特高壓直流輸電系統(tǒng)換流閥故障諧波特性研究

趙 慧，趙洪峰，李 梅，王 佳

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046；2.新疆大學(xué)工程訓(xùn)練中心，新疆 烏魯木齊830046；3.寧夏超高壓電力工程有限公司，寧夏 銀川750000)

1 引言

特高壓直流輸電工程憑借其遠(yuǎn)距離、大容量輸電等優(yōu)勢(shì)，成為了“南北互聯(lián)，西電東送”戰(zhàn)略下，解決我國能源分布不均勻及“三北”蒙西地區(qū)大型能源基地能源外送消納嚴(yán)重受阻問題的必然選擇。但在直流輸電運(yùn)行中，諧波的產(chǎn)生會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅。換流裝置是特高壓直流輸電(UHVDC)系統(tǒng)不可或缺的組成部分，也是系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的主要來源，換流閥是換流器基本組成單元，占換流站投資的1/5[1-2]，因此，換流閥是UHVDC系統(tǒng)諧波研究的重點(diǎn)。

文獻(xiàn)[3-5]基于調(diào)制理論、統(tǒng)一基波和潮流算法，對(duì)±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)在單相接地故障、兩相接地故障、和直流故障下非特征諧波產(chǎn)生的原因及影響因素進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了交直流輸電系統(tǒng)諧波相互作用及傳遞特點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]研究了換流變壓器鐵芯飽和引起的諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象及規(guī)律，并提出了利用直流側(cè)裝置基頻阻斷濾波器的措施來抑制諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)換流變壓器在額定運(yùn)行及過負(fù)荷運(yùn)行工況下，不僅會(huì)在換流變繞組中產(chǎn)生基頻交流分量，而且還會(huì)產(chǎn)生直流分量、特征諧波分量和非特征諧波分量[7]。文獻(xiàn)[8]分析了UHVDC系統(tǒng)中由直流偏磁引起的諧波問題，并發(fā)現(xiàn)由直流偏磁引起的諧波會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，因而提出了設(shè)定交直流側(cè)諧波畸變限值標(biāo)準(zhǔn)，為諧波治理及濾波器設(shè)置提供參考。文獻(xiàn)[9-11]研究了直流輸電線路的長度、線路分布參數(shù)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)直流輸電系統(tǒng)諧波特性的影響。文獻(xiàn)[12]通過建立閥故障情況下?lián)Q流器的開關(guān)函數(shù)模型對(duì)100Hz諧波分量的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析及計(jì)算，為100Hz諧波分量提供了理論分析基礎(chǔ)，但并未分析其它高次諧波的含量。文獻(xiàn)[3-12]均未對(duì)特高壓直流輸電系統(tǒng)換流閥內(nèi)部故障引起的諧波做深入研究。對(duì)此，本文將閥通斷特性的理論知識(shí)和依托某±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，基于PSCAD/EMTDC建立的特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真結(jié)果相結(jié)合，對(duì)該系統(tǒng)在換流閥故障下產(chǎn)生的諧波進(jìn)行了分析，研究了閥在不同故障情況下系統(tǒng)的諧波特性，該研究對(duì)UHVDC系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的理論指導(dǎo)。

2 UHVDC系統(tǒng)仿真模型建立

2.1 系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)模型

隨著電壓等級(jí)的升高、傳輸功率的增大，對(duì)直流輸電系統(tǒng)的安全可靠穩(wěn)定性要求也變得越來越嚴(yán)格，因此±800kV特高壓直流輸電工程都采用雙極運(yùn)行方式。圖1為所建模型的其中一極(12脈動(dòng)換流系統(tǒng)單元)。該±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)雙極運(yùn)行額定功率為8000MW，直流電流額定值為5kA，直流輸電線路全長為1720km，在整流側(cè)，逆變側(cè)和中性母線側(cè)的直流線路上安裝有300mH和75mH的干式電抗器。換流站的變壓器都采用雙繞組式，變壓器的設(shè)備參數(shù)如表1所示。根據(jù)所給設(shè)備參數(shù)，利用PSCAD/EMTDC軟件建立UHVDC系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

圖1 單極直流輸電系統(tǒng)

表1 UHVDC系統(tǒng)換流站換流變壓器的參數(shù)

