基于時域仿真的直流回路阻抗頻率特性分析

基于時域仿真的直流回路阻抗頻率特性分析

0振幅特性的計算在直接輸電系統(tǒng)中，由于交流系統(tǒng)之間的相互影響，任何側的干擾都可能會導致系統(tǒng)壓力[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。而當直流回路的固有諧振頻率處于基波或2次諧波頻率時,擾動所引起的振蕩可能會導致設備的損壞。因此,需要對交直流系統(tǒng)進行分析,并通過改變相關系統(tǒng)參數(shù),使直流回路的固有諧振頻率與基波頻率和2次諧波頻率保持一定的距離。由于直流輸電系統(tǒng)存在換流器這一非線性元件,使得直流回路的諧振特性并不能采用常規(guī)的頻率掃描方法來進行計算。早先,模擬換流器的最簡單方法是用1個內(nèi)電感來表示1個6脈動換流器,實際上,這種做法是在假定換流站交流母線接在無窮大系統(tǒng)上而得出的,即假定交流系統(tǒng)短路比SCR為無窮大。而事實上,交流系統(tǒng)的短路比總是有限的,有時甚至還比較小。因此,采用上述公式模擬換流器,進而計算直流回路的諧振特性與實際情況不符。后來又有學者提出基于傳遞函數(shù)的阻抗模型來模擬換流器的作用,這類模型相對于內(nèi)電感模型考慮了交流系統(tǒng)的影響,但這類模型的精度往往取決于其換流器傳遞函數(shù)的選取,而傳遞函數(shù)本身又是受觸發(fā)角及系統(tǒng)運行狀態(tài)影響的,文獻所得結果表達式的不同就是由于選取了不同的電流傳遞函數(shù)。本文提出了一種計算直流回路阻抗頻率特性的精確方法,這種方法采用測試信號法基于時域仿真實現(xiàn),例如基于電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC,通過測試信號法可以計算出不同頻率下的直流回路阻抗。這種方法可以非常方便地考慮交流系統(tǒng)側各種參數(shù)變化對直流回路諧振特性的影響,如交流系統(tǒng)短路比的變化、濾波器配置的變化等,因而非常適合于實際工程計算。1直流回路阻抗根據(jù)直流輸電的基本理論,交流側到直流側的諧波電壓變換關系為:正序諧波,次數(shù)減1;負序諧波,次數(shù)加1;而直流側到交流側的諧波電流變換關系為:正序諧波,次數(shù)加1;負序諧波,次數(shù)減1。對于直流回路本身,單一頻率的電壓激勵將會產(chǎn)生一系列頻率的電流響應,但相同頻率的電流響應占有絕對主導的地位。由于計算直流回路阻抗的目的是分析直流回路的諧振特性,而換流器在直流側的特性可以等效為帶內(nèi)阻抗的電壓源,因而直流回路在任意頻率下的阻抗可以按如下方式來定義。考慮雙極直流輸電系統(tǒng)可能的3種接線方式:①雙極運行;②單極大地回路運行;③單極金屬回路運行。并考慮到直流回路的諧振特性應分別針對整流側和逆變側單獨研究;因而根據(jù)不同接線方式分別定義從整流側和逆變側看到的直流回路阻抗如下。假設雙極直流輸電系統(tǒng)3種接線方式如圖1所示。對應3種接線方式,從整流側看出去的直流回路阻抗定義為:在A點(雙極模式下正負極均需插入)插入一個設定頻率f的小值電壓源,設其電壓相量為UA(f),其參考正方向如圖1所示;測量流經(jīng)A點的同頻率電流相量IA(f),其參考正方向與插入的電壓源一致;于是,從整流側看出去的直流回路阻抗ZA(f)可以表示為ΖA(f)=UA(f)ΙA(f)。(1)同理,可以類似地推出從逆變側看出去的直流回路阻抗ZB(f)的定義。2直流回路合理抗側特性分析根據(jù)式(1)直流回路阻抗的定義,采用測試信號法計算直流回路阻抗是最方便的。測試信號法的基本思路是針對非線性系統(tǒng)而提出的,其實質(zhì)是采用時域仿真方法來研究非線性系統(tǒng)在特定工作點上線性化后的性態(tài)。對于直流回路阻抗計算,其具體實現(xiàn)步驟如下:1)在時域仿真軟件,例如PSCAD/EMTDC中建立需要研究的直流輸電系統(tǒng)模型,例如圖1中所示的系統(tǒng)。2)根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的運行接線方式,選擇插入小值電壓源的位置,例如圖1中的A點或B點。3)在A點或B點插入小值電壓源,即uA=∑fUfcos(2πft+φf)。(2)式中,f=20～160Hz,由需要研究的頻率范圍決定;Uf和φf為相應的電壓幅值和相位,對所加Uf的要求是不能破壞系統(tǒng)的可線性化條件,Uf約取直流電壓額定值的0.1%是恰當?shù)?由于直流輸電系統(tǒng)在運行點附近基本上是線性的,不同頻率的量不會相互干擾;因此,可以一次施加多個不同頻率的電壓源,例如以1Hz為間隔;事實上,一次施加多個不同頻率的電壓源與一次只施加一個頻率的電壓源所得結果幾乎沒有差別。4)對整個系統(tǒng)進行電磁暫態(tài)仿真直到進入穩(wěn)態(tài)為止,同時監(jiān)測流過電壓源的電流iA,對于一般系統(tǒng),通常仿真20s已足夠。5)在進入穩(wěn)態(tài)的時間段內(nèi)提取uA1個公共周期內(nèi)的數(shù)據(jù)量uA和iA。