CN114039363A - 一种有源和无源滤波的柔性直流换流系统及参数设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源和无源滤波的柔性直流换流系统及参数设定方法，包括：变压器、无源滤波器、柔性直流换流器和电流运算模块，柔性直流换流器包括交流端和直流端，交流端和直流端之间设有变压器，无源滤波器设置于交流端与变压器之间，并与柔性直流换流器并联，电流运算模块包括电流检测器、数字信号处理器DSP和功率模块，电流检测器用于对无源滤波器的电流进行实时检测，并将检测到的电流信号送入数字信号处理器DSP；数字信号处理器DSP用于将谐波和基波分离，生成脉宽调制信号输出；功率模块被脉宽调制信号驱动，并生成补偿电流注入无源滤波器。其通过增加无源阻尼装置，能够有效地在高频段增强柔直换流器的阻尼特性。

Description

一种有源和无源滤波的柔性直流换流系统及参数设定方法

技术领域

本发明涉及一种有源和无源滤波的柔性直流换流系统及参数设定方法，属于直流换流器技术领域。

背景技术

柔性直流输电技术广泛应用于区域电网互联、接入弱交流系统或无源电网、以及大规模新能源接入等场景。柔性直流换流系统通常包括多个阀臂，每个阀臂上包括多个子模块，即SM，通过多个子模块输出电平的叠加输出正弦波信号，具有开关频率低、损耗低、谐波小等优点，易于拓展至更高电压等级。在柔性直流输电系统接入交流电网或大规模新能源场站时，当交流侧发生故障，会存在将高频谐振波向直流侧传播的风险，而直流侧存在接地故障时也会引入高频振荡。由于柔性直流换流器本身存在控制链路延时，导致其高频阻抗存在感性负阻尼特性，当对应交流电网或大规模新能源场站呈现容性弱阻尼特性时，柔直换流器解锁后即有可能发生高频振荡。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种有源和无源滤波的柔性直流换流系统及参数设定方法，其通过增加无源阻尼装置，能够有效地在高频段增强柔直换流器的阻尼特性，通过增加电容电流反馈环节，能够起到有源阻尼的作用，进一步增强柔直换流器在高频段的阻尼特性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种有源和无源滤波的柔性直流换流系统，包括：变压器、无源滤波器、柔性直流换流器和电流运算模块，柔性直流换流器包括交流端和直流端，交流端和直流端之间设有变压器，无源滤波器设置于交流端与变压器之间，并与柔性直流换流器并联，电流运算模块与无源滤波器连接，电流运算模块包括电流检测器、数字信号处理器DSP和功率模块，电流检测器用于对无源滤波器的电流进行实时检测，并将检测到的电流信号送入数字信号处理器DSP；数字信号处理器DSP用于将谐波和基波分离，生成脉宽调制信号输出；功率模块被脉宽调制信号驱动，并生成补偿电流注入无源滤波器。

进一步，电流运算模块还包括两个虚拟电阻，一虚拟电阻设置在电流检测器和数字信号处理器DSP之间，另一个虚拟电阻设置在功率模块的输出方向上。

进一步，无源滤波器包括依次串联的电容、电感和两条支路，两条支路之间并联，一条支路用于进行电流检测，另一条支路用于安装避雷器，电容和电感用于调节柔性直流换流器高频阻抗特性，电流运算模块的电流检测器连接在电流检测支路上

进一步，无源滤波器的阻抗的计算公式为：

其中，L₁和C₁分别为无源阻尼装置电阻值、电感值和电容值，j是复数的单位，ω是角频率。

进一步，柔性直流输电换流器，包括三相上桥臂模组和三相下桥臂模组，三相上桥臂模组的正极直流端作为柔性直流输电换流器的第一直流端；三相上桥臂模组的三相交流线端一一对应地与三相下桥臂模组的交流线端连接，三相下桥臂模组的负极直流端作为柔性直流输电换流器的第二直流端。

进一步，三相上桥臂模组和三相下桥臂模组的每个桥臂上均设有一电感。

进一步，柔直换流系统包含两个谐振点，一个是变压器与无源滤波器的串联谐振点，另一个是无源滤波器与柔性直流换流器的并联谐振点，且两个谐振点之间的阻抗相频特性呈现容性负阻尼状态。

