hvdc受端逆變器的短路電流對電網(wǎng)供配電網(wǎng)的影響

hvdc受端逆變器的短路電流對電網(wǎng)供配電網(wǎng)的影響

0系統(tǒng)負荷對直流輸電運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)的最大負荷周期內(nèi)。結(jié)果表明，系統(tǒng)負荷對直接電源的運行有一定的影響。高壓直流輸電(HVDC)受端系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的問題主要是在運行中產(chǎn)生的，當(dāng)直流輸電容量大，且系統(tǒng)的地區(qū)負荷在峰值附近時，會產(chǎn)生換相失敗，或產(chǎn)生直流的后續(xù)振蕩，尤其在高負荷期間，即使系統(tǒng)出現(xiàn)幅值不大的小擾動，都會引起系統(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)阻抗和運行著的發(fā)電機容量。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，換相將失敗；隨后引起直流系統(tǒng)在其自振頻率附近振蕩，引起控制保護動作。近年來，由于受端交流系統(tǒng)負荷猛漲，直流輸電的容量也一直增加，在負荷最高時，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)短路電流是否會受到交流系統(tǒng)負荷的影響，經(jīng)過初步研究，認為系統(tǒng)短路容量與系統(tǒng)負荷有關(guān)。最簡單的情況，如果將發(fā)電機歸并到一組，成為單電源等值系統(tǒng)，研究系統(tǒng)可以用圖1來表示。圖中，T表示換相位置；ZCm,n代表分路負荷阻抗，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。觀察負荷阻抗ZCm,n對短路電流的作用有2個方法：一是用等值阻抗法，即將ZCm,n計入系統(tǒng)后，用一個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單獨的阻抗，如圖2所示。或其中xf表示換相電抗或故障點阻抗。二是用戴維南定理。負載ZCm,n變化時，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，即電源電壓與負載無關(guān)。因此用等值阻抗對問題討論比較方便，可以證明在任何負載情況下，都可以從Utm,n,Ztm,n推導(dǎo)出Zem,n；實際短路電流計算式(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項，如果該項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算出的阻抗絕對值,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)計算結(jié)果完全相同。ZCm,n與線路負載及功率因數(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；在滯后負載功率因數(shù)側(cè)短路電流If減小，而在這種情況對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，在負載呈容性時，會增大短路電流，尤其在負載阻抗小于1pu時，短路電流增大相當(dāng)明顯。如果地區(qū)負載中帶有大量的電力電容器，它會與系統(tǒng)電抗形成諧振關(guān)系。以最簡單的兩端電源系統(tǒng)為例，在其換流點附近有集中的地區(qū)負荷，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)負載ZCm,n未增加時，其穩(wěn)態(tài)相量圖如圖5(b)。作2個假設(shè)使問題簡單化：(1)假定在地區(qū)負載ZCm,n變化時，系統(tǒng)各點電壓分布不變。由于傳送功率不變，假定負載變化時，相量關(guān)系不變。而事實上在ZC很小的情況下，相量的變化還是很明顯的；(2)假設(shè)短路是對稱的，分析圖5(a)系統(tǒng)時，使用戴維南方法先算出等值阻抗和開路電壓，但這2項必須按負載而定。經(jīng)過簡單計算，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為感性負載較大(阻抗小)時，嚴重影響短路電流的幅值。上述情況與實際電力系統(tǒng)的電壓分布情況有很大差別，主要原因在于實際電力系統(tǒng)的運行是處在電壓調(diào)節(jié)狀態(tài)下。3發(fā)電機的保護由于地區(qū)負載變化引起負載中心電壓變化，電力系統(tǒng)可以采用2種調(diào)節(jié)方法：一是用電容器補償負荷中心的無功電流，保持系統(tǒng)電壓在允許的范圍；二是控制發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)按傳輸功率的要求調(diào)節(jié)發(fā)電機磁場；這2種方法都是保持負荷中心電壓的重要手段。圖5(a)的系統(tǒng)可以維持負荷中心即ZCm,n兩端電壓恒定，或保持T端的電壓恒定，這樣在負荷大范圍變化時，必須調(diào)發(fā)電機的勵磁以維持系統(tǒng)電壓水平，而負荷中可能已有若干電容器投入運行，電容器發(fā)出的無功與負荷的感性無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)時電容補償后的等值阻抗。令ZCm,n上的電壓為Ur，負載電流為Irm,n，假定Ur和Ut只受傳輸負荷的作用，問題即可簡化。傳輸負荷電流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計算發(fā)電機應(yīng)有的電壓，負載的電流為發(fā)電機在調(diào)節(jié)勵磁后，相當(dāng)于發(fā)電機勵磁電壓Eq′的電壓是經(jīng)電壓調(diào)節(jié)后的流經(jīng)T點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是電流的絕對值，它的三維表示如圖7。