基于时域仿真的直流回路阻抗频率特性分析

基于时域仿真的直流回路阻抗频率特性分析

0振幅特性的计算在直接输电系统中，由于交流系统之间的相互影响，任何侧的干扰都可能会导致系统压力[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。而当直流回路的固有谐振频率处于基波或2次谐波频率时,扰动所引起的振荡可能会导致设备的损坏。因此,需要对交直流系统进行分析,并通过改变相关系统参数,使直流回路的固有谐振频率与基波频率和2次谐波频率保持一定的距离。由于直流输电系统存在换流器这一非线性元件,使得直流回路的谐振特性并不能采用常规的频率扫描方法来进行计算。早先,模拟换流器的最简单方法是用1个内电感来表示1个6脉动换流器,实际上,这种做法是在假定换流站交流母线接在无穷大系统上而得出的,即假定交流系统短路比SCR为无穷大。而事实上,交流系统的短路比总是有限的,有时甚至还比较小。因此,采用上述公式模拟换流器,进而计算直流回路的谐振特性与实际情况不符。后来又有学者提出基于传递函数的阻抗模型来模拟换流器的作用,这类模型相对于内电感模型考虑了交流系统的影响,但这类模型的精度往往取决于其换流器传递函数的选取,而传递函数本身又是受触发角及系统运行状态影响的,文献所得结果表达式的不同就是由于选取了不同的电流传递函数。本文提出了一种计算直流回路阻抗频率特性的精确方法,这种方法采用测试信号法基于时域仿真实现,例如基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC,通过测试信号法可以计算出不同频率下的直流回路阻抗。这种方法可以非常方便地考虑交流系统侧各种参数变化对直流回路谐振特性的影响,如交流系统短路比的变化、滤波器配置的变化等,因而非常适合于实际工程计算。1直流回路阻抗根据直流输电的基本理论,交流侧到直流侧的谐波电压变换关系为:正序谐波,次数减1;负序谐波,次数加1;而直流侧到交流侧的谐波电流变换关系为:正序谐波,次数加1;负序谐波,次数减1。对于直流回路本身,单一频率的电压激励将会产生一系列频率的电流响应,但相同频率的电流响应占有绝对主导的地位。由于计算直流回路阻抗的目的是分析直流回路的谐振特性,而换流器在直流侧的特性可以等效为带内阻抗的电压源,因而直流回路在任意频率下的阻抗可以按如下方式来定义。考虑双极直流输电系统可能的3种接线方式:①双极运行;②单极大地回路运行;③单极金属回路运行。并考虑到直流回路的谐振特性应分别针对整流侧和逆变侧单独研究;因而根据不同接线方式分别定义从整流侧和逆变侧看到的直流回路阻抗如下。假设双极直流输电系统3种接线方式如图1所示。对应3种接线方式,从整流侧看出去的直流回路阻抗定义为:在A点(双极模式下正负极均需插入)插入一个设定频率f的小值电压源,设其电压相量为UA(f),其参考正方向如图1所示;测量流经A点的同频率电流相量IA(f),其参考正方向与插入的电压源一致;于是,从整流侧看出去的直流回路阻抗ZA(f)可以表示为ΖA(f)=UA(f)ΙA(f)。(1)同理,可以类似地推出从逆变侧看出去的直流回路阻抗ZB(f)的定义。2直流回路合理抗侧特性分析根据式(1)直流回路阻抗的定义,采用测试信号法计算直流回路阻抗是最方便的。测试信号法的基本思路是针对非线性系统而提出的,其实质是采用时域仿真方法来研究非线性系统在特定工作点上线性化后的性态。对于直流回路阻抗计算,其具体实现步骤如下:1)在时域仿真软件,例如PSCAD/EMTDC中建立需要研究的直流输电系统模型,例如图1中所示的系统。2)根据直流输电系统的运行接线方式,选择插入小值电压源的位置,例如图1中的A点或B点。3)在A点或B点插入小值电压源,即uA=∑fUfcos(2πft+φf)。(2)式中,f=20～160Hz,由需要研究的频率范围决定;Uf和φf为相应的电压幅值和相位,对所加Uf的要求是不能破坏系统的可线性化条件,Uf约取直流电压额定值的0.1%是恰当的;由于直流输电系统在运行点附近基本上是线性的,不同频率的量不会相互干扰;因此,可以一次施加多个不同频率的电压源,例如以1Hz为间隔;事实上,一次施加多个不同频率的电压源与一次只施加一个频率的电压源所得结果几乎没有差别。4)对整个系统进行电磁暂态仿真直到进入稳态为止,同时监测流过电压源的电流iA,对于一般系统,通常仿真20s已足够。5)在进入稳态的时间段内提取uA1个公共周期内的数据量uA和iA。6)对uA和iA作Fourier分解,得到不同频率下的相量UA(f)和IA(f)。7)根据式(1),计算不同频率下的直流回路阻抗(对于所有的f)。8)画出直流回路阻抗随频率变化的曲线,分析直流回路的谐振特性,包括谐振频率和最小阻抗值。下面以1个典型双极直流输电系统为例,说明采用测试信号法计算直流回路阻抗的过程。