(高清版)GBT 20996.3-2020 采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能 第3部分：動態(tài)

GB/T20996.3—202采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能第3部分：動態(tài)Performanceofhigh-voltagedir國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會IGB/T20996.3—2020/IECTR60919-3:2016 Ⅲ 12規(guī)范性引用文件 13高壓直流動態(tài)性能規(guī)范概要 2 23.2一般說明 2 3 34.2功率潮流控制 34.3頻率控制 55交流動態(tài)電壓控制及與無功功率源的相互影響 6 65.2高壓直流換流站及其他無功功率源的電壓和無功功率特性 65.3高壓直流換流站母線電壓偏移 5.4換流站與其他無功功率源的電壓和無功功率的相互作用 6交流系統(tǒng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性 6.1概述 6.2有功功率和無功功率調(diào)制的特點 6.3網(wǎng)絡狀態(tài)分類 6.4交流電網(wǎng)與高壓直流系統(tǒng)并聯(lián) 6.5相連交流電網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)定性的改善 6.6阻尼控制特性的確定 6.7阻尼控制器的實現(xiàn)及通信要求 7較高頻率下高壓直流系統(tǒng)的動態(tài)性能 7.1概述 7.2不穩(wěn)定性類型 7.3設計所需信息 7.4抑止不穩(wěn)定的有效措施 217.5通過控制作用阻尼低次諧波 7.6滿足較高頻性能要求的驗證 8次同步諧振 22 228.2與高壓直流系統(tǒng)相關(guān)的次同步振動判據(jù) ⅡGB/T20996.3—2020/IECTR60919-3:20168.3確定發(fā)電機組對扭振影響敏感性的篩選判據(jù) 23 8.5性能試驗 8.6渦輪發(fā)電機的保護 9與發(fā)電廠的相互影響 9.1概述 9.2特殊影響 9.3核電站的特殊考慮 28Ⅲ本部分為GB/T20996的第3部分。本部分代替GB/Z20996.3—2007《高壓直流系統(tǒng)的性能第3部分：動態(tài)》,與GB/Z20996.3-本部分使用翻譯法等同采用IECTR60919-3:2016《采用電網(wǎng)換相換流器——GB/T3859.1—2013半導體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-1部分：基本要求規(guī) GB/T3859.2—2013半導體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-2部分：應用導則-—GB/T3859.3—2013半導體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-3部分：變壓器和電——GB/T20996.1—2020采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能第1部分：穩(wěn)態(tài) GB/T20996.2—2020采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能第2部分：故障和操作——增加了發(fā)電機組相互作用系數(shù)表達式中第i臺發(fā)電機組的額定功率的文字符號的說明IEC60146-1-1半導體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-1部分：基本要求規(guī)范(Semi-ofbasicrequirements)IEC/TR60146-1-2半導體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-2部分：應用導則(Semi-conductorconverters—GeneralrequirementsIEC60146