高压直流输电系统动态恢复特性的仿真研究

1、高压直流输电系统动态恢复特性的仿真研究*杨 秀1,陈鸿煜2,靳 希1(1.上海电力学院电力工程系,上海200090;2.上海大学自动化系,上海200072摘 要:为改善高压直流输电(H V DC系统故障下的动态恢复特性,运用P SCA D/EM T DC仿真工具,研究了HV DC系统逆变站分别采用固定电容器(FC、静止无功补偿器(SVC、静止同步补偿器(ST A T COM3种无功补偿设备时的故障恢复特性,其中故障有直流闭锁、换流母线三相接地、单相接地、远端三相接地等。结果表明,交流系统较弱时,SV C会降低交流系统强度,而导致HV DC系统故障及故障恢复时发生连续换相失败,而ST A T C

2、O M 在电压保持、功率恢复等方面都较其他补偿设备有着明显的优点,能够显著改善HV DC系统的动态特性。关键词:高压直流;短路比;故障恢复;无功补偿;动态特性中图分类号:T M721.1文献标识码:A文章编号:1003 6520(200609 0011 04Simulation S tudy of Dynamic Fault Recovery Performance of HVDC SystemYANG Xiu1,CH EN H ongy u2,JIN Xi1(1.Dept.o f E lectr ical Engineering,Shanghai University of Electric

3、 Pow er,Shanghai200090,China;2.Dept.of Automation,Shanghai U niversity,Shang hai200072,ChinaAbstract:T he fault r eco ver y of H ig h V oltag e Dir ect Current(HV DCtr ansmission system is o ften influenced by many factor s,such as the str eng th o f inver ter A C system,the reactive pow er co mpens

4、atio n char acteristics of the in v erter and the dy namic perfo rmance of DC co nt roller s,especially w hen the str eng th o f inv erter A C sy st em is too weak,the H V DC o ften experiences continuous commutatio n failure during and after fault,w hich makes the recov ery of DC pow er much diffic

5、ult,even fa il to r eco ver y fro m the fault.In that case,the r eactive pow er co mpensating per fo rmance of the dev ice applied in the inv erter beco mes much mo re impo rtant.In this paper,the P SCA D/EM T DC simulatio n to ol is used to study the dy namic recov ery perfo rmance of H VDC system

6、fo r sev eral different v ar compen sating dev ices in H V DC inverter Fixed ca pacito r(F C,Static V ar co mpensator(SV C,Static synchr onous com pensato r(ST A T COMwhen H VDC is subject to var ious faults,including DC blo ck,thr ee phase g rounding,single phase gr ounding and remo te thr ee phase

7、 g rounding fault.T he result sho ws that w hen A C system is weak,SV C can low er the A C str eng th,so leads to the continuous co mmutation f ailure and slow dow n the H VDC recov ery pr ocess, and the ST A T CO M can impr ove H VDC recov ery perfor mance gr eatly fo r its advantages over o ther c

8、o mpensat ing de v ices in ar eas such as v oltage suppor t ability and D C pow er r eco ver y.Key w ords:H VDC;shor t circuit rat io(SCR;fault recover y;r eact ive po wer com pensat ion;dynamic character istics0 引 言高压直流(H VDC输电系统因其远距离大容量输电、控制灵活等特点在我国得到了广泛应用,同时也带来许多问题,特别是大扰动时交直流系统的相互作用常造成系统动态状态的突变,引

9、起如暂态过电压1、谐波不稳定2,3、电压不稳定4,5等问题,当H VDC系统逆变侧所接交流系统较弱时,这些问题更加突出6。因此,H VDC系统故障下的动态特性一直备受关注,实际运行表明,H VDC落点的交流系统强度和无功特性及直流控制器的特性7,8等对H VDC故障恢复特性有显著影响。直流输电系统稳态运行时无功功率平衡由换流器的运行状态及交流侧的无功补偿决定,故障时无功不平衡直接影响换流器的正常换相,而换流母线上无功补偿装置通过交流系统影响直流系统的故障恢复9。因此,交流系统无功补偿方式对H VDC系统的影响更为直接。本文用PSCAD/EM T DC软件仿真H VDC系统,分析不同无功补偿方式

