CN114050584A - 一种具有无源滤波的柔性直流换流系统及参数设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性直流换流器技术领域，涉及一种具有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、无源滤波器和柔性直流换流器，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，无源滤波器设置于变压器与直流端之间，并与柔性直流换流器并联，无源滤波器包括依次串联的电阻、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，电阻、电容和电感用于调节柔直换流器高频阻抗特性。其解决了柔直换流器接入交流电网或大规模新能源场站产生的高频振荡问题。

Description

一种具有无源滤波的柔性直流换流系统及参数设定方法

技术领域

本发明涉及一种具有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，逐渐成为主要的直流输电方式之一。

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，存在一定的宽频谐振风险。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，柔性直换流器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具有无源滤波的柔性直流换流系统及参数设定方法，其解决了柔直换流器接入交流电网或大规模新能源场站产生的高频振荡问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有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，交流端和直流端之间设有变压器，无源滤波器设置于变压器与直流端之间，并与柔性直流换流器并联，柔性直流换流系统的阻抗Z采用下式计算：

其中，R₁、L₁和C₁分别为无源滤波器的电阻值、电感值和电容值，j是复数的单位，ω是角频率，L_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电阻值。

进一步，无源滤波器包括依次串联的电阻、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，电阻、电容和电感用于调节柔直换流器高频阻抗特性。

进一步，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。

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，电感和无源滤波器、变压器构成LCL滤波回路。

进一步，柔直换流器的阻抗特性计算公式为：

Z_MMC＝jωL_MMC+R_MMC

其中，L_MMC为柔直换流器阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器阻抗的等效电阻值，j是复数的单位，ω是角频率。

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、弱阻尼状态。

本发明还公开了一种柔性直流换流系统中无源滤波器的参数设定方法，用于上述任一种的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获得变压器的等效电感L_t与等效电阻R_t；S3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；S4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；S5将步骤S4中两个谐振点处的关系式连理求解，并将步骤S3中两个谐振点处频率f₁和f₂代入步骤S4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；S6根据无源滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁计算无源滤波器的电阻R₁。

进一步，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。

进一步，无源滤波器的电感L₁与电容C₁的计算公式为：

其中，ω₁＝2πf₁，ω₂＝2πf₂，

R₁、L₁和C₁分别为无源滤波器的电阻值、电感值和电容值，ω₁是串联谐振点处的角频率，ω₂是并联谐振点处的角频率，L_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电阻值，f₁是串联谐振点处的频率值，f₂是并联谐振点处的频率值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在换流变压器阀侧增加了电容电感电阻串联的无源滤波装置，能够有效地在高频段增强柔直换流器的阻尼特性。2、本发明中通过对无源滤波器参数进行设计，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。3、本发明无需在换流变压器网侧增加设备，将设备增加换流变压器阀侧直流场，因而无需增加网侧设备的占地。4、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的高频振荡问题。

附图说明

图1是本发明一实施例中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无源滤波的柔性直流换流系统的阻抗特征图；

图3是本发明另一实施例中无源滤波的柔性直流换流系统的结构图；

图4是本发明另一实施例中无源滤波的柔性直流换流系统的阻抗特征图。

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。

本发明提供了一种具有无源滤波的柔性直流换流系统及其中无源滤波的参数设定方法，其通过在柔性直流换系统的变压器阀侧增加了无源滤波器，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，其通过对无源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

本实施例包括一种具有无源滤波的柔性直流换流系统，如图1所示，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，无源滤波器设置于变压器与直流端之间，并与柔性直流换流器并联。

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)。各个电感L_arm分别和无源滤波器、变压器构成LCL滤波回路。

柔直换流器(不包括变压器)的阻抗特性计算公式为：

Z_MMC＝jωL_MMC+R_MMC

其中，L_MMC为柔直换流器阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器阻抗的等效电阻值，j是复数的单位，ω是角频率。

无源滤波器包括依次串联的电阻、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，电阻、电容和电感用于调节柔直换流器高频阻抗特性。

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。

考虑变压器的等效电阻值R_t与等效电感值L_t后获得的柔性直流换流系统的阻抗特性图如图2所示。柔性直流换流系统的阻抗Z可以采用下式计算：

其中，R₁、L₁和C₁分别为无源滤波器的电阻值、电感值和电容值，j是复数的单位，ω是角频率，L_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电阻值。