圖2 UHVDC系統(tǒng)模型圖

2.2 系統(tǒng)控制模型

PSCAD/EMTDC軟件中自帶的HVDC CIGRE模型主要針對(duì)的是±500kV超高壓直流輸電系統(tǒng)，其雖能反映HVDC系統(tǒng)控制策略的主要特征，但它采用的單極直流輸電運(yùn)行方式[13-14]，顯然不滿足本文所提及的UHVDC系統(tǒng)雙極運(yùn)行模式，而且兩者間的控制系統(tǒng)存在一定差異。本文設(shè)計(jì)的UHVDC系統(tǒng)中其整流側(cè)采用低壓限流環(huán)節(jié)和最小觸發(fā)角控制，而逆變側(cè)則利用低壓限流和定熄弧角控制。整流側(cè)觸發(fā)角大小設(shè)置為15±2.5(°)，逆變側(cè)定熄弧角大小設(shè)置為17±1(°)。圖3為UHVDC系統(tǒng)逆變側(cè)控制系統(tǒng)框圖。

圖3 UHVDC系統(tǒng)逆變側(cè)控制框圖

3 換流閥故障諧波理論特性

由于換流器的非線性原因，導(dǎo)致特高壓直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量諧波，從而引起輸電系統(tǒng)電壓電流的畸變，這種畸變對(duì)電能是一種“污染”。 換流器對(duì)交流系統(tǒng)來說是諧波電流源，而對(duì)直流線路來說它還是諧波電壓源[15]。換流器的核心是換流閥，且換流閥是換流的關(guān)鍵設(shè)備，因此，對(duì)換流閥故障(閥誤開通和閥不開通故障)諧波特性的分析對(duì)特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

3.1 諧波理論分析

交流系統(tǒng)的電壓、電流波形在理想條件下為正弦波，滿足下列表達(dá)式

(1)

(2)

式中

或

(3)

綜合比較(2)式和(3)式，得二者之間的系數(shù)關(guān)系如(4)式

(4)

或用復(fù)數(shù)表示為

B(n)+jA(n)=C(n)ejφ(n)

(5)

式(2)和(3)的傅里葉級(jí)數(shù)中，基波的頻率為1/T。令(3)式中的ωt=ωt+θ0得出下式

(6)

將式(3)和式(6)進(jìn)行比較，可得出以下結(jié)論：在以f為頻率的電流或電壓中，f(ωt+θ0)和f(ωt) 中的直流分量幅值、基波幅值和它們各次諧波的幅值都分別相等。而f(ωt+θ0)和f(ωt)的基波和各次諧波的初相位則分別增加nθ0(n=1,2,3…)。

3.2 閥不開通故障

12脈動(dòng)換流器V1-V12共12個(gè)換流閥組成，在每一個(gè)工頻周期內(nèi)有12個(gè)換流閥依次導(dǎo)通，脈沖之間的間距為30°[8]，其原理圖如圖4所示。

圖4 12脈動(dòng)換流器原理接線圖

換流閥導(dǎo)通條件為接收觸發(fā)脈沖和正向電壓，若閥只處于正向電壓作用下無觸發(fā)脈沖(觸發(fā)脈沖丟失)，該閥就會(huì)產(chǎn)生不導(dǎo)通故障。以6脈動(dòng)換流器中的V1不開通故障為例，此時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)V1不導(dǎo)通，從而使得V5一直承受正向電壓而處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)V3的觸發(fā)脈沖到達(dá)時(shí)，V5關(guān)閉不導(dǎo)通，其它閥的導(dǎo)通順序與導(dǎo)通間隔與正常運(yùn)行狀態(tài)下一樣，整流側(cè)和逆變側(cè)通斷波形相同，如圖5所示。

圖5 閥在不開通故障下各閥通斷波形

3.3 閥誤開通故障

閥誤開通故障可能由交流系統(tǒng)故障、交流擾動(dòng)或換流器控制功能紊亂引起，其中觸發(fā)脈沖的提前到達(dá)更易引起此類故障。

3.3.1 整流側(cè)換流閥誤開通故障

以6脈動(dòng)換流器中的V1誤開通故障為例，當(dāng)觸發(fā)脈沖以前δ角度到達(dá)V1時(shí)，V1承受正向電壓而立即導(dǎo)通，此時(shí)導(dǎo)致V5提前δ角度關(guān)斷，其它閥的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通間隔不變，如圖6所示。在整流側(cè)換流閥發(fā)生誤開通故障時(shí)，相當(dāng)于a相電流提前開通δ角度，而c相電流則對(duì)應(yīng)提前δ角度截止，所以該故障對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響較小。