-1-3半導體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-3部分：變壓器和電抗器(SemiconductorconverIECTR60919-1:20102采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能第1部分：穩(wěn)態(tài)[Per-formanceofhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systemsw工2GB/T20996.3—2020/IECTRPerformanceofhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systemswithline-commutatedconverterst35章和第6章論述。調(diào)速器控制配合。隨著高壓直流系統(tǒng)在整個電力系統(tǒng)中的作用變化，對直流功率控制的要求也有所在4.3中討論由高壓直流系統(tǒng)控制交流系統(tǒng)頻率。當兩個交流系統(tǒng)通過一個以上的直流系統(tǒng)相a)當設計的潮流控制系統(tǒng)有多個功能時，包括交流系統(tǒng)頻率控制，宜對這些控制功能設置優(yōu)b)在穩(wěn)態(tài)條件下，防止交流線路過負荷控制的優(yōu)先級通常高于其他潮流控制。對于使4e)宜對電力系統(tǒng)所需的特殊功率指令調(diào)節(jié)信號加以確定、研究和規(guī)范。不準許這些信號引起直f)雙極直流系統(tǒng)通常要求直流功率和電流在各極之間有效均分。當一個極退出，剩余極的過負g)直流系統(tǒng)送端和受端之間通信中斷不宜引起對交流系統(tǒng)的擾動。規(guī)范至少應要求：在通信中當直流功率階躍變化會造成直流電流低于高壓直流系統(tǒng)允許運行的最小值時(通常是額定電流的5%～10%),換流器運行宜不小于最小電流。否則，經(jīng)過一段允許時間的低電流運行后，換流器宜被閉5當高壓直流系統(tǒng)需從空載備用狀態(tài)起動以響應一個功率階躍變化指令時(見IECTR60919-1:2010的第7章),可能還需要考慮某些條件。對于通信通道的說明，參見IECTR60919-1:2010的第16GB/T20996.3—2020/IECTR60919-5交流動態(tài)電壓控制及與無功功率源的相互影響負荷改變、倒閘操作或故障時引起的無功功率潮流變化，會在交流電網(wǎng)中產(chǎn)生電壓波動。對于高阻抗交流電力系統(tǒng)，即短路容量小、電壓波動大的系統(tǒng)，電壓控制的需要就尤為明宜對電網(wǎng)電壓的突然變化量規(guī)定一個適當?shù)南拗?，例如，?jīng)常發(fā)生的電壓波動小于3%,偶爾發(fā)生的電壓波動小于10%。在短路容量小的電網(wǎng)中，由于大的負荷變化及甩負荷會造成超過正常運行范圍的高暫態(tài)過電壓，它可能危及變電站設備，此時可切除無功功率源對其進行限制。宜規(guī)定可接受的暫態(tài)過電壓限值和持續(xù)時間。5.2高壓直流換流站及其他無功功率源的電壓和無功功率特性采用不同的設備能實現(xiàn)高壓直流換流站交流母線的動態(tài)無功功率和電壓控制。圖1給出一個高壓直流換流站的無功補償設備示意圖。無功補償設備的選取取決于交流電網(wǎng)特性和高壓直流換流站有關(guān)數(shù)據(jù)的要求，以及對各種可能方案的經(jīng)濟評估。1798356圖1高壓直流站無功補償元件5.2.2換流器作為有功功率/無功功率源高壓直流換流器的有功功率/無功功率與以下因素有關(guān)：-—換相阻抗(若適用，需包含換相電容);7除了換流器的觸發(fā)控制，還可通過分接開關(guān)進行控制。但每級分接開關(guān)的改變要有幾秒的延時。考慮動態(tài)工況時，換流器的有功功率/無功功率特性如圖2所示(也見IECTR60919-1:2010的圖aab5注：本圖適用于恒定換相電壓。Q換流器的無功功率； 額定直流電壓和額定直流電流；P——換流器的有功功率；α——在定觸發(fā)角α或定關(guān)斷角γ運行時，動態(tài)工況的無功功率隨有功功率變化的相應曲線由圖2——當有功功率改變時無功功率保持恒定(圖2的b線),觸發(fā)角α或關(guān)斷角γ隨之改變。