hvdc受端逆变器的短路电流对电网供配电网的影响

hvdc受端逆变器的短路电流对电网供配电网的影响

0系统负荷对直流输电运行的影响高压直接供电的压力系统正在发生压力系统的不稳定性。这通常发生在高压系统的最大负荷周期内。结果表明，系统负荷对直接电源的运行有一定的影响。高压直流输电(HVDC)受端系统发现的问题主要是在运行中产生的，当直流输电容量大，且系统的地区负荷在峰值附近时，会产生换相失败，或产生直流的后续振荡，尤其在高负荷期间，即使系统出现幅值不大的小扰动，都会引起系统的换相失败。1短路电流和短路阻抗直流输电系统的受端是逆变器，将直流转换为交流，与系统电源共同供电。换流必须由系统提供换相电流，也就是短路电流，这种瞬时短路电流的大小决定逆变器换流的性能。一般的概念是某处的短路容量决定于系统串联阻抗和运行着的发电机容量。当直流输电的传输容量增加到某一值，系统短路电流提供的换相能力不能满足要求，或裕度不足，换相将失败；随后引起直流系统在其自振频率附近振荡，引起控制保护动作。近年来，由于受端交流系统负荷猛涨，直流输电的容量也一直增加，在负荷最高时，容易产生换相失败和系统摇摆，这一现象令人联想到系统短路电流是否会受到交流系统负荷的影响，经过初步研究，认为系统短路容量与系统负荷有关。最简单的情况，如果将发电机归并到一组，成为单电源等值系统，研究系统可以用图1来表示。图中，T表示换相位置；ZCm,n代表分路负荷阻抗，m代表功率因数从±0～1，含20步的范围，n表示ZCm,n阻抗幅值，从0～2.0pu。文中全部变量用相量表示，jX中的j省略。观察负荷阻抗ZCm,n对短路电流的作用有2个方法：一是用等值阻抗法，即将ZCm,n计入系统后，用一个等值短路阻抗代替系统串联和并联阻抗。图1电路可以等值为一个单独的阻抗，如图2所示。或其中xf表示换相电抗或故障点阻抗。二是用戴维南定理。负载ZCm,n变化时，戴维南电压Utm,n(T端)为而戴维南阻抗Ztm,n为从式(1)得到的等值阻抗可知，短路电流为从戴维南定理可知，短路电流为戴维南电压和电流都随负载ZCm,n变化而变化，而等值电路电压仍保持Ug，即电源电压与负载无关。因此用等值阻抗对问题讨论比较方便，可以证明在任何负载情况下，都可以从Utm,n,Ztm,n推导出Zem,n；实际短路电流计算式(6)和式(7)完全相同。从式(1)明显看出，在ZCm,n的作用下，系统短路阻抗多出了一个项，如果该项为正值或有感性分量,那么等值阻抗大于12x+x。在图1中,1x=j0.11pu,2x=0.003+j0.04pu,1.230pugU=∠。负载阻抗从0.1pu变到2.5pu,功率因数在±0到1之间变化。图3是用等值阻抗方法计算出的阻抗绝对值,即Zs,它与x1+x2比较,容性范围等值阻抗大于x1+x2,即在感性负载较大(阻抗Zem,n较小)的情况,等值阻抗增大,影响短路电流,也就影响逆变器的换相功能。如果直接画出短路电流与负载阻抗的关系，上述参数所产生的短路电流与按式(6)或式(7)计算结果完全相同。ZCm,n与线路负载及功率因数的关系如图4所示，其中，从cosϕ=1至容性侧短路电流If是增加的；在滞后负载功率因数侧短路电流If减小，而在这种情况对逆变器换流是不利的。2g向um送出0.5pu的特性从上节看到，在负载呈容性时，会增大短路电流，尤其在负载阻抗小于1pu时，短路电流增大相当明显。如果地区负载中带有大量的电力电容器，它会与系统电抗形成谐振关系。以最简单的两端电源系统为例，在其换流点附近有集中的地区负荷，具体参数和系统如图5ㄢ上述系统从Ug向Um传送0.5pu的有功功率，当地区负载ZCm,n未增加时，其稳态相量图如图5(b)。