HVDC系統(tǒng)送端孤島下諧波不穩(wěn)定對策探討

穆子龍，張雨晴

（國網(wǎng)重慶江北供電公司，重慶401147）

HVDC系統(tǒng)送端孤島下諧波不穩(wěn)定對策探討

穆子龍，張雨晴

（國網(wǎng)重慶江北供電公司，重慶401147）

各次諧波能夠在換流器交、直流側(cè)來回傳遞，可能誘發(fā)系統(tǒng)的潛在不穩(wěn)定，造成電流、電壓畸變，最終導(dǎo)致HVDC（high voltage direct current）系統(tǒng)運行困難。分析表明一旦系統(tǒng)存在諧波不穩(wěn)定的風(fēng)險，就必須提出相應(yīng)的對策。文中以特高壓直流和同塔雙回HVDC輸電系統(tǒng)為例，建立電磁暫態(tài)模型，對可能發(fā)生諧波不穩(wěn)定的運行方式進(jìn)行了分析探討，提出采用直流降壓運行的策略來緩解低次諧波諧振的程度，并基于滑模變結(jié)構(gòu)控制策略設(shè)計了勵磁電壓附加控制器以抑制諧波進(jìn)一步放大，從而維持電壓的穩(wěn)定。分析結(jié)果表明，這兩種對策都能夠有效解決諧波不穩(wěn)定問題。

諧波不穩(wěn)定；特高壓直流輸電；同塔雙回高壓直流輸電；直流降壓運行；滑模控制

我國地域遼闊，能源分布及負(fù)荷發(fā)展極不平衡，水力資源主要集中在西部和西南部地區(qū)，煤炭資源主要集中在華北和西北部地區(qū)，而負(fù)荷則主要集中在東部沿海地區(qū)，因此遠(yuǎn)距離大容量輸電[1]是不可避免的。另一方面，這種資源和經(jīng)濟發(fā)展的不平衡客觀上要求必須加快全國聯(lián)網(wǎng)[2]，推動西電東送和南北互供，以促進(jìn)全國范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置，這些都使得發(fā)展高壓直流（HVDC）輸電技術(shù)勢在必行。同塔雙回[3-4]HVDC輸電系統(tǒng)具有提高單位走廊的輸送容量、高效利用現(xiàn)有走廊資源、提高通道利用率、節(jié)約土地資源和增強跨區(qū)資源的優(yōu)化配置能力等多種優(yōu)點，我國已在開工建設(shè)。

HVDC輸電系統(tǒng)的換流器可理解為具有電壓、電流轉(zhuǎn)換功能的放大調(diào)制器，直流網(wǎng)絡(luò)和交流網(wǎng)絡(luò)通過換流器互相耦合。因此，交、直流網(wǎng)絡(luò)之間存在著動態(tài)的諧波相互作用[5-6]。尤其對于兩回直流并行輸電的系統(tǒng)而言，在交、直流之間以及兩回直流之間都存在諧波的交互影響，情況就更顯復(fù)雜。這取決于換流器側(cè)交流網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、運行條件、負(fù)荷水平等等，可能產(chǎn)生極為不利的諧波交叉調(diào)制、諧波放大、諧波諧振或諧波不穩(wěn)定。發(fā)生諧波不穩(wěn)定時，諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，對電力系統(tǒng)的危害是非常嚴(yán)重的，而引起的電壓畸變則會導(dǎo)致HVDC輸電系統(tǒng)運行困難甚至系統(tǒng)閉鎖[7-8]。

一旦分析表明系統(tǒng)存在諧波不穩(wěn)定的風(fēng)險，就必須提出解決問題的對策。目前，諧波不穩(wěn)定的控制方法主要有：附加低次非特征諧波濾波器[9-10]、在原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)調(diào)和修改[11]、加裝有源濾波器[12-15]以及改變換流變壓器的閥側(cè)繞組接線方式并在其公共繞組上連接濾波支路抑制諧波。但鮮有利用直流系統(tǒng)控制靈活便捷的特點，通過改變其運行方式來控制諧波諧振的研究。同時，針對諧波不穩(wěn)定帶來的嚴(yán)重后果——交流電壓畸變，采取相應(yīng)措施強制維持電壓穩(wěn)定，從源頭上抑制諧波的進(jìn)一步放大，亦不失為一種行之有效的對策。