6)對uA和iA作Fourier分解,得到不同頻率下的相量UA(f)和IA(f)。7)根據(jù)式(1),計算不同頻率下的直流回路阻抗(對于所有的f)。8)畫出直流回路阻抗隨頻率變化的曲線,分析直流回路的諧振特性,包括諧振頻率和最小阻抗值。下面以1個典型雙極直流輸電系統(tǒng)為例,說明采用測試信號法計算直流回路阻抗的過程。示例系統(tǒng)是1個±500kV、3000MW的雙極直流輸電系統(tǒng),直流線路長度1000km,其簡化接線如圖1所示。其額定運行條件如表1所示。本算例的另一個目的是驗證早先用于模擬換流器的內(nèi)電感方法等價于假定換流站交流母線接在無窮大系統(tǒng)上。文獻給出的計算6脈動換流器內(nèi)電感L的公式為L=(2-32μπ)LΤ。(3)式中,LT為1個6脈動換流器的換相電感,通常等于換流變壓器的漏電感;μ為換相角,rad。除整流側SCR取100外,示例系統(tǒng)其他參數(shù)如表1所示,5s時在A點插入小值電壓源uA,其頻率為20～160Hz,間隔1Hz,各頻率電壓源的峰值為0.5kV,uA的時域波形如圖2所示。監(jiān)測流過電壓源uA的電流iA,得到其時域波形如圖3所示。取uA和iA進入穩(wěn)態(tài)時段的1個公共周期,這里為1s,例如取18～19s時間段上的數(shù)據(jù),分別對uA和iA作Fourier分解,由于周期為1s,因此對應的基波頻率為1Hz。圖4給出了uA經(jīng)Fourier分解后的幅頻特性|UA(f)|,圖5給出了iA經(jīng)Fourier分解后的幅頻特性|ΙA(f)|。根據(jù)式(1)的定義,可以得到直流回路阻抗的幅頻特性ΖA(f)=|UA(f)|/|ΙA(f)|,如圖6所示。如果將圖1中的各個整流器用額定直流電壓250kV串聯(lián)由式(3)確定的內(nèi)電感來表示,同樣采用上述測試信號法來計算整流側直流回路的阻抗頻率特性,其結果如圖7所示。為了便于比較,將圖6中SCR=100時的ZA(f)也畫于圖7中,可以看出,短路比SCR=100時得到的回路阻抗頻率特性,與采用式(3)確定的內(nèi)電感來模擬整流器時所得到的回路阻抗頻率特性幾乎一致。從而驗證了早先用于模擬換流器的內(nèi)電感方法等價于假定換流站交流母線接在無窮大系統(tǒng)上的結論。3直流回路抗側力一個完整的直流輸電系統(tǒng)通常由交流系統(tǒng)、交流濾波器、換流變壓器、換流器、平波電抗器、直流濾波器和直流線路等部分組成。各個部分結構和參數(shù)的改變都會對直流回路阻抗產(chǎn)生影響。下面以表1所示的算例系統(tǒng)說明本側交流系統(tǒng)短路容量、交流濾波器容量、交流濾波器類型和換流變壓器短路壓降對本側直流回路阻抗頻率特性的影響。3.1短路比scr在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變整流側交流系統(tǒng)的短路比SCR,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖8所示。由圖8可見,隨著本側短路比的降低,直流回路的第1個諧振頻率也隨之降低;且短路比越低,其諧振頻率點越密。3.2流變側回路阻抗確定在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變整流側交流濾波器的容量,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖9所示。由圖9可見,直流回路的第1個諧振頻率對本側交流濾波器容量的變化不是很敏感,而第2個諧振頻率受本側交流濾波器容量變化的影響較明顯,濾波器容量增加時,第2個諧振頻率略有降低。3.3內(nèi)壓群的頻率特性在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變整流側交流濾波器的類型,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖10所示。由圖10可見,本側交流濾波器類型對第1個諧振頻率影響不大,對第2個諧振頻率有一定的影響。3.4分接頭板下內(nèi)壓電流側回路交流特性在雙極對稱運行模式下,僅僅改變整流側換流變壓器的短路壓降uk(單位為%),通過調(diào)節(jié)整流側換流變壓器的分接頭,使表1中的其他參數(shù)保持不變?？梢缘玫秸鱾然芈纷杩沟念l率特性如圖11所示。由圖11可見,本側換流變壓器的短路壓降uk幾乎對直流回路的諧振頻率沒有影響。4直接系統(tǒng)參數(shù)對直接側流場阻抗頻率特性的影響4.1流變側回路電阻頻率特性在雙極對稱運行模式下,僅僅改變整流側換流器觸發(fā)角α,通過調(diào)節(jié)兩側換流變壓器的分接頭,使表1中的其他參數(shù)保持不變?？梢缘玫秸鱾然芈纷杩沟念l率特性如圖12所示。由圖12可見,觸發(fā)角α大小幾乎對直流回路的諧振頻率沒有影響。4.2流變側回路電阻頻率特性在雙極對稱運行模式下,僅僅改變整流側送出的直流功率,通過調(diào)節(jié)兩側換流變壓器的分接頭,使表1中的其他參數(shù)保持不變?？梢缘玫秸鱾然芈纷杩沟念l率特性如圖13所示。由圖13可見,輸送功率幾乎對直流回路的諧振頻率沒有影響。