含UPFC線路的諧波特性仿真分析

劉思宇,劉　青

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,河北 保定 071003)

?

·輸變電與特高壓·

含UPFC線路的諧波特性仿真分析

劉思宇,劉青

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,河北 保定 071003)

針對統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)在輸電線路中產(chǎn)生的諧波導(dǎo)致線路保護誤動的問題,利用PSCAD軟件對UPFC建立數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用快速傅里葉變換法(FFT)詳細分析了UPFC安裝在輸電線路不同位置下的電流諧波特征,發(fā)現(xiàn)UPFC在線路首端時電流諧波含量最小。同時也研究了不同故障類型情況下電流的各次諧波變化特征,并用這些特征區(qū)分繼電保護中線路正常與故障狀態(tài),判別故障類型和故障相的判別元件,為提出新的保護原理奠定基礎(chǔ)。

UPFC;諧波特性;FFT;保護;PSCAD

統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)是所有FACTS元件中最復(fù)雜也是最具有創(chuàng)造性的一種裝置,它能夠同時或分別調(diào)節(jié)輸電線路的電壓、相角、阻抗,對線路的有功、無功進行有效控制[1-2]。但是它作為一種新型設(shè)備的加入,也給輸電線路帶來了一些新問題。由于UPFC相當(dāng)于STATCOM和SSSC裝置的組合,而二者均使用了大量大功率電力電子器件,因此,UPFC的加入會使線路產(chǎn)生大量特征諧波和非特征諧波。這些諧波會對線路中的繼電保護設(shè)備產(chǎn)生干擾,電網(wǎng)的電能質(zhì)量也會隨之下降。因此,深入研究UPFC元件產(chǎn)生的諧波特性以及對諧波進行詳細分析,對提高電網(wǎng)電能質(zhì)量,設(shè)計改進線路保護措施具有重要意義。

目前,國內(nèi)對UPFC裝置加入輸電線路后產(chǎn)生的諧波在區(qū)別正常與故障方面的研究還很少。發(fā)表的文獻主要討論了含UPFC線路的輸出電壓、電流的諧波問題,分析了輸出電壓、電流的形成原因及其產(chǎn)生的規(guī)律,并提出了減小該種諧波的方法。文獻[3-4]通過改變變壓器的接線方式,分別結(jié)合UPFC主電路結(jié)構(gòu)以及特定諧波消去調(diào)制技術(shù)提出兩種不同的方法。文獻[5]驗證了適當(dāng)調(diào)節(jié)控制方法中的優(yōu)化環(huán)節(jié)在SSSC能夠使輸出電壓的諧波含量最小,并提出可以將該思想應(yīng)用在UPFC的逆變器控制中。文獻[6]提出了在載波頻率和正弦調(diào)制波上疊加一個三次波使之成為鞍形波的新方法,總結(jié)含UPFC輸電線路產(chǎn)生的諧波特征,能夠區(qū)分線路運行的正常狀態(tài)和故障狀態(tài),并判別出故障狀態(tài)下的故障類型以及故障相?；诖?本文利用PSCAD軟件建立了UPFC的基本模型,利用FFT模塊對加入UPFC后的線路電流進行諧波分析,得到UPFC在不同安裝位置時的主要諧波次數(shù)及諧波含量,并發(fā)現(xiàn)將UPFC放在線路首端時諧波含量最小。同時,詳細分析了不同故障類型及不同運行時間下的三相電流諧波特征,也利用這些諧波特征在繼電保護中區(qū)分正常和故障狀態(tài),判別故障類型以及故障相,為提出新的保護原理奠定了基礎(chǔ)。

1　UPFC基本原理

UPFC一般是由2個電壓源型的變流器和1個公共直流側(cè)電容器組成。并聯(lián)側(cè)變流器通過1個并聯(lián)變壓器接入輸電線路,串聯(lián)側(cè)變流器通過1個串聯(lián)變壓器接入輸電線路,并在2個變流器之間接入電容器[7],如圖1所示。

圖1　UPFC原理圖

并聯(lián)側(cè)的變流器可以隨意地與輸電線路進行有功和無功的傳遞,并通過直流電容器為串聯(lián)變流器提供有功支持。串聯(lián)變流器通過串聯(lián)變壓器向輸電線路注入1個幅值和相角均可控的補償電壓,隨著注入電壓幅值、相角的不斷變化,可以控制輸電線路上的等效阻抗、電壓、有功及無功,等效電路如圖2所示。

圖2　等效電路圖

UPFC有多種不同的工作方式,即:并聯(lián)補償、串聯(lián)補償、相位角調(diào)節(jié)以及該3種方式的結(jié)合[8]。

2　UPFC輸電線路模型的建立

230 kV雙機系統(tǒng)建立的仿真模型如圖3所示。

圖3　含UPFC的230 kV雙機系統(tǒng)