運行點都能用于動態(tài)控制目的。8網(wǎng)特性的關(guān)系。圖3是這種穩(wěn)態(tài)性能的典型曲線。為保持某一電壓(如額定電壓1p.u.)恒定，每個直圖3能用于確定動態(tài)電壓控制，曲線通常通過潮流和穩(wěn)定程序計算得到。此外把交流電網(wǎng)簡化為一個簡單的戴維南(Thevenin)等值電路(見這種情況下，電壓變化時間常數(shù)大約是100ms～500pupupup.u.o0.59GB/T20996.3—2020/圖4交流系統(tǒng)的等效電路圖5.2.4用于高壓直流換流站無功補償?shù)慕涣鳛V波器、并聯(lián)電容器組和并聯(lián)電抗器的電壓特性為了滿足穩(wěn)態(tài)工況下的無功功率需求，通常需要安裝交流濾波器、電容器組、換相電容器和并聯(lián)電抗器。為滿足諧波特性所需的最小交流濾波器組宜連接在高壓直流換流站。其余可投切的無功補償設備也能用于動態(tài)電壓控制和系統(tǒng)所需無功功率的調(diào)節(jié)。無功補償設備的容量由交流電網(wǎng)的需求決定，并限制投切時電壓的階躍變化。在換流器運行時，能利用換流器控制的幫助抑制無功功率的變化，以減小換流器運行時投切引起的暫態(tài)電壓變化。二進制切換(例如同時控制投入和切除不同容量和類型的無功設備)也能用于減小無功功率的變化。在對無功補償設備進行規(guī)劃配置時，宜考慮交流合閘時間、控制系統(tǒng)處理時間，以及這些設備的放電或工作周期等限制因素，還需要特別考慮電氣回路開關(guān)的操作方式，包括在誤操作或故障情況時設備的暫態(tài)恢復電壓(TRV)。5.2.5靜止無功補償裝置(SVC)的電壓特性交流網(wǎng)絡的動態(tài)電壓能通過靜止無功補償裝置控制。當高壓直流換流站退出運行或換流器無功功率控制由于其他原因不能實現(xiàn)時，靜止無功補償裝置可用于高壓直流換流站母線的電壓控制。與高壓直流換流站母線連接的靜止無功補償裝置的容量宜根據(jù)母線電壓變化的要求和需要補償?shù)臒o功功率決定。靜止無功補償裝置的無功功率額定值宜大于連接于母線上的最大可投切無功功率時，才能平穩(wěn)地調(diào)壓。靜止無功補償裝置的容量也能根據(jù)過電壓限制要求確定，例如甩負荷時，能利用靜止無功補償裝置的過負荷能力。當確定靜止無功補償裝置的動態(tài)補償容量時，需考慮連續(xù)運行期間的運行點。從連續(xù)運行開始，靜止無功補償裝置就宜具有足夠的調(diào)節(jié)范圍維持電壓控制。靜止無功補償裝置設計的一個重要方面是其可用率問題。如果在靜止無功補償裝置可能退出運行時仍要考慮靜止無功補償裝置的動態(tài)性能，需要有一個備用單元，或宜對運行進行限制。為滿足穩(wěn)態(tài)條件下的無功功率需求，可能需要安裝交流濾波器、電容器組、換相電容器和并聯(lián)電抗器。5.2.6同步調(diào)相機(SC)的電壓特性在無慣性或小慣性的交流網(wǎng)絡中，可采用同步調(diào)相機增大短路額定值和慣性。此時同步調(diào)相機的容量由無功功率和頻率控制的要求決定。在弱交流電力系統(tǒng)中，同步調(diào)相機通過減小網(wǎng)絡阻抗實現(xiàn)高靜止同步補償裝置(STATCOM)采用電壓源換流器(VSC)技術(shù)，使用可關(guān)斷功率半導體器件(如高壓直流換流站母線交流電網(wǎng)的強度能用短路比(SCR)表示。短路比定義為高壓直連接在交流母線上的電容器和交流濾波器明顯地降低了短路容量。有效短路比(ESCR)可表達為交流系統(tǒng)短路容量減去連接在交流母線上的電容器和交流濾波器在1p.u.電壓下的容性無功補償量后較低的ESCR或SCR值意味著高壓直流換流站與交流系統(tǒng)的相互影響更嚴重。交流網(wǎng)絡能根據(jù)在高ESCR值的系統(tǒng)中，高壓直流換流站有功功率/無功功率的改變會導致電壓有較小或中度的率的10%,它能通過提高約2%的設備額定值提供這種調(diào)節(jié)性能(見圖2)。如果兩個站相互協(xié)調(diào)是可換流器的電壓控制時間常數(shù)范圍約為10ms～20ms。