柔性直流輸電系統主回路換相電感的參數設計

莊明振,高 磊,李 丹,袁 滿

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.國網新疆電力公司吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000)

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柔性直流輸電系統主回路換相電感的參數設計

莊明振1,高 磊2,李 丹1,袁 滿1

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.國網新疆電力公司吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000)

柔性直流輸電系統的換相電感是電網側與換流器側進行能量交換的紐帶,其取值大小影響著系統的運行行為以及經濟性。筆者基于以往換相電感參數設計基礎上,從電感參數與系統功率傳輸、電流快速跟蹤以及諧波電流抑制的關系出發進行了電感參數設計。同時利用PSCAD/EMTDC仿真了電感在適用范圍內、外兩種情況,其對比分析結果驗證了該電感設計方法的正確性。

功率傳輸;電流快速跟隨;諧波電流抑制;PSCAD/EMTDC仿真

基于電壓源換流器(VSC)和脈沖寬度調制技術(PWM)的柔性直流輸電系統極大地增大了輸電的靈活性,在可再生能源并網、孤島供電、分布式發電并網等諸多領域得到了廣泛應用[1-2]。柔性直流輸電系統包括兩端交流系統、兩個換流站、直流輸電線、濾波器、變壓器、換相電感以及穩壓電容等。

換相電感作為柔性直流輸電系統的關鍵器件,可以隔離電網與電壓源換流器、抑制諧波電流等,對整個系統的性能起到了至關重要的作用。關于換相電感的參數設計,文獻[3-4]介紹的方法是針對整流器或者多端直流輸電的橋臂電感而設計,但對柔性直流輸電系統不能直接應用;文獻[5]提出的設計方法適用于柔性直流輸電系統,但是沒有對電感取值。對此,本文考慮電感與系統功率傳輸、快速電流跟蹤、諧波電流抑制的關系,提出了主回路中換相電感的參數設計方法。同時,在電感參數滿足本文方法要求與不滿足本文方法要求兩種情況下,利用電磁仿真軟件PSCAD/EMTDC進行仿真對比分析,其結果證明了該設計方法的可行性。

1 柔性直流輸電系統基本原理

本文采用的兩端柔性直流輸電系統如圖1所示。

圖1 兩端柔性直流輸電系統拓撲圖

(1)

由式(1)可知,有功功率的傳輸主要依靠于Uc與θ,通過控制Uc與θ可以改變有功功率的大小與傳輸方向。

通過以上分析,可將換相電感的作用歸納如下:

1) 隔離電網側與電壓源換流器側。

2) 抑制輸入電流中的諧波,使電流連續,從而使得換流器交流側電流正弦化。

3) 完成能量的存儲和傳輸,控制能量雙向流動等[6-7]。

2 柔性直流輸電系統電感設計

2.1 考慮系統功率傳輸要求

柔性直流輸電系統的主要功能是傳輸功率,電感作為儲能元件,其取值制約著系統功率傳輸能力。電壓源換流器交流側矢量圖如圖2所示。

圖2 電壓源換流器交流側矢量圖

Uam=Usm+ωLIm

(2)

式中:Uam為換流器交流側相電壓峰值;Usm為網側相電壓峰值;Im為流過電感的相電流峰值。

則電感取值為

(3)

為保證電壓源換流器的正常工作,對直流電壓有如下要求:

Uam≤λEdc

(4)

聯立式(2)、(3)、(4)可得:

2.2 考慮快速電流跟蹤要求

設Sl(l=a、b、c)表示整流橋橋臂上三相電壓開關狀態的單極性二值邏輯開關函數[9],則

電壓源換流器交流側電壓為

換流站交流側微分方程為

在電流過零點附近實際電流i與參考電流i*如圖3所示。

穩態條件下,當0≤ωt≤T1時,Sa=0,則

當T1≤ωt≤T2時,Sa=1,則

滿足電流快速跟蹤時,需要

為了取得最大的電流跟蹤速率,Sb=1,Sc=1,T1=Ts,則

圖3 電流過零點處跟蹤圖

2.3 考慮抑制諧波電流要求

電壓源換流器是基于脈沖寬度調制技術的非線性電力電子器件,因此在柔性直流輸電系統中存在大量諧波[10]。在正弦波電流峰值附近,諧波電流波動最大,這時電感應該設計的足夠大,才能滿足抑制電流諧波的要求。考慮在電流峰值附近的一個PWM周期內電流跟蹤過程,在電流峰值附近一個PWM周期內的實際電流i與參考電流i*波形如圖4所示。

