濾波換相換流器的典型故障瞬態(tài)諧波仿真研究

1、濾波換相換流器的典型故障瞬態(tài)諧波仿真研究潘侃，羅隆福，許加柱，李勇，王智勇(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南省 長(zhǎng)沙市410082)Transient Harmonic Study of Typical Faults in Filter Commutated ConverterPAN Kan, LUO Long-fu, XU Jia-zhu, LI Yong, WANG Zhi-yong(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, Ch

2、ina)ABSTRACT: FFT analysis, which is commonly applied in harmonic analysis of HVDC power system, is capable for detection and measurement of harmonic in steady state, though for the sake of sub-harmonic and inter-harmonic during the moment of fault, are inaccurate in transient state. In order to eli

3、minate the inaccuracy during the transient due to spectral leakage, this paper presents an enhanced measurement scheme of harmonic, which combines the concept of group energy and spectral leakage elimination algorithm; and processed a simulation study which includes fault on the DC bus, 3-phase faul

4、t on AC bus in rectifier side and 3-phase fault on AC bus in inverter side, on a HVDC power distribution system platform base on Filter Commutated Converter, with the new harmonic identification scheme applied on the AC bus in rectifier side. The result of simulation shows: during these three typica

5、l faults, 2nd harmonic is increased drastically, and less pit-falls and peaks is observed in the waveform during the fault compare with the FFT harmonic identification algorithm, which indicates the new scheme could reveal more characteristic and information of the original harmonic signal on analys

6、is of transient harmonic.KEY WORDS: group harmonic; transient harmonic; FCC; typical faults; characteristic of harmonic摘要：HVDC輸電系統(tǒng)中諧波分析通常采用FFT算法，在穩(wěn)態(tài)工況條件下FFT算法可以滿足精度和諧波檢測(cè)要求；但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障的瞬間，系統(tǒng)電流中除特征諧波外，電流中存在間諧波和次諧波等分量；為了有效解決直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障瞬間諧波頻譜泄露。本文提出了一種結(jié)合能量群與消除頻譜泄露的復(fù)合諧波檢測(cè)算法，在建立了基于濾波換相換流器(Filter Commutated Co

7、nverter, FCC)的HVDC輸電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)發(fā)生極母線對(duì)地短路，整流側(cè)交流母線三相接地短路及逆變側(cè)交流母線三相接地短路三種典型故障進(jìn)行了仿真研究，并對(duì)交流母線處的電流進(jìn)行瞬態(tài)諧波檢測(cè)；結(jié)果表明：發(fā)生上述三種典型故障時(shí)，交流母線電流中的2次諧波含量發(fā)生激增，并與FFT諧波檢測(cè)算法相比，諧波群波形的毛刺及尖峰較少，但卻更銳，尖峰幅值更大，說明復(fù)合諧波檢測(cè)算法在分析故障瞬態(tài)電流時(shí)，能還原更多的諧波特征和信息量。關(guān)鍵詞：諧波群，瞬態(tài)諧波，濾波換相換流器，典型故障，諧波特征0 引言隨著高壓直流輸電(HVDC)的發(fā)展,相關(guān)的諧波問題日顯突出。對(duì)換流變壓器來說，諧波的存在不但會(huì)會(huì)造成諧波損耗

8、，降低系統(tǒng)效率，更會(huì)引起發(fā)熱，震動(dòng)，噪聲等問題。輕則降低系統(tǒng)工作壽命，重則會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低保護(hù)可靠性，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設(shè)備造成事故以及干擾通信線路的正常工作1。一般來說，電力系統(tǒng)電流、電壓波形通常不為純粹的正弦形式，而會(huì)由基波、周期性諧波及由因瞬態(tài)現(xiàn)象產(chǎn)生的其他非周期諧波組成。通過分析電流/電壓波形畸變以精確測(cè)量電力系統(tǒng)諧波成分，對(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)而言是不可或缺的。如今，常用的諧波分析算法為快速傅里葉變換(FFT)，以期獲得電壓/電流頻譜。然而，F(xiàn)FT的這一傳統(tǒng)應(yīng)用形式只考慮到了基波及頻率為其整數(shù)倍的諧波分量，而忽視了波形中的非周期分量、間諧波和次諧波2。而忽略這

