勵磁涌流下直流50 Hz諧波運(yùn)行特性分析及應(yīng)用

吳立珠， 李曉華， 張冬怡， 丁曉兵， 田慶

(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640； 2. 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510623)

0 引 言

近幾年南方電網(wǎng)發(fā)生了多起因換流變壓器空投而導(dǎo)致的直流50 Hz保護(hù)誤動事件。正常運(yùn)行的一極受到另外一極換流變空投的影響產(chǎn)生和應(yīng)涌流，其中的諧波分量侵入直流后經(jīng)過直流線路的傳遞放大，在直流對側(cè)造成了直流50 Hz誤動作。多起事故的接連發(fā)生表明換流變空投的涌流問題已不可忽視，因此有必要分析保護(hù)誤動過程中諧波的運(yùn)行特性，為制定相應(yīng)的措施提供技術(shù)支持。

對于勵磁涌流以及和應(yīng)涌流，已有學(xué)者進(jìn)行了大量研究，包括了涌流產(chǎn)生機(jī)理、特征識別、影響因素、抑制措施等多個方面，而具體到涌流中諧波分量特性還較少[1-2]。在直流線路上50 Hz諧波傳遞放大問題方面，文獻(xiàn)[3]從保護(hù)的角度出發(fā)，研究交流電壓、故障發(fā)生時刻以及直流運(yùn)行方式對直流50 Hz分量的影響并提出相應(yīng)的保護(hù)優(yōu)化措施。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)研究涌流大小、直流功率等關(guān)鍵因素對50 Hz諧波在直流線路上傳遞的影響。而前兩篇文獻(xiàn)均是直接用固定諧波電壓源來代替換流變合閘涌流進(jìn)行相關(guān)的諧波特性研究，沒有討論諧波源如何選取。

因此，本文先是對比分析了不同諧波源下涌流諧波與實(shí)際錄波的異同，討論了采用固定諧波源研究的合理性；接著梳理了從產(chǎn)生到傳遞放大過程中可能影響到涌流諧波的各個因素；然后結(jié)合實(shí)際直流仿真模型，針對運(yùn)行因素包括剩磁、合閘角、交流系統(tǒng)強(qiáng)度以及直流功率、直流運(yùn)行方式、線路長度對諧波的產(chǎn)生和傳遞兩個過程中的諧波特性進(jìn)行分析；最后結(jié)合所分析的影響規(guī)律，按直流感受50 Hz諧波最嚴(yán)重的工況，提出不使直流50 Hz保護(hù)誤動的交流系統(tǒng)強(qiáng)度邊界及直流功率邊界，為實(shí)際工程換流變空投條件提供參考。

1 涌流諧波特征分析

圖1 和應(yīng)涌流波形

變壓器空投是電力系統(tǒng)調(diào)試過程中常見的操作。變壓器空載合閘時，由于磁鏈不能突變所產(chǎn)生的非周期磁鏈?zhǔn)沟脛畲胖凤柡停瑥亩a(chǎn)生了勵磁涌流。而勵磁涌流的出現(xiàn)導(dǎo)致連接及其臨近的交流母線電壓出現(xiàn)非周期分量，造成運(yùn)行中換流變壓器也出現(xiàn)飽和，而產(chǎn)生了和應(yīng)涌流[5]。圖1為某實(shí)際直流模型因換流變空投而在運(yùn)行極產(chǎn)生的和應(yīng)涌流A相電流波形?？梢钥吹胶蛻?yīng)涌流存在急劇上升和緩慢衰減的過程。

而其中的諧波分量侵入直流后對直流造成了影響。如圖2所示，圖2(a)是實(shí)際工程換流變空投時直流50 Hz諧波電流錄波，圖2(b)是直流一仿真模型換流變空投時直流50 Hz諧波電流，圖2(c)是直流二仿真模型換流變空投時直流50 Hz諧波電流，圖2(d)則是添加固定諧波源時直流50 Hz諧波電流。

從圖2(a)的實(shí)際50 Hz諧波電流錄波可以看到，其電流先是快速上升接著緩慢衰減，存在峰值和衰減時間兩個要素。將添加固定諧波源以及直流仿真模型換流變直接合閘后的50 Hz諧波電流與實(shí)際錄波對比，可以發(fā)現(xiàn)，添加固定諧波源后的50 Hz電流穩(wěn)定不變，不存在衰減過程，而仿真模型直接合閘的電流波形與實(shí)際錄波更為接近。此外，圖2(b)和圖2(c)分別來自兩條不同直流仿真模型，可以看到二者雖然波形變化相似，但由于直流參數(shù)的差異，二者的峰值是不同的，因此采用固定諧波源進(jìn)行諧波分析時，諧波源大小的確定也是一個需要考慮的問題。所以，直接在直流仿真模型換流變合閘情況下研究直流中的50 Hz諧波特性更為合適。

