CN109459613A - 一种换流变压器铁心饱和型谐波不稳定分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流变压器铁心饱和型谐波不稳定分析方法，包括：分析高压直流输电系统中2次谐波的传递过程，以及由此可能引发的谐波不稳定性；针对变压器绕组中存在的直流电流而导致的2次谐波电流进行了仿真分析研究，得出励磁电流中2次谐波幅值与直流电流的关系，2次谐波幅值与直流电流的关系由线性系数X体现；从换流变压器阀侧看入交流系统侧的阻抗与变压器变比N以及线性系数X相关，相关系数为当根据奈奎斯特判据，将可能发生谐波不稳定现象，当将不会有上述分析的谐波不稳定现象发生。本发明除了可以得到大型换流变压器相应的谐波特性外，还具有普适性，可以根据得到的结论指导实际工程。

Description

一种换流变压器铁心饱和型谐波不稳定分析方法

技术领域

本发明属于高电压直流输电领域，更具体地，涉及一种换流变压器铁心饱和型谐波不稳定分析方法。

背景技术

目前，我国已建成1000kV特高压交流和±800k特高压直流输电工程。在特高压交直流混合电网中，特高压直流输电系统往往通过直接或分层的方式接入到特高压交流输电系统中，从而实现电网跨区域间的非同步互联。此外，在电网区域间的大功率远距离输电时，直流输电具有传输等距离等容量电能时线路损耗小的优势。同时，电能的大小及方向在直流输电系统中能够得到快速且准确地调节，因而使与其相连的交流电网的电能质量和系统性能也得到改善。

随着直流系统的建设和电网互联程度的不断提高，电网结构日趋复杂，系统的谐波问题日益凸显。随着直流系统的建设和电网互联程度的不断提高，电网结构日趋复杂，系统的谐波问题日益凸显。对于直流系统产生的谐波，在两端交流系统基频相同及三相电动势和参数都对称的条件下，其特性为：流入交流系统的谐波电流次数为n＝kp±1，直流线路上流过的谐波电流次数为n＝kp(p为换流器的脉波数，k为正整数)。习惯上称这些谐波次数分别为交、直流系统的特征谐波次数。特征谐波在电力系统规划和设计阶段就已充分考虑，可以通过交、直流滤波器滤除。而在交流系统三相电动势含有谐波，三相电动势或参数不对称，触发角不对称以及两侧交流系统基频不同等情况下，由直流输电系统所产生的谐波特性变得非常复杂，除了特征谐波之外还包含大量非特征谐波。大多数情况下，产生非特征谐波分量的不对称是非常小的，通常对直流进行滤波(某些背靠背联接例外)后，这些谐波电流分量一般仅占1％或者更小。但谐波电流经过系统阻抗后，可以造成极大的电压畸变。没有用于其频率的滤波电路。网络电路或者滤波电路形成的非特征频率经常有并联谐振的现象。非特征谐波中的高次谐波对于系统的影响可以忽略，低次谐波是目前谐波研究的重点。

在换流变压器中，直流偏磁主要是由于直流电流进入变压器绕组，与地磁感应产生直流偏磁的机理是一样的。换流变压器的直流偏磁可以用铁芯饱和状况下的磁化特性来解释，如图1所示，图中虚线为无直流电流时正常励磁下的磁通曲线和励磁电流曲线。当直流电流流进变压器绕组时，磁通产生一个偏置变压器的工作点上升，从原磁化曲线非饱和区(A点)的一部分移至饱和区(B点)，导致励磁电流在半波周期内发生畸变，呈尖顶波状，最终产生二次谐波分量。

由于换流变压器导致的直流偏磁会在交流系统中产生二次谐波，当二次谐波含量较多时可能会导致系统不稳定，研究换流变压器铁心饱和型谐波不稳定判据具有指导意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种换流变压器铁心饱和型谐波不稳定分析方法，由此解决由于换流变压器导致的直流偏磁会在交流系统中产生二次谐波，当二次谐波含量较多时可能会导致系统不稳定的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种换流变压器铁心饱和型谐波不稳定分析方法，应用于换流器阀侧出现基频分量谐波时，所述方法包括：

由高压直流输电系统中的2次谐波的传递过程及谐波不稳定性，得到换流变压器直流偏磁产生的换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系，其中，所述换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系由线性系数X体现；

由所述换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系得到谐波不稳定性判据其中，在时，将可能发生谐波不稳定现象，N表示变压器的变比。

优选地，所述换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系为：其中，i_{wd_2+}为所述换流变压器网侧正序2次谐波，X为线性系数，i_{fa_dc}、i_{fb_dc}、i_{fc_dc}分别是注入换流变阀侧a、b、c相绕组的直流电流。

优选地，所述由所述换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系得到谐波不稳定性判据，包括：

由换流变压器阀侧产生的正序2次谐波电流分量经过换流变压器阀侧传递到网侧后的i_{wa_2+}，与换流变压器直流偏磁产生的换流变压器网侧正序2次谐波共同构成换流变压器网侧的2次谐波电流；

