【《高压直流输电换相失败故障引发暂态电压扰动的过程分析案例》3100字】

高压直流输电换相失败故障引发暂态电压扰动的过程分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u7524高压直流输电换相失败故障引发暂态电压扰动的过程分析案例 1288281.1数学模型 180611.2整流侧无功需求 3207161.3直流电流变化 470041.4换相失败送端暂态电压阶段分析 753851.5仿真验证 8321211.6小结 151.1数学模型图4-1典型的风电直流外送系统其中DFIG是指双馈异步风力发电机（DFIG，DoublyfedInductionGenerator）。双极系统的两极采用了不同接法的换流变。为了简化分析，图4-1的可以由如图4-2所示的简化电路模型替代，忽略其中线路电阻。图4-2典型风电直流外送系统简化模型其中Us、Uw分别是交流系统和风电场提供的电压；Pdc和Qdc分别是整流站所消耗的有功功率和无功功率；Up可以看作换相失败时交流测电压研究对象。根据功率关系有：（1.1）（1.2）正常运行情况下由于功率平衡，∆P和∆Q都为零。当发生换相失败时，由于Pdc和Qdc的变化，ΔP和ΔQ也将相应地改变。因此，Up将偏离正常值，并可由公式计算。其中ΔP和（1.3）（1.4）其中PsN和QsN分别为交流系统正常运行时提供的有功功率和无功功率；ΔQ1是交流系统等效电抗上损失的无功功率，可表示为：（1.5）（1.6）上述公式表明无功补偿器提供的无功与换相失败前后交流侧电压比的平方成正比，PCC电压上升可以通过公式（1.6）来计算。（1.7）其中UsN为正常运行时交流系统提供的电压，公式后半部分为换相失败后功率变化在X1上造成的电压变化。类似地，风电场终端电压Uw可以通过公式（1.7）来计算。（1.8）通过求解上述方程，可以得到Up和Uw（得到交流侧和风机端口电压表达式）。显然，PCC处有功和无功的变化都会引起电压的变化。如图4-3所示为通常的换流站模型。图4-3联于弱交流系统的HVDC换流站模型这个ΔQ会引起瞬时低压和过电压，而ΔP只会引起瞬时过电压。现实世界中的大多数风电场都位于弱交流系统中，SCR较低，其SCR通常小于3REF_Ref71826419\r\h[58]，影响较小。因此，在这种情况下，应同时考虑有功功率和无功功率的影响。1.2整流侧无功需求换相失败下连续电压扰动产生的根本原因是交流侧无功功率和有功功率相互作用的结果。由第一部分分析可得，有功与无功功率变化都会影响交流侧电压Up的变化，而由于有功功率的变化规律是明确的，为了便于进一步分析，分析Qdc的变化更为重要。根据LCC-HVDC的准稳态模型REF_Ref71826441\r\h[59]可得以下关系式：（1.9）（1.10）（1.11）（1.12）因此，整流侧无功功率可以表示为：（1.13）等式（1.13）表明电气和控制系统都会影响Qdc。忽略换流变压器的饱和效应[19]，Xc可以看作是一个常数。因此，无功功率需求主要由Idc、Up和α决定。由于换相重叠角对换流站无功功率消耗影响可忽略REF_Ref71826486\r\h[60]，且触发角大小与直流电流参数对换流站消耗的无功功率影响趋势相同。因此以下主要研究换相失败时直流电流对交流侧连续电压扰动的影响。1.3直流电流变化在直流输电系统正常运行时，换流站所消耗的无功功率大约为有功功率的50-60%，可见无功功率占比较高，故障发生过程中剩余的无功一旦作用于交流侧将会对电压扰动产生较大影响。由1.2节可知直流电流对换流站消耗无功功率的影响占主导因素，为了进一步探究暂态电压扰动的过程，以下将讨论直流电流变化与电压扰动的关系。由于直流电流与交流电压的关系不方便直接表示，可以考虑使用功率来表示各个电气量，因为无功功率在视在功率的占比中较大，在分析电压扰动情况时，不妨使用暂态电压变化率来定义REF_Ref71826517\r\h[61]，可以表示为：（1.14）交流系统与整流站之间的无功功率之差为:（1.15）高压直流输电系统稳态运行时的等值电路图如下：图4-4直流系统等值电路图稳态时有:（1.16）（1.17）（1.17）正常运行时整流站内消耗的无功可表示为:（1.18）联立（1.16）~（1.18）可知：（1.19）其中，为整流侧功率因数角；Pd为整流站输出功率。