作2个假设使问题简单化：(1)假定在地区负载ZCm,n变化时，系统各点电压分布不变。由于传送功率不变，假定负载变化时，相量关系不变。而事实上在ZC很小的情况下，相量的变化还是很明显的；(2)假设短路是对称的，分析图5(a)系统时，使用戴维南方法先算出等值阻抗和开路电压，但这2项必须按负载而定。经过简单计算，图5(a)系统戴维南阻抗为戴维南空载电压近似为其中在T端的短路电流为全阻抗范围的Itm,n的幅值idsm,n为按照式(12)表示的负载阻抗变化引起了短路电流变化，在图6中可以看到它的性能与单电源的情况相似。可以认为感性负载较大(阻抗小)时，严重影响短路电流的幅值。上述情况与实际电力系统的电压分布情况有很大差别，主要原因在于实际电力系统的运行是处在电压调节状态下。3发电机的保护由于地区负载变化引起负载中心电压变化，电力系统可以采用2种调节方法：一是用电容器补偿负荷中心的无功电流，保持系统电压在允许的范围；二是控制发电机的励磁系统按传输功率的要求调节发电机磁场；这2种方法都是保持负荷中心电压的重要手段。图5(a)的系统可以维持负荷中心即ZCm,n两端电压恒定，或保持T端的电压恒定，这样在负荷大范围变化时，必须调发电机的励磁以维持系统电压水平，而负荷中可能已有若干电容器投入运行，电容器发出的无功与负荷的感性无功及有功功率共同构成系统功率，用Zem,n表示稳态时电容补偿后的等值阻抗。令ZCm,n上的电压为Ur，负载电流为Irm,n，假定Ur和Ut只受传输负荷的作用，问题即可简化。传输负荷电流Ib为0.5pu，设Ut端电压为固定，即为Ut=0.98,Ur=Ut+x2Ib。由Ut和Ur计算发电机应有的电压，负载的电流为发电机在调节励磁后，相当于发电机励磁电压Eq′的电压是经电压调节后的流经T点的短路电流为本文中电压、阻抗在公式中都用复数表示，电抗值以虚数表示，负载阻抗在形成的初始也要以虚数表示，即其中：Rm,n=Zncosϕm;Xm,n=jZnsinϕm。短路电流Itfs是电流的绝对值，它的三维表示如图7。在负载功率因数超前的范围，在功率大(阻抗小)的情况下，短路电流明显减少；与此相反，在负载为滞后时，短路电流增大。对比图6中是在负载超前时短路电流增大，这是因为图6所描绘的两侧电压Ug和Um是固定的，只是改变地区负荷ZCm,n；图7则在ZCm,n处电压固定，调节发电机的励磁。由于负载容性，负载中心的电压已高于发电机电压的标么值，为了维持地区电压，势必使发电机励磁电压Eq′下降以适应负载容性电压升高。T端发生短路(换相)时，发电机电压Eg′产生短路电流，如果Eg′较低，短路电流变小。在图6的发电机电压固定的情况下，负载的容性与故障阻抗产生谐振关系，所以短路电流在负载容性时上升，这就是与图7结果相反的原因。4负序网络的仿真直流输电受端在换相时，实际发生的是两线间的短路，如果按线间短路计算需要估计负序等值阻抗，前述用三相短路代替的计算是近似的。对称分量方法提供的线对线故障等值电路如图8。图5的电路可以充当正序等值，在旋转电机上，负序阻抗与它的正序阻抗数值不等，要进行相应的分析和测量。这样，正序阻抗Z1、Z3和ZCm,n都应有其相应的负序值，文中对负序阻抗用下标2表示，如Z1对应的负序为Z12ㄢ计算含有负序的电路，由于负序电路中不含电源，因此可以将负序阻抗简化成单一阻抗，它与短路阻抗ZFT串联成一个新的ZF。正序与负序合并电路可表示为图9ㄢ图8中ZFT包括2个内容：故障电抗和换流变电抗，负序网络中阻抗的第2下标表示负序值，n表示中点。等值电路图9的解法可以通过戴维南定理或叠加原理。