本发明还公开了一种柔性直流换流系统中有源和无源滤波的参数设定方法，用于上述任一项中有源和无源滤波的柔性直流换流系统，包括以下步骤：S1获得柔性直流换流器的阻抗的等效电感值和等效电阻值；S2确定柔直换流系统的两个谐振点，并分别计算两个谐振点处频率f₁和f₂；S3计算两个谐振点处无源滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁之间的关系式；S4将步骤S3中两个谐振点处的关系式连理求解，并将步骤S2中两个谐振点处频率f₁和f₂代入步骤S3中关系式，获得无源滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁；S5通过在柔直控制器中增加无源滤波支路电容电流测量信号，并与虚拟电阻R_vir相乘正反馈至电压调制波环节，获得有源阻尼；S6通过对增加有源阻尼控制与无源滤波器后的柔直换流器整体阻抗特性进行频率扫描，通过增大R_vir取值降低柔直换流器负阻尼特性至目标范围内，得到虚拟电阻R_vir取值。

进一步，两个谐振点一个是变压器与无源滤波器的串联谐振点，另一个是无源滤波器与柔性直流换流器的并联谐振点，串联谐振点的无源滤波器的电感L₁与电容C₁之间的关系式为：

并联谐振点的无源滤波器的电感L₁与电容C₁之间的关系式为：

其中，f₂是并联谐振点处的频率值，L_MMC为柔性直流换流器阻抗的等效电感值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明增加了电容电感串联的无源阻尼装置，能够有效地在高频段增强柔直换流器的阻尼特性；2、本发明中通过增加电容电流反馈环节，能够起到有源阻尼的作用，进一步增强柔直换流器在高频段的阻尼特性；3、本发明对柔直换流器高频阻抗特性的影响频段较广，且无需在无源阻尼装置中增加电阻。基于以上优点，本发明可以广泛应用于解决柔性直流换流站接入交流电网或大规模新能源场站产生的高频振荡问题。

附图说明

图1是本发明一实施例中有源和无源滤波的柔性直流换流系统的结构图；

图2是本发明一实施例中有源滤波的结构示意图；

图3是本发明一实施例中有源和无源滤波的柔性直流换流系统的阻抗特征图；

图4是现有技术中柔性直流换流系统的阻抗特征图，图4(a)是阻抗幅值随频率变换图，图4(b)是阻抗相角随频率变换图；

图5是本发明另一实施例中有源和无源滤波的柔性直流换流系统的阻抗特征图，图5(a)是阻抗幅值随频率变换图，图5(b)是阻抗相角随频率变换图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式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。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供了一种有源和无源滤波的柔性直流换流系统，其通过在柔性直流换系统的变压器网侧增加了有源和无源滤波，有效地抑制了柔性直流换系统的高频震荡，从而提高了系统高频段的阻尼特性；此外，其通过对滤波器的参数进行适应性的改进，能够增强柔性直流换流器在呈负阻尼状态的频段的高频阻尼特性。下面通过几个具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例一

本实施例包括一种有源和无源滤波的柔性直流换流系统，如图1、图2所示，包括：变压器、滤波器和柔性直流换流器，柔性直流换流器包括交流端和直流端，图中U_dc为直流端的电压，交流端和直流端之间设有变压器，滤波器设置于交流端与变压器之间，并与柔性直流换流器并联。电流运算模块与无源滤波器连接，电流运算模块包括电流检测器、数字信号处理器DSP和功率模块，电流检测器用于对无源滤波器的电流进行实时检测，并将检测到的电流信号送入数字信号处理器DSP；数字信号处理器DSP用于将谐波和基波分离，生成脉宽调制信号输出；所述功率模块被脉宽调制信号驱动，并生成补偿电流注入无源滤波器。

柔性直流输电换流器，包括三相上桥臂模组和三相下桥臂模组，三相上桥臂模组的正极直流端作为柔性直流输电换流器的第一直流端；三相上桥臂模组的三相交流线端一一对应地与三相下桥臂模组的交流线端连接，三相下桥臂模组的负极直流端作为柔性直流输电换流器的第二直流端。

三相上桥臂模组包括结构相同的A相上桥臂子模组、B相上桥臂子模组以及C相上桥臂子模组，三相下桥臂模组包括结构相同的A相下桥臂子模组、B相下桥臂子模组以及C相下桥臂子模组。A相、B相和C相上桥臂子模组的正极端均与正极直流端连接，A相上桥臂子模组的负极端与A相下桥臂子模组的正极端连接，B相上桥臂子模组的负极端与B相下桥臂子模组的正极端连接，C相上桥臂子模组的负极端与C相下桥臂子模组的正极端连接，A相、B相和C相下桥臂子模组的负极端均与负极直流端连接。变压器的三相出线端即A相出线端、B相出线端以及C相出线端，分别连接A相桥臂子模组、B相桥臂子模组以及C相桥臂子模组。其中，桥臂子模组包括上桥臂和下桥臂子模组。上或下桥臂子模组的结构都相同，包括一电感L_arm和与该电感L_arm串联的N个功率子单元SM1，SM2…SMn，其中功率子单元的输出端连接正极直流端(对应上桥臂子模块)或负极直流端(对应上桥臂子模块)。