由（1.19）可知，暂态电压变化率与多种因素有关，通过式（1.19）对暂态电压的变化进行分析从而可以得到理论的电压扰动波形。下面通过仿真来验证公式的合理性：根据图（4-6）可知，在故障发生后，直流电流先升高，然后迅速减小到低压限流环节的最小值0.3pu。如图（4-5）所示。VDCOL限流环节原理图如4-7所示，可以看出低压限流环节原理实际上是分段函数。图4-5VDCOL的整流侧电流指令图4-6逆变侧直流电流变化图4-7VDCOL限制环节1.4换相失败送端暂态电压阶段分析从式（1.19），其分母为各部分视在功率之和，可视为恒定值。分子中的直流电流与触发角对换流站无功消耗的影响趋势近似，且由文献REF_Ref71825576\r\h[38]可知，换相重叠角与换流站内消耗的无功功率关系不大，因此可以得到：暂态电压变化率与直流电流大致成反比关系。因此在发生换相失败故障后的恢复过程中，电流快速减小会伴随着暂态电压变化率的升高，并且由图4-6可知，暂态电压变化率会有一个较大的峰值。综上，电压扰动波形应该是在换相失败故障期间减小而在换相失败结束的恢复过程中增加，且具有陡峭的上升沿，最后再逐渐恢复到稳态的一个过程。下面进行仿真验证。1.5仿真验证换相失败后整流侧电压扰动过程如图4-8所示：通过分析发现，连续电压扰动过程大致可分为四个阶段，分别是电压降至谷值、电压升直峰值、第二次电压降以及波动恢复阶段。图4-8换相失败后整流侧交流电压变化下面详细分析波形的产生原因。第一阶段：电压降至谷值阶段。在发生三相接地故障后，换相失败很快发生，大致持续了40ms，而系统设定故障持续时间为100ms，在故障发生的100ms后电压持续攀升到了峰值随后VDCOL在控制延迟后开始介入，此时电压开始降落。由CEA输出的逆变器控制角信号如图4-9所示。图4-9逆变器控制角信号在此期间，由于逆变器被旁路，逆变器侧直流电压降为零。VDCOL的输入为直流电压，此时输入信号逐渐减小，其输出控制指令也减小，如图4-9所示。此时VDCOL的输出作用于整流侧定电流控制，由于整流侧实际电流远高于控制信号的电流指令，因此点火角α迅速增加，如图4-10所示。图4-10整流侧控制角指令α然而，由于控制系统的延迟，直流电流在换相失败开始时仍将经历脉冲，在这一阶段，随着α以及由控制系统引起的Id的变化，Qdc呈现大幅增加后减小的变化趋势，如图4-11。虽然剩余有功功率ΔP升高，如图4-12，但由ΔP引发的电压升高不足以抵消ΔQ。而且，由于Up的减少RPCs发出的无功功率Qc也降低了，并且ΔQ进一步降低。因此，Up在下降。图4-11整流侧交流线路无功变化图4-12整流侧交流线路有功变化第二阶段：电压升至峰值阶段。由于控制系统在故障发生后一段时间才会动作，由图（4-11）可知，在控制级尚未介入的时间段，无功过剩并涌入交流系统。由式（1.19）可知，此时整流侧交流母线电压会因为无功功率出现一个陡增的过程REF_Ref71826565\r\h[62]。由于无功功率对电压大小起主导作用，此时整流侧交流母线电压将会受到扰动，同时逆变侧交流母线电压变化如图4-13所示：图4-13逆变侧交流母线电压变化第三阶段：二次电压降低过程。由于控制系统延迟，在经历了一段时间电压升高的过程后，逆变侧逐渐恢复定关断角控制，整流侧的定电流控制使作用于整流器的α角逐渐降低最终恢复正常，其变化过程如图4-14所示：图4-14整流侧电流控制部分α角变化图像此时，由式（1.17）可知直流电流增大，此时换流器无功消耗逐渐增加，整流站无功功率逐渐平衡。第四阶段：电压恢复阶段。在这个阶段，直流电流和直流电压已经恢复。但是，该阶段的电气量，包括直流电流和α，由于控制系统的超调，在达到稳定状态前会有轻微的波动，导致整流侧交流电压出现小的波动REF_Ref71826048\r\h[51]。1.6小结首先从典型的风电直流外送系统结构出发，通过简化模型，对正常运