圖2 不同諧波源下直流50 Hz諧波電流

2 影響涌流諧波產(chǎn)生和傳遞的因素梳理

變壓器空投產(chǎn)生勵磁涌流，在勵磁涌流的影響下直流的運(yùn)行極產(chǎn)生了和應(yīng)涌流，而和應(yīng)涌流中的諧波分量侵入直流后經(jīng)過直流線路的傳遞放大，導(dǎo)致了直流50 Hz保護(hù)的誤動，如圖3所示。

圖3 影響諧波產(chǎn)生和傳遞的因素

由已有研究可知，直流中的50 Hz諧波是由交流系統(tǒng)的正序二次分量轉(zhuǎn)化而來，因此需要分析各個因素對和應(yīng)涌流中二次諧波的影響。同時也要分析直流工況變化時，各因素對直流線路上諧波放大的影響。影響和應(yīng)涌流的因素包括了初始合閘角、系統(tǒng)強(qiáng)度、負(fù)載、剩磁、串聯(lián)連接、接地方式[6]。而對一個固定的直流而言，換流變連接方式和接地方式是一定的，因此主要研究合閘角、交流系統(tǒng)強(qiáng)度、剩磁以及負(fù)載四個因素對和應(yīng)涌流中正序二次諧波的影響。

影響直流線路上諧波傳遞的因素包括了直流功率、平波電抗器、直流運(yùn)行方式、線路長度，而固定直流平波電抗值是不變，線路長度可能受到環(huán)境溫度等的影響在小范圍內(nèi)發(fā)生變化。因此對于具體直流工程而言，主要研究直流功率、直流運(yùn)行方式、線路長度三個因素對線路上諧波傳遞的影響。

下文分別對每個關(guān)鍵運(yùn)行因素的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

3 影響涌流諧波關(guān)鍵運(yùn)行因素具體分析

3.1 涌流正序二次諧波因素影響規(guī)律

由于直流的50 Hz諧波分量是由和應(yīng)涌流中的正序二次分量轉(zhuǎn)化而來，分別研究合閘角、交流系統(tǒng)強(qiáng)度、剩磁以及負(fù)載四個關(guān)鍵因素對和應(yīng)涌流中正序二次諧波的影響。

3.1.1空載合閘角

合閘角不同時勵磁涌流大小不同，而勵磁涌流和和應(yīng)涌流是相互作用的，從而合閘角也影響了和應(yīng)涌流中的正序二次諧波分量。當(dāng)合閘角為0°時，所產(chǎn)生的勵磁涌流最大，造成交流母線電壓波動最大，因而產(chǎn)生最大的和應(yīng)涌流，當(dāng)合閘角逐漸增大時，勵磁涌流減弱，在合閘角為90°時和應(yīng)涌流最小。而和應(yīng)涌流中的正序二次諧波分量隨涌流幅值的增大而增大，因此在合閘角為0°時所產(chǎn)生正序二次諧波最大，而在合閘角90°時最小。

3.1.2剩磁

剩磁也是影響諧波大小的一個重要因素。換流變鐵芯剩磁的極性與涌流的極性一致時，剩磁的存在會使涌流幅值增大，且剩磁越大，勵磁涌流幅值越大；換流變鐵芯剩磁的極性與涌流的極性相反時，剩磁會削弱涌流。同樣由于勵磁涌流和和應(yīng)涌流的相互作用，剩磁也會影響和應(yīng)涌流中的正序二次分量。分別在無剩磁和剩磁最大的情況下以同樣的合閘角合閘，結(jié)果如圖4所示。

圖4 有無剩磁時的和應(yīng)涌流正序二次諧波分量

由圖4可知，在剩磁最大且極性相同時，和應(yīng)涌流中的正序二次分量急劇增大。

3.1.3變壓器負(fù)載

對于換流變壓器，直流輸送功率即為其負(fù)載，改變直流功率的值，仿真分析直流功率變化對和應(yīng)涌流中的正序二次分量的影響，結(jié)果如圖5所示，其中實(shí)線為仿真結(jié)果，虛線為數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果。

圖5 不同功率下和應(yīng)涌流正序二次諧波分量

可以直觀地看到，隨著變壓器負(fù)載也就是直流功率的增加，和應(yīng)涌流中正序二次諧波分量也隨之增大。由于受到換流變壓器檔位調(diào)整和無功調(diào)控的影響，仿真值分布在擬合曲線左右，但整體變化趨勢是一致的。

3.1.4交流系統(tǒng)強(qiáng)度

短路比(SCR)是反映交流系統(tǒng)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，為覆蓋實(shí)際交流系統(tǒng)SCR的范圍，在SCR為2～15范圍內(nèi)進(jìn)行研究。SCR與交流系統(tǒng)阻抗值的關(guān)系如式(1)