將UPFC安裝在AD線路的BC段上,線路AD總長200 km。UPFC的額定容量為100 MVA,其內(nèi)部的并聯(lián)變壓器變比為230/20 kV,串聯(lián)變壓器的變比為20/230 kV,直流側(cè)電容為2000 μF。仿真過程中,在0.5 s時發(fā)生故障,故障持續(xù)0.2 s后切除。

UPFC采用三相橋式逆變器模型,逆變器輸出采用正弦脈沖調(diào)制技術(shù)(SPWM)進行控制。UPFC模型的逆變器結(jié)構(gòu)如圖4所示[9],其中逆變器的每個橋臂由1個可關(guān)斷晶閘管(GTO)和1個反向并聯(lián)的二極管組成?？申P(guān)斷晶閘管與一般晶閘管有所不同,可關(guān)斷晶閘管經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通后,一旦接收到關(guān)斷信號,就可立刻由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷。由于二極管整流橋的存在,直流電容上的電壓只能是上正下負。但由于可關(guān)斷晶閘管與二極管反向并聯(lián),使橋臂上的電流既可以正向流動也可以反向流動。通過適當(dāng)?shù)目刂?可使電容兩端的電壓基本保持恒定,其作用相當(dāng)于一個直流電壓源。反向二極管和可關(guān)斷晶閘管的作用相當(dāng)于開關(guān)。換流橋交流側(cè)的每一相連接到上下2個開關(guān)上。通過開關(guān)控制信號使得在任一時刻均有開關(guān)保持導(dǎo)通狀態(tài)。上面開關(guān)導(dǎo)通,使該相連接到電壓源的正極,下面開關(guān)導(dǎo)通,則使該相連接到電壓源的負極。

圖4　UPFC逆變器結(jié)構(gòu)

3　諧波仿真與分析

3.1正常運行時,UPFC安裝在不同位置的諧波分析

將UPFC分別安裝在線路的首端、1/4、1/2、3/4、末端處,利用PSCAD中FFT模塊對加入UPFC后線路上的電流進行諧波分析,得到主要次數(shù)的諧波含量如表1所示。

表1　UPFC安裝在不同位置時主要諧波的含量值

由表1可以更清晰地發(fā)現(xiàn),將UPFC安裝在線路首端時所有次數(shù)的諧波含量均明顯小于其他位置。因此,將UPFC安裝在首端能夠使線路上受到諧波的影響最小,對線路上保護的影響也最小。

3.2不同故障類型下含UPFC線路的諧波分析

選擇UPFC的安裝位置為線路首端,設(shè)置不同故障類型,分析故障情況下線路上電流的諧波特征[10]。故障類型分別為A相接地短路,B、C兩相短路,A、B、C三相短路,B、C兩相接地短路和A、B、C三相接地短路。故障時間設(shè)在0.5 s發(fā)生,0.7 s切除,系統(tǒng)總運行時間1 s。主要次數(shù)的電流諧波含量如表2～6所示。

表2　A相接地故障時主要諧波含量

表3　BC兩相短路故障時主要諧波含量

表4　ABC三相短路故障時主要諧波含量

表5　BC兩相接地故障時主要諧波含量

表6　ABC三相接地故障時主要諧波含量

將表1正常運行的數(shù)據(jù)與表2～6的故障數(shù)據(jù)對比,得到以下結(jié)論:

1) 線路發(fā)生故障時,三相電流的諧波幅值明顯高于正常運行時的三相電流諧波幅值。

2) 當(dāng)故障發(fā)生時,由故障相的基波電流突然增大而導(dǎo)致低次諧波含量增加的幅值較大。

3) 故障情況下,故障相的電流諧波幅值明顯高于非故障相的電流諧波幅值。

4) 對于兩相故障,兩相短路時發(fā)生故障的兩相之間電流諧波幅值差距較大,而兩相接地短路時故障的兩相之間電流諧波幅值差距很小,近乎相等。

3.3諧波特征在繼電保護中的作用

根據(jù)上面分析得到的諧波特征,在電力系統(tǒng)繼電保護中,將有助于分析解決諧波導(dǎo)致保護裝置誤動的問題。而且通過詳細分析主要諧波次數(shù)可為設(shè)計濾波裝置提供理論基礎(chǔ)。另外,對于發(fā)生故障的線路,利用線路中三相電流的諧波特征可以在保護中起到如下作用:

1) 區(qū)分線路正常狀態(tài)和故障狀態(tài)。當(dāng)線路輸出三相電流的任何一相諧波幅值大于正常狀態(tài)下該相電流的諧波幅值時,線路發(fā)生故障。

2) 在故障情況下判別故障類型。若線路電流的一相諧波幅值明顯高于另外兩相,則該線路發(fā)生了單相故障;若有兩相電流的諧波幅值高于另外一相,則該線路發(fā)生了兩相故障;若三相電流的諧波幅值均大于正常值,則該線路發(fā)生了三相故障。