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。

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直换流器阻尼特性进行调节，从而极大地降低了柔直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无源滤波器的参数设定方法，用于实施例一中公开的任一种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获得变压器的等效电感L_t与等效电阻R_t；

S3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；

S4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；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。

串联谐振点的无源滤波器的电感与电容之间的关系式为：

-j(2πf₁)³(L_MMCL_t+L₁L_t+L_MMCL₁C₁)-(2πf₁)²[L_tC₁(R_MMC+R₁)+R_tC₁(L_MMC+L_t)+C₁(L_MMCR₁+L₁R_MMC)]+j2πf₁[R₁C₁R_MMC+L_MMC+(R₁+R_MMC)R_tC₁+L_t]＝0

S5将步骤S4中两个谐振点处的关系式连理求解，并将步骤S3中两个谐振点处频率f₁和f₂代入步骤S4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；

无源滤波器的电感L₁与电容C₁的计算公式为：

其中，ω₁＝2πf₁，ω₂＝2πf₂，

R₁、L₁和C₁分别为无源滤波器的电阻值、电感值和电容值，ω₁是串联谐振点处的角频率，ω₂是并联谐振点处的角频率，L_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电阻值，f₁是串联谐振点处的频率值，f₂是并联谐振点处的频率值。

S6根据无源滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁计算无源滤波器的电阻R₁。

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，对本发明的阀侧无源滤波装置参数的设计方法进行详细说明。

本实施例公开了一种具有无源滤波的柔性直流换流系统，如图3所示，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，无源滤波器设置于变压器与直流端之间，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～280Hz。其中，200Hz为柔直换流器阻抗与高频滤波器阻抗的并联谐振点，280Hz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＝280Hz，变压器的等效电感L_t为0.06H，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＝26.9mH，无源滤波器的电容为C₁＝3.72uF，将电感和电容数据代入实施例一的无源滤波器的计算公式，可以算出R₁＝4Ω。图4为本实施例中的无源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其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 (10)

1.一种具有无源滤波的柔性直流换流系统，其特征在于，包括：变压器、无源滤波器和柔性直流换流器，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变压器与所述直流端之间，并与所述柔性直流换流器并联，所述柔性直流换流系统的阻抗Z采用下式计算：

其中，R₁、L₁和C₁分别为无源滤波器的电阻值、电感值和电容值，j是复数的单位，ω是角频率，L_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电阻值，R_t、L_t分别为等效电阻和等效电感。

2.如权利要求1所述的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阻、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，所述电阻、电容和电感用于调节柔直换流器高频阻抗特性。

3.如权利要求2所述的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。

4.如权利要求1所述的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。

5.如权利要求4所述的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，所述电感和所述无源滤波器、所述变压器构成LCL滤波回路。

6.如权利要求5所述的无源滤波的柔性直流换流系统，其特征在于，所述柔直换流器的阻抗特性计算公式为：

Z_MMC＝jωL_MMC+R_MMC

其中，L_MMC为柔直换流器阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器阻抗的等效电阻值，j是复数的单位，ω是角频率。

7.如权利要求1-6任一项所述的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无源滤波器的参数设定方法，其特征在于，用于所述权利要求1-7任一项所述的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；

获得所述变压器的等效电感L_t与等效电阻R_t；

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；

将中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代入步骤所述关系式，获得无源滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁；

根据所述无源滤波器的电感L₁与无源滤波器的电容C₁计算无源滤波器的电阻R₁。

9.如权利要求8所述无源滤波器的参数设定方法，其特征在于，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，f₁是串联谐振点处的频率值，f₂是并联谐振点处的频率值，L_MMC为柔直换流器阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器阻抗的等效电阻值，j是复数的单位，L_t是等效电感。

10.如权利要求9所述无源滤波器的参数设定方法，其特征在于，所述无源滤波器的电感L₁与电容C₁的计算公式为：

其中，ω₁＝2πf₁，ω₂＝2πf₂，

R₁、L₁和C₁分别为无源滤波器的电阻值、电感值和电容值，ω₁是串联谐振点处的角频率，ω₂是并联谐振点处的角频率，L_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电感值，R_MMC为柔直换流器的阻抗的等效电阻值，f₁是串联谐振点处的频率值，f₂是并联谐振点处的频率值。

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