（电气工程专业论文）fcchvdc的典型故障响应特性研究.pdf

t h e r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ff c c - h v d c w i t ht y p i c a lf a u l t b a i j u n f e n g ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e r o fs c i e n c e e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r s a s s o c i a t ep r o f e s s o rx uj i a z h u m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体j 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：臼使铎 日期：2 0j f年f 月z ；日 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：备礁辞 别磁辄彳钞和 日期：z o i f年 月2 ；日 日期：砂，年月多厂日 f c c h v d c 的典型故障响应特性研究 摘要 传统高压直流输电系统中，由换流器产生的大量特征次谐波通过变压器的电磁 感应原理从阀侧传递到网侧，给交流系统带来严重的谐波污染，同时也会增加变压 器的损耗、振动等问题。f c c h v d c 输电系统换流变压器采用感应滤波技术，在换 流变压器阀侧抑制特征次谐波的同时补偿无功功率，可以大大降低上述问题。由于 在推进f c c 工程化应用过程中仍有诸多技术问题需要研究，本文以f c c 为研究对象， 开展了如下几个方面的研究工作： ( 1 ) 为了研究滤波换相换流器( f i l t e rc o m m u t a t e dc o n v e r t e r , f e e ) 单相接地故障 的响应特性，本文参考c i g r e 直流输电标准测试模型l c c h v d c ，在不改变交流系 统短路比和相应参数的前提下，结合f c c 的接线特点，在p s c a d e m t d c 仿真软 件中建立了采用f c c 的直流输电测试模型f c c h v d c ；在f c c h v d c 和l c c h v d c 两种测试模型的基础上，对两种模型发生单相接地故障条件下，换流变压器的激磁 特性及谐波特性进行了对比分析研究。 ( 2 ) 在分析了交流系统强度、交流系统稳态模型和控制模块功能的基础上，针对 实际工程中常见的典型扰动和不同的交流系统强度( 短路比) 情况，对f c c h v d c 的 功率传输和动态恢复特性进行了仿真研究。仿真结果表明：f c c h v d c 可以有效提 高直流输送容量，并且具有比较好的动态恢复特性。 ( 3 ) 本文结合f c c h v d c 的技术特点，提出了一种抑制谐波不稳定的新方法， 该方法采用在阀侧绕组接入偶次非特征谐波滤波器的原理。文章分析了新方法的工 作机理；建立了f c c h v d c 抑制谐波不稳定的仿真模型，对其进行仿真研究。仿真 结果表明：该方法使f c c h v d c 输电系统具有良好的抑制谐波不稳定问题的优点。 ( 4 ) 利用f c c 换流变压器的数学模型推导三相保护的动作方程及差动电流表达 式，建立了变压器的三相保护模型，并从动作方程出发，对f c c h v d c 换流变压器 发生典型故障时二次谐波制动原理和磁通特性原理两种鉴别方法的动作特性进行了 仿真分析。 本文对f c c h v d c 单相接地故障的激磁特性和谐波特性、功率传输和动态恢复 特性、谐波不稳定及换流变压器典型故障时的保护问题进行了系统与深入的研究， 为其工程化应用奠定了坚实的基础。 关键词：直流输电；滤波换相换流器；典型故障；谐波抑制；短路比；谐波不 稳定；差动电流； i i 硕士学位论文 a bs t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i c sg e n e r a t e df r o mt h ec o n v e r t e ro ft h et r a d i t i o n a lh v d c s y s t e mf l u xf r o mt h ev a l v es i d eo f t h et r a n s f o r m e rt ot h el i n es i d e c o n s e q u e n t l y , s e r i o i l s h a r m o n i cp o l l u t i o