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《湖南大学》 2008年
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滤波换相换流器及其对直流输电系统稳定性影响分析

李季  
【摘要】: 我国电网目前正处于高速发展时期,随着“西电东送、南北互供、全国联网、电力市场”战略计划的进一步实施,建设远距离、大容量的交直流输电系统将是大势所趋。随之也出现了一系列的重大技术问题,如电网的谐波污染日益严重、HVDC的谐波传变与谐波不稳定现象、各种电力系统扰动等,在一定条件下这些问题都会对HVDC系统的稳定运行造成严重危害,最终导致输电系统闭锁停运。本文以湖南省“十五”“十一五”重大科技专项05GK1002-1,06GK1003-1“新型直流输电及其电气装备的研制”为背景,以刘福生教授“自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器”发明专利为核心,结合晶闸管换流器,建立起在直流输电领域应用的滤波换相换流器(Filter Commutated Converter, FCC)的理论分析体系,为了实现FCC的工程产业化,需要进行大量的理论分析和科学试验工作,本文主要开展了如下几个方面的研究工作: 介绍了高压直流输电(HVDC)在我国的应用发展概况,分别阐述了HVDC系统中换流器件、换流器和滤波器的发展历程和技术特点,总结出HVDC系统采用电网换相换流器(Line Commutated Converter, LCC)、串联电容换相换流器(Capacitor Commutated Converter, CCC)、可控串联电容换流器(Thyristor Controlled Commutated Converter, CSCC)和自换相电压源换流器(Voltage Source Converter, VSC)运行中所存在的问题,并提出了一种新颖的滤波换相换流器(FCC)电路拓扑结构,使新系统具有阀侧谐波屏蔽兼无功功率补偿的功能,改善直流输电系统交、直流系统的相互作用,增强系统稳定性。 阐述了FCC的接线方案,分析了FCC在实现HVDC系统12脉动换相时,新型换流变压器网侧、阀侧绕组之间的电压矢量关系和绕组匝比关系,根据传输容量和运输条件不同,给出了四种新系统的结构型式;分析了FCC阀侧滤波系统的感应谐波抑制机理和无功功率补偿特性;针对FCC阀侧滤波器的全调谐谐振工作要求,对新系统的滤波装置进行了综合设计;以输变电新技术研究开发平台为实例,分别对传统LCC-HVDC与FCC-HVDC系统进行建模仿真计算,结果证明FCC的原理正确,滤波效果好,实验平台参数选择合理。 针对FCC较为复杂的接线结构,从多绕组变压器原理出发,以磁势平衡方程、基尔霍夫定律、绕组连接方程、端口输出方程和电压传递方程为基础,同时引入FCC阀侧无功功率补偿度概念,建立了FCC在接入阀侧滤波支路和不接入滤波支路两种条件下的数学模型,求得FCC阀侧端口电压方程和其换相电抗的计算解析式,从而将FCC的电路结构转化为等效、简易的典型Graetz桥电路模型。在所建立的数学模型基础上,对FCC和LCC的稳态和暂态特性进行对比分析。输变电新技术开发平台被用于验证其数学模型的正确性,实验测试结果与理论计算一致。 介绍了HVDC系统谐波不稳定现象的表现形式和成因。基于开关函数理论,对FCC的阻抗频率特性进行理论分析,以输变电新技术研究开发平台为例,对传统LCC-HVDC和FCC-HVDC系统在不同的交流系统短路比(Short Circuit Ratio, SCR)情况下的直流等值阻抗、交流等值阻抗进行仿真计算,结果表明直流系统对交流系统的谐振频率有不可忽略的影响,FCC的直流等值阻抗较LCC的情况有明显的降低,FCC的交流等值阻抗较LCC的情况也有所降低;最后针对目前现有的谐波不稳定抑制措施,提出了基于FCC的直流输电系统谐波不稳定抑制对策,仿真结果表明,FCC能够很好的避免系统中交流或直流发生并联谐振,对系统中的非特征谐波抑制效果良好,从而有效的防止HVDC系统谐波不稳定现象的发生。基于FCC-HVDC的稳态模型,对交、直流系统的状态方程、控制方程在工作点处线性化,求取其小信号模型,给出了HVDC系统常见控制模型下的小信号状态方程。分别以CIGRE first benchmark标准测试模型和与其对应的FCC-HVDC测试模型为例,采用小信号模型计算得出直流输电系统在整流侧定电流、逆变侧定电压控制模式下的系统动态响应,并与模型仿真结果进行对比分析。采用特征根分析法分析了控制器参数对LCC-HVDC和FCC-HVDC系统稳定性的影响作用,并应用误差积分法对控制器PI参数样本集进行优化,从而更好的满足系统动态响应性能要求。 直流输电系统中,当交流或直流系统发生故障或者扰动时,换流器特别是逆变器容易发生换相失败,并最终导致系统功率传输中断。针对交流系统三相接地和单相接地典型故障,详细分析了逆变器在换相过程中的具体差异,提出了通过对换流器换相电压暂降ΔU和实际熄弧角的计算,进行判别换流器换相失败的发生,并对FCC和LCC故障下的换相特性进行比较分析,结果表明FCC能够承受更大的换相电压暂降,更好的防止换相失败的发生;再以换流桥直流母线短路和桥臂短路故障为例,对FCC和LCC分别作为整流器的换相过程进行理论分析和仿真计算,结果表明FCC能够更好的抑制故障时直流侧的短路电流突增以及换流阀的短路电流。 详细介绍了输变电新技术研究开发平台的结构设计和平台功能,为验证本文对FCC的上述理论分析,根据研究开发平台的现有试验功能和测量技术条件,拟订了部分试验方案,通过现场测试及对测试结果的数据分析和波形对比,得出了更为有力的证明FCC的工程应用可行性的技术资料。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TM46

