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柔直換流站啟動過程中發(fā)生的空母線高頻諧振，會導(dǎo)致?lián)Q流閥閉鎖，新能源外送失敗。本文構(gòu)建了換流變壓器的高頻模型，并提出了一種換流變壓器高頻模型參數(shù)的反演方法，能較為方便準(zhǔn)確的得到換流變壓器的高頻參數(shù)，揭示了換流變壓器的高頻特性是決定換流站發(fā)生空母線高頻諧振與否的重要因素。
研究背景
在柔直換流站啟動過程中，首先要對換流變壓器進(jìn)行空載加壓充電，在這個過程中很容易發(fā)生空母線高頻諧振現(xiàn)象，最終導(dǎo)致柔直換流站啟動失敗，嚴(yán)重影響新能源的消納能力。之前針對柔直高頻諧振分析忽略了換流變壓器的高頻特性，而且缺乏一種方便準(zhǔn)確的換流變壓器高頻參數(shù)獲取方法，導(dǎo)致無法很好的揭示空母線高頻諧振的發(fā)生機(jī)理。因此對換流變壓器進(jìn)行高頻建模以及提出方便準(zhǔn)確的高頻參數(shù)獲取方法對研究柔直換流站空母線高頻諧振至關(guān)重要。
論文所解決的問題及意義
1. 以往研究其他工況下發(fā)生的高頻諧振時忽略了換流變壓器高頻特性的影響，這導(dǎo)致無法準(zhǔn)確分析MMC空母線高頻諧振問題。
2. 本文提出的獲取換流變壓器高頻模型參數(shù)的方法較之傳統(tǒng)方法更加方便快捷。并且經(jīng)校驗(yàn)，針對柔直換流站高頻諧振問題，該參數(shù)獲取方法能夠?yàn)閾Q流變壓器高頻建模提供準(zhǔn)確的匝間電容、耦合電容、漏感等參數(shù)。
3. 進(jìn)行了MMC空母線高頻諧振的仿真復(fù)現(xiàn)及機(jī)理研究，并分析了換流變壓器匝間電容對MMC空母線高頻諧振的影響。
論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)
1. 柔直換流變壓器高頻等效模型建立
隨著頻率的提高，特別是當(dāng)頻率超過1 kHz后，變壓器的物理特性與低頻情況相比有明顯不同，變壓器的電容效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，此時傳統(tǒng)的低頻模型已無法正確反映變壓器的高頻特性，需要充分考慮高頻段電容效應(yīng)的影響。
圖1 忽略對地支路的換流變壓器高頻簡化模型
換流變壓器安裝于交流網(wǎng)和MMC閥側(cè)之間，分析時可看作一個整體，將換流變壓器等效為一個二端口網(wǎng)絡(luò)，電容效應(yīng)可由5個集中電容參數(shù)表示。針對柔直高頻諧振問題，本文忽略了網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組的對地電容，考慮網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組的匝間電容C1s、C2s，網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組之間的耦合電容C12，建立了適用于高頻諧振分析的換流變壓器高頻等效模型。
2. 換流變壓器高頻等效模型參數(shù)反演
傳統(tǒng)變壓器的高頻等效模型參數(shù)是通過電磁場分析計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測定的方法來獲取，電磁場分析計(jì)算需要知道變壓器的結(jié)構(gòu)、尺寸、媒質(zhì)參數(shù)等詳細(xì)數(shù)據(jù)，并且計(jì)算極為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)測定則依賴操作人員的技術(shù)水平，也容易導(dǎo)致獲取的參數(shù)不準(zhǔn)確。因此本文提出了一種利用改進(jìn)鮑威爾算法，結(jié)合實(shí)際換流變壓器實(shí)測頻率響應(yīng)幅值和相位數(shù)據(jù)，對換流變壓器高頻簡化模型參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算的方法。
圖2 改進(jìn)鮑威爾算法反演計(jì)算模型參數(shù)流程
得到換流變壓器高頻等效模型參數(shù)后，通過與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，兩者擬合程度可以衡量反演計(jì)算所得換流變壓器參數(shù)的準(zhǔn)確性。對實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，在低于5 kHz時，其計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差率在5%以下，擬合程度較高，可滿足柔直高頻諧振分析精度要求。
