CN111200297B - 用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法及系统 - Google Patents

用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：1)确定幅相校正器的基频无功容量；2)选择幅相校正器的基本型式和调谐频率，并计算该幅相校正器的电容和电抗；3)采用逐点扫描法，获取从公共连接点向交流系统看的交流系统等效谐波阻抗；4)采用逐点扫描法，获取从公共连接点向柔直系统看的柔直系统等效谐波阻抗；5)判断获取的交流系统等效谐波阻抗和柔直系统等效谐波阻抗是否同时满足系统性能指标；6)获取柔直系统公共连接点处的交流系统背景谐波电压；7)计算该幅相校正器的元件定值，完成幅相校正器的选定，本发明可以广泛应用于柔性直流输电技术领域中。

Description

用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法及系统
技术领域
本发明是关于一种用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法及系统，属于柔性直流输电技术领域。
背景技术
目前，柔性直流输电一般采用模块级联方式，其具有控制灵活、响应迅速、输出波形质量高等优点，在中国新能源并网、孤岛送电、大容量远距离输电、区域电网互联等领域中的应用前景十分广阔。
大容量柔性直流输电系统采用大量电力电子器件，由于控制、测量、计算等环节存在固有延时，且控制器一般是基于低频数学模型开展的，在中高频范围输出特性可能无法完美地跟踪控制目标，在某些区域内可能存在谐振点或负阻尼特性。而并网的交流系统由于运行方式繁多，存在输电系统的频容效应，不同频率下系统的等值谐波阻抗角度变化非常大，在某些特殊运行方式下系统阻抗和柔性直流输电系统会相互作用，引发谐波电流发散。在近期的工程中也多次发现柔直换流器发生高频振荡问题，这些问题产生的原因可以从阻抗匹配的角度解释，即柔性直流输电系统的阻抗特性与交流系统的阻抗特性在某些频率范围内存在谐振，导致谐波逐步放大产生的。
针对上述问题，现有的解决手段主要包括下述两种基本路线：1)软件抑制，即通过优化控制结构或算法，增加或优化软件滤波环节，或者添加具有高频动态特性补偿量的校正环节，改善柔直换流器的输出阻抗特性来减低振荡风险，然而，囿于现有技术水平和硬件设备固有延时，单纯依靠二次控制解决所有可能的振荡问题是存在一定困难的；2)限制系统方式，这种方式主要是将交流系统的阻抗特性限值在某一范围内，然而，在实施中此种方式会面临系统运行变化多样难以完全遍历、实际操作性不够强和对调度运行要求高等问题。
为弥补上述解决手段的不足，可以采用硬件抑制，在主回路额外配置旁路设备(即幅相校正器)，以改善柔直换流器的输出阻抗特性，但是，目前现有技术中并没有关于如何选取幅相校正器能够改善柔直换流器输出阻抗特性的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够减低振荡风险且实际操作性强的用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法及系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据柔直系统的功率运行区间，确定幅相校正器的基频无功容量；2)选择幅相校正器的基本型式和调谐频率，并根据选定的幅相校正器的基频无功容量，计算该幅相校正器的电容和电抗；3)采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下交流系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向交流系统看的交流系统等效谐波阻抗；4)采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下柔直系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向柔直系统看的柔直系统等效谐波阻抗；5)判断获取的交流系统等效谐波阻抗和柔直系统等效谐波阻抗是否同时满足系统性能指标，若不满足，则进入步骤2)重新选择幅相校正器的基本型式和调谐频率；若满足，则进入步骤6)；6)获取柔直系统公共连接点处的交流系统背景谐波电压；7)在各次交流系统的背景谐波电压作用下，根据选定的幅相校正器的基频无功容量，计算该幅相校正器的元件定值，完成幅相校正器的选定。
进一步地，所述幅相校正器的基本型式包括单调谐型幅相校正器、双调谐型幅相校正器和高通型幅相校正器。
进一步地，所述步骤1)中：①如果选择的幅相校正器为单调谐幅相校正器，其调谐频率为fF1，工频频率为f0，公共连接点基波电压为V1，则该单调谐幅相校正器的电容C1和电抗L1为：
Figure BDA0002379522730000021
Figure BDA0002379522730000022
②如果选择的幅相校正器为双调谐幅相校正器，其调谐频率为fF1和fF2，工频频率为f0，公共连接点基波电压为V1，初选并联谐振频率和串联谐振频率分别为fp和fs，则该双调谐幅相校正器的电容C1、C2和电抗L1、L2为：
Figure BDA0002379522730000023
