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.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830046；2.新疆大學工程訓練中心，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距離、大容量輸電等優(yōu)勢，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重受阻問題的必然選擇。但在直流輸電運行中，諧波的產生會對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成嚴重的威脅。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。

文獻[3-5]基于調制理論、統(tǒng)一基波和潮流算法，對±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生的原因及影響因素進行了分析，驗證了交直流輸電系統(tǒng)諧波相互作用及傳遞特點。文獻[6]研究了換流變壓器鐵芯飽和引起的諧波不穩(wěn)定現象及規(guī)律，并提出了利用直流側裝置基頻阻斷濾波器的措施來抑制諧波不穩(wěn)定現象。當換流變壓器在額定運行及過負荷運行工況下，不僅會在換流變繞組中產生基頻交流分量，而且還會產生直流分量、特征諧波分量和非特征諧波分量[7]。文獻[8]分析了UHVDC系統(tǒng)中由直流偏磁引起的諧波問題，并發(fā)現由直流偏磁引起的諧波會導致系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，因而提出了設定交直流側諧波畸變限值標準，為諧波治理及濾波器設置提供參考。文獻[9-11]研究了直流輸電線路的長度、線路分布參數、網架結構對直流輸電系統(tǒng)諧波特性的影響。文獻[12]通過建立閥故障情況下?lián)Q流器的開關函數模型對100Hz諧波分量的機理進行了詳細分析及計算，為100Hz諧波分量提供了理論分析基礎，但并未分析其它高次諧波的含量。文獻[3-12]均未對特高壓直流輸電系統(tǒng)換流閥內部故障引起的諧波做深入研究。對此，本文將閥通斷特性的理論知識和依托某±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)的實際參數，基于PSCAD/EMTDC建立的特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真結果相結合，對該系統(tǒng)在換流閥故障下產生的諧波進行了分析，研究了閥在不同故障情況下系統(tǒng)的諧波特性，該研究對UHVDC系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供了有效的理論指導。

2 UHVDC系統(tǒng)仿真模型建立

2.1 系統(tǒng)主結構模型

隨著電壓等級的升高、傳輸功率的增大，對直流輸電系統(tǒng)的安全可靠穩(wěn)定性要求也變得越來越嚴格，因此±800kV特高壓直流輸電工程都采用雙極運行方式。圖1為所建模型的其中一極(12脈動換流系統(tǒng)單元)。該±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)雙極運行額定功率為8000MW，直流電流額定值為5kA，直流輸電線路全長為1720km，在整流側，逆變側和中性母線側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，變壓器的設備參數如表1所示。根據所給設備參數，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

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行方式[13-14]，顯然不滿足本文所提及的UHVDC系統(tǒng)雙極運行模式，而且兩者間的控制系統(tǒng)存在一定差異。本文設計的UHVDC系統(tǒng)中其整流側采用低壓限流環(huán)節(jié)和最小觸發(fā)角控制，而逆變側則利用低壓限流和定熄弧角控制。整流側觸發(fā)角大小設置為15±2.5(°)，逆變側定熄弧角大小設置為17±1(°)。圖3為UHVDC系統(tǒng)逆變側控制系統(tǒng)框圖。

圖3 UHVDC系統(tǒng)逆變側控制框圖

3 換流閥故障諧波理論特性

由于換流器的非線性原因，導致特高壓直流輸電系統(tǒng)在運行過程中產生大量諧波，從而引起輸電系統(tǒng)電壓電流的畸變，這種畸變對電能是一種“污染”。 換流器對交流系統(tǒng)來說是諧波電流源，而對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鍵設備，因此，對換流閥故障(閥誤開通和閥不開通故障)諧波特性的分析對特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

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，滿足下列表達式

(1)

(2)

式中

或

(3)

綜合比較(2)式和(3)式，得二者之間的系數關系如(4)式

(4)

或用復數表示為

B(n)+jA(n)=C(n)ejφ(n)

(5)

式(2)和(3)的傅里葉級數中，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)進行比較，可得出以下結論：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脈動換流器V1-V12共12個換流閥組成，在每一個工頻周期內有12個換流閥依次導通，脈沖之間的間距為30°[8]，其原理圖如圖4所示。

