CN117728478A - 并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法，涉及高压直流输电系统谐波分析技术领域。本发明结合并联型三端直流输电系统电路结构，根据电路谐波阻抗和并联分流关系，给出了线路分段处的谐波传递特性；基于分段处的谐波传递特性，用电压电流相量图分析线路分段处谐波电流传递；结合相量图和电流谐振特点，分析线路分段处谐波电流放大，推导产生线路分段处谐波传递放大现象的条件，明确了并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法。本发明提供了一种有效的并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法，提供了规避由电流谐振产生的谐波电流放大的方法。
Description
技术领域
本发明涉及高压直流输电系统谐波分析技术领域，具体为一种并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法。
背景技术
高压直流输电（High Voltage Direct Current Transmission，HVDC）系统具有传输容量大、损耗低、潮流调节灵活和智能化程度高等优点，因此，在大容量远距离送电和大型电网互联中起到越来越重要的作用。但是高压直流也存在着不可忽视的交直流间交互影响的问题。高压直流输电系统中的换流器具有非线性、频率变换等特性，易导致系统中出现谐波电压和电流。并且，从功能角度还可以将换流器理解为具有电压、电流转换功能的放大调制器，直流与交流通过换流器互相耦合。因此，交、直流之间的动态谐波相互作用不可避免。在特定的系统结构和运行条件下，当出现系统条件变化或外部谐波明显增大时，某些谐波能够注入交流系统使HVDC系统运行状态恶化，从而可能导致谐波不稳定。
多端直流输电系统是由至少三个换流站通过高压直流输电线路连接而组成的直流输电系统，可连接多个具有不同外送和消纳能力的交流电网，实现多电源供电和多落点受电，同时节约了输电线路走廊，是一种更为灵活的直流输电方式。按接线方式划分，多端直流输电系统常见类型有并联型、串联型、混合型等。其中并联型技术相对简单，电路结构清晰，调节范围、绝缘配合、运行方式和扩建灵活度有较大优势，故成为最为常见的多端直流输电系统类型，目前在世界上已有多个工程应用。
在实际工程中多端直流输电系统多为混合系统，即送端整流站多采用常规直流的电网换相换流器（Line Commutated Converter，LCC），受端的换流站采用电压源型换流器（VoltageSource Converter，VSC），不会发生换相失败，同时可实现双向控制，在工程应用中多采用模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）。从直流侧看入受端MMC换流站，其等效阻抗近似呈感性，而线路连同换流站一起时，其等效阻抗会随频率的变化呈阻感性和阻容性交替的变化，且同样具备虚部远大于实部的特点。在多端直流输电工程中，往往存在分段线路参数不同的特点，即各换流站之间的直流输电线采用不同的规格架设。将电压、电流看作行波，在分段线路参数变化处会发生折、反射，谐波传递特性也将发生改变。
在并联型多端直流输电系统中，以并联型三端直流输电系统为例，针对谐波在分段线路处的谐波传递特性还研究不足，并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递特性分析方法有待提出。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法，能够针对谐波电流放大现象进行分析，给出避免由电流谐振产生的谐波电流放大的方法。技术方案如下：
并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法，包括以下步骤：
步骤1：在并联型三端直流输电系统中，将各换流站支路简化表示为谐波阻抗支路形式；根据并联分流关系对分段处谐波电流的分流过程进行分析，得到谐波电流放大系数表达式；
步骤2：在线路分段处，根据谐波电流并联分流关系和谐波电压电流的相量图，对谐波传递放大现象出现的情况进行分析；
步骤3：根据步骤2的分析结果，针对线路分段处出现电流谐振的情况，分析推导线路分段处产生谐波传递放大现象的条件，得到避免由电流谐振产生的谐波电流放大的策略。
进一步的，所述并联型三端直流输电系统的电路拓扑结构包括：换流站C1、换流站C2和换流站C3；换流站C1通过线路A与换流站C2连接，换流站C3通过线路B与换流站C2连接；常规运行工况下由送端的换流站C1送出功率，经过线路A输送功率到受端的换流站C2，再经过线路B输送功率到受端的换流站C3，在线路A的末端位置即为线路分段处；
所述步骤1中，分段处谐波电流的分流过程表示为：
（1）；
则线路分段处谐波电流幅值放大系数的表达式为：
