濾波換相換流器及其對(duì)直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析.pdf

1、我國(guó)電網(wǎng)目前正處于高速發(fā)展時(shí)期，隨著“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)、電力市場(chǎng)”戰(zhàn)略計(jì)劃的進(jìn)一步實(shí)施，建設(shè)遠(yuǎn)距離、大容量的交直流輸電系統(tǒng)將是大勢(shì)所趨。隨之也出現(xiàn)了一系列的重大技術(shù)問(wèn)題，如電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重、HVDC的諧波傳變與諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象、各種電力系統(tǒng)擾動(dòng)等，在一定條件下這些問(wèn)題都會(huì)對(duì)．HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重危害，最終導(dǎo)致輸電系統(tǒng)閉鎖停運(yùn)。本文以湖南省“十五”“十一五”重大科技專項(xiàng)05GK1002-1，06GK1003-1“

2、新型直流輸電及其電氣裝備的研制”為背景，以劉福生教授“自耦補(bǔ)償與諧波屏蔽整流變壓器”發(fā)明專利為核心，結(jié)合晶閘管換流器，建立起在直流輸電領(lǐng)域應(yīng)用的濾波換相換流器(Filter Commutated Converter,FCC)的理論分析體系，為了實(shí)現(xiàn)FCC的工程產(chǎn)業(yè)化，需要進(jìn)行大量的理論分析和科學(xué)試驗(yàn)工作，本文主要開(kāi)展了如下幾個(gè)方面的研究工作： 介紹了高壓直流輸電(HVDC)在我國(guó)的應(yīng)用發(fā)展概況，分別闡述了HVDC系統(tǒng)中換流器件、

3、換流器和濾波器的發(fā)展歷程和技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)出HVDC系統(tǒng)采用電網(wǎng)換相換流器(Line Commutated Converter，LCC)、串聯(lián)電容換相換流器(CapacitorCommutated Converter,CCC)、可控串聯(lián)電容換流器(Thyristor ControlledCommutated Converter，CSCC)和自換相電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)運(yùn)行中所存在的問(wèn)題，并

4、提出了一種新穎的濾波換相換流器(FCC)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使新系統(tǒng)具有閥側(cè)諧波屏蔽兼無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)墓δ?，改善直流輸電系統(tǒng)交、直流系統(tǒng)的相互作用，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。 闡述了FCC的接線方案，分析了FCC在實(shí)現(xiàn)。HVDC系統(tǒng)12脈動(dòng)換相時(shí)，新型換流變壓器網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組之間的電壓矢量關(guān)系和繞組匝比關(guān)系，根據(jù)傳輸容量和運(yùn)輸條件不同，給出了四種新系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式；分析了FCC閥側(cè)濾波系統(tǒng)的感應(yīng)諧波抑制機(jī)理和無(wú)功功率補(bǔ)償特性；針對(duì)FCC閥側(cè)濾波器的

5、全調(diào)諧諧振工作要求，對(duì)新系統(tǒng)的濾波裝置進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)；以輸變電新技術(shù)研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)為實(shí)例，分別對(duì)傳統(tǒng)LCC-HVDC與FCC-HVDC系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真計(jì)算，結(jié)果證明FCC的原理正確，濾波效果好，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)選擇合理。 針對(duì)FCC較為復(fù)雜的接線結(jié)構(gòu)，從多繞組變壓器原理出發(fā)，以磁勢(shì)平衡方程、基爾霍夫定律、繞組連接方程、端口輸出方程和電壓傳遞方程為基礎(chǔ)，同時(shí)引入FCC閥側(cè)無(wú)功功率補(bǔ)償度概念，建立了FCC在接入閥側(cè)濾波支路和不接入濾波支路

6、兩種條件下的數(shù)學(xué)模型，求得FCC閥側(cè)端口電壓方程和其換相電抗的計(jì)算解析式，從而將：FCC的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效、簡(jiǎn)易的典型Graetz橋電路模型。在所建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，對(duì)FCC和LCC的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性進(jìn)行對(duì)比分析。輸變電新技術(shù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)被用于驗(yàn)證其數(shù)學(xué)模型的正確性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算一致。 介紹了HVDC系統(tǒng)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的表現(xiàn)形式和成因?；陂_(kāi)關(guān)函數(shù)理論，對(duì)FCC的阻抗頻率特性進(jìn)行理論分析，以輸變電新技術(shù)研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)為例，

7、對(duì)傳統(tǒng)LCC-HVDC和FCC-HVDC系統(tǒng)在不同的交流系統(tǒng)短路比(Short Circuit Ratio，SCR)情況下的直流等值阻抗、交流等值阻抗進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明直流系統(tǒng)對(duì)交流系統(tǒng)的諧振頻率有不可忽略的影響，F(xiàn)CC的直流等值阻抗較LCC的情況有明顯的降低，F(xiàn)CC的交流等值阻抗較LCC的情況也有所降低；最后針對(duì)目前現(xiàn)有的諧波不穩(wěn)定抑制措施，提出了基于FCC的直流輸電系統(tǒng)諧波不穩(wěn)定抑制對(duì)策，仿真結(jié)果表明，F(xiàn)CC能夠很好的避免系統(tǒng)中

8、交流或直流發(fā)生并聯(lián)諧振，對(duì)系統(tǒng)中的非特征諧波抑制效果良好，從而有效的防止HVDC系統(tǒng)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。 基于FCC-HVDC的穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)交、直流系統(tǒng)的狀態(tài)方程、控制方程在工作點(diǎn)處線性化，求取其小信號(hào)模型，給出了HVDC系統(tǒng)常見(jiàn)控制模型下的小信號(hào)狀態(tài)方程。分別以CIGRE first benchmark標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型和與其對(duì)應(yīng)的FCC-HVDC測(cè)試模型為例，采用小信號(hào)模型計(jì)算得出直流輸電系統(tǒng)在整流側(cè)定電流、逆變側(cè)定電壓控制模式

9、下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并與模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。采用特征根分析法分析了控制器參數(shù)對(duì)LCC-HVDC和FCC-HVDC系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響作用，并應(yīng)用誤差積分法對(duì)控制器PI參數(shù)樣本集進(jìn)行優(yōu)化，從而更好的滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求。 直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)交流或直流系統(tǒng)發(fā)生故障或者擾動(dòng)時(shí)，換流器特別是逆變器容易發(fā)生換相失敗，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)功率傳輸中斷。針對(duì)交流系統(tǒng)三相接地和單相接地典型故障，詳細(xì)分析了逆變器在換相過(guò)程中的具體差異，提出了通過(guò)對(duì)

10、換流器換相電壓暫降A(chǔ)U和實(shí)際熄弧角的計(jì)算，進(jìn)行判別換流器換相失敗的發(fā)生，并對(duì)FCC和LCC故障下的換相特性進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明FCC能夠承受更大的換相電壓暫降，更好的防止換相失敗的發(fā)生；再以換流橋直流母線短路和橋臂短路故障為例，對(duì)FCC和LCC分別作為整流器的換相過(guò)程進(jìn)行理論分析和仿真計(jì)算，結(jié)果表明FCC能夠更好的抑制故障時(shí)直流側(cè)的短路電流突增以及換流閥的短路電流。 詳細(xì)介紹了輸變電新技術(shù)研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和平臺(tái)功能，為驗(yàn)