3) 在故障情況下判別故障相。線路電流的諧波幅值明顯增大的一相即為故障相。

綜上所述,對諧波特征的分析不僅有利于處理諧波在電力系統(tǒng)中的不利影響,同時也可以將其應(yīng)用在保護中,由特殊諧波次數(shù)及諧波特征提出新的保護理論。

4　結(jié)　語

仿真分析了在含UPFC的線路中輸出電流的諧波特征。通過UPFC在不同安裝位置下的三相電流諧波的主要次數(shù)及含量的比較,得出將UPFC安裝在首端時諧波含量最小。利用不同故障類型下三相電流的諧波特征,能夠判斷正常與故障狀態(tài),在發(fā)生故障時可判別出故障相和故障類型。在繼電保護中,可利用諧波特征為繼電保護新原理的研究提供理論基礎(chǔ)。

[1] 任賢.統(tǒng)一潮流控制器及其對繼電保護的影響[D].北京:華北電力大學(xué),2006.

REN Xian. Unified power flow controller and its influence on relay protection[D]. Beijing: NCEPU, 2006.

[2] 唐愛紅,程時杰.基于PSCAD/EMTDC的統(tǒng)一潮流控制器動態(tài)仿真模型[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29,(16):6-10+60.

TANG Aihong,CHENG Shijie.A dynamic simulation model of UPFC based on PSCAD/EMTDC[J].Power System Technology,2005,29(16):6-10+60.

[3] 石紅芹,曾輝,呂方亮.改進的SPWM等面積算法在UPFC中的應(yīng)用研究[J].微計算機信息,2006,22(22):27-29.

SHI Hongqin,ZENG Hui,LV Fangliang.Application of improved algorithm SPWM equal area of UPFC[J].Microcomputer Information,2006,22(22):27-29.

[4] 雷紹蘭,王靖宇,周林.統(tǒng)一潮流控制器中逆變器特定諧波消去調(diào)制方法研究[J].電力自動化設(shè)備,2003,23(8):13-16.

LEI Shaolan,WANG Jingyu,ZHOU Lin.Modulation method of specific harmonic elimination in UPFC inverter[J].Electric Power Automation Equipment,2003,23(8):13-16.

[5] 譚偉璞,楊以涵,賀仁睦.統(tǒng)一潮流控制器實驗裝置的動態(tài)SPWM方法[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2000,27(1):10-14.

TAN Weipu,YANG Yihan,HE Renmu.Dynamic SPWM method of UPFC experimental device[J].Journal of North China Electric Power University,2000,27(1):10-14.

[6] 岳明道,郭煥銀,李文藝.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力諧波檢測方法[J].儀表技術(shù),2010(12):1-4.

YUE Daoming,GUO Huanyin,LI Wenyi.A method of power harmonic detection based on neural network[J].Instrumentation Technology,2010(12):1-4.

[7] 王晶,陳學(xué)允.UPFC對動態(tài)電能質(zhì)量影響的分析研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2004,19(1):44-48.

WANG Jing,CHEN Xueyun.Study of the impacts of UPFC on dynamic power quality[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2004,19(1):44-48.

[8] 劉艇.含F(xiàn)ACTS元件輸電線路諧波分析[D].昆明:昆明理工大學(xué),2013.

LIU Ting. Harmonic wave analysis of the transmission line with FACTS component[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2013.

[9] 王建,吳捷.統(tǒng)一潮流控制器的建模與控制研究綜述[J].電力自動化設(shè)備,2000,20(6):41-45.WANG Jian,WU Jie.Summary of modeling and control of UPFC[J].Electric Power Automation Equipment,2000,20(6):41-45.

[10] AHSAEE M G, SADEH J. New fault-location algorithm for transmission lines including unified powerflow controller[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2012,27(4):1763-1771.

(責(zé)任編輯郭金光)

Harmonic simulation and analysis of transmission line with UPFC

LIU Siyu, LIU Qing

(State Key Laboratorg of New Energy Power System, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Aiming at the transmission line protection mis-operation caused by the harmonic generated by UPFC, this paper established the mathematical model of UPFC by PSCAD software, and analyzed all kinds of current harmonic content when UPFC was installed in different locations through Fast Fourier Transform Algorithm (FFT). This simulation results show that the amplitudes of harmonics are the least when UPFC was installed in the head of the line. Moreover, this paper discussed the harmonic characteristic of different frequency current under the condition of different fault types. By comparing the harmonic characteristics, the fault type and fault phase can be distinguished, which provides the foundation for protection principle.

UPFC; harmonic characteristic; FFT; protection; PSCAD

2015-12-19;

2016-02-23。

劉思宇(1991—),女,碩士,主要研究方向為柔性交流輸電與智能電網(wǎng)。

TM743

A

2095-6843(2016)03-0218-04