CN107370141A - 特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法，属于特高压柔性直流输电领域。包括以下步骤：Yny接线的变压器增加平衡绕组；平衡绕组容量和电压等级计算；中性点接地电阻参数设计。本发明联接变压器采用Ynyrd的中性点高阻接地方式，该方式通过增加一个三角形连接的第三绕组作为平衡绕组来解决早期的电力系统使用Yny接线变压器中的三次谐波损耗比较大的缺点。优点在于：占地面积小，可省去一个接地变压器，经济性更高，并且降低了制造难度。
Description
技术领域
本发明涉及特高压柔性直流输电领域，特别涉及一种特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法。
背景技术
特高压直流输电技术是指500kv以及750kv交流和±500kv直流之上采用更高一级电压等级的输电技术，包括交流特高压输电技术和直流特高压输电技术两部分。国外研究特高压输电技术至今已有将近四十年的历史。不管是特高压直流输电还是特高压交流输电都是为了更好地提高输电能力，实现大功率的中、远距离输电，以及实现远距离的电力系统互联，建成联合电力系统。
我国地域辽阔，能源储备和电力负荷分布极不均衡。在电网建设中，能源分布和电力传输始终是一个需要综合考虑的问题。随着经济的发展，建立长距离、大容量、低损耗的输电系统已成为我国电网发展的必然。特高压交、直流输电网除了能实现电能大规模和远距离输送的需求外，还可以大幅度提高电网自身的安全性、可靠性、灵活性和经济性，具有显著的社会、经济效益。然而电网的运行电压等级越高，相应的技术要求也就越高。
特高压直流和交流输电各有优点，输电线路的建设主要考虑的是经济性，而互联线路则要将系统的稳定性放在第一位。比较而言，直流特高压定位于部分大水电基地和大煤电基地的远距离大容量外送；而特高压交流输电则定位于更高一级电压等级的网架建设和跨大区送电上。因此，根据中国的实际能源分布情况，特高压直流输电有着广阔的应用前景。特高压直流输电具有送电容量大、送电距离远等优点，在中国今后的能源流动中具有不可替代的地位。
目前，基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter)的高压直流输电技术得到了越来越多的关注和研究。与VSC-HVDC相比，基于MMC的HVDC(MMC-HVDC)系统在减少开关损耗、容量升级、电磁兼容、故障管理等方面具有明显的优势。
特高压柔性直流输电系统中，网侧的电压等级一般维持在110kV以上，所以一般都采用中性点直接接地的方式，其内部过电压很低，可采用较低的绝缘水平，从而使电网的造价降低。同时，在中性点直接接地系统中，接地电流较大，故障定位容易。
由于交流系统为直接接地系统，因此联接变压器的网侧必须采用Yn接线方式，而为了防止故障时直流系统的零序电流通过联接变压器进入交流侧，要求联接变压器阀侧为△接线。此时，需要单独设计柔性直流输电系统的接地。目前有加装接地变压器、线性电抗器或者饱和电抗器等几种方法。
采用接地变压器接地，且变压器中性点为高阻时，由于联接变压器可隔离零序，故障时的零序分量不会在变压器两侧之间传递。同时，由于高阻的作用，当发生直流单极接地故障时，中性点故障电流较小。
综上所述，现有的变压器接线方式和接地方式在无法有效一致故障电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明联接变压器采用Ynyrd的中性点高阻接地方式，该方式通过增加一个三角形连接的第三绕组作为平衡绕组来解决早期的电力系统使用Yny接线变压器中的三次谐波损耗比较大的缺点。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法，包括如下步骤：
步骤(1)、Yny接线的变压器增加平衡绕组；
步骤(2)、平衡绕组容量和电压等级计算；
步骤(3)、中性点接地电阻参数设计。