no ft h ea cs y s t e mi si n d u c e d ，a n dt h ep r o b l e m so ft r a n s f o r m e rl o s s ， n o i s ea n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na r eo c c u r r e d b u tt h ec o n v e r t e rt r a n s f o r u l e ro ft h e f c c - h v d ca d o p t i n gi n d u c t i v ef i l t e r i n gt h e o r yc a ns u p p r e s sh a r m o n i c sa n dc o m p e n s a t e r e a c t i v ep o w e r s ot h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v ew i l lb ew e a k e n e d b e c a u s et h e r ea r e s t i l las e r i e so ft e c h n i c a lp r o b l e m st ob es o l v e da h e a di nt h ep r o c e s so fp r o m o t i n gf c c s e n g i n e e r i n gp r o t o t y p e f r o mt h e p o i n to ff i l t e rc o m m u t a t e dc o n v e r t e r , s e v e r a l r e s e a r c hw o r kc a nb e s u m m a r i z e di nt h i st h e s i s ( 1 ) i no r d e rt os t u d yt h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ff i l t e rc o m m u t a t e dc o n v e r t e r ( f c c ) w i t hs i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l li nt h ep a p e r , r e f e r r i n gt ot h ec i g r eh v d cb e n c h m a r k t e s t i n gm o d e l ( l c c h v d c ) ，o nt h ep r e m i s eo fn o n - c h a n g i n gt h es h o r tc i r c u i t r a t i o n ( s c r ) a n ds o m ep a r a m e t e r s ，c o m b i n i n gt h ec o n n e c t i n gf e a t u r e so ff c c ，t h en e wt e s t i n g m o d e lb a s e do nf c c ( f c c h v d c ) i se s t a b l i s h e di nt h ep s c a d e m t d c ；b a s e dt h et w o m o d e l so fl c c h v d ca n df c c h v d c ，t h em a g n e t i z i n ga n dh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c s a r ea n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y 、 ，i t l ls i n g l e p h a s ee a r t hf a u l t ( 2 ) t h ed e f i n i t i o no ft h es t r e n g t ho fa cs y s t e m ，t h es t e a d ys t a t eo ft h ea cs y s t e ma n d t h ef u n c t i o no fi t sc o n t r o lm o d u l ea r es i m p l yd e s c r i b e d t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e r t r a n s m i s s i o