本文以某特高壓直流輸電系統(tǒng)和同塔雙回±500 kV直流輸電系統(tǒng)為例，應(yīng)用具有詳細(xì)換流器模型的PSCAD/EMTDC軟件建立全電磁暫態(tài)仿真模型，針對其存在諧波不穩(wěn)定風(fēng)險的運行方式，對直流系統(tǒng)采用降壓運行的策略對低次諧波諧振的緩解效果進(jìn)行了分析研究，同時基于滑模變結(jié)構(gòu)控制策略設(shè)計了勵磁電壓附加控制器以維持發(fā)電機端電壓穩(wěn)定，從而達(dá)到抑制諧波放大的目的。

1 系統(tǒng)建模

國內(nèi)已形成巨大的交直流互聯(lián)系統(tǒng)，在建設(shè)初期，往往出現(xiàn)送端換流站與原有交流電網(wǎng)聯(lián)系比較薄弱的情況，這樣，由故障形成孤島的可能大大增加。如圖1所示，如果在特高壓直流輸電系統(tǒng)的整流站與變電站A之間發(fā)生N-2斷線故障，就會在送端形成孤島。另外，在設(shè)計直流系統(tǒng)的運行方式時，孤島運行常作為其正常運行方式加以考慮，如圖2所示。此時，一旦系統(tǒng)發(fā)生短路故障，可能會引發(fā)嚴(yán)重的諧波問題。

圖2 同塔雙回直流送端系統(tǒng)簡圖Fig.2 Diagram of sending end of double line HVDC system

在PSCAD/EMTDC軟件平臺上分別建立兩個直流輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型。發(fā)電機采用含勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的模型。交流濾波器直接連接到高壓母線，對換流變壓器、換流閥采用詳細(xì)的三相表示，并且考慮換流變的飽和效應(yīng)；同時詳細(xì)模擬直流濾波器和平波電抗器。特高壓直流系統(tǒng)的整流站和逆變站的每一極均采用雙十二脈橋連接方式，而同塔雙回直流系統(tǒng)的整流站和逆變站的每一極均采用單十二脈橋連接方式。

交流濾波器分為A、B、C、D 4種類型，A型為雙調(diào)諧濾波器，調(diào)諧頻率為11次和24次（基頻50Hz），B型也是雙調(diào)諧濾波器，調(diào)諧頻率為13次和36次，C型為3次濾波器，D型為無功補償裝置。直流濾波器為三調(diào)諧濾波器，調(diào)諧頻率為12/ 24/45次，在每站每極直流極母線與中性母線之間各裝設(shè)1組。

采用CIGRE提供的標(biāo)準(zhǔn)模型的控制系統(tǒng)來模擬兩個直流輸電系統(tǒng)，考慮預(yù)防換流閥受到過熱損害以及換流器換相失敗需要采用的保護(hù)措施，主要有：①最大電流限制；②最小電流限制；③低壓限流指令（voltage dependentcurrent order limiter）；④最小觸發(fā)角限制。

對于特高壓直流系統(tǒng)，考慮直流雙極全壓運行的情況，在發(fā)電廠A至整流站500 kV線路整流站側(cè)設(shè)置三相永久故障進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真分析。

對于同塔雙回直流系統(tǒng)，分別考慮兩回直流雙極全壓運行、一回直流雙極全壓運行而另一回直流單極全壓運行以及只有一回直流雙極全壓運行而另一回直流停運這3種情況，在發(fā)電廠C至整流站500 kV線路整流站側(cè)設(shè)置三相永久故障進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真分析。

故障設(shè)置時序均為：2 s時線路三永故障，2.09 s時線路近端開關(guān)三相跳閘，2.1 s時線路遠(yuǎn)端開關(guān)三相跳閘。

故障仿真分析的結(jié)果顯示，對于特高壓直流系統(tǒng)，孤島下當(dāng)發(fā)電廠A開2臺以下發(fā)電機，直流雙極全壓運行時，諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象被激發(fā)；對于同塔雙回直流系統(tǒng)，在孤島條件下，當(dāng)發(fā)電廠C開2臺以下發(fā)電機時，不論直流采用上述3種運行方式中的哪一種，都存在發(fā)生諧波不穩(wěn)定的風(fēng)險。

限于篇幅原因，僅以如下兩種方式為例來進(jìn)行后續(xù)的分析研究。

方式1發(fā)電廠A開1機，直流雙極全壓運行。

方式2發(fā)電廠C開2機，兩回直流雙極全壓運行。

故障仿真的相關(guān)結(jié)果如圖3~圖5所示。

圖3 整流側(cè)換流母線電壓各次諧波分量畸變率Fig.3 Harmonic distortion of commutation busvoltage in the rectifier

圖4 換流變閥側(cè)電流直流分量Fig.4 DC componentof current in the valve side of converter transformer