（2）；
公式中，Z h2和Z h3分别表示换流站C2和换流站C3的等效谐波阻抗，Z eq表示线路B与换流站C3的等效谐波阻抗；Z c 、γ和分别表示线路B的特征阻抗、传播系数和线路长度；I h2表示流入换流站C2的谐波电流，I A末端、I B首端分别表示线路A末端、线路B首端的谐波电流；n 1和n 2分别为由线路A末端流入换流站C2和线路B首端的谐波电流幅值的放大系数。
更进一步的，所述步骤2中，对谐波传递放大现象出现的情况进行分析具体包括：
当线路B与换流站C3的等效谐波阻抗Z eq呈阻感性时，n 1和n 2均小于1，在线路分段处不会发生分流后谐波电流放大现象；
当线路B与换流站C3的等效谐波阻抗Z eq呈阻容性，且Z eq的容抗X C和换流站C2的感抗绝对值X L的差值小于设定阈值时，n 1和n 2大于1，会出现流入换流站C2和流入线路B谐波电流的幅值大幅增大的现象。
更进一步的，在线路分段处发生电流谐振时，Z h2与Z eq并联阻抗Z的虚部为0，Z h2近似呈感性时有Z h2≈jX L=jωL，Z eq呈阻容性时有，且有以下关系式：
（3）；
（4）；
（5）；
公式中，L为换流站C2等效谐波阻抗Z h2对应的电感，ω为谐波角频率；R为线路B与换流站C3的等效谐波阻抗Z eq对应的电阻，C为Z eq对应的电容；ω 0表示谐振角频率；j为虚数；
为使线路分段处不发生电流谐振，满足L-R 2C＞0时，即，能够避免因电流谐振而导致的线路分段处谐波电流增大；通过改变换流站直流阻抗特性对谐振角频率进行调整，避开直流系统中常见谐波频率，以降低在线路分段处分流后出现直流输电线路过流的风险。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明结合并联型三端直流输电系统电路结构，根据电路谐波阻抗和并联分流关系，给出了在线路分段处的谐波传递特性；基于分段处的谐波传递特性，用电压电流相量图分析线路分段处谐波电流传递；结合相量图和电流谐振特点给出避免由电流谐振产生的谐波电流放大的方法，明确了并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法。
附图说明
图1为并联型三端直流输电系统电路拓扑结构图。
图2（a）为并联型三端直流输电系统线路A处谐波电流分流过程示意图。
图2（b）为并联型三端直流输电系统线路B处谐波电流分流过程示意图。
图3为并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递的等效电路。
图4为Z eq呈阻感性时的相量图。
图5为Z eq呈阻容性时的相量图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
在并联型三端直流输电系统中，为了分析线路分段处谐波电流的分流过程，将各换流站支路简化表示为谐波阻抗支路形式。
如图1所示，并联型三端直流输电系统主要由三个换流站和直流输电线路构成，换流站C1通过线路A与换流站C2连接，换流站C3通过线路B与换流站C2连接，线路A、线路B具有不同的导线和杆塔参数。常规运行工况下由送端的换流站C1送出功率，经过线路A输送功率到受端的换流站C2，再经过线路B输送功率到受端的换流站C3，在线路A的末端位置即为线路分段处。
如图2（a）和图2（b）所示，根据并联型三端直流输电系统的电路拓扑结构图，将线路B连同换流站C3用等效谐波阻抗Z eq表示，假设在线路A首端（即换流站C1出口处）存在谐波电压源，线路A末端谐波电流为I A末端，分流为换流站C2的谐波电流I h2和线路B首端的谐波电流I B首端。
受端MMC换流站直流侧串联有平波电抗器，其等效阻抗近似呈感性，换流站C2的等效谐波阻抗Z h2≈jX L=jωL。受端MMC换流站连同线路一起时，其等效阻抗会随频率的变化呈阻感性和阻容性交替的变化，且具备虚部远大于实部的特点。线路B和换流站C3整体的等效谐波阻抗Z eq呈阻容性时的表达式为。
在分段处谐波电流的分流过程表示为：
（1）；
线路分段处谐波电流幅值放大系数的表达式为：
（2）；
公式中，Z h2表示换流站C2的等效谐波阻抗，Z h3表示换流站C3的等效谐波阻抗，Z eq表示线路B连同换流站C3的等效谐波阻抗，Z c 表示直流输电线路B的特征阻抗，γ表示直流输电线路B的传播系数，表示直流输电线路B的长度；I A末端和I B首端分别表示线路A末端和线路B首端的谐波电流；I h2表示流入换流站C2的谐波电流，n 1和n 2分别为由线路A末端流入换流站C2和线路B首端的谐波电流幅值的放大系数。
根据线路分段处谐波电流放大系数的表达式，当等效谐波阻抗Z eq呈阻感性时，n 1、n 2均小于1，在线路分段处不会发生分流后谐波电流放大现象。
根据线路分段处谐波电流放大系数的表达式，当等效谐波阻抗Z eq呈阻容性，且等效谐波阻抗Z eq的容抗和换流站C2的感抗绝对值相近时，n 1、n 2大于1，会出现流入换流站C2和流入线路B谐波电流的幅值大幅增大的现象。