如果兩側(cè)根高壓直流工程和靜止無功補償裝置各自具有時間常數(shù)相匹配的控制系統(tǒng)。宜仔細研究它們的協(xié)所需的無功補償和電壓控制。電壓補償?shù)臅r間常數(shù)取決于同步調(diào)相機的勵磁系統(tǒng)，通常在100ms~高壓直流工程有功功率和/或無功功率的可控性能用于改善與其相連的交流系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)穩(wěn)制仍能在電流控制站中進行，調(diào)制幅度通常限于電流裕度的30%～50%。在一些振蕩開始自然增強的如果高壓直流系統(tǒng)運行在最小關(guān)斷角(最大直流電壓),在調(diào)制中只可能使無功功率消耗從穩(wěn)態(tài)值GB/T20996.3—2020/IECT現(xiàn)無功功率從穩(wěn)態(tài)值減小的情況。圖6和圖7表明在這兩種情況下，逆變器運行的電壓電流特性和無功功率變化。如果調(diào)制期間可能要求無功功率消耗減少，需要對此作出規(guī)范要求，因為這會導致?lián)Q流閥、換流變說明圖6高壓直流輸電運行在最小關(guān)斷角Ymin時的無功功率調(diào)節(jié)1——在無功功率調(diào)制期間的Ua范圍；b)交流電壓Um和關(guān)斷角γ的變化圖7高壓直流輸電運行在關(guān)斷角γ>Ymn時的無功功率調(diào)節(jié)木木7傳輸?shù)挠泄β实钟娋W(wǎng)A和電網(wǎng)B間相角的變化(如圖8a)所示]。電網(wǎng)A和電網(wǎng)B間的頻率差或并聯(lián)的交流線路中的有功功率或電流是高壓直流系統(tǒng)阻尼控制器可能的輸入。圖9給出阻尼控制器的兩種原理結(jié)構(gòu)。如果控制策略判別系統(tǒng)狀態(tài)為并聯(lián)的交流連接已斷開，并且電網(wǎng)A和電網(wǎng)B已失步，GB/T20996.3—2020/IECTPc或lac.PP圖9阻尼控制器的原理結(jié)構(gòu)通常采用測量頻率差的方法。使用交流線路的功率用作控制器的輸入有時會有難度，因為線路兩端存在大相角差，而線路的功率可能隨著相角差的增加而減小，這會引起直流系統(tǒng)的錯誤控制。6.6描述了如何確定傳遞函數(shù)G(s)。G(s)通常有一個帶通特性，它使穩(wěn)態(tài)變化不會導致控制器的非零輸出。同時，在輸入信號快速變化時，傳遞函數(shù)宜能抑制控制器作用。從穩(wěn)定意義講，在交流并聯(lián)連接的狀態(tài)下，高壓直流阻尼控制有時能增加并聯(lián)交流回路穩(wěn)定狀態(tài)的輸送功率。增加的幅度取決于非穩(wěn)定性類型決定的功率限值。在第一次不穩(wěn)定擺動中，只有當高壓直流系統(tǒng)容量很大或具有很大的短期過負荷能力時，才會有預期的改善；然而，在調(diào)制幅度相對較小時也能改善系統(tǒng)阻尼。某些情況下，即使在電流控制站本地完成小信號調(diào)制，仍可能增加并聯(lián)交流線路中的輸送功率。6.5相連交流電網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)定性的改善對于這種情況，高壓直流系統(tǒng)改善穩(wěn)定性的能力很大程度上取決于需要改善的電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特性，也取決于獲得阻尼控制器相應輸入信號的可能性。在某些情況下，輸入信號可能不得不從交流電網(wǎng)中其他變電站傳輸?shù)礁邏褐绷鲹Q流站?？刂破鞯妮斎胄盘柨梢允穷l率、電壓、交流線路功率、線路電流或在這種情況下，當規(guī)范阻尼控制時，宜考慮與另一端高壓直流換流站連接的交流電網(wǎng)接受由于阻尼控制所引起的功率波動的能力。6.4中給出的對于并聯(lián)交流網(wǎng)絡的控制器傳遞函數(shù)的一般考慮，也適用于這種情況。6.6阻尼控制特性的確定通常使用具有模擬高壓直流系統(tǒng)和不同控制器特性能力的暫態(tài)穩(wěn)定計算程序?qū)Ω邏褐绷飨到y(tǒng)阻尼控制的要求和有效性進行研究。這種研究可揭示高壓直流系統(tǒng)和其他系統(tǒng)元件(如靜止無補償裝置或?qū)崟r仿真裝置對于控制系統(tǒng)的驗證非常有效。