无源滤波器包括依次串联的电容、电感和两条支路，两条支路之间并联，一条支路用于进行电流检测，另一条支路用于安装避雷器，电容和电感用于调节柔性直流换流器高频阻抗特性。其中，无源滤波器的电感和无源滤波器的电阻起调节柔直直流换流器高频阻抗特性的作用，无源滤波器的电流检测支路实时监测该支路电流，对无源滤波器起监视与保护的作用，无源滤波器避雷器支路用于过电压防护。电流运算模块的电流检测器连接在电流检测支路上。

其中，无源滤波器的计算公式为：

其中，R₁、L₁和C₁分别为无源阻尼装置电阻值、电感值和电容值，j是复数的单位，ω是角频率。

如图3所示，图3为本实施例的有源和无源滤波的柔性直流换流系统的阻抗特征图。由图可见，柔直换流系统包含两个谐振点，一个是变压器与无源滤波器的串联谐振点，另一个是无源滤波器与柔性直流换流器的并联谐振点，且两个谐振点之间的阻抗相频特性呈现容性负、弱阻尼状态。高于串联谐振点呈现感性弱阻尼状态，低于并联谐振点呈现感性强阻尼状态。因而通过增加高频滤波器能够将柔性直流换流系统的相频特性在系统易发生高频振荡的频段调整为容性，从而极大地降低了系统发生高频振荡的风险。

实施例二

通过对无源滤波器参数进行优化配置能够对某一个频段范围内的柔性直流换流器阻尼特性进行调节，从而极大地降低了柔性直流换流器接入交流电网或大规模新能源场站后发生高频振荡的风险。

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种柔性直流换流系统中有源和无源滤波器的参数设定方法，用于实施例一中任一项的有源和无源滤波的柔性直流换流系统，包括以下步骤：

S1获得柔性直流换流器的阻抗的等效电感值和等效电阻值；

S2确定柔直换流系统的两个谐振点，并分别计算两个谐振点处频率f₁和f₂；

S3计算两个谐振点处滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁之间的关系式；

两个谐振点一个是变压器与无源滤波器的串联谐振点，另一个是无源滤波器与柔性直流换流器的并联谐振点，串联谐振点的无源滤波器的电感L₁与电容C₁之间的关系式为：

并联谐振点的无源滤波器的电感L₁与电容C₁之间的关系式为：

其中，f₂是并联谐振点处的频率值，L_MMC为柔性直流换流器阻抗的等效电感值。

S4将步骤S3中两个谐振点处的关系式连理求解，并将步骤S2中两个谐振点处频率f₁和f₂代入步骤S3中关系式，获得无源滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁；

S5通过在柔直控制器中增加无源滤波支路电容电流测量信号，并与虚拟电阻R_vir相乘正反馈至电压调制波环节，获得有源阻尼；

S6通过对增加有源阻尼控制与无源滤波器后的柔直换流器整体阻抗特性进行频率扫描，通过增大R_vir取值降低柔直换流器负阻尼特性至目标范围内，得到虚拟电阻R_vir取值。

