柔性直流输电系统主回路换相电感的参数设计

庄明振,高 磊,李 丹,袁 满

(1.东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012;2.国网新疆电力公司吐鲁番供电公司,新疆 吐鲁番 838000)



柔性直流输电系统主回路换相电感的参数设计

庄明振1,高 磊2,李 丹1,袁 满1

(1.东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012;2.国网新疆电力公司吐鲁番供电公司,新疆 吐鲁番 838000)

柔性直流输电系统的换相电感是电网侧与换流器侧进行能量交换的纽带,其取值大小影响着系统的运行行为以及经济性。笔者基于以往换相电感参数设计基础上,从电感参数与系统功率传输、电流快速跟踪以及谐波电流抑制的关系出发进行了电感参数设计。同时利用PSCAD/EMTDC仿真了电感在适用范围内、外两种情况,其对比分析结果验证了该电感设计方法的正确性。

功率传输;电流快速跟随;谐波电流抑制;PSCAD/EMTDC仿真

基于电压源换流器(VSC)和脉冲宽度调制技术(PWM)的柔性直流输电系统极大地增大了输电的灵活性,在可再生能源并网、孤岛供电、分布式发电并网等诸多领域得到了广泛应用[1-2]。柔性直流输电系统包括两端交流系统、两个换流站、直流输电线、滤波器、变压器、换相电感以及稳压电容等。

换相电感作为柔性直流输电系统的关键器件,可以隔离电网与电压源换流器、抑制谐波电流等,对整个系统的性能起到了至关重要的作用。关于换相电感的参数设计,文献[3-4]介绍的方法是针对整流器或者多端直流输电的桥臂电感而设计,但对柔性直流输电系统不能直接应用;文献[5]提出的设计方法适用于柔性直流输电系统,但是没有对电感取值。对此,本文考虑电感与系统功率传输、快速电流跟踪、谐波电流抑制的关系,提出了主回路中换相电感的参数设计方法。同时,在电感参数满足本文方法要求与不满足本文方法要求两种情况下,利用电磁仿真软件PSCAD/EMTDC进行仿真对比分析,其结果证明了该设计方法的可行性。

1 柔性直流输电系统基本原理

本文采用的两端柔性直流输电系统如图1所示。

图1 两端柔性直流输电系统拓扑图

(1)

由式(1)可知,有功功率的传输主要依靠于Uc与θ,通过控制Uc与θ可以改变有功功率的大小与传输方向。

通过以上分析,可将换相电感的作用归纳如下:

1) 隔离电网侧与电压源换流器侧。

2) 抑制输入电流中的谐波,使电流连续,从而使得换流器交流侧电流正弦化。

3) 完成能量的存储和传输,控制能量双向流动等[6-7]。

2 柔性直流输电系统电感设计

2.1 考虑系统功率传输要求

柔性直流输电系统的主要功能是传输功率,电感作为储能元件,其取值制约着系统功率传输能力。电压源换流器交流侧矢量图如图2所示。

图2 电压源换流器交流侧矢量图

Uam=Usm+ωLIm

(2)

式中:Uam为换流器交流侧相电压峰值;Usm为网侧相电压峰值;Im为流过电感的相电流峰值。

则电感取值为

(3)

为保证电压源换流器的正常工作,对直流电压有如下要求:

Uam≤λEdc

(4)

联立式(2)、(3)、(4)可得:

2.2 考虑快速电流跟踪要求

设Sl(l=a、b、c)表示整流桥桥臂上三相电压开关状态的单极性二值逻辑开关函数[9],则

电压源换流器交流侧电压为

换流站交流侧微分方程为

在电流过零点附近实际电流i与参考电流i*如图3所示。

稳态条件下,当0≤ωt≤T1时,Sa=0,则

当T1≤ωt≤T2时,Sa=1,则

满足电流快速跟踪时,需要

为了取得最大的电流跟踪速率,Sb=1,Sc=1,T1=Ts,则

图3 电流过零点处跟踪图

2.3 考虑抑制谐波电流要求

电压源换流器是基于脉冲宽度调制技术的非线性电力电子器件,因此在柔性直流输电系统中存在大量谐波[10]。在正弦波电流峰值附近,谐波电流波动最大,这时电感应该设计的足够大,才能满足抑制电流谐波的要求。考虑在电流峰值附近的一个PWM周期内电流跟踪过程,在电流峰值附近一个PWM周期内的实际电流i与参考电流i*波形如图4所示。

图4 电流峰值处跟踪图

在峰值电流附近很小的一个PWM周期内,认为参考电流i*是一条直线,实际电流在一个周期内的充放电量应尽量相同。在0≤ωt≤T1时,换流器A相下桥臂开通,电路给电感充电,电流上升,实际电流增长量为|Δi1|,此时有

则可得到

(5)

在T1≤ωt≤T2时,换流器A相上桥臂导通,电感放电,实际电流下降,下降量为|Δi2|,此时有

则可得到

(6)

为使峰值附近电流波动更小,须使

|Δi1|=|Δi2|

(7)

由式(5)、(6)、(7)得电感的取值范围如下:

其中,Δimax在工程上一般取相电流基波峰值的20%左右。

3 算例分析

为了验证电感参数设计方法可行性,针对一个实际系统进行设计,利用PSCAD/EMTDC软件进行仿真分析。系统参数如下:交流母线线电压有效值为110 kV,经一个110/10 kV的变压器进行隔离;电压变为10 kV;传输的有功功率为5 MW;无功功率为2 Mvar;系统频率为50 Hz;PWM载波频率为3000 Hz;直流侧电压为25 kV。根据本文的设计方法,电感参数满足系统功率传输要求时,必须小于0.03 H;满足快速电流跟踪要求时,必须小于0.12 H;满足抑制谐波要求时,必须大于0.014 H,最终确定电感参数为0.03 H。电感参数越小,系统功率传输和快速电流跟踪的要求越易满足;参数越大,抑制谐波电流的要求越易满足。为了增强对比性,本文在电感取值为0.03 H和0.05 H时,对系统分别进行了仿真分析。系统传输功率如图5所示,交流侧A相电流如图6所示,直流侧电压如图7所示。

图5 系统传输功率示意图

从图5(a)看出,电感设计为0.03 H时,输送的有功功率为5 MW,无功功率为2 Mvar,系统功率输送正常;从图5(b)可以看出,电感设计为0.05 H时,系统功率传输的要求无法满足,系统可能面临崩溃的风险。从图6(a)看出,电感设计为0.03 H时,送端交流侧电流为正弦波,电流在过零点处响应迅速,在峰值处存在微小谐波;从图6(b)可以看出,电感设计为0.05 H时,虽然电流峰值处谐波有所减小,但是无法满足电流过零点处的快速跟踪要求,交流侧电流不再是正弦波。从图7可以看出,直流电压维持在25 kV。

图6 交流侧A相电流图

图7 直流侧电压示意图

4 结 语

柔性直流输电系统主回路换相电感参数设计需要考虑多个方面的因素,本文考虑满足系统功率传输、电流快速跟踪、谐波电流抑制等方面进行分析,给出了电感参数选择的适用范围。满足系统功率传输要求时,电感参数越小越好;满足电流快速跟踪要求时,电感参数越小越好;满足谐波电流抑制要求时,电感参数越大越好。同时,利用PSCAD/EMTDC平台仿真了电感参数满足以上要求以及电感参数不满足以上要求两种情况,其仿真结果验证了本文提出电感设计方法的正确性。

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(责任编辑 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。

庄明振(1989—),女,硕士研究生,研究方向为柔性直流输电。

TM721.1

A

2095-6843(2016)05-0447-04