新型与常规直流输电系统动态响应特性仿真分析

宁志毫

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

新型与常规直流输电系统动态响应特性仿真分析

宁志毫

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

分析了一种基于新型换流变压器的直流输电系统，结构特点在于:换流变压器阀侧采用延边三角形结构，绕组连接处引出抽头接滤波兼无功补偿装置，有效地将谐波抑制于阀侧并部分地补偿换流器所消耗的无功功率。通过分别采用固定电容器 (FC)和静止无功补偿器 (SVC)2种不同的无功补偿方式，应用PSCAD/EMTDC仿真工具对比分析了新型与常规直流输电系统在典型故障下动态恢复方面的特性。

直流输电；无功补偿；动态特性；新型换流变压器

近年来，高压直流输电 (HVDC)以其远距大功率输送、控制方式灵活的优点在我国取得了长足的发展。但在交直流系统发生故障等扰动情况下，可能引起直流输电系统动态过电压、谐波不稳定、换相失败等问题，严重时还可能造成直流传输中断，当逆变侧接弱交流系统时问题就更加突出〔1－3〕。因此，十分有必要研究HVDC系统在交直流系统故障或扰动等情况下的动态响应特性。

基于新型换流变压器的直流输电系统是具有不同于常规的直流传输系统，其充分利用了变压器电磁耦合功能，在二次侧实现无功补偿和谐波抑制，大大降低了变压器铁芯的谐波磁通，从根本上解决了谐波变压器的不良影响。文献 〔4—5〕介绍了新型直流输电系统的接线方案和技术特点；文献〔6〕基于CIGRE直流输电标准测试系统模型及其主电路参数，对新型直流输电模型进行了典型扰动暂态响应特性进行了仿真分析；文献 〔7〕分析了新型直流输电系统采用FC补偿时的故障对交流系统的影响。

文中在此基础上，应用PSCAD/EMTDC仿真软件，分析了在系统发生典型故障时，分别采用不同无功补偿方式下常规与新型直流输电的动态响应特性。

1 新型换流变压器结构及谐波磁通抑制原理

1.1 接线方案设计

常规的12脉动直流输电系统换流变阀侧采用Y/△结构，从而二次侧绕组电压满足30°的相位关系，滤波方式为网侧母线处安装无源滤波器分流滤波。新型直流输电系统的换流变采用延边三角形结构，其中延边绕组接整流器及负载，公共绕组接感应滤波装置，上、下桥相应绕组电压需要分别前移和后移15°，使得二者的相位差为30°，进而满足12脉波变流系统的换相要求；同时，将常规HVDC交流侧的滤波装置移至换流变压器的二次侧中间抽头处，将特征谐波抑制在换流变二次侧，并达到大大降低变压器铁芯谐波磁通的目的。图1给出了新型换流变压器绕组及滤波装置的接线方案。

图1 新型换流变压器及其滤波装置接线图

为了求得此变压器绕组间的匝比约束关系，需要对图1变压器绕组的向量关系加以分析。由图1可知，阀侧二次负载绕组的电压与二次滤波绕组端电压存在如下关系:

式中 Ua1d1，Ub1d1，Ue1d1分别表示二次侧 A相延边绕组、二次侧B相延边绕组、二次侧B相角接三角形公共绕组的电压；Ub1a1表示阀侧A、B相的线电压。假设一次绕组与二次绕组的线电压比值为1，由式 (1)可求得新型换流变压器满足移相要求二次各绕组匝比关系:

1.2 谐波磁通抑制机理

文献 〔4〕已从电路研究了新型换流变压器谐波抑制原理，文中从磁路结构揭示此感应滤波变压器及其组成的直流输电系统在谐波抑制及变压器铁芯谐波磁通抑制方面的独特优点。

图2 变压器铁芯谐波磁通流径

在图2中，铁芯中谐波磁通φn为n次特征谐波电流I2n产生，其将在3个绕组中分别产生谐波电势e1n， e2n， e3n。

铁芯中谐波磁通可表示为:

φmn为n次谐波磁通幅值。

滤波绕组3上感应的谐波电势为e3n，表示为:

设z3n，zfn分别为第3滤波绕组及滤波装置的n次谐波等值阻抗。当滤波绕组3通过滤波器闭合时，谐波回路方程式为:

对于式 (5)，由于i3n是由i2n引起的，是1个范围内的值；当达到感应滤波条件，即z3n＋zfn为0或者趋近于0时，则e3n为0或者趋近于0。考虑式(4)，W3为1个大于0的常数，sinωt是1个随时间变化的变量，因此，为满足等式条件，必有φmn为0或趋近于0。也就是说，通过降低滤波支路的阻抗，就可降低变压器铁芯的谐波磁通，从而实现良好的滤波效果。

2 测试系统模型及动态响应特性分析

2.1 基于新型换流变压器的直流输电测试系统模型

CIGRE直流输电标准测试系统是用于直流输电控制研究的标准系统，其控制策略具有普遍性，便于用各种仿真软件在不同电路模型上进行各种仿真研究，其直流系统主电路结构如图3。文中在该标准模型的基础上，在整流侧和逆变侧均采用新型换流变压器及阀侧双调谐滤波器 (5/7，11/13次)取代原模型中的常规换流变压器和网侧双调谐滤波器 (11，13次)，且不改变系统相关参数交流及系统短路比 (SCR)，据此建立基于新型换流变压器的新型直流输电标准测试系统，其主电路结构如图4所示，并与CIGRE直流输电标准测试系统进行对比分析。