圖4 電流峰值處跟蹤圖

在峰值電流附近很小的一個PWM周期內,認為參考電流i*是一條直線,實際電流在一個周期內的充放電量應盡量相同。在0≤ωt≤T1時,換流器A相下橋臂開通,電路給電感充電,電流上升,實際電流增長量為|Δi1|,此時有

則可得到

(5)

在T1≤ωt≤T2時,換流器A相上橋臂導通,電感放電,實際電流下降,下降量為|Δi2|,此時有

則可得到

(6)

為使峰值附近電流波動更小,須使

|Δi1|=|Δi2|

(7)

由式(5)、(6)、(7)得電感的取值范圍如下:

其中,Δimax在工程上一般取相電流基波峰值的20%左右。

3 算例分析

為了驗證電感參數設計方法可行性,針對一個實際系統進行設計,利用PSCAD/EMTDC軟件進行仿真分析。系統參數如下:交流母線線電壓有效值為110 kV,經一個110/10 kV的變壓器進行隔離;電壓變為10 kV;傳輸的有功功率為5 MW;無功功率為2 Mvar;系統頻率為50 Hz;PWM載波頻率為3000 Hz;直流側電壓為25 kV。根據本文的設計方法,電感參數滿足系統功率傳輸要求時,必須小于0.03 H;滿足快速電流跟蹤要求時,必須小于0.12 H;滿足抑制諧波要求時,必須大于0.014 H,最終確定電感參數為0.03 H。電感參數越小,系統功率傳輸和快速電流跟蹤的要求越易滿足;參數越大,抑制諧波電流的要求越易滿足。為了增強對比性,本文在電感取值為0.03 H和0.05 H時,對系統分別進行了仿真分析。系統傳輸功率如圖5所示,交流側A相電流如圖6所示,直流側電壓如圖7所示。

圖5 系統傳輸功率示意圖

從圖5(a)看出,電感設計為0.03 H時,輸送的有功功率為5 MW,無功功率為2 Mvar,系統功率輸送正常;從圖5(b)可以看出,電感設計為0.05 H時,系統功率傳輸的要求無法滿足,系統可能面臨崩潰的風險。從圖6(a)看出,電感設計為0.03 H時,送端交流側電流為正弦波,電流在過零點處響應迅速,在峰值處存在微小諧波;從圖6(b)可以看出,電感設計為0.05 H時,雖然電流峰值處諧波有所減小,但是無法滿足電流過零點處的快速跟蹤要求,交流側電流不再是正弦波。從圖7可以看出,直流電壓維持在25 kV。

圖6 交流側A相電流圖

圖7 直流側電壓示意圖

4 結 語

柔性直流輸電系統主回路換相電感參數設計需要考慮多個方面的因素,本文考慮滿足系統功率傳輸、電流快速跟蹤、諧波電流抑制等方面進行分析,給出了電感參數選擇的適用范圍。滿足系統功率傳輸要求時,電感參數越小越好;滿足電流快速跟蹤要求時,電感參數越小越好;滿足諧波電流抑制要求時,電感參數越大越好。同時,利用PSCAD/EMTDC平臺仿真了電感參數滿足以上要求以及電感參數不滿足以上要求兩種情況,其仿真結果驗證了本文提出電感設計方法的正確性。

[1] 馬為民,吳方劼,楊一鳴,等.柔性直流輸電技術的現狀及應用前景分析[J].高電壓技術,2014,40(8):2429-2439.MA Weimin, WU Fangjie, YANG Yiming, et al.Flexible HVDC transmission technology’s today and tomorrow[J].High Voltage Engineeing, 2014,40(8):2429-2439.