9、類由瞬態(tài)現(xiàn)象造成的分量除會(huì)導(dǎo)致諧波測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確外3，間諧波與次諧波頻率接近諧波或基波頻率時(shí)，不但會(huì)引起電壓嚴(yán)重畸變，還會(huì)導(dǎo)致電壓閃變和沖擊性轉(zhuǎn)矩4-7，比諧波的危害更大。因此，進(jìn)行瞬態(tài)諧波的研究是有必要的。濾波換相換流器（Filter Commutated Converter, FCC）8, 9 是一種結(jié)合新型換流變壓器、閥側(cè)感應(yīng)濾波裝置及換流器的換流器拓?fù)潆娐?。其特點(diǎn)：換流變壓器閥側(cè)繞組采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，并濾波系統(tǒng)置于閥側(cè)的公共繞組，使閥側(cè)特定次諧波電流只通過濾波支路，而與網(wǎng)側(cè)繞組隔離，從而達(dá)到諧波屏蔽的效果，大大減輕換流變壓器傳送諧波與無功功率的負(fù)擔(dān)10。其在諧波抑制、降低變壓器損耗

10、以及增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面都有十分顯著的效果。本文采用PSCADEMTDC專業(yè)仿真軟件，建立基于FCC的HVDC電磁暫態(tài)仿真模型；對(duì)系統(tǒng)發(fā)生三種典型故障條件下進(jìn)行仿真研究，提出一種結(jié)合能量群與消除頻譜泄露的復(fù)合諧波檢測(cè)算法，并對(duì)電流進(jìn)行諧波檢測(cè)，掌握FCC-HVDC典型故障瞬態(tài)諧波特征。1 瞬態(tài)諧波及其檢測(cè)原理1.1 瞬態(tài)諧波的定義瞬態(tài)諧波包含以下三類：諧波電流中所包含的非周期分量；頻率不為基波整數(shù)倍的間諧波；頻率小于基波頻率的次諧波。1.2 能量群與消除頻譜泄露的復(fù)合諧波檢測(cè)算法(1) 消除頻譜泄露算法傳統(tǒng)FFT在檢測(cè)間諧波時(shí)易存在頻譜泄露的問題，需用加窗算法減少由頻譜泄漏導(dǎo)致的誤差11。本文采

11、用了三點(diǎn)FFT算法12達(dá)到消除頻譜泄露的目的，算法如下：若iwm為諧波信號(hào)的頻譜分布，利用FFT算法，可以得到相對(duì)應(yīng)的=2n/T的離散頻譜（n=1，2，3N，N為采樣點(diǎn)數(shù)，T為采樣時(shí)間），令某次間諧波為k=kl +r，kl為整數(shù)，r為小于1的小數(shù)，則該諧波的幅值A(chǔ)k為： （1）其中：(2) 能量群的定義 “能量群”指電流i(n)或其傅里葉變換形式在1歐姆電阻上消耗的能量13，可由Parseval關(guān)系式14表示，如式(2)所示： （2）因此，在-至+的頻率帶上所消耗的能量為： （3）由式(2)可得在角頻率附近的所有非周期性分量： （4）對(duì)式(3)中的非周期電流進(jìn)行DFT可得： （5）式中：，。但

12、基于轉(zhuǎn)換效率的考慮，實(shí)際工程應(yīng)用中多采用FFT。若式(3)采用FFT的結(jié)果，那么I(k)周圍的諧波群則可以離散形式給出。因此通過式（6），即可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)電流進(jìn)行諧波檢測(cè)： （6）p參數(shù)由頻帶的寬度決定，其取值應(yīng)當(dāng)足夠小，以確保精確檢測(cè)出I(k)*中全部所含頻率。本文中采用PSCAD搭建的模塊取p=3，間隔步長(zhǎng)為nHz。以n=5次諧波為例，則： （7）由于THD的定義只顧及了周期性分量，而沒有計(jì)及非周期分量。因此采用電能質(zhì)量畸變率（PQD）15表達(dá)。本文中采用的是電流檢測(cè)模塊，結(jié)合諧波群的概念，給出電流電能質(zhì)量畸變率PQDi表達(dá)式如下： （8）式中I1*表示基波及其相鄰頻率段的諧波群幅值，In*