na n dd y n a m i cr e c o v e r yo ff c c h v d cw i t hd i f f e r e n ts c ra r es t u d i e db y c o m p a r i n gw i t hl c c h v d ci nd e t a i lw i t ht y p i c a ld i s t u r b a n c e so c c u r r i n gi nr e a l i t y t h e s i m u l a t i o n ss h o wt h a tf c c h v d cm a yi m p r o v et h ec a p a c i t yo fd ct r a n s m i s s i o n ，a n d a l s or e t a i nr e l a t i v e l ys a t i s f a c t o r yd y n a m i cr e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c sf o l l o w i n gv a r i o u s t y p i c a ld i s t u r b a n c e s ( 3 ) c o m b i n gw i t ht h et e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c o ff c c h v d c ，an e wm e t h o do f s u p p r e s s i n gt h eh a r m o n i ci n s t a b i l i t yi sp r o p o s e d e v e nh a r m o n i c f i l t e r sa r ei n s t a l l e da tt h e v a l v es i d eo fn e wc o n v e r t e rt r a n s f o r m e ri nt h en e wm e t h o d t h i sa r t i c l ed e f t v e st h e p r i n c i p l eo fe v e nh a r m o n i cs u p p r e s s i o nu s i n gm a t h e m a t i c a lf o r m u l a t h e n , t h eh a r m o n i c s u p p r e s s i o nm o d e li sb u i l tu p ，a n ds i m u l a t i o ns t u d i e s a r ec a r d e do u t t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e wm e t h o do fs u p p r e s s i n gh a r m o n i ci n s t a b i l i t yc a nb l o c kt h e c o n d i t i o no fg e n e r a t i n gh a r m o n i ci n s t a b i l i t y , w h i c hc a na l s od e c r e a s et h eo c c u r r i n gr a t i o o fh a r m o n i ci n s t a b i l i t yi nd ct r a n s m i s s i o ns y s t e m i i i f c c h v d c 的典型故障响应特性研究 ( 4 ) n l ea c t i o ne q u a t i o n so ft h r e e - p h a s ep r o t e c t i o na n dd i f f e r e n t i a lc u r r e n te x p r e s s i o n s a r ed e d u c e df r o mt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff c c sc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r t h e nt h e t r a n s f o r m e r st h r e e p h a s ep r o t e c t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d c o n s e q u e n t l y , t h es i m u l a t