10、对高压直流输电系统故障及其恢复的影响。1 交流系统强度与短路比交流系统的强弱是相对直流输电系统的输送容量而言,工程中一般用交流系统的短路容量与直流系统额定输送功率的比值表示,即短路比SCR。若系统基准电压为换流母线额定电压,基准功率为直流额定输送功率,则:SCR=S sc/P dN=1/Z pu,(111第32卷第9期2006年 9月高 电 压 技 术H igh Voltag e EngineeringVol.32No.9S ep. 2006*上海市科技启明星项目(05QM X1432、上海市重点学科建设项目(P1301、上海市科委重大科技攻关项目(041612012式中S sc为交流系统短路

11、容量;P dN为额定直流输送功率;Z pu为交流系统等值阻抗的标么值。考虑到交流系统滤波器及无功补偿装置的作用,可引入有效短路比ESCR:ESCR=(S sc-Q c/P dN=1/Z pu-B cp u,(2式中Q c为额定运行条件下交流滤波器与补偿电容产生的无功;B cpu为交流滤波器与补偿电容的等值电纳标么值。若ESCR<3则系统较弱,运行中就易出现各种问题10。H VDC换流器运行时要消耗大量无功,这些无功通常不由所连交流系统提供,而通过换流母线上并联的交流滤波器与无功补偿电容共同提供。当系统无功裕度较小或考虑电压稳定等问题时,就需采用静止无功补偿器(SVC或静止同步补偿器(ST

12、AT COM等FACTs补偿装置。从式(2可知,当采用固定电容器(FC补偿时,补偿电容容量越大,ESCR就越小,则对H VDC系统的恢复不利;SVC通常包括晶闸管控制电抗器(TCR与晶闸管投切电容器(T SC,交流系统故障时换流母线电压下降较大,SVC感应到低电压, TCR就会断开而TSC投入所有电容,则系统ESCR 下降更多,甚至导致换流器发生连续换相失败11; STAT COM的无功支持性能类似同步调相机,但其响应速度远高于后者,无需电容器组与并联电抗器来产生与吸收无功功率,可模拟成一可控电压源与阻抗(变压器漏抗串联,且因其不是旋转设备,在故障恢复期间不会引起振荡12。2 仿真系统模型仿真

13、交流系统使用FC、SV C及STAT COM时H VDC系统不同故障下的动态响应采用CIGRE Benchmark M odel13模型和PSCA D/EM TDC电磁暂态软件14,其中逆变侧短路比SCR= 2.575! (ESCR=1.970!,交流额定电压230kV。额定运行条件下,交流滤波器提供500M VA,而FC(或SVC、STAT COM提供125MVA。当分别采用SVC、STAT COM代替FC补偿时,其故障恢复期间的特性很大程度上决定于其控制系统,各种补偿装置均采用PSCAD/EM TDC内标准控制系统。3 电磁暂态仿真及分析3.1 逆变侧直流系统闭锁时换流母线暂态电压换流器闭

14、锁是直流输电系统较为严重的故障形式。由于额定工况下换流器要消耗大量无功功率( 通常达到额定有功功率的40%60%,因此在换流站装有大量无功补偿电容器与滤波器,因换流器闭锁使其无功消耗大幅下降甚至为零,如不及时切除滤波器与无功补偿电容,就会导致换流母线出现过电压。图1为t=1.0s时,逆变侧直流系统闭锁时换流母线电压u conv的变化情况。由图可见,当采用FC补偿时,u conv出现较大过电压,其有效值最大达1.45p.u.并随换流变压器饱和而逐渐稳定在1.31p.u.。采用SV C时,初始也有一定过电压(1.22p.u.,但因SVC的电压调节作用而迅速至1.08p.u.。采用STAT COM时

15、,初始仅有很小扰动(1.07p.u.且迅速降至1.02p. u.。表1是不同补偿方式下的过电压最大值(有效值及响应时间(即过电压从初始瞬间过渡到95%稳态值时的时间。图1 直流闭锁时逆变侧换流母线电压暂态特性Fig.1 Transient behavior of inverter A C busvoltage f or DC block f ault表1 直流闭锁时暂态电压有效值及响应时间Tab.1 Transient voltage RMS and responsetime for DC block fault补偿设备FC S VC ST AT COM 电压最大有效值/p.u. 1.45 1