示例系统是1个±500kV、3000MW的双极直流输电系统,直流线路长度1000km,其简化接线如图1所示。其额定运行条件如表1所示。本算例的另一个目的是验证早先用于模拟换流器的内电感方法等价于假定换流站交流母线接在无穷大系统上。文献给出的计算6脉动换流器内电感L的公式为L=(2-32μπ)LΤ。(3)式中,LT为1个6脉动换流器的换相电感,通常等于换流变压器的漏电感;μ为换相角,rad。除整流侧SCR取100外,示例系统其他参数如表1所示,5s时在A点插入小值电压源uA,其频率为20～160Hz,间隔1Hz,各频率电压源的峰值为0.5kV,uA的时域波形如图2所示。监测流过电压源uA的电流iA,得到其时域波形如图3所示。取uA和iA进入稳态时段的1个公共周期,这里为1s,例如取18～19s时间段上的数据,分别对uA和iA作Fourier分解,由于周期为1s,因此对应的基波频率为1Hz。图4给出了uA经Fourier分解后的幅频特性|UA(f)|,图5给出了iA经Fourier分解后的幅频特性|ΙA(f)|。根据式(1)的定义,可以得到直流回路阻抗的幅频特性ΖA(f)=|UA(f)|/|ΙA(f)|,如图6所示。如果将图1中的各个整流器用额定直流电压250kV串联由式(3)确定的内电感来表示,同样采用上述测试信号法来计算整流侧直流回路的阻抗频率特性,其结果如图7所示。为了便于比较,将图6中SCR=100时的ZA(f)也画于图7中,可以看出,短路比SCR=100时得到的回路阻抗频率特性,与采用式(3)确定的内电感来模拟整流器时所得到的回路阻抗频率特性几乎一致。从而验证了早先用于模拟换流器的内电感方法等价于假定换流站交流母线接在无穷大系统上的结论。3直流回路抗侧力一个完整的直流输电系统通常由交流系统、交流滤波器、换流变压器、换流器、平波电抗器、直流滤波器和直流线路等部分组成。各个部分结构和参数的改变都会对直流回路阻抗产生影响。下面以表1所示的算例系统说明本侧交流系统短路容量、交流滤波器容量、交流滤波器类型和换流变压器短路压降对本侧直流回路阻抗频率特性的影响。3.1短路比scr在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变整流侧交流系统的短路比SCR,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图8所示。由图8可见,随着本侧短路比的降低,直流回路的第1个谐振频率也随之降低;且短路比越低,其谐振频率点越密。3.2流变侧回路阻抗确定在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变整流侧交流滤波器的容量,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图9所示。由图9可见,直流回路的第1个谐振频率对本侧交流滤波器容量的变化不是很敏感,而第2个谐振频率受本侧交流滤波器容量变化的影响较明显,滤波器容量增加时,第2个谐振频率略有降低。3.3内压群的频率特性在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变整流侧交流滤波器的类型,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图10所示。由图10可见,本侧交流滤波器类型对第1个谐振频率影响不大,对第2个谐振频率有一定的影响。3.4分接头板下内压电流侧回路交流特性在双极对称运行模式下,仅仅改变整流侧换流变压器的短路压降uk(单位为%),通过调节整流侧换流变压器的分接头,使表1中的其他参数保持不变。可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图11所示。由图11可见,本侧换流变压器的短路压降uk几乎对直流回路的谐振频率没有影响。4直接系统参数对直接侧流场阻抗频率特性的影响4.1流变侧回路电阻频率特性在双极对称运行模式下,仅仅改变整流侧换流器触发角α,通过调节两侧换流变压器的分接头,使表1中的其他参数保持不变。可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图12所示。由图12可见,触发角α大小几乎对直流回路的谐振频率没有影响。4.2流变侧回路电阻频率特性在双极对称运行模式下,仅仅改变整流侧送出的直流功率,通过调节两侧换流变压器的分接头,使表1中的其他参数保持不变。可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图13所示。由图13可见,输送功率几乎对直流回路的谐振频率没有影响。