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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。


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