12脉波换流器、双极双12脉波换流器谐波不稳定判据及其一个调制周期相对于6脉波换流器谐波放大倍数如表1所示。
表1谐波不稳定判据
所述步骤三:根据步骤二提出的谐波不稳定判据,分析影响谐波不稳定因素,提出如下改进措施包括,当系统出现故障时,为了降低紧急处理措施对系统输送功率的影响,通常按照故障响应时间以及对系统影响程度的由小到大来安排策略。
在正常运行时,系统通过合理安排开机数降低系统谐波不稳定的风险,通过仿真分析得知交流侧二次谐波阻抗随孤岛运行方式下开机数量减小而增大,根据表1谐波不稳定判据,系统谐波稳定性随着交流侧二次谐波阻抗增大而降低,因此可以直通过控制最小开机数来控制系统谐波不稳定。
但是当系统在机组检修以及系统开机数最大时也无法保证系统谐波稳定性要求时则应采用紧急情况下的谐波不稳定抑制措施:
措施1:可以通过调节换流变压器分接头降低直流运行电压,根据表1谐波不稳定判据,当直流输电系统电压降低,即换流变压器变比N增大时,谐波放大倍数将减小。如果此时系统谐波减小,则可在谐波完全衰减后系统恢复全压运行。
措施2:若此时系统谐波不衰减,但增长幅度减小则应采取进一步措施。
这时,就应将一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器,根据表1谐波不稳定判据,单极单12脉波和双极单12脉波相比,其换流器经过一个调制周期谐波放大小于双极单12脉波换流器。如果此时系统谐波减小,则可在谐波完全衰减后系统恢复全压双极双12脉波运行。
措施3:若此时系统谐波不衰减,但增长幅度减小则应采取进一步措施。这时,就应将上一步骤中切除一12脉波换流器后那极另一12脉波换流器切除,将系统从双极运行方式切换成单极运行方式。根据表1谐波不稳定判据,单极和双极相比,其换流器经过一个调制周期谐波放大小于双极换流器,如果此时系统谐波减小,则可在谐波完全衰减后系统恢复全压双极双12脉波运行。
措施4:若此时系统谐波不衰减,但增长幅度减小则应采取进一步措施。这时,就应将剩余一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器。如果此时系统谐波减小,则可在谐波完全衰减后系统恢复全压双极双12脉波运行。
措施5:若此时系统谐波不衰减,但增长幅度减小则应采取进一步措施。这时,就应将上一步骤中切除一12脉波换流器后剩余的12脉波换流器切除,至此系统完全双极闭锁,不再具有输送能力。
下面结合具体例子对本发明方法及所能达到的技术效果进行验证。
一、搭建单极和双极模型,如图1和图2所示。
二、根据所提得单极单12脉波换流器、单极双12脉波换流器、双极单12脉波换流器和双极双12脉波换流器的谐波不稳定判据,分析影响谐波不稳定因素,进行改进。
三、依次验证各措施的正确性。
在正常运行时,系统通过合理安排开机数降低系统谐波不稳定的风险,通过仿真分析得知交流侧二次谐波阻抗随孤岛运行方式下开机数量减小而增大,根据表1谐波不稳定判据,系统谐波稳定性随着交流侧二次谐波阻抗增大而降低,因此可以直通过控制最小开机数来控制系统谐波不稳定。
但是当系统在机组检修以及系统开机数最大时也无法保证系统谐波稳定性要求时则应采用紧急情况下的谐波不稳定抑制措施,包括:
措施1:可以通过调节换流变压器分接头降低直流运行电压,根据表1谐波不稳定判据,当直流输电系统电压降低,即换流变压器变比N增大时,谐波放大倍数将减小。如果此时系统谐波减小,则可在谐波完全衰减后系统恢复全压运行。
措施2:若此时系统谐波不衰减,但增长幅度减小则应采取进一步措施。这时,就应将一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器,根据表1谐波不稳定判据,单极单12脉波和双极单12脉波相比,其换流器经过一个调制周期谐波放大小于双极单12脉波换流器。如果此时系统谐波减小,则可在谐波完全衰减后系统恢复全压双极双12脉波运行。
措施3:若此时系统谐波不衰减,但增长幅度减小则应采取进一步措施。这时,就应将切除一12脉波换流器后那极另一12脉波换流器切除,将系统从双极运行方式切换成单极运行方式。根据表1谐波不稳定判据,单极和双极相比,其换流器经过一个调制周期谐波放大小于双极换流器,如果此时系统谐波减小,则可在谐波完全衰减后系统恢复全压双极双12脉波运行。
措施4:若此时系统谐波不衰减,但增长幅度减小则应采取进一步措施。这时,就应将剩余一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器。如果此时系统谐波减小,则可在谐波完全衰减后系统恢复全压双极双12脉波运行。