圖6 整流器閥誤開通故障下閥通斷波形

3.3.2 逆變側(cè)換流閥誤開通故障

以6脈動(dòng)換流器中的V1誤開通故障為例，當(dāng)V5的觸發(fā)脈沖到達(dá)時(shí)，由于V5仍處于反向電壓而使得V3向V5換相失敗，此時(shí)的V1處于正向電壓狀態(tài)，故V1的誤觸發(fā)脈沖導(dǎo)致V3直接換相到V1，該故障下使得V1的導(dǎo)通間隔變大，其它閥的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通間隔不變，此時(shí)發(fā)生的故障相當(dāng)于系統(tǒng)發(fā)生了一次換相失敗，如圖7所示。當(dāng)出現(xiàn)閥不導(dǎo)通或者持續(xù)導(dǎo)通故障時(shí)，三相換相電流不對(duì)稱，但認(rèn)為三相換相電壓仍對(duì)稱[16]，從而導(dǎo)致直流電流和直流電壓中產(chǎn)生100Hz諧波分量，閥的控制則會(huì)引起基頻振蕩[17]。

圖7 逆變器閥誤開通故障下閥通斷波形

4 換流閥故障下的仿真分析

依托PSCAD/EMTDC仿真軟件并結(jié)合以上理論分析就圖2所示的UHVDC系統(tǒng)進(jìn)行換流閥故障諧波特性分析。

4.1 閥不開通故障仿真

在仿真整流側(cè)及逆變側(cè)閥不開通故障時(shí)，利用分別閉鎖整流器和逆變器觸發(fā)脈沖的方法制造脈沖丟失故障，得到直流輸電系統(tǒng)在閥不開通故障下諧波含量如圖8所示，其中橫坐標(biāo)代表系統(tǒng)在故障時(shí)出現(xiàn)的諧波次數(shù)，縱坐標(biāo)代表諧波含量。

圖8 換流閥發(fā)生不導(dǎo)通故障時(shí)諧波電流

表2是直流輸電系統(tǒng)在閥不開通故障時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)諧波電流和諧波電壓含量的數(shù)據(jù)匯總，其中整流側(cè)和逆變側(cè)的諧波含量都以百分比形式表示。由表2可以發(fā)現(xiàn)在發(fā)生換流閥不導(dǎo)通故障時(shí)，低次非特征諧波含量明顯高于高次特征諧波含量，3次諧波含量較高。而且當(dāng)觸發(fā)脈沖丟失時(shí)會(huì)確實(shí)會(huì)造成諧波總畸變率超標(biāo)，但程度并不嚴(yán)重。

4.2 閥誤開通故障仿真

在設(shè)置閥誤開通故障時(shí)，令熄弧角小于正常關(guān)斷角，從而使得觸發(fā)脈沖提前到達(dá)。仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熄弧角很小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致逆變器發(fā)生一次換相失敗，此時(shí)得到直流輸電系統(tǒng)在閥誤開通故障下各次諧波含量如圖9和圖10所示。

圖9 換流閥發(fā)生誤導(dǎo)通故障時(shí)諧波電流

圖10 換流閥發(fā)生誤導(dǎo)通故障時(shí)諧波電壓

表3是直流輸電系統(tǒng)在閥不開通故障時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)諧波電流和諧波電壓含量的數(shù)據(jù)匯總，其中整流側(cè)和逆變側(cè)的諧波含量都以百分比形式表示。由表3可知，當(dāng)發(fā)生閥誤開通故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生100Hz諧波，逆變側(cè)的二次諧波更為明顯，除此之外還存在3次、5次、14次等非特征諧波。經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)置的熄弧角較小時(shí)，即發(fā)生換相失敗所產(chǎn)生的諧波含量要高于閥不開通故障時(shí)的諧波含量。

表2 換流閥發(fā)生不導(dǎo)通故障時(shí)諧波仿真值

表3 換流閥發(fā)生誤導(dǎo)通故障時(shí)諧波仿真值

5 結(jié)論

綜上所述，本文仿真分析出的特高壓直流輸電系統(tǒng)換流閥故障諧波特性結(jié)果和理論分析的換流閥故障通斷波形結(jié)果相結(jié)合，得到以下結(jié)論：

1)對(duì)于特高壓直流輸電系統(tǒng)，其閥故障時(shí)產(chǎn)生的諧波會(huì)使系統(tǒng)總畸變率增大，這主要是由于閥故障產(chǎn)生的低次非特征諧波含量相比特征諧波的含量較大。

2)在閥誤開通故障中，逆變側(cè)閥故障產(chǎn)生的諧波總畸變率要高于整流側(cè)閥故障產(chǎn)生的諧波總畸變率，這是由于整流側(cè)閥故障相當(dāng)于故障閥提前開通，但其它閥仍等間隔導(dǎo)通，所以此時(shí)對(duì)直流輸電系統(tǒng)影響較小。而逆變側(cè)由于導(dǎo)通邏輯順序發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生二次諧波分量。

3)在閥故障中，3次諧波的含量較大，并且低次非特征含量高于高次特征諧波含量，故在UHVDC系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)中，要著重考慮三調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)，減少低次諧波引起的系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)作。