圖4 12脈動換流器原理接線圖

換流閥導通條件為接收觸發(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)，該閥就會產生不導通故障。以6脈動換流器中的V1不開通故障為例，此時，在一個周期內V1不導通，從而使得V5一直承受正向電壓而處于導通狀態(tài)，當V3的觸發(fā)脈沖到達時，V5關閉不導通，其它閥的導通順序與導通間隔與正常運行狀態(tài)下一樣，整流側和逆變側通斷波形相同，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、交流擾動或換流器控制功能紊亂引起，其中觸發(fā)脈沖的提前到達更易引起此類故障。

3.3.1 整流側換流閥誤開通故障

以6脈動換流器中的V1誤開通故障為例，當觸發(fā)脈沖以前δ角度到達V1時，V1承受正向電壓而立即導通，此時導致V5提前δ角度關斷，其它閥的導通順序和導通間隔不變，如圖6所示。在整流側換流閥發(fā)生誤開通故障時，相當于a相電流提前開通δ角度，而c相電流則對應提前δ角度截止，所以該故障對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響較小。

圖6 整流器閥誤開通故障下閥通斷波形

3.3.2 逆變側換流閥誤開通故障

以6脈動換流器中的V1誤開通故障為例，當V5的觸發(fā)脈沖到達時，由于V5仍處于反向電壓而使得V3向V5換相失敗，此時的V1處于正向電壓狀態(tài)，故V1的誤觸發(fā)脈沖導致V3直接換相到V1，該故障下使得V1的導通間隔變大，其它閥的導通順序和導通間隔不變，此時發(fā)生的故障相當于系統(tǒng)發(fā)生了一次換相失敗，如圖7所示。當出現閥不導通或者持續(xù)導通故障時，三相換相電流不對稱，但認為三相換相電壓仍對稱[16]，從而導致直流電流和直流電壓中產生100Hz諧波分量，閥的控制則會引起基頻振蕩[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仿真軟件并結合以上理論分析就圖2所示的UHVDC系統(tǒng)進行換流閥故障諧波特性分析。

4.1 閥不開通故障仿真

在仿真整流側及逆變側閥不開通故障時，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，其中橫坐標代表系統(tǒng)在故障時出現的諧波次數，縱坐標代表諧波含量。

圖8 換流閥發(fā)生不導通故障時諧波電流

表2是直流輸電系統(tǒng)在閥不開通故障時，系統(tǒng)出現諧波電流和諧波電壓含量的數據匯總，其中整流側和逆變側的諧波含量都以百分比形式表示。由表2可以發(fā)現在發(fā)生換流閥不導通故障時，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。而且當觸發(fā)脈沖丟失時會確實會造成諧波總畸變率超標，但程度并不嚴重。

4.2 閥誤開通故障仿真

在設置閥誤開通故障時，令熄弧角小于正常關斷角，從而使得觸發(fā)脈沖提前到達。仿真發(fā)現，當熄弧角很小時，會導致逆變器發(fā)生一次換相失敗，此時得到直流輸電系統(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)生誤導通故障時諧波電流

圖10 換流閥發(fā)生誤導通故障時諧波電壓

表3是直流輸電系統(tǒng)在閥不開通故障時，系統(tǒng)出現諧波電流和諧波電壓含量的數據匯總，其中整流側和逆變側的諧波含量都以百分比形式表示。由表3可知，當發(fā)生閥誤開通故障時，會產生100Hz諧波，逆變側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。經仿真發(fā)現當設置的熄弧角較小時，即發(fā)生換相失敗所產生的諧波含量要高于閥不開通故障時的諧波含量。

表2 換流閥發(fā)生不導通故障時諧波仿真值

表3 換流閥發(fā)生誤導通故障時諧波仿真值

5 結論

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果和理論分析的換流閥故障通斷波形結果相結合，得到以下結論：

1)對于特高壓直流輸電系統(tǒng)，其閥故障時產生的諧波會使系統(tǒng)總畸變率增大，這主要是由于閥故障產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，逆變側閥故障產生的諧波總畸變率要高于整流側閥故障產生的諧波總畸變率，這是由于整流側閥故障相當于故障閥提前開通，但其它閥仍等間隔導通，所以此時對直流輸電系統(tǒng)影響較小。而逆變側由于導通邏輯順序發(fā)生了變化，從而導致系統(tǒng)中產生二次諧波分量。

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)保護設計中，要著重考慮三調諧濾波器的設計，減少低次諧波引起的系統(tǒng)保護誤動作。