i o n s t u d i e su t i l i z i n gi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d so ft h e2 n do r d e rh a r m o n i cr e s t r a i n tc r i t e r i o na n d m a g n e t i cf l u xc h a r a c t e r i s t i c sa r ec a r r i e do u tb yu s i n go ft h ea c t i o ne q u a t i o n s ，t h e nt h e e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dp r o t e c t i o ns c h e m ei nd i s t i n g u i s h i n gb e t w e e nt h ei n t e r n a l f a u l t sa n dt h ee n e r g z a t i o n so ft h ec o n v e r t e rt r a n s f c l r m e ri sv a l i d a t e d t h i st h e s i sm a k e sad e t a i la n ds y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h et h em a g n e t i z i n ga n d h a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c s ，p o w e rt r a n s m i s s i o na n dd y n a m i cr e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c s ， h a r m o n i ci n s t a b i l i t ya n ds oo n a n dt h er e s u l t sa r ec o n t r i b u t i v et ot h eg r e a t l yp r o s p e c to t f c c h v d c k e yw o r d s ：h v d c ；f i l t e rc o m m u t a t e dc o n v e r t e r ；t y p i c a lf a u l t ；h a r m o n i c s u p p r e s s i o n ；s h o r tc i r c u i tr a t i o ；h a r m o n i ci n s t a b i l i t y ；d i f f e r e n t i a lc u r r e n t ； w 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1我国发展高压直流输电的优点及意义。1 1 1 1高压直流输电相对于交流输电的优点：1 1 1 2 我国发展高压直流输电的意义。2 1 2 高压直流输电研究现状和发展动态一3 1 2 1高压直流输电研究现状3 1 2 2 高压直流输电的发展动态5 1 3本论文研究的目的及意义7 1 4本论文完成的主要工作7 第2 章f c c h v d c 单相接地故障时激磁和谐波特性研究8 2 1概j 态8 2 2f c c h v d c 直流输电测试模型建立8 2 2 1f c c 接线方案8 2 2 2 基于f c c 的直流输电测试模型建立9 2 3f c c 与l c c 交流母线单相接地故障的对比分析1 3 2 3 1 仿真工况设置1 3 2 3 2 激磁特性对比分析1 3 2 3 3 谐波特性对比分析15 2 4本章小结1 6 第3 章联于不同交流系统强度的f c c h v d c 典型故障响应特性研究1 8 3 1 概j 苤18 3 2交流系统强度18 3 3h v d c 输电系统的输送功率调节2 1 3 4f c c h v d c 换流器稳态模型及控制模块分析2 2 3 3 1 交直流系统稳态模型2 2 3 3 2 控制模块分析2 3 3 5系统测试及结果分析2 5 3 6本章小结2 8 第4 章f c c h v d c 谐波不稳定特性研究3 0 v f c c h v d c 的典型故障响应特性研究 4 1 概述一3 0 4 2直流偏磁的产生机理3 0 4 3谐波不稳定3l 4 4谐波抑制机理分析3 3 4 52 、4 次滤波器参数设计3 5 4 6 仿真分析3 6 4 6 1 模型建立3 6 4 6 2 仿真结果分析3 7 4 7本章小结3 9 第5 章f c c h v d c 换流变压器典型故障的保护仿真研究4 0 5 1 概j 岙。