Figure BDA0002379522730000024
Figure BDA0002379522730000025
Figure BDA0002379522730000026
该双调谐幅相校正器的初选电阻R1、R2和R3的阻值均为1000Ω，根据所述步骤5)是否满足系统性能进行阻值调整；
③如果选择的幅相校正器为高通型幅相校正器，其调谐频率为fF1，工频频率为f0，公共连接点基波电压为V1，则该高通型幅相校正器的电容C1、C2和电抗L1为：
Figure BDA0002379522730000031
Figure BDA0002379522730000032
Figure BDA0002379522730000033
其中：
Figure BDA0002379522730000034
该高通型幅相校正器的初选电阻R1的阻值为1000Ω，根据所述步骤5)是否满足系统性能进行阻值调整。
进一步地，所述步骤3)的具体过程为：3.1)断开柔直系统的公共连接点与交流系统之间的联系；3.2)在柔直系统的公共连接点处注入单位电流，在其它交流母线处注入的电流均为0；3.3)h次谐波频率下的交流系统等效谐波阻抗Zs(h)为：
Zs(h)＝Vsh
其中，Vsh为交流系统网络的节点电压向量。
进一步地，所述步骤4)的具体过程为：4.1)断开柔直系统的公共连接点与柔直系统之间的联系；4.2)在柔直系统的公共连接点处注入单位电流；4.3)h次谐波频率下的柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)为：
Zm(h)＝Vmh
其中，Vmh为h次谐波频率电流级联下柔直系统所连公共连接点的节点电压。
进一步地，所述步骤5)中的系统性能指标包括：a)交流系统等效谐波阻抗Zs(h)与柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)的幅频特性曲线无交点；b)如果交流系统等效谐波阻抗Zs(h)与柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)的幅频特性曲线有交点，则二者的相角差应小于180°。
进一步地，所述步骤7)中幅相校正器的元件定值包括电容元件定值、电抗元件定值和电阻元件定值。
进一步地，对于所述电容元件定值的计算包括电容元件工频电流Ic(1)、电容元件总谐波电流和Ic(htot)、电容元件总电流Ic(tot)、电容元件工频电压Uc(1)、电容元件总谐波电压Uc(htot)和电容元件总电压Uc(tot)；对于电抗元件定值的计算包括电抗元件工频电流IL(1)、电抗元件总谐波电流和IL(htot)、电抗元件总电流IL(tot)、电抗元件工频电压UL(1)、电抗元件总谐波电压UL(htot)和电抗元件总电压UL(tot)；对于电阻元件定值的计算包括电阻元件工频电流Ir(1)、电阻元件总谐波电流和Ir(htot)、电阻元件总电流Ir(tot)、电阻元件工频电压Ur(1)、电阻元件总谐波电压Ur(htot)和电阻元件总电压Ur(tot)。
用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定系统，其特征在于，包括：基频无功容量确定模块，用于根据柔直系统的功率运行区间，确定幅相校正器的基频无功容量；幅相校正器选定模块，用于选择幅相校正器的基本型式和调谐频率，并根据选定的幅相校正器的基频无功容量，计算该幅相校正器的电容和电抗；交流系统等效谐波阻抗获取模块，用于采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下交流系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向交流系统看的交流系统等效谐波阻抗；柔直系统等效谐波阻抗模块，用于采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下柔直系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向柔直系统看的柔直系统等效谐波阻抗；系统性能判断模块，用于判断获取的交流系统等效谐波阻抗和柔直系统等效谐波阻抗是否同时满足系统性能指标；背景谐波电压获取模块，用于获取柔直系统公共连接点处的交流系统背景谐波电压；元件定值计算模块，用于在各次交流系统的背景谐波电压作用下，根据选定的幅相校正器的基频无功容量，计算该幅相校正器的元件定值，完成幅相校正器的选定。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、采用本发明选出的幅相校正器，具有所需设备数量少、配置紧凑、占地面积优化、经济性较高、可调节阻抗频率范围宽等优点，具有推广意义。
2、本发明可确保一次设备元件的参数定值满足稳态应力要求和约束，保证设备可靠安全运行，具有步骤简单易行、清晰明了、操作实施性强等特点。综上所述，本发明可以广泛应用于柔性直流输电技术领域中。
附图说明
图1是本发明中几种典型幅相校正器的结构示意图，其中，图1(a)为单调谐幅相校正器的结构示意图，图1(b)为双调谐幅相校正器的结构示意图，图1(c)为高通型幅相校正器的结构示意图；
图2是本发明中幅相校正器的布置位置示意图；