在线路分段处，根据谐波电压和谐波电流的相量图，对支路等效阻抗与谐波电流并联分流存在的关系进行分析。
如图3所示，U表示谐波电压，线路A末端谐波电流I A末端经过线路分段处分成流入换流站C2的谐波电流I h2和线路B首端的谐波电流I B首端。
如图4所示，当等效谐波阻抗Z eq呈阻感性时，根据公式（2），n 1、n 2小于1，分流后的谐波电流小于线路A末端的谐波电流，这时在线路分段处不会发生分流后谐波电流放大现象。
如图5所示，当等效谐波阻抗Z eq呈阻容性，且Z eq的容抗X C近似于换流站C2的感抗绝对值X L，即X C≈X L时，线路分段处发生电流谐振，根据公式（2），n 1、n 2大于1，分流后的谐波电流大于线路A末端的谐波电流，此时出现流入换流站C2和流入线路B谐波电流的幅值大幅增大的现象。
根据上述分析结果，针对线路分段处出现电流谐振的情况，分析推导线路分段处产生谐波传递放大现象的条件，得到避免由电流谐振产生的谐波电流放大的策略。
当线路分段处发生电流谐振，此时Z h2与Z eq并联阻抗Z的虚部为0，ω 0表示谐振角频率，有以下关系式：
（3）；
（4）；
（5）；
其中，当L-R 2C＞0时ω 0才是实数，为使线路分段处不发生电流谐振，满足可以避免因电流谐振而导致的线路分段处谐波电流增大。通过改变换流站直流阻抗特性对谐振角频率进行调整，避开直流系统中常见谐波频率，降低在线路分段处分流后出现直流输电线路过流的风险。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本发明的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本发明的保护范围。
Claims (4)
1.并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在并联型三端直流输电系统中，将各换流站支路简化表示为谐波阻抗支路形式；根据并联分流关系对分段处谐波电流的分流过程进行分析，得到谐波电流放大系数表达式；
步骤2：在线路分段处，根据谐波电流并联分流关系和谐波电压电流的相量图，对谐波传递放大现象出现的情况进行分析；
步骤3：根据步骤2的分析结果，针对线路分段处出现电流谐振的情况，分析推导线路分段处产生谐波传递放大现象的条件，得到避免由电流谐振产生的谐波电流放大的策略。
2.根据权利要求1所述的并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法，其特征在于，所述并联型三端直流输电系统的电路拓扑结构包括：换流站C1、换流站C2和换流站C3；换流站C1通过线路A与换流站C2连接，换流站C3通过线路B与换流站C2连接；常规运行工况下由送端的换流站C1送出功率，经过线路A输送功率到受端的换流站C2，再经过线路B输送功率到受端的换流站C3，在线路A的末端位置即为线路分段处；
所述步骤1中，分段处谐波电流的分流过程表示为：
（1）；
则线路分段处谐波电流幅值放大系数的表达式为：
（2）；
公式中，Z h2和Z h3分别表示换流站C2和换流站C3的等效谐波阻抗，Z eq表示线路B与换流站C3的等效谐波阻抗；Z c 、γ和分别表示线路B的特征阻抗、传播系数和线路长度；I h2表示流入换流站C2的谐波电流，I A末端、I B首端分别表示线路A末端、线路B首端的谐波电流；n 1和n 2分别为由线路A末端流入换流站C2和线路B首端的谐波电流幅值的放大系数。
3.根据权利要求2所述的并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法，其特征在于，所述步骤2中，对谐波传递放大现象出现的情况进行分析具体包括：
当线路B与换流站C3的等效谐波阻抗Z eq呈阻感性时，n 1和n 2均小于1，在线路分段处不会发生分流后谐波电流放大现象；
当线路B与换流站C3的等效谐波阻抗Z eq呈阻容性，且Z eq的容抗X C和换流站C2的感抗绝对值X L的差值小于设定阈值时，n 1和n 2大于1，会出现流入换流站C2和流入线路B谐波电流的幅值大幅增大的现象。
4.根据权利要求3所述的并联型三端直流输电系统线路分段处谐波传递分析方法，其特征在于，在线路分段处发生电流谐振时，Z h2与Z eq并联阻抗Z的虚部为0，Z h2近似呈感性时有Z h2≈jX L=jωL，Z eq呈阻容性时有，且有以下关系式：
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公式中，L为换流站C2等效谐波阻抗Z h2对应的电感，ω为谐波角频率；R为线路B与换流站C3的等效谐波阻抗Z eq对应的电阻，C为Z eq对应的电容；ω 0表示谐振角频率；j为虚数；
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