4 0 5 2换流变压器典型故障时差动保护的判别方法4 0 5 3三相动作方程和差动电流4 l 5 4典型故障保护分析4 3 5 4 1换流变压器的保护仿真模型4 3 5 4 2 换流变压器差动保护二次谐波制动法4 3 5 4 3磁通特性原理法4 5 5 5本章小结4 7 第6 章结论4 8 6 1本文完成的工作4 8 6 2研究工作展望4 8 参考文献5 0 附录攻读硕士学位期间所发表的主要学术论文目录5 5 致 谢5 6 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国发展高压直流输电的优点及意义 1 1 1 高压直流输电相对于交流输电的优点 高压直流输电( h v d c ) 和特高压直流输电( u h v d c ) 是将三相交流电通过换流站 整流变成直流电，然后通过架空线或海底电缆( 背靠背没有直流输电线路) 送往另一个 换流站，最后逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线 组成，两个换流站与两端的交流系统相连接1 】【2 】【3 】。 1 ) 输电容量和输电距离。交流特高压输电工程适用范围是输电距离在5 0 0 6 0 0 公里及以上、百万千瓦级及以上的输电容量，而直流输电的输电能力覆盖了交流特 高压的输电范围。输电容量和输电距离是大容量远距输电能力的标志，交流特高压 输电在这两个方面都不如直流输电【4 】【5 】【6 】【刀。 2 ) 输电线路和输电走廊占地。在电压相近的条件下，直流的一极输电线与交流 特高压的每相输电线的输电效果相近，架空线部分的直流输电造价至少节约2 3 。根 据国网资料，+ 8 0 0 千伏直流通道输电容量为交流特高压输电通道容量的1 5 0 ，直 流输电只需要正负双极输电线，而交流特高压输电要2 3 相输电线。一极直流输电 线与每相输电线截面相当，所以直流的输电走廊占地只有交流特高压输电的约 1 3 8 】【9 】。 3 ) 控制性能。直流输电输送的有功和换流器吸收的无功均可方便快速地控制， 可以利用这种快速控制改善交流系统的运行性能【l o j 。 4 ) 功率传输特性。高压直流输电没有相位和功角，只要电压降和网损等符合要 求，就不存在交流输电时的稳定问题。 5 ) 直流线路限制短路电流。用直流线路连接两个交流系统时，h v d c 输电系统 中控制系统的“定电流控制 模块可以把短路电流限制在固定值左右，这对于有效 保护设备起到一定的好处。 6 ) 电力和电能的损耗。当采用相等截面积的导线，并输送同样功率时，直流线 路上的电能损耗仅为交流线路的三分之二；当直流线路和交流线路的额定电压相等， 且导线表面电位梯一样时，双极直流输电线路的年电能损耗为交流线路的一半左右 【4 】 o 7 ) 相比高压交流输电，直流输电没有系统稳定问题。因为交流输电有相位和功 角，当系统受到某种扰动时，线路上的输送功率会超过极限值，容易引发系统瓦解， 输送容量受到“动稳定”和“静稳定 的限制。而直流线路因没有电抗，就不存在 系统稳定问题p j 。 f c c h v d c 的典型故障响应特性研究 1 1 2 我国发展高压直流输电的意义 2 0 0 4 年1 2 月2 7 日，国家电网公司提出发展特高压输电技术，建设以特高压电 网为核心的坚强国家电网的战略构想。“特高压电网”指交流1 0 0 0 千伏、直流正负8 0 0 千伏及以上电压等级的输电网络。能够适应东西2 0 0 0 至3 0 0 0 公里，南北8 0 0 至2 0 0 0 公里远距离大容量电力输送需求，有利于大煤电基地、大水电基地和大型核电站群 的开发和电力外送。 1 适应我国电力需求较快增长态势的需要 目前，中国正处在工业化、城镇化加快推进的重要时期。从发达国家和地区的 发展经验表明，这一时期电力需求将保持较快增长态势。目前，虽然电力供应形式 放缓，从长远看，我国电力需求保持较快增长的趋势不会改变。据国网能源研究院 的预测，到2 0 15 年全社会最大负荷将达到9 9 亿千瓦，“十二五”期间年均增长8 5 ， 最大负荷增速快于用电增速，电网峰谷差将持续加大。其中，东部仍为全国的负荷 中心，到2 0 1 5 年京津冀鲁、华中东四省和华东地区用电量占全国用电量比重将达到 5 5 3 2 。预计到2 0 2 0 年，中国全社会用电需求量将达到7 6 7 万亿千瓦时，是2 0 0 8 年的2 2 倍。 2 0 0 0 2 0 0 9 年全国发电装机年均增长1 1 8 4 ，“十一五”规划期间我国电力生产出 现累计装机总量净增4 亿千瓦的超速发展期。不难估算：从2 0 1 0 年的9 亿千瓦装机 容量起算，假定电力增容速度按到2 0 2 0 年g d p 翻两番的年均增速7 2 计，2 0 2 0 年我国电力装机容量将达1 8 亿千瓦。