图3是本发明中幅相校正器计算模型的示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，为三种可以用于改善柔直系统幅频相频特性的幅相校正器结构示意图，包括单调谐型幅相校正器、双调谐型幅相校正器和高通型(HP3)幅相校正器。需要结合系统特性和柔直系统的阻抗频率特性，选择确定幅相校正器的具体型式。如图2所示，幅相校正器配置在公共连接点(即联接变压器或换流变压器的网侧)处。
基于上述说明，本发明提供的用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，包括以下步骤：
1)根据柔直系统的功率运行区间，确定幅相校正器的基频无功容量Q。
2)选择幅相校正器的基本型式和调谐频率，并根据选定的幅相校正器的基频无功容量，计算该幅相校正器的电容和电抗，具体为：
2.1)如果选择的幅相校正器为单调谐幅相校正器，如图1(a)所示，其调谐频率为fF1，工频频率为f0，公共连接点基波电压为V1，则该单调谐幅相校正器的电容C1和电抗L1为：
Figure BDA0002379522730000051
Figure BDA0002379522730000052
2.2)如果选择的幅相校正器为双调谐幅相校正器，如图1(b)所示，其调谐频率为fF1和fF2，工频频率为f0，公共连接点基波电压为V1，初选并联谐振频率和串联谐振频率分别为fp和fs，则该双调谐幅相校正器的电容C1、C2和电抗L1、L2为：
Figure BDA0002379522730000053
Figure BDA0002379522730000054
Figure BDA0002379522730000055
Figure BDA0002379522730000056
该双调谐幅相校正器的初选电阻R1、R2和R3的阻值均为1000Ω，根据下述步骤5)是否满足系统性能进行阻值调整。
2.3)如果选择的幅相校正器为高通型幅相校正器，如图1(c)所示，其调谐频率为fF1，工频频率为f0，公共连接点基波电压为V1，则该高通型幅相校正器的电容C1、C2和电抗L1为：
Figure BDA0002379522730000061
Figure BDA0002379522730000062
Figure BDA0002379522730000063
其中：
Figure BDA0002379522730000064
该高通型幅相校正器的初选电阻R1的阻值为1000Ω，根据下述步骤5)是否满足系统性能进行阻值调整。
3)采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下交流系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向交流系统看的交流系统等效谐波阻抗Zs(h)，具体为：
3.1)断开柔直系统的公共连接点与柔直系统之间的联系。
3.2)在柔直系统的公共连接点处注入单位电流，在其它交流母线处注入的电流均为0。
3.3)保持节点注入电流向量Is不变，在不同的频率下，计算该节点的导纳矩阵Ys，进而求得该交流母线上的电压值Vs，因此，一系列不同频率下的电压值Vs就构成了从公共连接点向交流系统看的等效谐波阻抗的变化规律。
设定指定频率的变化范围为f1～f2，当频率为fh时，建立交流系统网络的节点方程：
YshVsh＝Is (11)
其中，Ysh为h次谐波频率(即频率为fh)下交流系统网络的节点导纳矩阵；Vsh为需要求解交流系统网络的节点电压向量；Is为交流系统网络注入节点的电流向量，下标中h表示为h次谐波频率，其矩阵形式为：
Figure BDA0002379522730000065
h次谐波频率下的交流系统等效谐波阻抗Zs(h)为：
Figure BDA0002379522730000071
其中，注入电流为单位电流，即Ish＝1，下标中h为h次谐波频率，因此：
Zs(h)＝Vsh (14)
4)采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下柔直系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向柔直系统看的柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)，具体为：
4.1)断开柔直系统的公共连接点与交流系统之间的联系。
4.2)在柔直系统的公共连接点处注入单位电流。
4.3)保持节点注入电流向量Im不变，在不同的频率下求得该交流母线上的电压值Vm，因此，一系列不同频率下的电压值Vm就构成从公共连接点向柔直系统看的等效谐波阻抗的变化规律。
设定指定频率的变化范围为f1～f2，当频率为fh时，建立柔直系统的节点方程：
YmhVmh＝Im (15)
其中，Ymh为柔直系统h次谐波频率(即频率为fh)下的导纳；Vmh为该频率电流级联下柔直系统所连公共连接点的节点电压；Im为注入节点的电流；下标中h为h次谐波频率。
h次谐波频率下的柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)为：
Figure BDA0002379522730000072
其中，注入电流为单位电流，即Imh＝1，因此：
Zm(h)＝Vmh (17)