步骤(1)所述的Yny接线的变压器增加平衡绕组是：增加一个三角形连接的第三绕组作为平衡绕组，使三次谐波电流在三角形连接的第三绕组中流动，该第三绕组的零序阻抗较小，因此损耗较小；
变压器的零序励磁电抗与变压器的铁芯结构密切相关；对于三个单相的组式和三相四柱式或三相五柱式，零序磁通的路径能在铁芯中形成回路，磁阻很小，零序励磁阻抗很大，在短路计算中可以当做Xm(0)≈∞，即忽略励磁电流，把励磁直路断开；
不对称短路时，零序电压或电势是施加在相线和大地之间的，只有中性点接地的星形接法(YN)绕组才能与外电路接通；由于三角形接法的绕组漏抗与励磁支路并联，不管何种铁芯结构的变压器，励磁电抗总比漏抗大很多，因此在短路计算中，当变压器有三角形接法绕组时，取Xm(0)≈∞；
对于不接地一端换流站的变压器，由于为Yny接线，而零序励磁阻抗Xm(0)变压器对电网呈现高阻状态；系统的零序分量，包含三次谐波分量，经过励磁阻抗流通，造成零序谐波损耗，大大增加了变压器的铁损(空载损耗、励磁损耗)；为了改进该种接法，增加一个三角形连接的第三绕组，形成系统零序等值；
由于零序励磁阻抗相对于变压器第三绕组来说非常大，可以近似取Xm(0)≈∞，系统的零序分量不经过励磁阻抗，不存在增加变压器铁损的问题。
步骤(2)所述的平衡绕组容量和电压等级计算是：第三绕组做为平衡绕组时，容量仍然由变压器设计中的机械应力决定，不能太小，为额定容量的三分之一，最终的第三绕组容量根据绕组电动力的要求确定；对电压等级没有要求。
步骤(3)所述的中性点接地电阻参数设计是：
在进行中性点电阻参数设计时，需要考虑零序电流和直流偏磁电流的大小；
(1)零序电流
系统的零序等值电路，变压器网侧单相接地故障时，由于直流母线对地阻抗无穷大，换流器交流出口有较大的零序分量；变压器阀侧发生单相接地故障时，由于零序电压源位于阀侧，因此阀侧有零序电压和零序直流分量，直流电压也有零序波动；
(2)直流电流
柔性直流输电系统的直流等值电路中，XL为桥臂电抗器等值阻抗；XB为线路等值阻抗；
稳态时，由于控制系统的控制误差及不可控因素的作用，直流正负极可能存在较小的不对称，假设该不对称电压为15kV、变压器能承受的最大直流偏磁电流为3A，每相，则要求中性点接地电阻的取值范围为：
设暂态每相阀值为20A，则接地电阻的取值范围是：
可适当提高中性点电阻值，即使因此增加了中性点绝缘水平，因为增加中性点绝缘水平引起的造价升高比较小；为了降低直流单极接地故障下变压器中的直流偏磁电流，提高中性点电阻至10kΩ，可将变压器暂态直流偏磁电流降低至：
本发明的有益效果在于：占地面积小，可省去一个接地变压器，经济性更高，并且降低了制造难度，能够抑制故障电流。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为一端Yny高阻接地，另一端Yny接线的柔直系统零序等值电路；
图2为一端Ynyrd，另一端Ynyd的柔直系统零序等值电路；
图3为一端Ynyd阀侧高阻接地，另一端Ynyd的柔直系统直流等值电路；
图4为阀侧单相接地故障时故障站变压器阀侧交流电压；
图5为阀侧单相接地故障时非故障站变压器阀侧交流电流；
图6为阀侧单相接地故障时故障站变压器网侧交流电流；
图7为阀侧单相接地故障时故障站变压器网侧交流电压零序分量；
图8为阀侧单相接地故障时故障站变压器中性点电阻电流；
图9为网侧单相接地故障时故障站变压器阀侧交流电流；
图10为网侧单相接地故障时非故障站变压器阀侧交流电流；
图11为网侧单相接地故障时故障站变压器网侧交流电流；
图12为网侧单相接地故障时故障站变压器网侧交流电压零序分量；
图13为网侧单相接地故障时故障站变压器阀侧交流电压零序分量；
图14为网侧单相接地故障时故障站变压器中性点电阻电流；
图15为直流单极接地故障故障站变压器阀侧交流电流；
图16为直流单极接地故障故障站变压器网侧零序电压；