如按装机容量年增速5 计，2 0 2 0 年也将达1 4 6 亿千瓦。 2 建设高压特高压助力我国能源经济转型、促进资源优化配置 我国能源和资源的分布同负荷中心具有严重不和谐性，8 0 的可开发利用水资源 分布在川、藏和云南；约7 0 的煤炭资源分布在晋、陕和内蒙古地区；而经济发达 和电能负荷区则主要是集中在长江三角洲、珠江三角洲和京津塘。据规划报告预计， 到2 0 1 5 年全国一半以上风电需要通过跨省跨区电网从三北等偏远地区输送出来，跨 省跨区电网建设成为“十二五”的规划重点之一。 以山西为例，据介绍，陕西省每年输出煤炭4 亿吨以上，输煤不仅给运输业带 来了巨大压力，而且造成严重环境污染，山西煤炭运往沿海地区的经济效益也越来 越低。据测算，变运煤为运电，经济效益可以增加3 倍以上。为依托特高压输电远 距离、大容量、低损耗的优势，山西进一步加大电力建设力度。2 0 0 9 年至今，投资 1 0 0 0 亿元建设2 5 个坑口电厂和9 0 0 0 千米输电线路，并分别于山东、湖南和江苏签 署合作协议，“十二五”期间，山西省拟通过特高压电网分别向三省各输送1 0 0 0 万 千瓦电力负荷，每年可以就地转化原煤5 0 0 0 万吨。特高压工程的投运为山西进一步 开拓电力市场、扩大输电规模、加快建设国家新型能源和工业基地提供了更为坚强 的支撑。仅2 0 0 9 年，山西通过特高压线路外送电量就达5 5 4 8 亿千瓦时，相当于就 2 硕士学位论文 地转化煤炭2 0 0 万吨。根据山西电力工业“十二五 规划，山西将加快晋北、晋中 和晋东煤电基地建设，到2 0 1 5 年，全省电力装机容量将达7 8 1 7 万千瓦。“十二五” 期间，山西境内特高压工程投资将达3 8 3 5 3 亿元，计划扩建晋东南特高压变电站， 新建晋北、晋中两座特高压变电站，以及新建配套的输电线路，加快特高压建设步 伐。 3 建设高压特高压让清洁能源驶上高速路 能源是经济发展的动力，电力是现代能源体系的核心。电力行业燃煤量大，二 氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放总量多，在实现我国节能减排目标中起着决定性 的作用，必须责无旁贷地成为节能减排的主力军。利用我国西南部水资源发展特高 压，降低煤炭在经济发展中的比重，促进我国经济可持续发展。 我国的金沙江下游水电资源富集，规划的鸟东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝四 座巨型水电站，总装机容量近4 3 0 0 万千瓦，规模相当于两个三峡电站。总装机容量 分别为1 3 8 6 万千瓦和6 4 0 万千瓦的溪洛渡、向家坝水电站已于2 0 0 5 年和2 0 0 6 年正 式开工，目前正处于建设高峰，预计分别于2 0 1 3 年和2 0 1 2 年蓄水发电。乌东德水 电站和白鹤滩水电站位于金沙江下游四川、云南两省界河上，装机容量分别为8 7 0 万千瓦和1 4 0 0 万千瓦，是“西电东送”的骨干电源，计划于2 0 2 0 年前基本建成。 金沙江水电的电力主要通过特高压输往华东、华中和华南地区，同时兼顾四川 和云南。金沙江水电向华东和华南地区送电容量基本可以替代等容量火电，向华中 地区送电的火电替代率也在9 5 以上。金沙江下游水电站替代火电，相当于每年减 少原煤8 0 0 0 万吨。预计从“十二五 开始，西南水电和西藏水电外送需要特高压直 流约1 6 - 1 7 回，届时我国能源需求中水资源比重会大幅度提高，有助于清洁能源驶 上高速路。 1 2 高压直流输电研究现状和发展动态 1 2 1 高压直流输电研究现状 作为高压直流输电系统的核心部件，换流器良好和稳定的工作性能对高压直流 输电技术的发展起着十分重要的作用。目前，研究最多的是用晶闸管作为换流器件 的传统高压直流换流器( l c c ，l i n ec o m m u t a t e dc o n v e r t e r ) ，另外还有串联电容换相换 流器( c c c ，c a p a c i t o rc o m m u t a t e dc o n v e r t e r ) 和可控串联电容换流器( c s c c ， c o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o rc o n v e r t e r ) 。因为所有这些换流器的换流变压器均采用传统 的星形一三角形接法，使得它们均无法在阀侧同时实现谐波抑制和无功补偿，也无 法从根本上解决谐波电流和无功电流对换流变压器及换相的影响。因此，针对这些 换流器在理论研究和实际应用中暴露出来的许多问题，实际的研究中主要开展了以 下几点工作g 1 h v d c 换流器的谐波抑制问题。 