在負載功率因數(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，在負載為滯后時，短路電流增大。對比圖6中是在負載超前時短路電流增大，這是因為圖6所描繪的兩側(cè)電壓Ug和Um是固定的，只是改變地區(qū)負荷ZCm,n；圖7則在ZCm,n處電壓固定，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁。由于負載容性，負載中心的電壓已高于發(fā)電機電壓的標(biāo)么值，為了維持地區(qū)電壓，勢必使發(fā)電機勵磁電壓Eq′下降以適應(yīng)負載容性電壓升高。T端發(fā)生短路(換相)時，發(fā)電機電壓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)電機電壓固定的情況下，負載的容性與故障阻抗產(chǎn)生諧振關(guān)系，所以短路電流在負載容性時上升，這就是與圖7結(jié)果相反的原因。4負序網(wǎng)絡(luò)的仿真直流輸電受端在換相時，實際發(fā)生的是兩線間的短路，如果按線間短路計算需要估計負序等值阻抗，前述用三相短路代替的計算是近似的。對稱分量方法提供的線對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)電機上，負序阻抗與它的正序阻抗數(shù)值不等，要進行相應(yīng)的分析和測量。這樣，正序阻抗Z1、Z3和ZCm,n都應(yīng)有其相應(yīng)的負序值，文中對負序阻抗用下標(biāo)2表示，如Z1對應(yīng)的負序為Z12ㄢ計算含有負序的電路，由于負序電路中不含電源，因此可以將負序阻抗簡化成單一阻抗，它與短路阻抗ZFT串聯(lián)成一個新的ZF。正序與負序合并電路可表示為圖9ㄢ圖8中ZFT包括2個內(nèi)容：故障電抗和換流變電抗，負序網(wǎng)絡(luò)中阻抗的第2下標(biāo)表示負序值，n表示中點。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，ZCm,n和ZF中的ZCm,n只能各取一個復(fù)數(shù)值，為了便于觀察地區(qū)負荷ZCm,n對換流電流的影響，這里采用疊加計算方法給出換流(故障)電流的表達式。首先將負序網(wǎng)絡(luò)縮并成簡單阻抗Zf2m,n，因為負序中包含地區(qū)負荷的變化，所以它必須有負荷大小n，和功率因數(shù)下標(biāo)m，圖9網(wǎng)絡(luò)中故障點(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，正常換流時為零；Zf2m,n為負序網(wǎng)絡(luò)縮簡后的阻抗。式中ZCZm,n為負序網(wǎng)絡(luò)中可變負載對應(yīng)的負序阻抗。根據(jù)對稱分量法得出的線線間故障電流表達為其中Uf是故障點電壓，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)負荷情況下，用疊加法將圖9電路分解成2個電源完全解耦的形式，用上述參數(shù)，將形成圖10的電路。計算換相電流IT，先在穩(wěn)態(tài)時用負荷潮流確定Ug和Um的幅值和相位，再用正負序參數(shù)計算出圖10中各阻抗在特定的功率因數(shù)和負荷大小(m和n)時的值(復(fù)量)。圖中：系統(tǒng)兩端的發(fā)電機仍用穩(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序阻抗中負荷可變部分Zfi2m,n，式(26)中設(shè)有正序負荷阻抗ZCm,n，換相正序電流換流電流與Ia1m,n垂直：相應(yīng)的負序網(wǎng)絡(luò)的組成與正序相同，負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)負荷為感性時，當(dāng)負荷增大到最大負荷的80%左右，換相電流Iconv明顯下降。如果地區(qū)負載總和呈容性，從圖11可以看出容性負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大負載下?lián)Q流過程的影響從文中第3節(jié)分析可知，容性負荷增加會增大換相電流。在目前用電容器作為主要的無功補償手段的情況下，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)大負載下的換流過程。在直流輸電的受端，逆變所需要的無功補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)；由于它的運行是相對固定的，即可不隨地區(qū)負載變化而改變補償電容量，因此，這些并聯(lián)電容器對支持大負荷下的換流作用是不大的。如果電容容量能隨地區(qū)負載的增減而變化，可望獲得良好的諧振條件，并可明顯提高大負載下的換流能力，而靜止無功補償器SVC就具備這個能力。無功補償電容不可能過量使用，因為過多的電容電流會使系統(tǒng)電壓過高。為了使負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地區(qū)負荷包括電容補償，呈超前功率因數(shù)。換相電流的增大，可以認為系統(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)負載會影響系統(tǒng)短路電流，也就是在受端負載增大時換相電流會減小。因此在受端系統(tǒng)負載過大的情況下會出現(xiàn)直流輸電逆變不穩(wěn)定現(xiàn)象。如果地區(qū)負荷增大很大又呈現(xiàn)容性，可能發(fā)生2種情況：(1)系統(tǒng)不調(diào)壓，在負荷出現(xiàn)大容性電流時，系統(tǒng)會發(fā)生短路電流增大現(xiàn)象；(2)若系統(tǒng)通過發(fā)電機勵磁來調(diào)節(jié)負荷中的電壓，因容性負荷提升電壓，而勵磁使電壓下調(diào)，形成容性負荷時短路電流下降。用對稱分量法進行兩端電源的系統(tǒng)計算，考慮到換相過程中，會出現(xiàn)短時的兩線間短路，在負載很大又呈容性時，就會產(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)電容補償換相電抗不失為一種用來增