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李勇;感应滤波理论及其在直流输电系统中的应用研究[D];湖南大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 向博;采用FCC的多馈入直流输电系统换相失败与静态稳定研究[D];湖南大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈华山;换相电抗的测量与计算[J];变压器;1997年03期
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【共引文献】
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10 刘国友;黄建伟;舒丽辉;李世平;邹冰艳;王大江;;6英寸晶闸管的研究开发与特性控制[J];变流技术与电力牵引;2007年06期
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10 杨丽徙;郭建宇;丁荣刚;;证据理论和层次分析法相结合的新农村电气化电能质量评估[A];第十届中国科协年会科技创新与工业强市战略论坛论文汇编[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 易吉良;基于S变换的电能质量扰动分析[D];湖南大学;2010年
2 全惠敏;电能质量相关信号的S变换检测算法及应用研究[D];湖南大学;2010年
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4 汪隆君;电网可靠性评估方法及可靠性基础理论研究[D];华南理工大学;2010年
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9 何柏娜;特高压线路单相接地故障开断后瞬态特性研究[D];沈阳工业大学;2011年
10 雷之力;微网谐波振及电压暂降的评估与控制[D];华北电力大学(北京);2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张玉佳;特高压交直流系统相互作用问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 李建军;基于电力系统的电能质量检测与分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 乔磊;分布式数字化故障录波装置的研究[D];大连理工大学;2010年
4 孔帅;变电站负荷聚类与综合负荷建模研究[D];长沙理工大学;2010年
5 刘尧虎;基于NiosⅡ的电能质量监测系统设计[D];长沙理工大学;2009年
6 马迎召;基于改进重复控制的有源电力滤波器研究[D];长沙理工大学;2010年
7 马岩;配电网络电量参数监测终端研究[D];大连海事大学;2010年
8 王文琦;基于双核处理器的电能质量监测系统的设计[D];苏州大学;2010年
9 杨宏达;电压波动与闪变检测方法的研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
10 张海凤;特高压直流控制系统研究[D];华南理工大学;2010年
【同被引文献】
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4 陈华山;换相电抗的测量与计算[J];变压器;1997年03期
5 李红雨,吴隆辉,卓放,王兆安;有源电力滤波器补偿延时及对策的研究[J];电工电能新技术;2005年03期
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9 李季;罗隆福;许加柱;李勇;张杰;刘福生;;一种滤波换相换流器工作机理与稳态模型[J];电工技术学报;2008年08期
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中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 杨卫东;多馈入直流输电系统的控制策略研究[D];浙江大学;2001年
2 马玉龙;高压直流输电系统的稳定性分析[D];华北电力大学(北京);2006年
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6 李勇;感应滤波理论及其在直流输电系统中的应用研究[D];湖南大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 吴娜;高压直流输电系统分析与控制初探[D];昆明理工大学;2005年
