hvdc受端逆變器的短路電流對(duì)電網(wǎng)供配電網(wǎng)的影響

hvdc受端逆變器的短路電流對(duì)電網(wǎng)供配電網(wǎng)的影響

0系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)直流輸電運(yùn)行的影響高壓直接供電的壓力系統(tǒng)正在發(fā)生壓力系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。這通常發(fā)生在高壓系統(tǒng)的最大負(fù)荷周期內(nèi)。結(jié)果表明，系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)直接電源的運(yùn)行有一定的影響。高壓直流輸電(HVDC)受端系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的問題主要是在運(yùn)行中產(chǎn)生的，當(dāng)直流輸電容量大，且系統(tǒng)的地區(qū)負(fù)荷在峰值附近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生換相失敗，或產(chǎn)生直流的后續(xù)振蕩，尤其在高負(fù)荷期間，即使系統(tǒng)出現(xiàn)幅值不大的小擾動(dòng)，都會(huì)引起系統(tǒng)的換相失敗。1短路電流和短路阻抗直流輸電系統(tǒng)的受端是逆變器，將直流轉(zhuǎn)換為交流，與系統(tǒng)電源共同供電。換流必須由系統(tǒng)提供換相電流，也就是短路電流，這種瞬時(shí)短路電流的大小決定逆變器換流的性能。一般的概念是某處的短路容量決定于系統(tǒng)串聯(lián)阻抗和運(yùn)行著的發(fā)電機(jī)容量。當(dāng)直流輸電的傳輸容量增加到某一值，系統(tǒng)短路電流提供的換相能力不能滿足要求，或裕度不足，換相將失??；隨后引起直流系統(tǒng)在其自振頻率附近振蕩，引起控制保護(hù)動(dòng)作。近年來(lái)，由于受端交流系統(tǒng)負(fù)荷猛漲，直流輸電的容量也一直增加，在負(fù)荷最高時(shí)，容易產(chǎn)生換相失敗和系統(tǒng)搖擺，這一現(xiàn)象令人聯(lián)想到系統(tǒng)短路電流是否會(huì)受到交流系統(tǒng)負(fù)荷的影響，經(jīng)過初步研究，認(rèn)為系統(tǒng)短路容量與系統(tǒng)負(fù)荷有關(guān)。最簡(jiǎn)單的情況，如果將發(fā)電機(jī)歸并到一組，成為單電源等值系統(tǒng)，研究系統(tǒng)可以用圖1來(lái)表示。圖中，T表示換相位置；ZCm,n代表分路負(fù)荷阻抗，m代表功率因數(shù)從±0～1，含20步的范圍，n表示ZCm,n阻抗幅值，從0～2.0pu。文中全部變量用相量表示，jX中的j省略。觀察負(fù)荷阻抗ZCm,n對(duì)短路電流的作用有2個(gè)方法：一是用等值阻抗法，即將ZCm,n計(jì)入系統(tǒng)后，用一個(gè)等值短路阻抗代替系統(tǒng)串聯(lián)和并聯(lián)阻抗。圖1電路可以等值為一個(gè)單獨(dú)的阻抗，如圖2所示?；蚱渲衳f表示換相電抗或故障點(diǎn)阻抗。二是用戴維南定理。負(fù)載ZCm,n變化時(shí)，戴維南電壓Utm,n(T端)為而戴維南阻抗Ztm,n為從式(1)得到的等值阻抗可知，短路電流為從戴維南定理可知，短路電流為戴維南電壓和電流都隨負(fù)載ZCm,n變化而變化，而等值電路電壓仍保持Ug，即電源電壓與負(fù)載無(wú)關(guān)。因此用等值阻抗對(duì)問題討論比較方便，可以證明在任何負(fù)載情況下，都可以從Utm,n,Ztm,n推導(dǎo)出Zem,n；實(shí)際短路電流計(jì)算式(6)和式(7)完全相同。從式(1)明顯看出，在ZCm,n的作用下，系統(tǒng)短路阻抗多出了一個(gè)項(xiàng)，如果該項(xiàng)為正值或有感性分量,那么等值阻抗大于12x+x。在圖1中,1x=j0.11pu,2x=0.003+j0.04pu,1.230pugU=∠。負(fù)載阻抗從0.1pu變到2.5pu,功率因數(shù)在±0到1之間變化。圖3是用等值阻抗方法計(jì)算出的阻抗絕對(duì)值,即Zs,它與x1+x2比較,容性范圍等值阻抗大于x1+x2,即在感性負(fù)載較大(阻抗Zem,n較小)的情況,等值阻抗增大,影響短路電流,也就影響逆變器的換相功能。