4.3流变侧回路电阻频率特性在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变整流侧平波电抗器的大小,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图14所示。由图14可见,随着本侧平波电抗值Ld的升高,直流回路的谐振频率随之下降。4.4流压侧滤波器的配置在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变整流侧直流滤波器的配置,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图15所示。由图15可见,随着本侧直流滤波器配置组数的增加,直流回路的谐振频率随之下降。4.5侧功率内接收量在双极对称运行模式下,仅仅改变直流输电线路的长度及对应的逆变侧功率,通过调节两侧换流变压器的分接头,使表1中的其他参数保持不变。可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图16所示。由图16可见,随着直流输电线路长度的增大,直流回路的谐振频率随之下降。5侧接触系统参数对该侧直流压板的抗衰减频率特性的影响5.1短路比对直流回路振动的影响在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变逆变侧交流系统的短路比,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图17所示。由图17可见,随着对侧短路比的降低,直流回路的谐振频率也随之降低;且短路比越低,其谐振频率点越密;对侧短路比SCR=100时得到的回路阻抗频率特性,与采用式(3)的内电感来模拟逆变器时所得到的回路阻抗频率特性几乎一致。5.2流变侧回路阻抗测试在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变逆变侧交流滤波器的容量,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图18所示。由图18可见,直流回路的第1个谐振频率对对侧交流滤波器容量的变化不是很敏感,而第2个谐振频率受对侧交流滤波器容量变化的影响较明显,滤波器容量增加时,第2个谐振频率略有降低。5.3逆变侧滤波器的频率特性在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变逆变侧交流滤波器的类型,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图19所示。由图19可见,对侧交流滤波器类型对第1个谐振频率影响不大,对第2个谐振频率有一定的影响。5.4逆变侧换流变压器的分接头的调节在双极对称运行模式下,仅仅改变逆变侧换流变压器的短路压降uk,通过调节逆变侧换流变压器的分接头,使表1中的其他参数保持不变。可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图20所示。由图20可见,对侧换流变压器的短路压降uk几乎对直流回路的谐振频率没有影响。6侧流参数对该侧流轴的抗衰减频率特性的影响6.1流变侧回路电阻频率特性在双极对称运行模式下,仅仅改变逆变侧换流器关断角γ,通过调节两侧换流变压器的分接头,使表1中的其他参数保持不变。可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图21所示。由图21可见,关断角γ大小几乎对直流回路的谐振频率没有影响。6.2逆变侧平波电抗器的设计在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变逆变侧平波电抗器的大小,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图22所示。由图22可见,随着对侧平波电抗值的升高,直流回路的谐振频率随之下降。6.3逆变侧滤波器的配置在双极对称运行模式下,表1中的其他参数保持不变,仅仅改变逆变侧直流滤波器的配置,可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图23所示。由图23可见,随着对侧直流滤波器配置组数的增加,直流回路的谐振频率随之下降。7综合双极对称和双极并行的运行模式保持表1中的其他参数不变,仅仅改变直流输电系统的运行模式,考虑双极对称运行、单极大地回路运行和单极金属回路运行,各个单极都输送额定功率。可以得到整流侧回路阻抗的频率特性如图24所示。8两极双极回采单极系统kv下面以糯扎渡-广东±800kV直流系统为例,分析其正常工况下直流回路的谐振特性。糯扎渡-广东±800kV直流输电工程起点云南普洱地区,落点广东江门地区,直流电压采用±800kV,直流输电容量5000MW,直流线路长度约1451km;