5)判断获取的交流系统等效谐波阻抗Zs(h)和柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)是否同时满足系统性能指标，若不满足，则进入步骤2)重新选择幅相校正器的基本型式和调谐频率；若满足，则进入步骤6)。
系统性能指标包括：
a)交流系统等效谐波阻抗Zs(h)与柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)的幅频特性曲线无交点。
b)如果交流系统等效谐波阻抗Zs(h)与柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)的幅频特性曲线有交点，则二者的相角差应小于180°。
需要同时满足上述两个系统性能指标。
6)获取柔直系统公共连接点处的交流系统背景谐波电压Uh，并将其作为下述步骤7)的输入条件。
7)如图3所示，在各次交流系统的背景谐波电压Uh作用下，根据选定的幅相校正器的基频无功容量、基本型式和调谐频率，计算选择的幅相校正器的元件定值，完成幅相校正器的选定，以满足系统性能和设备安全，其中，幅相校正器的元件定值包括电容元件定值、电抗元件定值和电阻元件定值，具体为：
此时流入幅相校正器的电流Ih为：
Figure BDA0002379522730000081
根据幅相校正器的基本型式，运用电路理论即可计算出h次谐波频率下幅相校正器的电容元件电流Ic(h)、电抗元件电流IL(h)和电阻元件电流Ir(h)，电容元件、电抗元件和电阻元件的电压分别为Uc(h)、UL(h)和Ur(h)。
对于电容元件定值的计算包括：
电容元件工频电流：Ic(1)
电容元件总谐波电流和Ic(htot)：
Figure BDA0002379522730000082
电容元件总电流Ic(tot)：
Figure BDA0002379522730000083
电容元件工频电压：Uc(1)
电容元件总谐波电压Uc(htot)：
Figure BDA0002379522730000084
电容元件总电压Uc(tot)：
Figure BDA0002379522730000085
对于电抗元件定值的计算包括：
电抗元件工频电流：IL(1)
电抗元件总谐波电流和IL(htot)：
Figure BDA0002379522730000086
电抗元件总电流IL(tot)：
Figure BDA0002379522730000091
电抗元件工频电压：UL(1)
电抗元件总谐波电压UL(htot)：
Figure BDA0002379522730000092
电抗元件总电压UL(tot)：
Figure BDA0002379522730000093
对于电阻元件定值的计算包括：
电阻元件工频电流：Ir(1)
电阻元件总谐波电流和Ir(htot)：
Figure BDA0002379522730000094
电阻元件总电流Ir(tot)：
Figure BDA0002379522730000095
电阻元件工频电压：Ur(1)
电阻元件总谐波电压Ur(htot)：
Figure BDA0002379522730000096
电阻元件总电压Ur(tot)：
Figure BDA0002379522730000097
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据柔直系统的功率运行区间，确定幅相校正器的基频无功容量；
2)选择幅相校正器的基本型式和调谐频率，并根据选定的幅相校正器的基频无功容量，计算该幅相校正器的电容和电抗；
3)采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下交流系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向交流系统看的交流系统等效谐波阻抗；
4)采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下柔直系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向柔直系统看的柔直系统等效谐波阻抗；
5)判断获取的交流系统等效谐波阻抗和柔直系统等效谐波阻抗是否同时满足系统性能指标，若不满足，则进入步骤2)重新选择幅相校正器的基本型式和调谐频率；若满足，则进入步骤6)；
6)获取柔直系统公共连接点处的交流系统背景谐波电压；
7)在各次交流系统的背景谐波电压作用下，根据选定的幅相校正器的基频无功容量，计算该幅相校正器的元件定值，完成幅相校正器的选定。
2.如权利要求1所述的用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，其特征在于，所述幅相校正器的基本型式包括单调谐型幅相校正器、双调谐型幅相校正器和高通型幅相校正器。
3.如权利要求2所述的用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，其特征在于，所述步骤1)中：
①如果选择的幅相校正器为单调谐幅相校正器，其调谐频率为fF1，工频频率为f0，公共连接点基波电压为V1，则该单调谐幅相校正器的电容C1和电抗L1为：
Figure FDA0003061885070000011
Figure FDA0003061885070000012
Q表示幅相校正器的基频无功容量；