如果直接畫出短路電流與負(fù)載阻抗的關(guān)系，上述參數(shù)所產(chǎn)生的短路電流與按式(6)或式(7)計(jì)算結(jié)果完全相同。ZCm,n與線路負(fù)載及功率因數(shù)的關(guān)系如圖4所示，其中，從cos?=1至容性側(cè)短路電流If是增加的；在滯后負(fù)載功率因數(shù)側(cè)短路電流If減小，而在這種情況對(duì)逆變器換流是不利的。2g向um送出0.5pu的特性從上節(jié)看到，在負(fù)載呈容性時(shí)，會(huì)增大短路電流，尤其在負(fù)載阻抗小于1pu時(shí)，短路電流增大相當(dāng)明顯。如果地區(qū)負(fù)載中帶有大量的電力電容器，它會(huì)與系統(tǒng)電抗形成諧振關(guān)系。以最簡(jiǎn)單的兩端電源系統(tǒng)為例，在其換流點(diǎn)附近有集中的地區(qū)負(fù)荷，具體參數(shù)和系統(tǒng)如圖5ㄢ上述系統(tǒng)從Ug向Um傳送0.5pu的有功功率，當(dāng)?shù)貐^(qū)負(fù)載ZCm,n未增加時(shí)，其穩(wěn)態(tài)相量圖如圖5(b)。作2個(gè)假設(shè)使問題簡(jiǎn)單化：(1)假定在地區(qū)負(fù)載ZCm,n變化時(shí)，系統(tǒng)各點(diǎn)電壓分布不變。由于傳送功率不變，假定負(fù)載變化時(shí)，相量關(guān)系不變。而事實(shí)上在ZC很小的情況下，相量的變化還是很明顯的；(2)假設(shè)短路是對(duì)稱的，分析圖5(a)系統(tǒng)時(shí)，使用戴維南方法先算出等值阻抗和開路電壓，但這2項(xiàng)必須按負(fù)載而定。經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)算，圖5(a)系統(tǒng)戴維南阻抗為戴維南空載電壓近似為其中在T端的短路電流為全阻抗范圍的Itm,n的幅值idsm,n為按照式(12)表示的負(fù)載阻抗變化引起了短路電流變化，在圖6中可以看到它的性能與單電源的情況相似?？梢哉J(rèn)為感性負(fù)載較大(阻抗小)時(shí)，嚴(yán)重影響短路電流的幅值。上述情況與實(shí)際電力系統(tǒng)的電壓分布情況有很大差別，主要原因在于實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行是處在電壓調(diào)節(jié)狀態(tài)下。3發(fā)電機(jī)的保護(hù)由于地區(qū)負(fù)載變化引起負(fù)載中心電壓變化，電力系統(tǒng)可以采用2種調(diào)節(jié)方法：一是用電容器補(bǔ)償負(fù)荷中心的無(wú)功電流，保持系統(tǒng)電壓在允許的范圍；二是控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)按傳輸功率的要求調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)；這2種方法都是保持負(fù)荷中心電壓的重要手段。圖5(a)的系統(tǒng)可以維持負(fù)荷中心即ZCm,n兩端電壓恒定，或保持T端的電壓恒定，這樣在負(fù)荷大范圍變化時(shí)，必須調(diào)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁以維持系統(tǒng)電壓水平，而負(fù)荷中可能已有若干電容器投入運(yùn)行，電容器發(fā)出的無(wú)功與負(fù)荷的感性無(wú)功及有功功率共同構(gòu)成系統(tǒng)功率，用Zem,n表示穩(wěn)態(tài)時(shí)電容補(bǔ)償后的等值阻抗。令ZCm,n上的電壓為Ur，負(fù)載電流為Irm,n，假定Ur和Ut只受傳輸負(fù)荷的作用，問題即可簡(jiǎn)化。傳輸負(fù)荷電流Ib為0.5pu，設(shè)Ut端電壓為固定，即為Ut=0.98,Ur=Ut+x2Ib。由Ut和Ur計(jì)算發(fā)電機(jī)應(yīng)有的電壓，負(fù)載的電流為發(fā)電機(jī)在調(diào)節(jié)勵(lì)磁后，相當(dāng)于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓Eq′的電壓是經(jīng)電壓調(diào)節(jié)后的流經(jīng)T點(diǎn)的短路電流為本文中電壓、阻抗在公式中都用復(fù)數(shù)表示，電抗值以虛數(shù)表示，負(fù)載阻抗在形成的初始也要以虛數(shù)表示，即其中：Rm,n=Zncos?m;Xm,n=jZnsin?m。