4.3流變側回路電阻頻率特性在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變整流側平波電抗器的大小,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖14所示。由圖14可見,隨著本側平波電抗值Ld的升高,直流回路的諧振頻率隨之下降。4.4流壓側濾波器的配置在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變整流側直流濾波器的配置,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖15所示。由圖15可見,隨著本側直流濾波器配置組數(shù)的增加,直流回路的諧振頻率隨之下降。4.5側功率內(nèi)接收量在雙極對稱運行模式下,僅僅改變直流輸電線路的長度及對應的逆變側功率,通過調(diào)節(jié)兩側換流變壓器的分接頭,使表1中的其他參數(shù)保持不變。可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖16所示。由圖16可見,隨著直流輸電線路長度的增大,直流回路的諧振頻率隨之下降。5側接觸系統(tǒng)參數(shù)對該側直流壓板的抗衰減頻率特性的影響5.1短路比對直流回路振動的影響在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變逆變側交流系統(tǒng)的短路比,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖17所示。由圖17可見,隨著對側短路比的降低,直流回路的諧振頻率也隨之降低;且短路比越低,其諧振頻率點越密;對側短路比SCR=100時得到的回路阻抗頻率特性,與采用式(3)的內(nèi)電感來模擬逆變器時所得到的回路阻抗頻率特性幾乎一致。5.2流變側回路阻抗測試在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變逆變側交流濾波器的容量,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖18所示。由圖18可見,直流回路的第1個諧振頻率對對側交流濾波器容量的變化不是很敏感,而第2個諧振頻率受對側交流濾波器容量變化的影響較明顯,濾波器容量增加時,第2個諧振頻率略有降低。5.3逆變側濾波器的頻率特性在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變逆變側交流濾波器的類型,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖19所示。由圖19可見,對側交流濾波器類型對第1個諧振頻率影響不大,對第2個諧振頻率有一定的影響。5.4逆變側換流變壓器的分接頭的調(diào)節(jié)在雙極對稱運行模式下,僅僅改變逆變側換流變壓器的短路壓降uk,通過調(diào)節(jié)逆變側換流變壓器的分接頭,使表1中的其他參數(shù)保持不變。可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖20所示。由圖20可見,對側換流變壓器的短路壓降uk幾乎對直流回路的諧振頻率沒有影響。6側流參數(shù)對該側流軸的抗衰減頻率特性的影響6.1流變側回路電阻頻率特性在雙極對稱運行模式下,僅僅改變逆變側換流器關斷角γ,通過調(diào)節(jié)兩側換流變壓器的分接頭,使表1中的其他參數(shù)保持不變。可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖21所示。由圖21可見,關斷角γ大小幾乎對直流回路的諧振頻率沒有影響。6.2逆變側平波電抗器的設計在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變逆變側平波電抗器的大小,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖22所示。由圖22可見,隨著對側平波電抗值的升高,直流回路的諧振頻率隨之下降。6.3逆變側濾波器的配置在雙極對稱運行模式下,表1中的其他參數(shù)保持不變,僅僅改變逆變側直流濾波器的配置,可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖23所示。由圖23可見,隨著對側直流濾波器配置組數(shù)的增加,直流回路的諧振頻率隨之下降。7綜合雙極對稱和雙極并行的運行模式保持表1中的其他參數(shù)不變,僅僅改變直流輸電系統(tǒng)的運行模式,考慮雙極對稱運行、單極大地回路運行和單極金屬回路運行,各個單極都輸送額定功率。可以得到整流側回路阻抗的頻率特性如圖24所示。8兩極雙極回采單極系統(tǒng)kv下面以糯扎渡-廣東±800kV直流系統(tǒng)為例,分析其正常工況下直流回路的諧振特性。糯扎渡-廣東±800kV直流輸電工程起點云南普洱地區(qū),落點廣東江門地區(qū),直流電壓采用±800kV,直流輸電容量5000MW,直流線路長度約1451km;