②如果选择的幅相校正器为双调谐幅相校正器，其调谐频率为fF1和fF2，工频频率为f0，公共连接点基波电压为V1，初选并联谐振频率和串联谐振频率分别为fp和fs，则该双调谐幅相校正器的电容C1、C2和电抗L1、L2为：
Figure FDA0003061885070000021
Figure FDA0003061885070000022
Figure FDA0003061885070000023
Figure FDA0003061885070000024
该双调谐幅相校正器的初选电阻R1、R2和R3的阻值均为1000Ω，根据所述步骤5)是否满足系统性能进行阻值调整；
③如果选择的幅相校正器为高通型幅相校正器，其调谐频率为fF1，工频频率为f0，公共连接点基波电压为V1，则该高通型幅相校正器的电容C1、C2和电抗L1为：
Figure FDA0003061885070000025
Figure FDA0003061885070000026
Figure FDA0003061885070000027
其中：
Figure FDA0003061885070000028
该高通型幅相校正器的初选电阻R1的阻值为1000Ω，根据所述步骤5)是否满足系统性能进行阻值调整。
4.如权利要求3所述的用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，其特征在于，所述步骤3)的具体过程为：
3.1)断开柔直系统的公共连接点与交流系统之间的联系；
3.2)在柔直系统的公共连接点处注入单位电流，在其它交流母线处注入的电流均为0；
3.3)h次谐波频率下的交流系统等效谐波阻抗Zs(h)为：
Zs(h)＝Vsh
其中，Vsh为交流系统网络的节点电压向量。
5.如权利要求4所述的用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程为：
4.1)断开柔直系统的公共连接点与柔直系统之间的联系；
4.2)在柔直系统的公共连接点处注入单位电流；
4.3)h次谐波频率下的柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)为：
Zm(h)＝Vmh
其中，Vmh为h次谐波频率电流级联下柔直系统所连公共连接点的节点电压。
6.如权利要求1所述的用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，其特征在于，所述步骤5)中的系统性能指标包括：
a)交流系统等效谐波阻抗Zs(h)与柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)的幅频特性曲线无交点；
b)如果交流系统等效谐波阻抗Zs(h)与柔直系统等效谐波阻抗Zm(h)的幅频特性曲线有交点，则二者的相角差应小于180°。
7.如权利要求5所述的用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，其特征在于，所述步骤7)中幅相校正器的元件定值包括电容元件定值、电抗元件定值和电阻元件定值。
8.如权利要求7所述的用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定方法，其特征在于，对于所述电容元件定值的计算包括电容元件工频电流Ic(1)、电容元件总谐波电流和Ic(htot)、电容元件总电流Ic(tot)、电容元件工频电压Uc(1)、电容元件总谐波电压Uc(htot)和电容元件总电压Uc(tot)；
对于电抗元件定值的计算包括电抗元件工频电流IL(1)、电抗元件总谐波电流和IL(htot)、电抗元件总电流IL(tot)、电抗元件工频电压UL(1)、电抗元件总谐波电压UL(htot)和电抗元件总电压UL(tot)；
对于电阻元件定值的计算包括电阻元件工频电流Ir(1)、电阻元件总谐波电流和Ir(htot)、电阻元件总电流Ir(tot)、电阻元件工频电压Ur(1)、电阻元件总谐波电压Ur(htot)和电阻元件总电压Ur(tot)。
9.用于改善柔直系统阻抗特性的幅相校正器选定系统，其特征在于，包括：
基频无功容量确定模块，用于根据柔直系统的功率运行区间，确定幅相校正器的基频无功容量；
幅相校正器选定模块，用于选择幅相校正器的基本型式和调谐频率，并根据选定的幅相校正器的基频无功容量，计算该幅相校正器的电容和电抗；
交流系统等效谐波阻抗获取模块，用于采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下交流系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向交流系统看的交流系统等效谐波阻抗；
柔直系统等效谐波阻抗模块，用于采用逐点扫描法，扫描不同运行方式下柔直系统的阻抗频率特性，获取从公共连接点向柔直系统看的柔直系统等效谐波阻抗；
系统性能判断模块，用于判断获取的交流系统等效谐波阻抗和柔直系统等效谐波阻抗是否同时满足系统性能指标；
背景谐波电压获取模块，用于获取柔直系统公共连接点处的交流系统背景谐波电压；
元件定值计算模块，用于在各次交流系统的背景谐波电压作用下，根据选定的幅相校正器的基频无功容量，计算该幅相校正器的元件定值，完成幅相校正器的选定。
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