短路電流Itfs是電流的絕對(duì)值，它的三維表示如圖7。在負(fù)載功率因數(shù)超前的范圍，在功率大(阻抗小)的情況下，短路電流明顯減少；與此相反，在負(fù)載為滯后時(shí)，短路電流增大。對(duì)比圖6中是在負(fù)載超前時(shí)短路電流增大，這是因?yàn)閳D6所描繪的兩側(cè)電壓Ug和Um是固定的，只是改變地區(qū)負(fù)荷ZCm,n；圖7則在ZCm,n處電壓固定，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁。由于負(fù)載容性，負(fù)載中心的電壓已高于發(fā)電機(jī)電壓的標(biāo)么值，為了維持地區(qū)電壓，勢(shì)必使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓Eq′下降以適應(yīng)負(fù)載容性電壓升高。T端發(fā)生短路(換相)時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓Eg′產(chǎn)生短路電流，如果Eg′較低，短路電流變小。在圖6的發(fā)電機(jī)電壓固定的情況下，負(fù)載的容性與故障阻抗產(chǎn)生諧振關(guān)系，所以短路電流在負(fù)載容性時(shí)上升，這就是與圖7結(jié)果相反的原因。4負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的仿真直流輸電受端在換相時(shí)，實(shí)際發(fā)生的是兩線間的短路，如果按線間短路計(jì)算需要估計(jì)負(fù)序等值阻抗，前述用三相短路代替的計(jì)算是近似的。對(duì)稱分量方法提供的線對(duì)線故障等值電路如圖8。圖5的電路可以充當(dāng)正序等值，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，負(fù)序阻抗與它的正序阻抗數(shù)值不等，要進(jìn)行相應(yīng)的分析和測(cè)量。這樣，正序阻抗Z1、Z3和ZCm,n都應(yīng)有其相應(yīng)的負(fù)序值，文中對(duì)負(fù)序阻抗用下標(biāo)2表示，如Z1對(duì)應(yīng)的負(fù)序?yàn)閆12ㄢ計(jì)算含有負(fù)序的電路，由于負(fù)序電路中不含電源，因此可以將負(fù)序阻抗簡(jiǎn)化成單一阻抗，它與短路阻抗ZFT串聯(lián)成一個(gè)新的ZF。正序與負(fù)序合并電路可表示為圖9ㄢ圖8中ZFT包括2個(gè)內(nèi)容：故障電抗和換流變電抗，負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中阻抗的第2下標(biāo)表示負(fù)序值，n表示中點(diǎn)。等值電路圖9的解法可以通過戴維南定理或疊加原理。圖8電路中故障電流值可以用仿真方法解出，在仿真時(shí)，ZCm,n和ZF中的ZCm,n只能各取一個(gè)復(fù)數(shù)值，為了便于觀察地區(qū)負(fù)荷ZCm,n對(duì)換流電流的影響，這里采用疊加計(jì)算方法給出換流(故障)電流的表達(dá)式。首先將負(fù)序網(wǎng)絡(luò)縮并成簡(jiǎn)單阻抗Zf2m,n，因?yàn)樨?fù)序中包含地區(qū)負(fù)荷的變化，所以它必須有負(fù)荷大小n，和功率因數(shù)下標(biāo)m，圖9網(wǎng)絡(luò)中故障點(diǎn)(換流位置)的阻抗為其中：Zconv為換流變和電抗器(如果有)的阻抗；Zf為附加阻抗，正常換流時(shí)為零；Zf2m,n為負(fù)序網(wǎng)絡(luò)縮簡(jiǎn)后的阻抗。式中ZCZm,n為負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中可變負(fù)載對(duì)應(yīng)的負(fù)序阻抗。根據(jù)對(duì)稱分量法得出的線線間故障電流表達(dá)為其中Uf是故障點(diǎn)電壓，但在換流問題上，它應(yīng)該是換流站電網(wǎng)側(cè)的電壓，而不是換流器閥側(cè)的電壓。圖8和圖9的IT對(duì)應(yīng)的是序電流，而不是換相電流，即換相發(fā)生在B、C相間，A相換相電流為零。反變換為從而得到換相電流為在各種地區(qū)負(fù)荷情況下，用疊加法將圖9電路分解成2個(gè)電源完全解耦的形式，用上述參數(shù)，將形成圖10的電路。