实施例三

为了进一步说明本发明的技术方案及技术效果，本实施例以一柔性直流换流站为例，对本发明的有源和无源滤波器参数的设计方法进行详细说明。

本实施例公开了有源和无源滤波的柔性直流换流系统，包括：变压器、无源滤波器和柔性直流换流器，柔性直流换流器包括交流端和直流端，图中U_dc为直流端的电压，交流端和直流端之间设有变压器，无源滤波器设置于交流端与变压器之间，并与柔性直流换流器并联。本实施例中无源滤波器的频率作用区间为200Hz～1000Hz。其中，200Hz为柔性直流换流器阻抗与高频滤波器阻抗的并联谐振点，1000Hz为高频滤波器的串联谐振点。及并联谐振点和串联谐振点的频率分别为：f₁＝200Hz，f₂＝1000Hz，将上述数据带入实施例二中的无源滤波器的电感L₁与电容C₁的计算公式可以算出无源滤波器的电感为L₁＝6mH，无源滤波器的电容为C₁＝4.24uF。为了进一步增强柔直换流器的高频阻尼特性，可在无源滤波器的基础上增加串联无源滤波电阻器。根据实施例所示情况，计算得到有源阻尼中虚拟电阻R_vir，本实施例中R_vir＝12。图4、图5分别为现有技术和本实施例中的滤波的柔性直流换流系统的阻抗特征图，从阻抗特征图中可以看出本实施例中系统相较于没有无源滤波的柔性直流换流系统高频阻抗特征更加明显，且有效抑制了柔性直流换流系统中的高频振荡。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种有源和无源滤波的柔性直流换流系统，其特征在于，包括：变压器、无源滤波器、柔性直流换流器和电流运算模块，所述柔性直流换流器包括交流端和直流端，所述交流端和直流端之间设有所述变压器，所述无源滤波器设置于所述交流端与所述变压器之间，并与所述柔性直流换流器并联，所述电流运算模块与所述无源滤波器连接，所述电流运算模块包括电流检测器、数字信号处理器DSP和功率模块，所述电流检测器用于对所述无源滤波器的电流进行实时检测，并将检测到的电流信号送入数字信号处理器DSP；所述数字信号处理器DSP用于将谐波和基波分离，生成脉宽调制信号输出；所述功率模块被所述脉宽调制信号驱动，并生成补偿电流注入所述无源滤波器。

2.如权利要求1所述的有源和无源滤波的柔性直流换流系统，其特征在于，所述电流运算模块还包括两个虚拟电阻，一虚拟电阻设置在电流检测器和数字信号处理器DSP之间，另一个虚拟电阻设置在所述功率模块的输出方向上。

3.如权利要求2所述的有源和无源滤波的柔性直流换流系统，其特征在于，所述无源滤波器包括依次串联的电容、电感和两条支路，两条支路之间并联，一条支路用于进行电流检测，另一条支路用于安装避雷器，所述电容和电感用于调节柔性直流换流器高频阻抗特性，所述电流运算模块的电流检测器连接在电流检测支路上。

4.如权利要求3所述的有源和无源滤波的柔性直流换流系统，其特征在于，所述无源滤波器的阻抗的计算公式为：

其中，L₁和C₁分别为无源阻尼装置电阻值、电感值和电容值，j是复数的单位，ω是角频率。

5.如权利要求2所述的有源和无源滤波的柔性直流换流系统，其特征在于，所述柔性直流输电换流器，包括三相上桥臂模组和三相下桥臂模组，所述三相上桥臂模组的正极直流端作为所述柔性直流输电换流器的第一直流端；所述三相上桥臂模组的三相交流线端一一对应地与所述三相下桥臂模组的交流线端连接，所述三相下桥臂模组的负极直流端作为所述柔性直流输电换流器的第二直流端。

6.如权利要求5所述的有源和无源滤波的柔性直流换流系统，其特征在于，所述三相上桥臂模组和三相下桥臂模组的每个桥臂上均设有一电感。

7.如权利要求2-6任一项所述的有源和无源滤波的柔性直流换流系统，其特征在于，所述柔直换流系统包含两个谐振点，一个是所述变压器与所述无源滤波器的串联谐振点，另一个是无源滤波器与柔性直流换流器的并联谐振点，且两个谐振点之间的阻抗相频特性呈现容性负阻尼状态。

8.一种柔性直流换流系统中有源和无源滤波的参数设定方法，其特征在于，用于所述权利要求2-7任一项所述有源和无源滤波的柔性直流换流系统，包括以下步骤：

获得柔性直流换流器的阻抗的等效电感值和等效电阻值；

确定柔直换流系统的两个谐振点，并分别计算两个谐振点处频率f₁和f₂；

计算两个谐振点处无源滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁之间的关系式；

将两个谐振点处的关系式连理求解，并将两个谐振点处频率f₁和f₂代入所述关系式，获得无源滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁；

通过在柔直控制器中增加无源滤波支路电容电流测量信号，并与虚拟电阻R_vir相乘正反馈至电压调制波环节，获得有源阻尼；

通过对增加有源阻尼控制与无源滤波器后的柔直换流器整体阻抗特性进行频率扫描，通过增大R_vir取值降低柔直换流器负阻尼特性至目标范围内，得到虚拟电阻R_vir取值。

9.如权利要求8所述有源和无源滤波器的参数设定方法，其特征在于，所述两个谐振点一个是变压器与无源滤波器的串联谐振点，另一个是无源滤波器与柔性直流换流器的并联谐振点，所述串联谐振点的无源滤波器的电感L₁与电容C₁之间的关系式为：

所述并联谐振点的无源滤波器的电感L₁与电容C₁之间的关系式为：

其中，f₂是并联谐振点处的频率值，L_MMC为柔性直流换流器阻抗的等效电感值。

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