圖3 10 kHz內(nèi)幅值相位對比
圖4 10 kHz內(nèi)幅值和相位誤差率
3. 換流變壓器等效電容參數(shù)對其高頻阻抗的影響
與工頻模型不同，換流變壓器高頻等效模型需考慮C1s、C2s、C12對其阻抗的影響，因此本文討論了1～5 kHz范圍內(nèi)，等效電容參數(shù)小范圍變化時對換流變壓器高頻阻抗的影響，并得到結(jié)論：C1s對換流變壓器高頻阻抗影響最大，C2s對換流變壓器高頻阻抗影響較小，C12對換流變壓器高頻阻抗幾乎無影響。
4. 基于換流變壓器高頻等效模型的空母線諧振算例驗(yàn)證
0～2 s時段內(nèi)，換流變壓器采用工頻模型，2 s后，切換為高頻模型，換流變壓器采用工頻模型，換流站穩(wěn)定運(yùn)行；切換為所建高頻模型，換流站與換流變壓器之間交互作用，發(fā)生高頻諧振。這表明忽略換流變壓器高頻特性將無法準(zhǔn)確分析柔直換流站空母線高頻諧振問題，換流變壓器高頻特性與MMC空母線高頻諧振之間具有內(nèi)在聯(lián)系。
圖5 網(wǎng)側(cè)交流電壓電流仿真波形
結(jié)論
本文重點(diǎn)從換流變壓器高頻等效建模和模型參數(shù)辨識兩方面展開研究，分析了換流變壓器高頻特性與MMC空母線高頻諧振的內(nèi)在聯(lián)系，并通過電磁仿真對理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：
1）與工頻模型不同，高頻條件下?lián)Q流變壓器建模需考慮繞組匝間電容和耦合電容，而本文電容效應(yīng)會使換流變壓器等效阻抗特征在1～5 kHz頻段呈現(xiàn)容性。
2）針對MMC空母線高頻諧振分析而言，相較于閥側(cè)繞組匝間電容C2s和耦合電容C12，網(wǎng)側(cè)繞組匝間電容C1s對換流變壓器高頻阻抗的影響最大，隨著C1s的增大，MMC空母線高頻諧振頻率將相應(yīng)減小。
3）在MMC空母線運(yùn)行工況下，換流變壓器的高頻特性是決定換流站發(fā)生高頻諧振與否的重要因素，忽略換流變壓器高頻特性將無法準(zhǔn)確分析MMC空母線高頻諧振問題。
4）與傳統(tǒng)方法相比，在5 kHz以內(nèi)，所提換流變壓器高頻模型參數(shù)獲取方法能方便地獲取換流變壓器高頻模型匝間電容、耦合電容、漏感等參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值。
團(tuán)隊(duì)介紹
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用有較深入的研究，形成了電力電子設(shè)備及并網(wǎng)穩(wěn)定的研究方向，對風(fēng)力發(fā)電、柔性直流輸電、STATCOM等變流器的建模與控制、并網(wǎng)穩(wěn)定性有深入研究，獲得省部級獎勵8項(xiàng)，其中牽頭申報(bào)的柔性直流電網(wǎng)主設(shè)備檢測及運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)獲得國家電網(wǎng)公司2022年科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎，柔性直流電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、設(shè)備研制及工程應(yīng)用獲得國家電網(wǎng)公司2022年科學(xué)技術(shù)進(jìn)步特等獎。
本工作成果發(fā)表在2024年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“面向柔直換流站高頻諧振問題的換流變壓器建模與參數(shù)辨識“。本課題得到國網(wǎng)冀北電力有限公司科技項(xiàng)目的支持。
引用本文
胡應(yīng)宏, 李雨, 李陽, 陳繼開, 張揚(yáng). 面向柔直換流站高頻諧振問題的換流變壓器建模與參數(shù)辨識[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2024, 39(22): 7154-7166. Hu Yinghong, Li Yu, Li Yang, Chen Jikai, Zhang Yang. Modeling and Parameter Identification of Converter Transformer for High-Frequency Resonance Problem of Flexible DC Converter Station. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(22): 7154-7166.
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