图17为直流单极接地故障故障站变压器阀侧零序电压(三相之和)。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图17所示，本发明的特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法，根据Yny接线变压器，提出了一种适用于特高压柔性直流输电的变压器Ynyrd中性点高阻接地方式。结合特高压柔性直流输电，并考虑零序电流和直流偏磁电流的大小，进行了中性点接地电阻的参数设计。主要针对单极对称方案，并且交流系统为直接接地系统，因此联接变压器的网侧必须采用Yn接线方式，而为了防止故障时直流系统的零序电流通过联接变压器进入交流侧，要求联接变压器阀侧为△接线。此时，需要单独设计柔性直流输电系统的接地。目前有加装接地变压器、线性电抗器或者饱和电抗器等几种方法。采用接地变压器接地，且变压器中性点为高阻时，由于联接变压器可隔离零序，故障时的零序分量不会在变压器两侧之间传递。同时，由于高阻的作用，当发生直流单极接地故障时，中性点故障电流较小。通过分析提出一种联接变压器采用Ynyrd的中性点高阻接地方式，该方式通过增加一个三角形连接的第三绕组作为平衡绕组来解决早期的电力系统使用Yny接线变压器中的三次谐波损耗比较大的缺点。包括如下步骤：
1、Yny接线的变压器增加平衡绕组
在早期的电力系统中是有使用Yny接线的变压器，但是在使用中发现这种变压器的三次谐波损耗比较大，后来通过增加一个三角形连接的第三绕组作为平衡绕组解决该问题，原因是使三次谐波电流在三角形连接的第三绕组中流动，该第三绕组的零序阻抗较小，因此损耗较小。
变压器的零序励磁电抗与变压器的铁芯结构密切相关。对于三个单相的组式和三相四柱式或三相五柱式，零序磁通的路径能在铁芯中形成回路，磁阻很小，零序励磁阻抗很大，在短路计算中可以当做Xm(0)≈∞，即忽略励磁电流，把励磁直路断开。
不对称短路时，零序电压或电势是施加在相线和大地之间的，只有中性点接地的星形接法(YN)绕组才能与外电路接通。由于三角形接法的绕组漏抗与励磁支路并联，不管何种铁芯结构的变压器，一般励磁电抗总比漏抗大很多，因此在短路计算中，当变压器有三角形接法绕组时，都可以近似地取Xm(0)≈∞。Ynyr接线变压器的系统零序等值电路如附图中图1所示。
对于图1所示的系统接线方式，对于不接地一端换流站的变压器，由于为Yny接线，而零序励磁阻抗Xm(0)变压器对电网呈现高阻状态。系统的零序分量(包含三次谐波分量)经过励磁阻抗流通，造成零序谐波损耗，大大增加了变压器的铁损(空载损耗、励磁损耗)。为了改进该种接法，增加一个三角形连接的第三绕组，形成如附图中图2的系统零序等值。
在图2中，由于零序励磁阻抗相对于变压器第三绕组来说非常大，可以近似取Xm(0)≈∞，系统的零序分量不经过励磁阻抗，不存在增加变压器铁损的问题。
2、平衡绕组容量和电压等级计算
第三绕组做为平衡绕组时，容量仍然由变压器设计中的机械应力决定，不能太小，为额定容量的三分之一，最终的第三绕组容量需要变压器厂家根据绕组电动力的要求确定。
对电压等级没有要求，可按照站用电的要求选为35kV。
3、中性点接地电阻参数设计
在进行中性点电阻参数设计时，需要考虑零序电流和直流偏磁电流的大小。
(1)零序电流
系统的零序等值电路如附图中的图3。变压器网侧单相接地故障时，由于直流母线对地阻抗无穷大，换流器交流出口有较大的零序分量；变压器阀侧发生单相接地故障时，由于零序电压源位于阀侧，因此阀侧有零序电压和零序直流分量，直流电压也有零序波动。
(2)直流电流
柔性直流输电系统的直流等值电路如图3。在图2中，XL为桥臂电抗器等值阻抗；XB为线路等值阻抗。
稳态时，由于控制系统的控制误差等不可控因素的作用，直流正负极可能存在较小的不对称，假设该不对称电压为15kV。根据与变压器厂家的沟通了解已知，目前变压器能承受的最大直流偏磁电流约为3A(每相)，则要求中性点接地电阻的取值范围为：
设暂态每相阀值为20A，则接地电阻的取值范围是：
可适当提高中性点电阻值，即使因此增加了中性点绝缘水平，因为增加中性点绝缘水平引起的造价升高比较小。为了降低直流单极接地故障下变压器中的直流偏磁电流，提高中性点电阻至10kΩ，可将变压器暂态直流偏磁电流降低至：