f c c h v d c 的典型故障响应特性研究 h v d c 系统中换流器是一个高度非线性的电力电子功率装置，换流器在运行过 程中产生大量的谐波并溃入到交流系统电网和直流系统中，导致电网系统电能质量 下降，谐波污染日益严重【3 j 。目前，主要是在交流网侧安装滤波器进行谐波治理，但 是为了避免与系统阻抗发生并联谐振，滤波器往往需要采用偏调谐设计，从而造成 谐波治理效果不理想。 2 h v d c 换流器的换相失败问题。 换相失败是直流输电系统特有的现象，当发生换相失败时直流输电系统输送的 能量会出现短时间的降低，同时会导致交流系统的频率波动，并对换流站设备产生 不良影响 】【1 2 1 。诱发换相失败发生的原因主要是交流电压幅值降低，直流电流突增 或换相电压过零点偏移等。而影响换相失败的因素包括系统故障类型、故障地点， 故障时换相电压幅值和交流系统等值阻抗等。 3 h v d c 换流器的谐波不稳定性问题。 h v d c 换流器的谐波不稳定性问题是指h v d c 系统换流器在某些特定条件下， 交流或直流网络在某一频率下发生互补谐振，使得某次谐波电压或谐波电流幅值呈 正反馈震荡放大状态【1 3 】【1 4 1 ，其中换流变压器铁心饱和引起的偶次谐波在交直流网络 间产生的谐振是引起谐波不稳定的一个主要原因。换流器的谐波不稳定性问题主要 表现为换流站的交流母线电压严重畸变，引起谐波超标，换相困难，从而导致直流 输电系统闭锁。导致h v d c 出现谐波不稳定现象的另一个主要原因是换流器的按相 控制方式。针对谐波不稳定问题，各个相关的行业均进行了大量的研究并采取相应 的抑制对策，如采用换流器等相位间隔控制方式取代按相控制方式，在交流网侧或 直流侧安装非特征谐波滤波器、附加谐波阻尼电路、在原有控制系统上进行协调和 修改，从而改变交、直流系统的谐振点，但上述方法均未能从根本上消除这一问题。 4 h v d c 输电系统的动态过电压问题。 h v d c 系统遭受不同扰动，如交流电网发生单相接地故障时，可引起其它两相 的相电压升高，直接造成交流电压不对称；换流器突然切除负荷时，换流器所需的 无功功率突然改变，引起交流电网电压升高，而直流线路电压通过换流器随着交流 电网电压成比例的增大；换流器发生故障时，系统的交流分量进入直流系统，会引 起直流系统的l c 元件的谐振或部分谐振，使直流线路发生动态过电压；当直流系统 闭锁时h v d c 输电系统的交流电压幅值变大，会出现动态过电压问题，对用户设备 安全运行等构成威胁l l 5 】1 1 6 1 。 5 直流偏磁影响。 当换流器触发相位的间隔不相等时，交流相电流的正负半波不对称，它的平均 值将不等于零，即相电流中存在着直流分量。该直流分量流经换流变压器阀侧绕组 时，将发生直流偏磁现象。如果流过换流变压器绕组的直流电流较大，将引起换流 变压器铁心磁饱和，导致换流变压器振动加剧、噪音增加、谐波含量增高、损耗增 4 硕士学位论文 大、温度升高等问题，严重危害变压器的安全运行。而电磁感应式电压互感器通过 直流电流后会导致其二次电压波形畸变，有可能导致相关的继电保护装置误动作。 6 h v d c 输电系统的换流变压器保护问题 h v d c 换流变压器在换流站的正常运行中发挥着巨大的作用，且其投资在整个 换流站投资中占有很大的比重。由于换流变压器受所处电磁环境、直流偏磁引起的 铁心饱和、换流装置产生的特征和非特征谐波的影响，当其发生空载合闸和外部故 障时，保护装置能灵敏区分并快速动作就显得尤为重要。 1 2 2 高压直流输电的发展动态 1 我国高压直流输电发展规划 在2 0 0 9 年4 月，国家电网公司制定了电网建设总体规划设计，对中国的电网建 设提出了总的规划。规划的原则是：满足未来我国经济社会发展的能源需求为目标； 按照我国能源资源与生产力逆向分布的资源禀赋为前提；解决现有电网面临的远距 离、大容量输电能力不足，变电站站址和线路走廊稀缺，受端电网支撑能力差、短 路电流超标等问题。根据上述原则，国家电网将以华北、华东、华中( “三华”) 为 负荷中心，建设特高压同步电网，提高受端电网电力承接和消散能力，山西、陕西、 蒙西、锡盟、宁东煤电基地通过特高压交流就近接入“三华”电网；构建西北7 5 0 千 伏、东北1 0 0 0 千伏交流送端电网，为大容量、远距离直流外送提供电网支撑；西南 水电通过特高压直流送入“三华”电网。 根据“十二五 规划，五年中全国特高压工程将投资超过5 0 0 0 亿元，而三峡工 程的动态投资当初的预计为2 0 3 9 亿元。2 0 1 0 年，国家电网进一步推进向家坝一上海 特高压直流输电示范工程，锦屏一苏南特高压直流输电工程建设；加快淮南一皖南 一上海、锡盟一南京、陕北一长沙、淮南一南京一上海、蒙西潍坊、晋东南一豫 北一徐州、雅安一皖南特高压交流工程，以及溪洛渡一浙西特高压直流工程的核准 建设进度。