16、.38 1.07响应时间/s0.250.170.083.2 逆变器换流母线三相对地短路故障图2为t=1.0s时,逆变侧换流母线三相对地故障时直流功率P dcl的恢复动态特性。故障持续0.1s后切除,故障接地电阻为零。由图可见,当交流系统采用FC补偿时,系统恢复较慢,且整个换相过程中出现连续换相失败。当采用SV C时,直流功率恢复速度最慢。因为故障期间及故障切除后T SC反复投切,使u conv在故障恢复期间出现振荡,且T SC的投入会降低交流系统的强12Sep.2006H ig h Voltage Engineering Vol.32No.9 图2 换流母线三相接地时直流功率恢复特性Fig.2

17、 Transient behavior of DC power f or ACcomm utating bus three phase grounding fault度,即有效短路比ESC R,对系统的恢复不利,而TCR的快速控制当ESCR较低时往往不稳定15,故整个故障恢复期间换相失败持续出现。降低SV C电压控制回路的增益可防止这种不稳定,但会导致SVC在抑制暂态过电压时的响应时间增加,故此方法并不可取。当采用STAT COM时,系统恢复最快,且整个换相过程中没有出现连续换相失败,因为ST ATCOM是通过改变电压源变流器中的电压与电流波形来发出与吸收所需无功功率,无需电容器组与并联电抗器

18、,完全没有SV C在弱交流系统运行时的缺点。它的主要优点是几乎能不依赖系统电压而发出全额容性无功电流,此能力特别适用H VDC系统故障发生与结束后需电压支持的场合16。图2为SCR= 2.5时算得,改变SCR= 5.0时进行仿真,表2为不同SCR值时故障恢复时间,从表中可知,随着交流系统强度的增加,无论采用何种补偿方式,故障恢复时间明显缩短,且故障恢复期间不再出现换相失败;当SCR=5.0时采用SVC进行补偿,直流功率的恢复速度明显高于采用FC时的恢复速度,说明逆变侧交流系统较强时,SV C对系统的故障恢复特性明显改善。表2 换流母线三相接地时直流功率响应时间Tab.2 DC power re

19、covery time for AC commutatingbus three phase grounding faults s 响应时间FC SVC ST ATCOMSCR=2.50.400.430.15SCR=5.00.280.200.133.3 逆变侧换流母线单相对地短路故障 图3为逆变侧换流母线单相接地时直流功率P dc2的恢复特性。故障持续0.1s后切除,与图2类似,补偿时恢复时间采用STAT COM最短,采用SVC时最长,但整体恢复速度有所增加。表3列出了SCR为5.0时仿真不同补偿方式下的故障恢复时间,可见与3.2节结论类似,即随着交流系统强度的增加,故障恢复时间明显缩短,且与F

20、C补偿相比,SVC对系统故障恢复特性明显改善。图3 换流母线单相接地时直流功率恢复特性Fig.3 Transient behavior of DC power for AC commutatingbus single phase grounding f ault表3 换流母线单相接地故障时直流功率恢复时间Tab.3 DC power recovery time f or AC com mutatingbus single phase grounding faults s 响应时间FC S VC ST AT COMS CR=2.50.280.320.14S CR=5.00.180.150.093

21、.4 逆变侧远端三相接地故障为模拟远端三相接地故障,将交流系统等值阻抗表述为两相等阻抗串联,短路点设在两阻抗的连接点。图4为其直流功率P dc3恢复特性,可看出,直图4 换流母线三相远端接地时直流功率恢复特性Fig.4 Transient behavior of DC power for ACremote three phase grounding fault132006年9月高 电 压 技 术第32卷第9期流功率恢复速度明显得到改善,恢复过程也未出现换相失败,说明远端接地故障对直流输电系统恢复的影响明显小于近端系统故障。4 结 论a直流闭锁故障时,SVC与STAT COM能快速有效地抑制换流

22、母线出现的过电压,而FC因无电压控制功能,将导致换流母线上出现较高过电压,须通过快速切除电容器与滤波器来抑制过电压。b当逆变侧交流系统较弱时,采用SVC常导致交流系统强度进一步下降,进而恶化了H VDC的恢复特性,且会导致H VDC系统出现连续换相失败,系统恢复十分困难。但逆变侧交流系统较强时,采用SVC可明显改善直流功率的恢复特性。c当短路故障出现在换流母线上时,对H VDC 系统故障恢复造成的不利影响最为严重,短路点距换流母线越远,这种影响越弱。d以上3种无功补偿方式,无论是对暂态过电压的抑制水平还是直流功率的恢复特性,STA T COM较其它两种补偿方式有明显的优点。参考文献1荆 勇,任

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