经接地变压器接地时，变压器中性点电阻的大小对故障电压和电流也有影响，高阻接地和小电阻接地情况下三种故障(阀侧单相接地故障、网侧单相接地故障、单极接地故障)的系统性能，其仿真结果见图4至图17所示。
采用接地变压器接地，且变压器中性点为高阻时，由于联接变压器可隔离零序，故障时的零序分量不会在变压器两侧之间传递。同时，由于高阻的作用，当发生直流单极接地故障时，中性点故障电流较小。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、Yny接线的变压器增加平衡绕组；
步骤(2)、平衡绕组容量和电压等级计算；
步骤(3)、中性点接地电阻参数设计。
2.根据权利要求1所述的特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法，其特征在于：步骤(1)所述的Yny接线的变压器增加平衡绕组是：增加一个三角形连接的第三绕组作为平衡绕组，使三次谐波电流在三角形连接的第三绕组中流动，该第三绕组的零序阻抗较小，因此损耗较小；
变压器的零序励磁电抗与变压器的铁芯结构密切相关；对于三个单相的组式和三相四柱式或三相五柱式，零序磁通的路径能在铁芯中形成回路，磁阻很小，零序励磁阻抗很大，在短路计算中可以当做Xm(0)≈∞，即忽略励磁电流，把励磁直路断开；
不对称短路时，零序电压或电势是施加在相线和大地之间的，只有中性点接地的星形接法(YN)绕组才能与外电路接通；由于三角形接法的绕组漏抗与励磁支路并联，不管何种铁芯结构的变压器，励磁电抗总比漏抗大，因此在短路计算中，当变压器有三角形接法绕组时，取Xm(0)≈∞；
对于不接地一端换流站的变压器，由于为Yny接线，而零序励磁阻抗Xm(0)变压器对电网呈现高阻状态；系统的零序分量，包含三次谐波分量，经过励磁阻抗流通，造成零序谐波损耗，大大增加了变压器的铁损(空载损耗、励磁损耗)；为了改进该种接法，增加一个三角形连接的第三绕组，形成系统零序等值；
由于零序励磁阻抗相对于变压器第三绕组来说非常大，取Xm(0)≈∞，系统的零序分量不经过励磁阻抗，不存在增加变压器铁损的问题。
3.根据权利要求1所述的特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法，其特征在于：步骤(2)所述的平衡绕组容量和电压等级计算是：第三绕组做为平衡绕组时，容量仍然由变压器设计中的机械应力决定，为额定容量的三分之一，最终的第三绕组容量根据绕组电动力的要求确定；对电压等级没有要求。
4.根据权利要求1所述的特高压模块化多电平柔性直流输电中点接地方法，其特征在于：步骤(3)所述的中性点接地电阻参数设计是：
在进行中性点电阻参数设计时，需要考虑零序电流和直流偏磁电流的大小；
(1)零序电流
系统的零序等值电路，变压器网侧单相接地故障时，由于直流母线对地阻抗无穷大，换流器交流出口有较大的零序分量；变压器阀侧发生单相接地故障时，由于零序电压源位于阀侧，因此阀侧有零序电压和零序直流分量，直流电压也有零序波动；
(2)直流电流
柔性直流输电系统的直流等值电路中，XL为桥臂电抗器等值阻抗；XB为线路等值阻抗；
稳态时，由于控制系统的控制误差及不可控因素的作用，直流正负极可能存在较小的不对称，假设该不对称电压为15kV、变压器能承受的最大直流偏磁电流为3A，每相，则要求中性点接地电阻的取值范围为：
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可提高中性点电阻值；为了降低直流单极接地故障下变压器中的直流偏磁电流，提高中性点电阻至10kΩ，可将变压器暂态直流偏磁电流降低至：
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2017
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20171121 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |