一种柔性直流输电系统谐振抑制装置及其设计方法与流程

1.本发明涉及一种兼顾抑制启动电流和增加阻尼特性的柔性直流输电系统谐振抑制装置及其设计和控制方法，属于柔性直流输电技术领域。


背景技术：

2.基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)的柔性直流输电系统具有模块级联可扩展性好、输电电压电流波形质量高、控制响应速度高等诸多优点，在新能源并网消纳、海上风电送出、异步电网互联、孤立负荷送电、城市供配电领域应用前景广阔。
3.在新能源-柔直、弱交流系统-柔直等不同场景下，大量电力电子器件高频投入退出，整个电网-柔直互联系统呈现非线性阻抗特性。由于测量、通信、计算等各个环节存在固有延时，柔直控制系统响应速度受限，特别在中高频范围可能无法有效跟踪控制目标，有时甚至跟踪的波形相位完全相反，这会导致柔直换流器输出的等效阻抗频率恶化，在部分频段出现负阻尼特性或电网-柔直互联系统出现谐振点，进而引发系统谐振现象。
4.为抑制上述振荡问题，现有公开文献主要在两方面开展工作：
5.一是软件抑制，一般是通过优化控制器参数(如减小电流内环pi控制器比例参数等)、降低各环节链路延时、增加高频动态补充校正量(如电压前馈中加入低通滤波器)、优化解耦环节影响等方面，然而，囿于现有技术水平和硬件设备固有延时(延时无法完全根除，延时的降低会将谐振点或负阻尼出现的频段推向高频)，单纯依靠二次控制实现全频段多工况下柔直换流器阻抗特性重塑，解决所有可能的振荡问题是存在一定困难的。
6.二是硬件抑制，该措施可以有效弥补软件抑制难以在复杂运行工况实现全频段谐振风险预控的不足。然而，目前关于一次设备抑制措施的相关文献公开得较少，需要深入研究。事实上，实现高频抑制的关键是增加柔直换流器的高频阻尼特性，为降低损耗也要尽量减少低频特别是工频情况下的阻尼情况；为增加经济性，所增加的一次设备应尽量兼顾原有设备或在实现谐振抑制的同时兼顾其他功能，但现有技术并未涉及这方面研究。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统谐振抑制装置及其设计和控制方法，能够兼顾抑制启动电流和增加阻尼特性。
8.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
9.一种柔性直流输电系统谐振抑制装置，该装置包括：柔直系统以及串联型幅相校正器；所述柔直系统包括换流器以及配置在所述换流器两侧的两联接变压器或换流变压器；所述串联型幅相校正器配置在公共连接点处或所述换流器出口处。
10.进一步地，所述串联型幅相校正器，包括阻尼支路和调谐支路；所述阻尼支路上设置有阻尼电阻，所述阻尼电阻用于增加所述柔直系统的阻尼特性；
11.所述调谐支路上设置有第一调谐单元、第二调谐单元或第三调谐单元中的任一
种，分别用于与所述阻尼支路构成纯电感旁路型、基波串联调谐型和特定谐波并联谐振型幅相校正器。
12.进一步地，所述第一调谐单元包括一电感。
13.进一步地，所述第二调谐单元包括串联设置在调谐支路上的电感和电容，且所述电感和电容的调谐点为50hz。
14.进一步地，所述第三调谐单元包括串联电感、并联谐振电感和并联谐振电容；所述并联谐振电感和并联谐振电容并联后与所述串联电感串联。
15.一种柔性直流输电系统谐振抑制装置的设计方法，包括以下步骤：以公共连接点为观测点，获取交流系统和柔直系统的等效谐波阻抗以及公共连接点的背景谐波；基于获取的交流系统和柔直系统的等效谐波阻抗以及公共连接点的背景谐波，对串联型幅相校正器的型式和元件参数进行设计；计算配置串联型幅相校正器后，整个系统的等效谐波阻抗，判断其是否满足系统性能指标；若不满足，则重复上一步骤直到满足系统性能指标为止。
16.进一步地，所述以公共连接点为观测点，获取交流系统和柔直系统的等效谐波阻抗以及公共连接点的背景谐波的方法，包括：扫描不同运行方式下交流系统的阻抗频率特性，基于该阻抗频率特性，得到其等效谐波阻抗zs；通过逐点扫描法，获取从公共连接点往柔直系统看进去的柔直阻抗频率特性，得到其等效谐波阻抗zm；通过测量和预测手段，获取柔直站的公共连接点处的背景谐波。
17.进一步地，所述整个系统的谐波等效阻抗的计算公式为：
18.z
eq(h)
＝z
s(h)
z
f(h)
z
m(h)
19.式中，z
eq(h)
为整个系统回路的h次谐波等效阻抗；z
s(h)
为交流系统的h次谐波等效阻抗；z
f(h)
为串联型幅相校正器的h次谐波等效阻抗，z
m(h)
为柔直系统的h次谐波等效阻抗。
20.进一步地，所述系统性能指标为：
[0021][0022]
式中，z
eq(h)
为系统回路的h次谐波等效阻抗；real{}为对一个复数计算其实部的函数；δ为门槛值。
[0023]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0024]
1、采用本发明选出的幅相校正器，在换流器充电启动时可以替代原有启动电阻器功能，实现充电暂态冲击电流的有效抑制；在换流器解锁后，根据不同运行工况下谐振风险的大小，灵活选择投入幅相校正部分或全部结构(阻尼支路和调谐支路)，实现运行损耗和谐振风险的最优匹配。
[0025]
2、采用本发明选出的幅相校正器，也可以用于已有系统改造，在原有启动电阻器的基础增加调谐支路即可，具有额外增加设备数量少、损耗运行小、校正换流器阻抗特性频率范围宽，特别是对其高频特性具有极好的抑制效果(频率越高、抑制效果越好)，具有重要的推广意义。
[0026]
3、本发明选出的幅相校正器，在工频情况下阻抗小、在高频范围阻抗大，对原有系统响应特性、无功运行范围影响较小。
[0027]
综上所述，本发明可以广泛应用于柔性直流输电技术领域中。
附图说明
[0028]
图1(a)～图1(b)是本发明实施例提供的柔性直流输电系统谐振抑制装置布置位置示意图；
[0029]
图2是本发明实施例提供的柔性直流输电系统谐振抑制装置(串联型幅相校正器)通用结构示意图；
[0030]
图3(a)～图3(c)是本发明实施例提供的三种典型串联型幅相校正器结构示意图；其中，图3(a)是纯电抗旁路型；图3(b)是基波串联谐振型；图3(c)是特定谐波并联谐振型；
[0031]
图4(a)～图4(b)是本发明的三种典型串联型幅相校正器阻抗频率特性，其中，图4(a)是三种典型串联型幅相校正器阻抗频率特性(0-3000hz)；图4(b)是三种典型串联型幅相校正器阻抗频率特性(0-300hz)；
[0032]
图5是本发明实施例提供的柔性直流输电系统谐振抑制装置典型电气主接线布置示意图；
[0033]
图6是本发明的幅相校正器计算模型示意图。
具体实施方式
[0034]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0036]
实施例1
[0037]
如图1(a)和图1(b)所示，本实施例提供的一种柔性直流输电系统谐振抑制装置，该装置包括柔直系统以及串联型幅相校正器。其中，柔直系统包括换流器以及配置在换流器两侧的两联接变压器(或换流变压器)；串联型幅相校正器配置在公共连接点(即联接变压器或换流变压器的网侧)处，或配置在换流器出口(即联接变压器或换流变压器的阀侧)处。
[0038]
优选地，如图2所示，本实施例提供了一种串联型幅相校正器的通用结构，其包括：阻尼支路和调谐支路。其中，阻尼支路上配置有阻尼电阻r1；调谐支路上配置有由电容、电感元件构成的若干并联单元和串联单元，且电容和电感元件的参数选择使得调谐支路的调谐在低频范围(一般0－150hz为低频段)保持低阻状态，在高频范围(一般500hz以上)保持高阻状态。
[0039]
优选地，如图3(a)～图3(c)所示，本实施例提供的柔直用串联型幅相校正器，包括阻尼支路和调谐支路。其中，阻尼支路上设置有阻尼电阻r1，该阻尼电阻r1用于增加柔直系统的阻尼特性；调谐支路上设置有第一调谐单元、第二调谐单元或第三调谐单元中的任一种，分别与阻尼支路构成纯电感旁路型(如图3(a)所示)、基波串联调谐型(如图3(b)所示)和特定谐波并联谐振型校正器(如图3(c)所示)。其中，图3(a)～图3(c)所示是简化后的电
气等值电路，在工程实践中，可以根据实际需要增加其他设备，例如保护、测量、隔离设备等等。
[0040]
优选地，如图3(a)所示，第一调谐单元包括设置在调谐支路上的一电感ls1，主要适用于电感较小，高频范围谐振风险较高的场合。
[0041]
优选地，如图3(b)所示，第二调谐单元包括串联设置在调谐支路上的电感ls1和电容c1，且电感ls1和电容c1的调谐点为50hz(工频)，其效果是使得柔直系统的工频电流全部流经调谐支路，这样阻尼支路的电阻电流只有高频电流，运行损耗最小。
[0042]
优选地，如图3(c)所示，第三调谐单元包括串联电感ls1和并联谐振电感l1和并联谐振电容c1。其中，并联谐振电感l1和并联谐振电容c1并联后与串联电感ls1串联。该结构已经过优化设计，未在串联电感ls1上再串接电容，因为工频电流过大会导致电容量过大，如果串接电容则会经济性差。
[0043]
如图4(a)和图4(b)所示，为本实施例提出的三种典型串联型幅相校正器阻抗频率特性，分别为0-3000hz和0-300hz的频率特性。可以看出，通过对图2所示的柔直用串联型幅相校正器通用结构适当变形，即通过电容、电感优选、取消或增加，可以将通用结构演变为图3(a)～图3(c)中的三种典型结构。当并联谐振部分增加，则增加元件种类，会导致系统复杂、经济效益差。因此需要根据系统谐振风险特性，综合优选串联型幅相校正器型式。
[0044]
实施例2
[0045]
如图5所示，本实施例以将柔直用串联型幅相校正器配置在换流变压器的阀侧为例，对其主接线配置方案进行介绍。该系统包括：在换流变压器的阀侧依次配置的换流变阀侧ct1、阀侧避雷器av、电容式电压互感器cvt、带单接地开关的交流断路器q1(接地开关q23)，ct1为换流变阀侧电流测量装置，构成ct4为阀侧区域差动保护，本身ct1也可以为过流保护提供测量数据；cvt用于测量换流变阀侧电压，为过压/欠压保护提供测量数据；av为阀侧避雷器，用于限制阀侧过电压幅值，起到保护变压器阀侧区域的作用。q1为交流断路器，可以彻底实现变压器和换流器的电气隔离。之后为三个支路，支路1上依次设置有带单接地开关的隔离开关q13(接地开关q25)，直流电流互感器ct3、调谐支路(根据具体方案选择调谐类型的调谐支路)；支路2上设置有带单接地开关的交流断路器q2(接地开关q24)；支路3上依次设置有直流电流互感器ct2、阻尼电阻r1、带双接地开关的隔离开关q11(接地开关分别为q21、q22)；之后是换流器出口处直流电流互感器ct4，ct4的另外一端与两个桥臂电抗器相连。
[0046]
下面对本实施例提供的柔性直流输电系统谐振抑制装置的控制方法，做进一步介绍，其包括以下步骤：
[0047]
(1)换流器充电启动前，使隔离开关q13处于断开状态，即调谐支路不投入运行；交流断路器q2处于断开状态；隔离开关q11处于闭合状态；各接地开关处于断开状态。
[0048]
(2)换流器充电时，暂态冲击电流由阻尼电阻r1进行抑制。
[0049]
(3)充电结束后，合上交流断路器q2，换流器进入有序充电阶段。
[0050]
(4)如经评估在此运行方式下，如无谐振风险，则断开隔离开关q11，然后进入步骤(7)；否则，该方式下有谐振风险，进入步骤(5)。
[0051]
(5)闭合隔离开关q13，投入由阻尼电阻和调谐支路构成的幅相校正器。
[0052]
(6)断开交流断路器q2。
[0053]
(7)换流器解锁，进入正常运行模式。
[0054]
实施例3
[0055]
本实施例提供了一种柔性直流输电系统谐振抑制装置的设计方法，具体包括以下步骤：
[0056]
(1)以公共连接点为观测点，获取交流系统和柔直系统的等效谐波阻抗以及公共连接点的背景谐波；
[0057]
(2)基于获取的交流系统和柔直系统的等效谐波阻抗以及公共连接点的背景谐波，对串联型幅相校正器的型式和元件参数进行设计；
[0058]
(3)计算配置串联型幅相校正器后，整个系统的等效谐波阻抗，判断其是否满足系统性能指标；若不满足，则重复步骤(2)直到满足系统性能指标为止。
[0059]
优选地，上述步骤(1)中，如图6所示，具体包括以下步骤：
[0060]
(1.1)扫描不同运行方式下交流系统的阻抗频率特性，基于该阻抗频率特性，得到其等效谐波阻抗zs。
[0061]
(1.2)通过逐点扫描法，获取从公共连接点往柔直系统看进去的柔直阻抗频率特性，得到其等效谐波阻抗zm；
[0062]
(1.3)通过测量和预测手段，获取柔直站的公共连接点处的背景谐波。
[0063]
优选地，上述步骤(3)中，整个系统的谐波等效阻抗的计算公式为：
[0064]zeq(h)
＝z
s(h)
z
f(h)
z
m(h)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0065]
式中，z
eq(h)
为整个系统回路的h次谐波等效阻抗；z
s(h)
为交流系统的h次谐波等效阻抗；z
f(h)
为串联型幅相校正器的h次谐波等效阻抗，z
m(h)
为柔直系统的h次谐波等效阻抗。
[0066]
优选地，上述步骤(3)中，由于在系统中配置串联型幅相校正器的核心就是破坏系统回路的谐振特性，也即设计串联型幅相校正器的目标就是保证：
[0067]
①
系统回路的h次谐波等效阻抗z
eq(h)
的实部不小于零，即不存在负阻尼；
[0068]
②
系统回路的h次谐波等效阻抗z
eq(h)
的幅值大于某一门槛值δ，使得系统谐波电流得到有效抑制。
[0069]
也即：
[0070][0071]
式中，z
eq(h)
为系统回路的h次谐波等效阻抗；real{}为对一个复数计算其实部的函数，门槛值δ(一般可取1ω以上)。
[0072]
综上所述，本实施例给出了所设计的一种兼顾抑制启动电流和增加阻尼特性的柔性直流输电系统谐振抑制装置，在换流器充电启动时可以替代原有启动电阻器功能，实现充电暂态冲击电流的有效抑制；在换流器解锁后，根据不同运行工况下谐振风险的大小，灵活选择投入幅相校正部分或全部结构(阻尼支路和调谐支路)，实现运行损耗和谐振风险的最优匹配；可以用于已有系统改造，在原有启动电阻器的基础增加调谐支路即可，具有额外增加设备数量少、损耗运行小、校正换流器阻抗特性频率范围宽，特别是对其高频特性具有极好的抑制效果(频率越高、抑制效果越好)；幅相校正器配置方案具有需设备少、经济性高等特点；设计方法和控制方法步骤简单清晰，操作性强，具有重要的推广意义。
[0073]
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。