(1)

其中Zs為交流系統(tǒng)阻抗，Um為交流母線電壓，PN直流功率。由式(1)可求得不同SCR下的交流系統(tǒng)阻抗值，如表1所示。

表1 不同SCR的交流系統(tǒng)阻抗值

圖6 不同SCR下和應(yīng)涌流正序二次諧波分量

改變交流系統(tǒng)阻抗值，得到不同交流系統(tǒng)強(qiáng)度下的和應(yīng)涌流中的二次諧波分量，如圖6所示。

由圖6可以看到，隨著SCR的增大，涌流中的正序二次諧波分量逐漸減小，即交流系統(tǒng)越弱，換流變空投產(chǎn)生的正序二次諧波分量越大。

3.2 直流50 Hz諧波的因素影響規(guī)律

由換流變空投產(chǎn)生的涌流諧波侵入直流系統(tǒng)后，經(jīng)過直流線路的傳遞放大，導(dǎo)致直流50 Hz保護(hù)誤動。因此除了研究源頭處影響正序二次諧波大小的因素外，還需要分析直流線路對50 Hz諧波的傳遞放大。分別分析直流功率、直流運(yùn)行方式、線路長度對線路上直諧波傳遞的影響。

3.2.1直流功率

改變直流輸送的功率大小，分別在直流輸送功率為1 pu、0.8 pu、0.6 pu、0.4 pu時進(jìn)行仿真，記錄線路兩端的50 Hz諧波電流值。結(jié)果如圖7所示，實(shí)線部分為仿真結(jié)果，虛線部分為數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果。其中圖7(a)為不同功率下50 Hz諧波電流放大倍數(shù)，圖7(b)為不同功率下直流線路末端50 Hz諧波電流。

圖7 功率變化對50 Hz諧波傳遞特性的影響

由圖7(a)知，直流功率增大時，50 Hz諧波電流在線路上的放大倍數(shù)減小。而同樣由于受到換流變壓器的檔位調(diào)整及無功調(diào)控的影響，其值分布在擬合曲線左右，但變化趨勢一致；由圖7(b)知，仿真結(jié)果與擬合曲線一致，傳到線路對側(cè)的50 Hz諧波電流隨著線路功率的增加而增加。綜合直流功率對諧波的產(chǎn)生和傳遞的影響，直流功率增加時，直流中的50 Hz諧波是隨之增大的，但增加幅度較小。

3.2.2直流運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時，直流工程可能處于雙極大地，單極大地及單極金屬三種運(yùn)行方式下，當(dāng)一極出現(xiàn)故障或檢修停運(yùn)一極時，直流工程可能處于單極大地或單極金屬的運(yùn)行方式下，仿真分析不同運(yùn)行方式下50 Hz諧波電流傳遞情況，結(jié)果如圖8所示。

圖8 直流運(yùn)行方式對50 Hz諧波傳遞特性的影響

圖8(a)為三種運(yùn)行方式下50 Hz諧波電流放大倍數(shù)，圖8(b)為三種運(yùn)行方式下線路兩端50 Hz諧波電流。結(jié)合兩圖可以看到，對于電流放大倍數(shù)，雙極大地和單極金屬兩種方式下放大倍數(shù)均在5倍左右，單極大地較小在2倍左右；對于傳到對側(cè)的50 Hz諧波電流，雙極大地時最大，另外兩種單極方式下電流相當(dāng)，均小于雙極方式。綜合而言，雙極運(yùn)行方式下直流中50 Hz諧波電流更大。

3.2.3線路長度

直流線路實(shí)際長度為1 104 km，考慮到極端環(huán)境溫度等因素可能引起的線路變化[7]，在900 km～1 250 km的范圍內(nèi)，仿真分析線路長度變化對線路上50 Hz諧波電流傳遞放大特性的影響。圖9(a)為線路長度變化時50 Hz諧波電流放大倍數(shù)，圖9(b)為線路長度變化線路兩端50 Hz諧波電流。

圖9 直流線路長度對50 Hz諧波傳遞特性的影響

由兩圖可得，線路長度增長時，電流放大倍數(shù)是隨之減少的，而傳到線路末端的50 Hz諧波電流是隨之減少的。當(dāng)線路長度大幅度變化時，其對50 Hz諧波電流傳遞特性的影響較大。當(dāng)直流不是位于極端環(huán)境下時，線路長度的變化較小，即當(dāng)直流在如圖所示的兩條虛線之間小范圍內(nèi)變化時，諧波電流變化不大，這時可忽略線路長度變化對諧波傳遞造成的影響。