計(jì)算換相電流IT，先在穩(wěn)態(tài)時(shí)用負(fù)荷潮流確定Ug和Um的幅值和相位，再用正負(fù)序參數(shù)計(jì)算出圖10中各阻抗在特定的功率因數(shù)和負(fù)荷大小(m和n)時(shí)的值(復(fù)量)。圖中：系統(tǒng)兩端的發(fā)電機(jī)仍用穩(wěn)態(tài)分析得出的結(jié)果，假設(shè)在換相的各瞬間功角不發(fā)生變化，即：式(25)～(27)中各阻抗分別包含了負(fù)序阻抗中負(fù)荷可變部分Zfi2m,n，式(26)中設(shè)有正序負(fù)荷阻抗ZCm,n，換相正序電流換流電流與Ia1m,n垂直：相應(yīng)的負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的組成與正序相同，負(fù)序阻抗只是由正序阻抗乘以某一比例系數(shù)構(gòu)成。從圖11可以看出，兩相間換流電流在地區(qū)負(fù)荷為感性時(shí)，當(dāng)負(fù)荷增大到最大負(fù)荷的80%左右，換相電流Iconv明顯下降。如果地區(qū)負(fù)載總和呈容性，從圖11可以看出容性負(fù)載阻抗和故障支路發(fā)生諧振，在工頻范圍，使換相電流增大，由于是工頻行為，所以它不是電容放電現(xiàn)象。5大負(fù)載下?lián)Q流過程的影響從文中第3節(jié)分析可知，容性負(fù)荷增加會(huì)增大換相電流。在目前用電容器作為主要的無(wú)功補(bǔ)償手段的情況下，電容電抗將與換流電抗形成并聯(lián)諧振，使并聯(lián)電路中電流值放大(見圖4和圖6)?？梢酝葡耄谀孀兤鱾?cè)變壓器前串聯(lián)電容器以降低換流阻抗，應(yīng)能改善地區(qū)大負(fù)載下的換流過程。在直流輸電的受端，逆變所需要的無(wú)功補(bǔ)償電容器以及交流側(cè)(網(wǎng)側(cè))濾波器所用的并聯(lián)電容器，是與換流變阻抗并聯(lián)；由于它的運(yùn)行是相對(duì)固定的，即可不隨地區(qū)負(fù)載變化而改變補(bǔ)償電容量，因此，這些并聯(lián)電容器對(duì)支持大負(fù)荷下的換流作用是不大的。如果電容容量能隨地區(qū)負(fù)載的增減而變化，可望獲得良好的諧振條件，并可明顯提高大負(fù)載下的換流能力，而靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC就具備這個(gè)能力。無(wú)功補(bǔ)償電容不可能過量使用，因?yàn)檫^多的電容電流會(huì)使系統(tǒng)電壓過高。為了使負(fù)荷中心電壓維持在正常水平，電容器的容量可限制在總功率因數(shù)的滯后范圍，而增大換相電流必須使整個(gè)地區(qū)負(fù)荷包括電容補(bǔ)償，呈超前功率因數(shù)。換相電流的增大，可以認(rèn)為系統(tǒng)局部短路容量增大，但在電容電感并聯(lián)電路外面，電流并沒有增加。6電容組和svc地區(qū)負(fù)載會(huì)影響系統(tǒng)短路電流，也就是在受端負(fù)載增大時(shí)換相電流會(huì)減小。因此在受端系統(tǒng)負(fù)載過大的情況下會(huì)出現(xiàn)直流輸電逆變不穩(wěn)定現(xiàn)象。如果地區(qū)負(fù)荷增大很大又呈現(xiàn)容性，可能發(fā)生2種情況：(1)系統(tǒng)不調(diào)壓，在負(fù)荷出現(xiàn)大容性電流時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生短路電流增大現(xiàn)象；(2)若系統(tǒng)通過發(fā)電機(jī)勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷中的電壓，因容性負(fù)荷提升電壓，而勵(lì)磁使電壓下調(diào)，形成容性負(fù)荷時(shí)短路電流下降。用對(duì)稱分量法進(jìn)行兩端電源的系統(tǒng)計(jì)算，考慮到換相過程中，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的兩線間短路，在負(fù)載很大又呈容性時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生明顯的短路電流增大現(xiàn)象。并聯(lián)電容器可以增大諧振并聯(lián)電路的電流，但不能增大系統(tǒng)的短路容量；又由于系統(tǒng)電壓的限制，不可能超范圍增多。因此，用串聯(lián)電容補(bǔ)償換相電抗不失為一種用來(lái)增