2 李强;电力系统静态稳定裕度的在线计算研究[D];河海大学;2006年
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【二级引证文献】
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1 王灿;罗隆福;李勇;许加柱;张志文;;新型高效工业整流机组的运行特性分析[J];中国电机工程学报;2013年18期
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1 宁志毫;大功率整流系统综合节能理论与新技术研究[D];湖南大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 娄云鸽;新型Vv牵引供电系统谐波电流与负序功率治理研究[D];湖南大学;2012年
2 兰五胜;基于感应滤波变压器的直流输电换流系统的设计与仿真[D];湖南大学;2012年
3 向博;采用FCC的多馈入直流输电系统换相失败与静态稳定研究[D];湖南大学;2012年
4 彭鹏;基于高运行效率的整流系统参数优化设计[D];湖南大学;2013年
5 欧阳丽敏;变压器补偿绕组电动力分析[D];湖南大学;2013年
6 周秋菊;12脉波共铁芯整流变压器感应滤波及环流问题研究[D];湖南大学;2013年
7 刘涛;新型换流变压器中直流偏磁对绕组振动的仿真研究[D];湖南大学;2013年
【二级参考文献】
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8 张志文,刘福生,熊芝耀,罗隆福;阻抗匹配平衡变压器的电量变换和运行计算[J];电工技术学报;2000年02期
9 肖国春,刘进军,杨君,王兆安;高压直流输电用直流有源电力滤波器的研究[J];电工技术学报;2001年01期
10 张志文,王耀南,唐求,熊芝耀,周腊吾,刘福生;多功能平衡变压器及其配套滤波器谐波治理研究[J];电工技术学报;2004年03期
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1 杨卫东;多馈入直流输电系统的控制策略研究[D];浙江大学;2001年
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7 石岩;韩伟;张民;王庆;;特高压直流输电工程控制保护系统的初步方案[J];电网技术;2007年02期
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6 记者 瞿剑;我国特高压电网建设拉开大幕[N];科技日报;2007年
7 记者 卢静思;向上特高压双极全压输电成功[N];西南电力报;2010年
8 晓华;液晶电视保养秘诀[N];市场报;2007年
9 海通证券 詹文辉;特变电工 国电合同体现龙头地位[N];中国证券报;2007年
10 王德明 洪梅 记者 钟晓晴;6月底双极全压为上海供电[N];四川日报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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6 付超;风电并网的无功优化控制及其数模混合仿真研究[D];华北电力大学;2012年
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8 李胜;柔性直流技术在城市电网中应用研究[D];华北电力大学(北京);2009年
9 梁海峰;柔性直流输电系统控制策略研究及其实验系统的实现[D];华北电力大学(河北);2009年
10 李广凯;VSC-HVDC系统及其在电网恢复中的应用研究[D];华北电力大学(河北);2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 庞广恒;并联换流器高压直流输电系统控制保护策略研究[D];中国电力科学研究院;2012年
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3 丁晓赟;交流励磁变速恒频风力发电系统中双PWM换流器的一体化控制[D];华北电力大学(北京);2010年
4 彭容;新型电压型换流电路及其在高压直流输电中的应用研究[D];重庆大学;2004年
5 李明;HVDC-VSC输电系统运行与控制的研究[D];广西大学;2004年
6 杨晓妮;特高压直流输电谐波特性的研究[D];华北电力大学(北京);2008年
7 薛林锋;直流输电模拟系统换流器的研究与设计[D];湖南大学;2006年
8 于凯;基于MMC的直流输电系统控制策略研究[D];北方工业大学;2012年
9 李伟霞;GIC对HVDC的影响研究[D];华北电力大学(北京);2009年
10 谢云秀;高压直流输电系统中换流器的非线性变结构控制[D];西南交通大学;2006年
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