2.2 动态响应特性分析

图3 CIGRE直流输电标准测试系统模型

图4 基于新型换流变压器的直流输电测试系统模型

文献 〔7〕对基于新型换流变压器的直流输电系统进行了分析。直流输电系统中换流变压器消耗的无功是由交流滤波器和并联电容器提供补偿的，当系统无功补偿裕度较小或考虑电压稳定等问题时，就需要用到SVC补偿装置。文中基于PSCAD/ EMTDC仿真软件，在交流系统分别采用FC及SVC时，分析2种直流输电测试系统模型不同故障下的动态响应特性。根据CIGRE直流输电标准测试系统，FC的补偿容量为125 Mvar，采用SVC时容量不变；对于新型直流输电测试系统，SVC与滤波装置并联接至阀侧抽头处。为了便于对比，各种补偿装置均采用仿真软件内部标准控制系统。

2.2.1 整流侧5个周波三相故障

图5所示为采用FC补偿时常规与新型直流输电系统整流侧三相故障恢复特性对比。可以看出，新型直流输电系统在故障后0.2 s后即恢复稳定，但常规直流输电系统经过2次波动、0.6 s后才恢复稳定；同时，就整流器的触发角而言，新型较传统直流输电系统的波动小，系统稳定性能好。

图5 常规与新型系统整流侧三相故障对比

2.2.2 逆变侧5个周波三相故障

图6 常规与新型系统逆变侧三相故障对比

图6 所示为采用FC补偿时常规与新型直流输电系统逆变侧三相故障恢复特性对比。可以看出，两套系统故障恢复时间基本相同，但是后者在故障恢复过程中的系统功率跌幅明显小于前者，且逆变器触发波动小，更利于系统故障恢复。

2.2.3 整流侧5个周波三相故障 (SVC)

图7 常规与新型系统整流侧三相故障对比

图7 所示为采用SVC补偿时常规与新型直流输电系统整流侧三相故障恢复特性对比。可以看出，两套系统故障恢复时间基本相同，但是后者在故障恢复过程中的系统功率跌幅以及整流器触发度及波动方面具有一定的优势。

2.2.4 逆变侧5个周波三相故障 (SVC)

图8 常规与新型系统逆变侧三相故障对比

图8 所示为采用SVC补偿时常规与新型直流输电系统逆变侧三相故障恢复特性对比。后者在故障恢复过程中的系统功率跌幅明显小于前者，且逆变器触发波动小，系统稳定性好且利于系统故障恢复。

3 结论

文中在介绍新型直流输电系统构成的基础上，对比分析了2种无功补偿方案条件下新型与传统直流输电系统的故障动态恢复特性，研究结论如下:

1)基于CIGRE直流输电标准测试系统模型，建立了采用感应滤波装置的新型直流输电系统仿真模型，为研究新型直流输电系统的可靠运行提供了理论依据。

2)采用FC无功补偿方案时，相比于传统直流输电系统，新型直流输电系统发生整流侧三相故障时，系统恢复速度快、波动小；发生逆变侧三相故障时，两者故障恢复特性基本相同。

3)采用SVC无功补偿方案时，相比于传统直流输电系统，发生整流侧和逆变侧三相故障时，新型直流输电系统仍保持较好的故障恢复特性。

〔1〕李兴源.高压直流输电系统的运行与控制 〔M〕.北京:科学出版社，1998.

〔2〕戴熙杰.特高压直流输电理论 〔M〕.北京:水利电力出版社，2009.

〔3〕赵畹君.高压直流输电工程技术 (第2版) 〔M〕.北京:中国电力出版社，2011.

〔4〕罗隆福，李勇，刘福生，等.基于新型换流变压器的直流输电系统滤波装置 〔J〕.电工技术学报，2006，21(12): 108-115.

〔5〕李季，罗隆福，许加柱，等.新型直流输电系统故障恢复特性〔J〕.高电压技术，2007，33(10):137-141.

〔6〕李勇，罗隆福，刘泽洪，等.新型直流输电系统典型扰动暂态响应特性 〔J〕.电力系统自动化，2008，32(13):31-34.

〔7〕杨秀，陈鸿煜，靳希.高压直流输电系统动态恢复特性的仿真研究 〔J〕.高电压技术，2006，32(9):11-14.

Transient response characteristics of new and convention HVDC transmission system

NING Zhihao

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

A new HVDC transmission system based on the new converter transformer is analyzed.The tap at the linking point of the prolonged winding and the common winding of the secondary windings is connected with the LC resonance circuit.There will be no inductive harmonic current in the primary winding.Moreover，the active power that the converter needs can be partly compensated in the secondary winding.Finally，the PSCAD/EMTDC simulation tool is used to study the dynamic recovery performance of the new and convention HVDC system adopting several different var compensating devices in HVDC inverter－Fixed capacitor(FC)，static var compensator(SVC)when HVDC are subject to various typical faults.

HVDC；var compensating；transient response characteristics；new converter transformer

TM721.1

A

1008-0198(2015)05-0016-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.004

宁志毫 (1983)，男，河南洛阳人，博士，主要从事电能质量分析与控制、新能源并网测试与评估等工作。

2014-10-15 改回日期:2015-06-16