采用實時仿真裝置進行的閉環(huán)測試更接近實際工況。實時仿真裝置能是像TNA模擬式的或數(shù)字式的。由于是仿真裝置測試，可模擬各種擾動工況對的影響(見第8章)。IECTR60919-1:2010第12章)。性通常指產(chǎn)生的振蕩頻率為基頻的非整數(shù)倍，或者在完全平衡的系統(tǒng)中甚的50%,換流變壓器的局部飽和會在勵磁電流中產(chǎn)生顯著的附加諧波(包括二次諧波)。這些二次諧波在交流側(cè)接近二次諧波的高阻抗諧振和/或直流側(cè)接近基頻的低阻抗諧振都可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。某些情況下，通過主回路參數(shù)的優(yōu)化設計(如平波電抗器或交流濾波器)避免這類諧振是可行的。基頻分量就會疊加在直流電流上。這種基頻分量會在換流變壓器閥側(cè)繞組中產(chǎn)生直流電流和二次諧下所需要的較高頻特性。制造商宜給出能證明其產(chǎn)品在較高頻條件下具有滿意的動態(tài)諧波性能的-—分別從每個換流器看過去的交流系統(tǒng)阻抗和相位角，以及已知的直流系統(tǒng)。對于強交流系統(tǒng)目前的控制系統(tǒng)(等距觸發(fā))通過對觸發(fā)角(α)的適當調(diào)制即可有效地阻尼低次非特征諧波(例如只有接近整流站并且和交流網(wǎng)絡有弱連接的渦輪發(fā)電機單元才易受到次同步諧振的危害。通常，扭振的自然頻率處于15Hz～40Hz。大型核能渦輪發(fā)電機的最低扭振頻率可達到5H為了準確區(qū)分次同步諧振(SSR)和次同步扭振，把后者稱為SSTI,其是高壓直流輸電控制和渦輪與串聯(lián)補償相關(guān)的交流線路次同步諧振(SSR)與帶渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)將會引起供給換流器的交流電壓相角和幅值變化。對換流器觸發(fā)角的影響，扭振影響在水輪發(fā)電機組中不會發(fā)生，只在熱力發(fā)電機組中才有。對于較低速度和中速度(低水對于任何可能與汽輪發(fā)電機發(fā)生扭振相互作用的新的HVDC系統(tǒng)，其規(guī)范宜包含篩選研究的內(nèi)GB/T20996.3—2020/IESC;——高壓直流換流母線除去第i單元的短路容量(不包括交流濾波器);SCtot——高壓直流換流母線包括第i單元的短大量研究表明，當影響系數(shù)近似小于0.1時將不會有明顯的相互影響，在進一步的研究中可被宜通過測量檢驗次同步阻尼控制器的增益裕度(例如測量通過次同步阻尼控制器和相連系統(tǒng)的開基于詳細的系統(tǒng)分析和完全冗余的控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，安裝了SSDC的高壓直流輸電系統(tǒng)的壓直流系統(tǒng)通過對交流系統(tǒng)頻率增量的特定閉環(huán)控制有助于系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼。更多信息見第6章。有被切除，過電壓就可能損壞發(fā)電機及其他設備。輔助電動機和勵磁系統(tǒng)的額定值宜根據(jù)IECTR60919-2:2008/AMD1:2015的5.3相應的應力要求確定。在自勵磁條件下用于發(fā)電機的諧波值，并作為發(fā)電機和交流濾波器的技術(shù)規(guī)范或設計規(guī)范內(nèi)容。更深入的討論在IECTR60919-1:2010第16章中論述。對于汽輪發(fā)電機，宜特別關(guān)注5次和7次諧波的大小，因為相互影響的磁場將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個6次諧波的脈動轉(zhuǎn)距。如果與一個超同步機械諧振頻率(包括轉(zhuǎn)子在第8章中討論了強加于發(fā)電機、軸和渦輪機的次同步諧振危害的嚴重性。由某種柴油發(fā)電機產(chǎn)作為9.2.7中所指出的諧振條件以及諧振低阻尼特性的結(jié)果，還應考慮除直流甩負荷之外的其他CircuitCapacity.CIGREdocumentTF[2]ANDERSSONG.,SVENSSONS.,LiSSG.,Digit