4 換流變空投前系統(tǒng)條件邊界

由前文分析可知，涌流諧波在產(chǎn)生和傳遞過程中受到許多因素的影響，總結(jié)換流變空投時各個因素的影響，如表2所示。

表2 各因素對諧波產(chǎn)生和傳遞的影響

由表2可以看出，和應(yīng)涌流中正序二次諧波的產(chǎn)生過程受影響較大，而50 Hz諧波的傳遞過程受影響較小，因此減小換流變涌流諧波對直流的影響主要是從源頭處著手。由于剩磁的不可控，目前的主要措施是通過分相合閘來減小涌流。此外，可以看到直流功率和交流系統(tǒng)強(qiáng)度對諧波產(chǎn)生的影響也很大，為此，本文通過設(shè)置合閘角和剩磁，在涌流最嚴(yán)重時尋求不使直流逆變側(cè)50 Hz保護(hù)誤動的交流系統(tǒng)強(qiáng)度邊界，以及在交流系統(tǒng)強(qiáng)度達(dá)到邊界條件下的直流功率邊界。

4.1 交流系統(tǒng)強(qiáng)度邊界值

在換流變合閘角為0°，換流變剩磁最大，直流輸送功率為1 pu，即源頭處涌流諧波最大時，不斷減小交流系統(tǒng)SCR，從15變化至3，記錄直流逆變側(cè)的50 Hz諧波，如表3所示。

表3 不同SCR下兩條在運(yùn)直流的50 Hz諧波電流

直流1和直流2是南方電網(wǎng)在運(yùn)的兩條直流。在直流電流為1 pu時，兩條直流的50 Hz保護(hù)定值為266.66 A。從表3可以看到，對于兩條直流，隨著交流系統(tǒng)SCR不斷減小，直流50 Hz諧波電流均隨之增大。另外，考慮一定的裕度，結(jié)合保護(hù)定值可以看到當(dāng)直流一的交流系統(tǒng)SCR減小至3時，直流50 Hz諧波電流仍然沒有達(dá)到保護(hù)定值，而直流2在SCR為4時的直流50 Hz諧波電流已經(jīng)超過了保護(hù)定值。

由于實(shí)際系統(tǒng)SCR小于3的情況較為少見，可以判斷直流一不易受換流變涌流諧波的影響；而直流二在交流系統(tǒng)SCR小于4時則需要特別注意換流變合閘涌流問題，即SCR為5是其換流變空投的交流系統(tǒng)強(qiáng)度邊界。同樣的，也可以依照這樣的方式來分析其他在運(yùn)直流。這樣就可以通過所分析的交流系統(tǒng)強(qiáng)度邊界來為直流換流變空投前所需要的電廠開機(jī)數(shù)提供參考，具有較大的實(shí)用性。

4.2 直流功率邊界

由于直流一不易受換流變合閘諧波的干擾，本文以直流二為對象進(jìn)一步研究當(dāng)交流系統(tǒng)較弱時，換流變空投時，運(yùn)行極的功率邊界。由前文分析可知，直流功率會影響直流中的諧波大小，同時直流功率的改變也導(dǎo)致了直流50 Hz保護(hù)定值。因此在交流系統(tǒng)SCR為5的邊界條件下，改變運(yùn)行極的直流功率，同時記錄對側(cè)的50 Hz諧波電流值和直流50 Hz保護(hù)定值，結(jié)果如圖10所示。

圖10 SCR=5時直流二功率邊界

首先可以看到，隨著直流功率的增大，50 Hz諧波電流值以及保護(hù)定值均隨之增大，但二者的變化斜率并不一致。其次，兩條曲線在功率為0.6 pu時存在交點(diǎn)，在功率為0.1 pu～0.6 pu時，50 Hz諧波電流值大于保護(hù)定值，而在率為0.6 pu～1 pu時，50 Hz諧波電流值小于保護(hù)定值。

因此，直流二在交流系統(tǒng)SCR為5的邊界條件下，換流變空投時運(yùn)行極的直流功率不宜低于0.6 pu，功率過低易導(dǎo)致直流50 Hz保護(hù)的誤動。

5 結(jié)束語

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，以換流變合閘涌流為諧波源研究分析了影響涌流諧波的產(chǎn)生和傳遞的各個關(guān)鍵因素；并結(jié)合分析規(guī)律，在換流變涌流二次諧波分量最大時，推導(dǎo)了不使直流逆變側(cè)保護(hù)誤動的交流系統(tǒng)強(qiáng)度邊界以及在交流系統(tǒng)強(qiáng)度達(dá)到邊界條件下的直流功率邊界，為實(shí)際工程換流變空投的系統(tǒng)條件提供參考，以減少直流50 Hz保護(hù)誤動事件的發(fā)生。

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