由所述换流变压器网侧的2次谐波电流与从换流变压器网侧向交流系统看入的2次谐波阻抗确定变压器网侧的2次谐波电压；

由所述变压器网侧的2次谐波电压与经过变压器传递得到变压器阀侧的2次谐波电压得到从换流变压器阀侧向交流系统看入的2次谐波阻抗；

由所述从换流变压器阀侧向交流系统看入的2次谐波阻抗的表达式得到谐波不稳定性判据。

优选地，所述从换流变压器阀侧向交流系统看入的2次谐波阻抗为：其中，Z_{f_2+}为从换流变压器阀侧向交流系统看入的2次谐波阻抗，Z_{w_2+}为从换流变压器网侧向交流系统看入的2次谐波阻抗。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明提供了一种换流变压器铁心饱和型谐波不稳定分析方法，由此得到直流输电系统中的一种谐波不稳定判据，可以用于判定系统是否发生不稳定。本发明除了可以得到大型换流变压器相应的谐波特性外，还具有普适性，可以根据判据指导实际工程。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种变压器直流偏磁产生原理示意图；

图2是本发明实施例提供的一种a相开关函数分布的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种谐波传递过程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种求取线性系数X的仿真回路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

假设在换流器直流侧存在一基频谐波分量I_dc50表示基频谐波分量的幅值，ω表示基频角频率，表示初相。用于换流器谐波分析的开关函数可以表示为一系列方波，在换流阀导通期间方波幅值为1，关断期间幅值为0，以a相为例，a相的开关函数分布如图2所示。根据开关函数调制原理，可知：

其中，S_a表示a相开关函数，A_n表示a相的n次分量幅值。

当n＝1时，由式(2)可知此时会在换流变压器阀侧产生正序2次谐波电流分量i_{f_2+}以及直流电流i_{f_dc}。

换流变压器网侧正序2次谐波i_{wd_2+}与注入阀侧绕组的直流电流近似呈线性关系，可以采用经验转换矩阵来描述：

其中，i_{wd_2+}是仅考虑变压器铁芯饱和时，流入换流变压器网侧绕组的全部正序2次谐波；X为线性系数，与变压器的结构特性参数和交流励磁状况有关，可以根据仿真得到线性系数X的值；i_{fa_dc}、i_{fb_dc}、i_{fc_dc}分别是注入换流变阀侧a、b、c相绕组的直流电流，根据调制理论，将i_{fa_dc}、i_{fb_dc}、i_{fc_dc}代入可得：

根据上式，可得变压器谐波传递过程，如图3所示。由图3可知，当换流器处调制过来的i_{f_2+}经过换流变压器阀侧传递到网侧后变为i_{wa_2+}，与换流变压器直流偏磁产生的i_{wd_2+}共同构成了网侧2次谐波电流i_{w_2+}，i_wa2+表示换流器阀侧传递过来的二次谐波电流。

从换流变压器网侧向交流系统看入的2次谐波阻抗为Z_{w_2+}，由于系统侧仅包含电阻、电容等线性元件，因此Z_{w_2+}为一固定值。因此变压器网侧的2次谐波电压u_{w_2+}为：

经过变压器传递得到变压器阀侧的2次谐波电压为：

因此，从换流变压器阀侧向交流系统看入的2次谐波阻抗Z_{f_2+}为

当时，根据奈奎斯特稳定判据，此时有可能发生谐波不稳定。

为了单独考虑阀侧直流电流导致变压器铁心饱和的过程，建立仿真回路如图4所示。图中R-R₀/L₀为系统等值阻抗，C₁为无功补偿电容，C₂、R₂、L₂为滤波回路，C₃、R₃、L₃、R₄为滤波回路。在直流侧出现50Hz谐波后，会在变压器阀侧产生直流电流，根据开关调制理论，三相的直流电流之和为0。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种换流变压器铁心饱和型谐波不稳定分析方法，其特征在于，应用于换流器阀侧出现基频分量谐波时，所述方法包括：

由高压直流输电系统中的2次谐波的传递过程及谐波不稳定性，得到换流变压器直流偏磁产生的换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系，其中，所述换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系由线性系数X体现；

由所述换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系得到谐波不稳定性判据其中，在时，将可能发生谐波不稳定现象，N表示变压器的变比。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系为：其中，i_{wd_2+}为所述换流变压器网侧正序2次谐波，X为线性系数，i_{fa_dc}、i_{fb_dc}、i_{fc_dc}分别是注入换流变阀侧a、b、c相绕组的直流电流。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述由所述换流变压器网侧正序2次谐波与注入阀侧绕组的直流电流的关系得到谐波不稳定性判据，包括：

由换流变压器阀侧产生的正序2次谐波电流分量经过换流变压器阀侧传递到网侧后的i_{wa_2+}，与换流变压器直流偏磁产生的换流变压器网侧正序2次谐波共同构成换流变压器网侧的2次谐波电流；

由所述换流变压器网侧的2次谐波电流与从换流变压器网侧向交流系统看入的2次谐波阻抗确定变压器网侧的2次谐波电压；

由所述变压器网侧的2次谐波电压与经过变压器传递得到变压器阀侧的2次谐波电压得到从换流变压器阀侧向交流系统看入的2次谐波阻抗；

由所述从换流变压器阀侧向交流系统看入的2次谐波阻抗的表达式得到谐波不稳定性判据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述从换流变压器阀侧向交流系统看入的2次谐波阻抗为：其中，Z_{f_2+}为从换流变压器阀侧向交流系统看入的2次谐波阻抗，Z_{w_2+}为从换流变压器网侧向交流系统看入的2次谐波阻抗。