13、則表示n次諧波周圍的群諧波幅值。均由式（6）中的基于“能量群”的諧波檢測(cè)方法求得。圖1 FCC接線方案Fig.1 The wiring scheme of FCC2 實(shí)例仿真及結(jié)果分析2.1 濾波換相換流器介紹現(xiàn)以圖1所示的新型換流變壓器及其濾波系統(tǒng)為例簡(jiǎn)述FCC接線方案及其工作原理9。對(duì)某次諧波而言，由于濾波支路諧振點(diǎn)的選擇及公共繞組零阻抗的設(shè)計(jì)，使得短路回路諧波阻抗電壓接近為零，因此，該短路回路中與諧波阻抗電壓相平衡的諧波電勢(shì)也接近為零，即所需的鐵心諧波磁通接近為零。從而達(dá)到抑制鐵心中諧波磁通的目的。2.2 仿真模型研究中采用的PSCAD/EMTDC高壓直流輸電電磁暫態(tài)仿真模型一次電路接線

14、結(jié)構(gòu)如圖2所示，在實(shí)際的電磁暫態(tài)仿真模型中，從換流站高壓母線起，換流變、換流閥均采用詳細(xì)的三相表示。圖2 基于FCC的HVDC系統(tǒng)仿真平臺(tái)Fig.2 HVDC Platform for Simulation based on FCC transformer其系統(tǒng)參數(shù)為：1）直流側(cè)額定電壓Ud為1000V, 額定功率為Pd=100KW，采用12脈波換流器, 系統(tǒng)單極接線, 觸發(fā)角，換相角。2）整流側(cè)采用新型換流變壓器及其濾波系統(tǒng)，由6臺(tái)單相三繞組變壓器按延邊三角形接線組成；濾波器分為兩組，一組為DT11/13雙調(diào)諧濾波器和ST2單調(diào)諧濾波器并聯(lián)接于閥側(cè)三角形繞組抽頭處；另一組為接于網(wǎng)側(cè)的二階高通

15、濾波器HP2；三相濾波器為Y型接法。3）逆變側(cè)為傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)，其兩組雙調(diào)諧濾波器DT11/23和DT13/25接于網(wǎng)側(cè)，三相濾波器為Y型接法。4）用于純無功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鞣謩e接于內(nèi)部電網(wǎng)兩側(cè)。2.3 仿真內(nèi)容在已搭建的仿真平臺(tái)上，分別設(shè)置直流極母線短路，整流側(cè)交流母線三相短路，逆變側(cè)交流母線三相短路等故障。然后使用搭建的諧波群/PQD檢測(cè)模塊，調(diào)用PSCAD的傅里葉分析模塊對(duì)交流母線電壓進(jìn)行諧波群分析。這里的研究對(duì)象在新型換流變壓器濾波側(cè)中投入相應(yīng)濾波器的2、11、13次及被接線方案抑制的3次諧波，因此設(shè)定傅里葉分析模塊及諧波群分析模塊的諧波次數(shù)為 2、3、11、13 次。通過對(duì)比THD和P

16、QD，觀察典型故障時(shí)瞬態(tài)諧波在該平臺(tái)下的特點(diǎn)。2.4 結(jié)果分析以下所有仿真結(jié)果圖均采用以下方式表示：總THD與PQD對(duì)比圖中，下方區(qū)域?yàn)門HD波形，上方線條為PQD波形；各次諧波對(duì)比圖中，上圖為各次諧波THD波形，下圖為各次諧波PQD波形，各次諧波（群）波形均標(biāo)示于圖上。2.4.1 直流線路故障在直流線路上設(shè)置極對(duì)地故障，仿真設(shè)置為：總時(shí)長(zhǎng)10.0 s，故障設(shè)置在1.0 s處，持續(xù)時(shí)間0.2 s。THDPQD（a）THD/PQD波形對(duì)比13th11th11th13th3rd2nd3rd2nd（b）2、3、11、13次諧波波形/諧波群波形對(duì)比圖3極接地故障時(shí)間段波形Fig.3 Waveform