[2] 馬成廉,潘文明,姚天亮,等.VSC-HVDC系統在交流電網非故障時的控制策略研究[J].東北電力大學學報,2015,35(6):26-32.MA Chenglian, PAN Wenming, YAO Tianliang, et al.Research on control strategy of VSC-HVDC in AC power grid[J].Journal of Northeast Dianli University, 2015,35(6):26-32.

[3] 王久和,李華德,王立明.電壓型 PWM 整流器直接功率控制系統[J].中國電機工程學報,2006,26(18):54-60.WANG Jiuhe, LI Huade, WANG Liming.Direct power control system of three phase boost type PWM rectifiers[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(18):54-60(in Chinese).

[4] 李亞男,蔣維勇,余世峰,等.舟山多端柔性直流輸電工程系統設計[J].高電壓技術,2014,40(8):2490-2496.LI Yanan, JIANG Weiyong, YU Shifeng, et al.System design of Zhoushan multi-terminal VSC-HVDC transmission project[J].High Voltage Engineering, 2014,40(8):2490-2496.

[5] 殷自力,羅彥青.柔性直流輸電系統換流電抗器參數設計[J].電力科學與工程,2008,24(2):40-42.YIN Zili, LUO Yanqing.Parameter design of converter reactor for VSC-HVDC system[J].Electric Power Science and Engineering, 2008,24(2):40-42.

[6] TU Q R, XU Z, XU L.Reduced switching-frequency modulation and circulating current suppression for modular multilevel converters[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(3):2009-2017.

[7] ILVES K, ANTONOPOULOS A, NORRGA S, et al.Steady-state analysis of interaction between harmonic components of arm and line quantities of modular multilevel converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(1):57-68.

[8] 殷自力,李庚銀,李廣凱,等.柔性直流輸電系統運行機理分析及主回路相關參數設計[J].電網技術,2007,31(21):16-26.YIN Zili, LI Gengyin, LI Guangkai, et al.Analysis on operational mechanism of VSC-HVDC and relevant parameter dDesign of its main circuit[J].Power System Technology, 2007,31(21):16-26.

[9] 華東,李永東,程志江,等.改進PR控制在直驅風機變流器中的應用[J].電測與儀表,2015,52(16):67-71.HUA Dong, LI Yongdong, CHENG Zhijiang, et al.Application of the improved PR controller in converter system of DD-PMSG[J].Electrical Measurement &Instrumentation,2015,52(16):67-71.

[10] 鐘慶,黃凱,王鋼,等.不對稱三相電壓下電壓源型換流器諧波分析與抑制策略[J].電力系統自動化,2014,38(4):79-85.ZHONG Qing, HUANG Kai, WANG Gang, et al.Harmonic analysis and elimination strategy for voltage source converter under unbalanced three-phase voltage[J].Automation of Electric Power System,2014,38(4):79-85.

(責任編輯 郭金光)

Parameter design of commutation inductance of main circuit of VSC-HVDC transmission system

ZHUANG Mingzhen1, GAO Lei2, LI Dan1,YUAN Man1

(1.Electrical Engineering College, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China;2.State Grid Xinjiang Power Company, Turpan Power Supply Company, Tulufan 838000, China)

The commutation inductance of VSC-HVDC transmission system is the tie to energy exchange between grid side and converter side.Besides, its value affects the running behavior and the economical efficiency of the system.The author, according to the previous parameter design of commutation inductance, designed the inductance parameter from the aspect of power transmission, fast current tracking and harmonic current suppressing.Through the simulation of inductance in and not in the scope of application via PSCAD/EMTDC, the result verifies the correctness of the design method.

power transmission;fast current tracking;harmonic current suppressing;PSCAD/EMTDC simulation

2016-04-26。

莊明振(1989—),女,碩士研究生,研究方向為柔性直流輸電。

TM721.1

A

2095-6843(2016)05-0447-04