同年1 1 月，作为我国自主设计、自主成套、自主建设宁东一山东- 4 - 6 6 0 千伏直流输电示范工程极i 系统正式开始试运行。这是世界上首个+ 6 6 0 千伏电压等 级的直流输电工程，它的运行开辟了我国西电东送的北通道。到2 0 1 2 年，随着青海 西藏7 5 0 千伏- 4 - 4 0 0 千伏交直流联网工程的建设完工，南方、华中、华东、西北、 东北、华北等六大电网将覆盖内地所有省市。到2 0 1 5 年，国家电网公司将建成华北、 华东、华中特高压电网，形成“三纵三横一环网”，我国特高压电网建设驶入快车道。 我国h v d c 工程2 0 2 0 年远景规划如图1 1 所示。届时国家电网公司将建成三华 特高压同步网，将华北、华东和华中区域电网用交流特高压网架联接在一起，希望 能比超高压扩建电网更经济、安全。根据估算，如果采用直流输电解决远距大容量 输电问题，超高压扩建方案可以比三华同步网节约投资一半。届时国家特高压电网 将建成特高压交流变电站6 0 座，变电容量5 8 亿千伏安，线路5 万公里，晋陕蒙宁 煤电和西南水电通过8 个1 0 0 0 千伏同塔双回交流通道外送；建成直流工程4 2 个， 5 f c c h v d c 的典型故障响应特性研究 换流容量3 亿千伏安，线路4 7 万公里，其中士1 0 0 0 千伏直流5 个、+ 8 0 0 千伏直流 1 7 个、4 - 6 6 0 千伏直流8 个、4 - 5 0 0 千伏直流8 个、直流背靠背工程4 个。 图1 1 我国h v d c 工程2 0 2 0 年远景规划 2 高压直流输电的展望 ( 1 ) 多端直流( m t d c ) 输电系统。随着交流电力系统和直流输电的不断发展，直 流电网势将成为电力系统的组成部分，出现多端直流电网。其优点是充分开发了高 压直流输电技术的经济优点和技术优点，使系统变得更加灵活。多端直流输电系统 适用于通过直流输电方式把电能输送给大城市中几个配电网或一个大配电网的几个 馈电点。其连接方式主要有并联型和串联型，并联型连接是指多个换流站通过直流 电网实现并联连接。各个换流站间的功率分配主要通过改变个换流站的电流来实现。 串联型连接是指各换流站以串联的方式连接成环形系统。各换流站之间的功率分配 主要靠改变换流器的直流电压来实现。而整个串联电路中的直流电压平衡通常由其 中的一个换流站承担，同时该换流站也起着调节电流的作用【3 8 】。 ( 2 ) 多馈入h v d c 输电系统。 多馈入h v d c ( m u t i - i n f e e dh v d c ) 输电系统的特点是多个换流器连接于一条公 共的交流母线，或者连接到电气上很邻近的交流母线【5 】。根据换流器功能的不同可以 将多馈入h v d c 分为同型换流器和混合型换流器两种形式。其中同型换流器可以连 接于公共的直流系统或分开的直流系统；混合型换流器同时包含了整流器和逆变器。 ( 3 ) 多馈入直流输电系统存在着几个相关问题【5 】 1 ) 如何建立准确的模型。多馈入直流输电系统属于大规模交直流混合系统，要 硕士学位论文 求建立的模型在系统正常运行时能够反映换流器的换相过程、直流控制性能。同时 当系统受到扰动时，也要能够反映出交流电压值的变化情况、三相对称问题以及谐 波含量增大等因素对换相失败的影响； 2 ) 如何动态协调各个换流器间的无功功率需求； 3 ) 当某个直流系统或交流系统的发生扰动时，如何消除其对邻近直流系统的不 利影响； 4 ) 多馈入直流输电系统的多个换流器相当于多个谐波源，使得交流侧电源电压 中的谐波成分更加复杂，含量显著增多。当某一回线路出现故障时，相邻正常的线 路和换流变压器网侧交流系统中会出现大量的谐波分量和非周期分量，其结果是直 接影响高频相差测量。谐波问题直接导致换相失败发生的可能性，甚至连续换相失 败的发生【2 】。 1 3 本论文研究的目的及意义 根据国家十二五经济发展规划，未来国家的工作重点是着力提高资源优化配置、 促进能源经济转型和实现可持续发展。一方面国家电网公司制定了电网建设总体规 划，在十二五期间进一步发展高压和特高压电网；另一方面传统高压直流输电系统 实际运行中出现的一系列问题催生了多种新型换流器的拓扑结构。 任何新技术在实际工程应用之前，既要考虑该技术的新颖之处，也要全面分析 其在应用过程中可能存在的各种问题，以便采取相应的措施将应用风险降到最低。 本文在参考f c c 研究成果的基础上对f c c h v d c 的典型故障响应特性开展研究工 作，为后续的工程化应用提供了必要的理论支撑。 1 4 本论文完成的主要工作 本论文的研究工作在根据国家自然科学基金“滤波换相换流器基础理论研究 的资助下，依据交直流输电系统研究开发平台开展下述研究工作： 1 以f c c 为研究对象，建立了f c c h v d c 输电系统模型；