图8电路中故障电流值可以用仿真方法解出，在仿真时，ZCm,n和ZF中的ZCm,n只能各取一个复数值，为了便于观察地区负荷ZCm,n对换流电流的影响，这里采用叠加计算方法给出换流(故障)电流的表达式。首先将负序网络缩并成简单阻抗Zf2m,n，因为负序中包含地区负荷的变化，所以它必须有负荷大小n，和功率因数下标m，图9网络中故障点(换流位置)的阻抗为其中：Zconv为换流变和电抗器(如果有)的阻抗；Zf为附加阻抗，正常换流时为零；Zf2m,n为负序网络缩简后的阻抗。式中ZCZm,n为负序网络中可变负载对应的负序阻抗。根据对称分量法得出的线线间故障电流表达为其中Uf是故障点电压，但在换流问题上，它应该是换流站电网侧的电压，而不是换流器阀侧的电压。图8和图9的IT对应的是序电流，而不是换相电流，即换相发生在B、C相间，A相换相电流为零。反变换为从而得到换相电流为在各种地区负荷情况下，用叠加法将图9电路分解成2个电源完全解耦的形式，用上述参数，将形成图10的电路。计算换相电流IT，先在稳态时用负荷潮流确定Ug和Um的幅值和相位，再用正负序参数计算出图10中各阻抗在特定的功率因数和负荷大小(m和n)时的值(复量)。图中：系统两端的发电机仍用稳态分析得出的结果，假设在换相的各瞬间功角不发生变化，即：式(25)～(27)中各阻抗分别包含了负序阻抗中负荷可变部分Zfi2m,n，式(26)中设有正序负荷阻抗ZCm,n，换相正序电流换流电流与Ia1m,n垂直：相应的负序网络的组成与正序相同，负序阻抗只是由正序阻抗乘以某一比例系数构成。从图11可以看出，两相间换流电流在地区负荷为感性时，当负荷增大到最大负荷的80%左右，换相电流Iconv明显下降。如果地区负载总和呈容性，从图11可以看出容性负载阻抗和故障支路发生谐振，在工频范围，使换相电流增大，由于是工频行为，所以它不是电容放电现象。5大负载下换流过程的影响从文中第3节分析可知，容性负荷增加会增大换相电流。在目前用电容器作为主要的无功补偿手段的情况下，电容电抗将与换流电抗形成并联谐振，使并联电路中电流值放大(见图4和图6)。可以推想，在逆变器侧变压器前串联电容器以降低换流阻抗，应能改善地区大负载下的换流过程。在直流输电的受端，逆变所需要的无功补偿电容器以及交流侧(网侧)滤波器所用的并联电容器，是与换流变阻抗并联；由于它的运行是相对固定的，即可不随地区负载变化而改变补偿电容量，因此，这些并联电容器对支持大负荷下的换流作用是不大的。如果电容容量能随地区负载的增减而变化，可望获得良好的谐振条件，并可明显提高大负载下的换流能力，而静止无功补偿器SVC就具备这个能力。无功补偿电容不可能过量使用，因为过多的电容电流会使系统电压过高。为了使负荷中心电压维持在正常水平，电容器的容量可限制在总功率因数的滞后范围，而增大换相电流必须使整个地区负荷包括电容补偿，呈超前功率因数。换相电流的增大，可以认为系统局部短路容量增大，但在电容电感并联电路外面，电流并没有增加。6电容组和svc地区负载会影响系统短路电流，也就是在受端负载增大时换相电流会减小。因此在受端系统负载过大的情况下会出现直流输电逆变不稳定现象。如果地区负荷增大很大又呈现容性，可能发生2种情况：(1)系统不调压，在负荷出现大容性电流时，系统会发生短路电流增大现象；(2)若系统通过发电机励磁来调节负荷中的电压，因容性负荷提升电压，而励磁使电压下调，形成容性负荷时短路电流下降。用对称分量法进行两端电源的系统计算，考虑到换相过程中，会出现短时的两线间短路，在负载很大又呈容性时，就会产生明显的短路电流增大现象。并联电容器可以增大谐振并联电路的电流，但不能增大系统的短路容量；又由于系统电压的限制，不可能超范围增多。因此，用串联电容补偿换相电抗不失为一种用来增