圖5 直流電壓Fig.5 DC voltage

對交流電壓諧波成分的分析如圖3可知，故障后兩個直流系統(tǒng)對應(yīng)的交流電壓中，各次諧波分量都處于不穩(wěn)定的波動狀態(tài)，振蕩發(fā)散，最終導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰。其中，發(fā)散情況最嚴(yán)重的是二次諧波分量，這種諧波發(fā)散可能會導(dǎo)致在換流器的直流側(cè)產(chǎn)生一個基頻電壓分量。該基頻分量會反過來在換流變壓器的閥繞組側(cè)產(chǎn)生直流分量和二次分量。該直流分量如圖4所示會激發(fā)換流變壓器飽和，進(jìn)一步產(chǎn)生二次諧波（當(dāng)然也會產(chǎn)生其他頻率的諧波），這樣就形成了一個正反饋，加劇了諧波不穩(wěn)定。而圖5則顯示，受整流側(cè)交流電壓各次諧波分量諧振放大的影響，直流系統(tǒng)的電壓也開始波動，最終隨著交流系統(tǒng)的崩潰，直流系統(tǒng)也失去穩(wěn)定。

2 直流系統(tǒng)降壓運行

前述的仿真結(jié)果顯示，直流全壓運行時，故障導(dǎo)致?lián)Q流變閥側(cè)電流中出現(xiàn)直流電流分量，并且振蕩放大，激發(fā)了換流變的飽和，最終導(dǎo)致送端系統(tǒng)發(fā)生諧波不穩(wěn)定。考慮到直流系統(tǒng)控制靈活便捷的特點，將直流電壓降低至80%，分析運行方式的改變對諧波諧振的影響。方式1和方式2所對應(yīng)的降壓運行仿真結(jié)果如圖6~圖8所示。

分析交流電壓的諧波成分如圖6可知，故障后，兩個直流系統(tǒng)所對應(yīng)的交流電壓中，各次諧波的分量大體呈等幅振蕩的趨勢，不過畸變情況并不十分嚴(yán)重，畸變率最高的是二次諧波分量，不到2.5%，尚在單次諧波畸變率不超過3%的安全范圍內(nèi)。

圖6 直流降壓運行時整流側(cè)換流母線電壓各次諧波分量畸變率Fig.6 Harmonic distortion of commutation busvoltage in the rectifier sidewhen changing into DC stepdown operation

圖7直流降壓運行時換流變閥側(cè)電流直流分量Fig.7 DC componentof current in the valve side of converter transformer when changing into DC stepdown operation

圖7 顯示，故障后，兩個直流系統(tǒng)對應(yīng)的換流變閥側(cè)電流中都出現(xiàn)直流分量，大體呈等幅振蕩的趨勢，但幅值都很小，沒有激發(fā)換流變飽和。圖8也表明，故障后，直流電壓能迅速回復(fù)穩(wěn)定，不會發(fā)生諧波不穩(wěn)定。

從上述仿真結(jié)果可以看出，直流采用降壓運行的策略，能夠減弱故障對系統(tǒng)造成的影響，換流變被故障激發(fā)的飽和程度會減輕，從而緩和低次諧波諧振的情況。

圖8 直流降壓運行時的直流電壓Fig.8 DC voltagewhen changing into DC stepdown operation

3 基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的勵磁電壓附加控制器

諧波振蕩放大會造成交流電壓嚴(yán)重畸變，這會給勵磁系統(tǒng)的輸入帶來很大的偏差，進(jìn)一步造成勵磁系統(tǒng)反饋控制的偏差，從而加重諧波放大的程度。

基于此，考慮對勵磁電壓進(jìn)行附加控制，強制維持勵磁系統(tǒng)電壓輸入信號的穩(wěn)定，以達(dá)到抑制諧波進(jìn)一步放大的目的。

滑模變結(jié)構(gòu)控制由于其對加給系統(tǒng)的擾動和系統(tǒng)的參數(shù)變化不敏感，具有魯棒性好、響應(yīng)速度快及容易實現(xiàn)等優(yōu)點，所以采用這種策略來設(shè)計如圖9所示的勵磁電壓附加控制器。

圖9中，VREF為電壓調(diào)節(jié)器的參考量，VRMAX、VRMIN分別為電壓調(diào)節(jié)器的輸出限制，VAMAX、VAMIN分別為勵磁器的輸出限制，TB1、TB2、TC1、TC2、T1分別為電壓調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)，KA為與交流勵磁功率相關(guān)的系數(shù)，KC為與換相電抗和負(fù)荷因數(shù)相關(guān)的系數(shù)，IFD為同步發(fā)電機勵磁電流，EFD為勵磁器輸出電壓。