17、during the fault圖3仿真結(jié)果顯示，故障發(fā)生前系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，故障發(fā)生后，各次諧波立即放大。對(duì)含有諧波群檢測(cè)模塊的結(jié)果，各次諧波PQD均比其THD更高，尤其故障發(fā)生瞬間，由于母線電壓突變，顯然有非周期分量及間/次諧波產(chǎn)生，PQD相較THD明顯的更高，而且這里可以看出，尤以二次諧波群增加最為明顯，可見此時(shí)系統(tǒng)有大量頻率為100Hz左右的間諧波產(chǎn)生。1.2s時(shí)故障恢復(fù)，但諧波在極短時(shí)間內(nèi)（約0.3s），到1.5s時(shí)基本恢復(fù)到正常工作波形，系統(tǒng)方重新回到正常運(yùn)行狀態(tài)。2.4.2 整流側(cè)交流母線三相接地故障在整流側(cè)交流母線線路上設(shè)置三相接地故障，仿真設(shè)置同上。圖4仿真結(jié)果顯示，故障發(fā)生前系

18、統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，故障發(fā)生后，總畸變率及各次諧波迅速激增，由于短路發(fā)生點(diǎn)即為算法檢測(cè)的整流側(cè)交流母線，在極短時(shí)間內(nèi)各次諧波波形又迅速降至零點(diǎn)，在整個(gè)故障期間，都基本維持為零。1.2s時(shí)故障恢復(fù)，電壓恢復(fù)，總畸變率與各次諧波也在極短時(shí)間內(nèi)迅速激增，再迅速衰減，但2、3次諧波與諧波群的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，THD波形在0.05s內(nèi)回復(fù)到了0點(diǎn)并維持了約0.05s，而后又出現(xiàn)一次小幅增加，到1.5s時(shí)基本恢復(fù)到正常工作波形；而PQD波形在這段過程中卻相對(duì)平穩(wěn)，可見這段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)仍受非周期分量及間次諧波等非正常因素影響，而常規(guī)的快速傅里葉變換（FFT）是無法檢測(cè)出的。THDPQD（a）THD/PQD波形對(duì)比13t

19、h13th11th11th2nd3rd3rd2nd（b）2、3、11、13次諧波波形/諧波群波形對(duì)比圖4 整流側(cè)三相接地故障時(shí)間段波形Fig.4 Waveform during the fault in Rectifier side2.4.3 逆變側(cè)交流母線三相接地故障在逆變側(cè)交流母線線路上設(shè)置三相接地故障，仿真設(shè)置同上。THDPQD（a）THD/PQD波形對(duì)比11th13th13th11th3rd3rd2nd2nd（b）2、3、11、13次諧波波形/諧波群波形對(duì)比圖5 逆變側(cè)三相接地故障時(shí)間段波形Fig.5 Waveform during the fault in inverter side

20、圖5仿真結(jié)果顯示，故障發(fā)生前系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，故障發(fā)生后，總畸變率及各次諧波迅速放大，但其放大倍率與短路發(fā)生整流側(cè)交流母線時(shí)相較為低，1.2s時(shí)故障恢復(fù)，但無論P(yáng)QD還是THD，總畸變率與各次諧波都沒有立即恢復(fù)，而是持續(xù)震蕩一段時(shí)間，其中仍以2、3次諧波及諧波群最為突出，對(duì)比其THD與PQD波形可以看出，THD波形表現(xiàn)為尖峰毛刺多而小，PQD尖峰卻是少而銳。1.5s時(shí)基本恢復(fù)到正常工作波形，系統(tǒng)重新回到正常運(yùn)行狀態(tài)。3 結(jié)論本文采用PSCAD對(duì)采用濾波換相換流器方案的直流輸電平臺(tái)進(jìn)行了建模仿真，根據(jù)各類典型故障得到的分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：1） 諧波群波形總是不小于諧波波形的，在極母線故障中2次諧

21、波群的增加尤為明顯；2） 在兩種三相母線短路故障中， 諧波波形與諧波群波形變化趨勢(shì)趨向一致但細(xì)節(jié)上略有不同，此時(shí)應(yīng)考慮同時(shí)采用兩種檢測(cè)方法的聯(lián)合判斷；3） 諧波群波形與諧波波形相比毛刺及尖峰較少，但卻更銳，尖峰幅值更大。可能是受消除頻譜泄露算法的影響，雖然濾去了噪聲但可能也會(huì)出現(xiàn)精度的降低，這點(diǎn)還值得更進(jìn)一步的研究。參考文獻(xiàn)1 李興源. 高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制M. 北京：科學(xué)出版社，1998.2 王楠, 肖先勇, 曾頌崎, 等. 基于插值線性調(diào)頻Z變換的間諧波分析方法J. 電網(wǎng)技術(shù), 2007, 31(18): 43-47.Wang Nan, Xiao Xianyong, Zeng So

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