措施5:若此时系统谐波不衰减,但增长幅度减小则应采取进一步措施。这时,就应将上一步骤中切除一12脉波换流器后剩余的12脉波换流器切除,至此系统完全双极闭锁,不再具有输送能力。
分别在单极和双极模型下进行实例验证,模型如图1和图2所示。系统交流电压为100kV,单个6脉波换流器直流电压为50KV,整流器采用CIGRE定电流控制。系统参数设置如表2所示,模型中除直流线路电感L2以外,其他参数相同。
表2参数设置
R1[ohm] | R2[ohm] | R3[ohm] | C1[uF] | C2[uF] | C3[uF] | L1[mH] | |
参数 | 30 | 301.2 | 1.00 | 1201 | 397.48 | 22.067 | 6.207 |
故障设置为,在换流站直流线路出口注入幅值为50A的基频电流,以激发换流变压器直流偏磁。故障设置的时序为:1s时线路注入基频电流,持续0.1s后切除故障。
对于步骤1,本发明实例中用单极单12脉波换流器进行验证。电感参数L2分别设置为750mH和550mH。在模型中对谐波阻抗进行扫描,直流基频阻抗分别为52.94Ω和115Ω,交流二次谐波阻抗为15.16Ω。根据表1中单极12脉波换流器判据可得两个算例的判据值分别为6.91和0.96。对仿真结果进行FFT分析,如图3所示。在谐波注入后,判据值大的系统交流侧二次谐波电压逐渐增加,判据值小的系统交流侧二次谐波电压逐渐减小,这与本发明推导过程及判据相符合。
对于步骤2.3,本发明实例中用单极单12脉波换流器和双极单12脉波换流器进行验证。两个模型输送功率相同,直流线路电感L2设置为550mH,对仿真结果进行FFT分析,如图4所示。在1s时向系统直流侧中注入基频谐波电流,系统交流侧二次谐波增大。对于有抑制措施的系统在2s秒时,系统从双极运行方式切换到单极运行方式,谐波逐渐减小,在6s时系统重合闸恢复双极运行方式,系统恢复稳定运行。对于没有没有谐波抑制措施的系统,二次谐波电压逐渐增大,发生谐波振荡。
对于步骤2.2和步骤2.4,本发明实例中用单极单12脉波换流器与单极双12脉波换流器进行验证。两个模型输送功率相同,直流线路电感L2设置为150mH,所得换流器交流母线二次谐波电压仿真结果如图5所示。在1s时向系统直流侧中注入基频谐波电流,系统交流侧二次谐波增大。对于有抑制措施的系统在2s秒时,系统从双12脉波运行方式切换到到单12脉波运行方式,谐波逐渐减小,在12s时系统重合闸恢复双12脉波运行方式,系统恢复稳定运行。对于没有谐波抑制措施的系统,二次谐波电压逐渐增大,发生谐波振荡。
对于步骤2.1,本发明实例中用单极单12脉波换流器进行验证,直流线路电感L2设置为750mH。通过调节换流变压器分接头实现直流系统70%降压运行,所得换流器交流母线二次谐波电压仿真结果如图6所示。在谐波注入后,全压运行系统产生不稳定现象,交流侧二次电压逐渐增加,这与本发明推导过程及判据相符合。70%降压运行后谐波逐渐减小,系统恢复稳定,由此可见直流降压运行工况系统谐波稳定性高于全压运行工况。
Claims (1)
1.一种多桥换流器高压直流输电送端谐波不稳定抑制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:在正常运行时,高压直流输电系统通过合理安排开机数降低系统谐波不稳定的风险;
步骤2:当系统在机组检修以及系统开机数最大,也无法保证系统谐波稳定性要求时,则应采用紧急情况下的谐波不稳定抑制措施,包括:
步骤2.1:通过调节换流变压器分接头降低直流运行电压;
步骤2.2:在采用步骤2.1后,系统谐波不衰减,但增长幅度减小,则将一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器;
步骤2.3:在采用步骤2.2后,系统谐波不衰减,但增长幅度减小,在步骤2.2基础上切除另一12脉波换流器,将系统从双极运行方式切换成单极运行方式;
步骤2.4:在采用步骤2.3后,系统谐波不衰减,但增长幅度减小,则将剩余一极双12脉波换流器切换成单12脉波换流器;
步骤2.5:在采用步骤2.4后,系统谐波不衰减,但增长幅度减小,则将步骤2.4中切除一12脉波换流器后,剩余的12脉波换流器切除,至此系统完全双极闭锁,不再具有输送能力。
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