因為交流電壓的諧波成分中二次諧波的畸變程度最嚴(yán)重，所以，設(shè)計控制器時，以發(fā)電機出口電壓Vt為控制量，以交流電壓二次諧波畸變率為控制目標(biāo)，其滑模變結(jié)構(gòu)的基本控制策略采用函數(shù)切換控制，即

式中，H（s）為四階Chebyshev I型低通濾波器的傳遞函數(shù)，截止頻率設(shè)定為55Hz。

將該附加控制器應(yīng)用于方式1和方式2的故障仿真結(jié)果如圖10~圖12所示。

圖10 采用附加勵磁控制器后整流側(cè)換流母線電壓各次諧波分量畸變率Fig.10 Harmonic distortion of commutation busvoltage in the rectifier sidewhen additionalexcitation voltage controller isadopted

分析交流電壓的諧波成分如圖10所示，分別對比圖3（a）、（b）可知，由于附加控制器的緣故，故障后，兩個系統(tǒng)的交流電壓中各次諧波分量的諧振情況有了很明顯的好轉(zhuǎn)，呈等幅微減的趨勢，其中畸變率最高的二次諧波分量被控制在3%的安全范圍內(nèi)。

對比分析圖11和圖4可知，故障后，兩系統(tǒng)對應(yīng)的換流變閥側(cè)電流中出現(xiàn)的直流分量都呈等幅微減的趨勢，且幅值較小，換流變飽和的情況得到有效控制。

圖12也表明，故障后，兩個系統(tǒng)的直流電壓都迅速回復(fù)穩(wěn)定，均未發(fā)生諧波不穩(wěn)定。

圖11 采用附加勵磁控制器后換流變閥側(cè)電流直流分量Fig.11 DC componentof current in the valve sideof converter transformer when additional excitation voltage controller isadopted

圖12 采用附加勵磁控制器的直流電壓Fig.12 DC voltagewhen additionalexcitation voltage controller isadopted

上述仿真結(jié)果表明，基于滑模變結(jié)構(gòu)控制策略設(shè)計的該勵磁電壓附加控制器能將二次及以上各低次諧波成分控制在合理范圍內(nèi)，從而維持電壓的穩(wěn)定，有效抑制諧波不穩(wěn)定。

4 結(jié)語

針對高壓直流輸電系統(tǒng)送端的諧波不穩(wěn)定問題，本文提出了兩種對策，一是利用直流系統(tǒng)控制靈活便捷的特點，采用直流降壓運行的方式以緩解低次諧波諧振的程度；二是基于滑模變結(jié)構(gòu)控制策略設(shè)計勵磁電壓附加控制器以控制各低次諧波的諧振放大，從而維持交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

特高壓直流輸電系統(tǒng)和同塔雙回±500 kV直流輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)故障仿真對比表明，這兩種對策都能夠有效解決諧波不穩(wěn)定問題，效果很好，具有很強的實用性。

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Research on Countermeasures to Harmonic Instability Problem at Sending End of HVDC Transm ission System in Isolated Island Operation

MU Zilong，ZHANGYuqing
（JiangbeiPower Supply Bureau ofChongqing Electric PowerCorp.，Chongqing 401147，China）

Each harmonic canmutually transmitbetween AC and DC side of the converter，whichmay begetpotential instabilities in any system and result in harmonic currentamplification and voltage distortion.Finally the HVDC transmission system willhave difficulty fornormaloperation.Therefore once analysis indicates that the system has the risk of harmonic instability，countermeasures to this problem mustbe proposed.Taking the UHVDC power transmission project and the double line±500 kV DC transmission project as examples，their electromagnetic transientmodels have been constructed.After the operationmodeswhich have the risk ofharmonic instability have been analyzed，two countermeasureshave been proposed.The one is to change DC fullvoltage operation to DC step-down operation，the other is additionalexcitation voltage controller based on sliding-mode control strategy.The study results indicate thatboth the two countermeasurescan effectively tackle the harmonic instability problem.

harmonic instability；ultra-high voltage direct current；double line high voltage direct current transmission project；directcurrentstep-down operation；sliding-mode control

TM712

A

1003-8930（2015）04-0033-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.04.006

穆子龍（1985—），男，博士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、高壓直流輸電、繼電保護(hù)。Email：zilongallon@163. com

2013-08-12；

2013-11-25

國家自然科學(xué)基金重點項目（51037003）

張雨晴（1990—），女，本科，助理工程師，研究方向為高壓電氣設(shè)備試驗。Email：1047155993@qq.com