感应滤波换流变压器及直流调制改善交流系统稳定性研究

摘要

我国未来二十年的电力发展格局为：“西电东送、南北互供、全国联网”。直流输电工程在西电东送和全国联网中承担着主要任务，随着输送距离的增大和容量的增加，给直流输电技术提出了更高的要求，减少直流输电系统对交流系统的谐波注入，限制在各种工况下直流系统无功补偿对交流系统的影响，是直流输电技术的热点问题。
我国南方电网是世界上最复杂的交直流并联电网，在交流系统故障时，利用直流系统的快速调节提高交流系统的暂态稳定水平，抑制交流系统的低频振荡，是研究交直流并联系统安全稳定运行的关键问题。
在交直流并联输电系统中，直流系统对交流系统稳定性的影响主要由直流系统的拓扑结构和控制策略决定。基于感应滤波的直流输电系统中换流变压器结构有别于传统的换流变压器结构，而直流调制技术能改善交流系统的稳定性是一个众所周知的事实。因此，本文以这两个方面来研究直流输电系统如何改善交流系统的稳定性。
本文依托“十一五”重大科技专项及国家自然科学基金，对基于感应滤波的直流输电系统在交流系统故障时，感应滤波换流变压器的滤波和无功补偿特性改善交流系统的稳定性进行了研究，对直流调制改善交流系统的频率及暂态稳定性进行了理论研究。研究重点及创新点主要体现在以下几个方面：
(1) 感应滤波换流变压器的短路阻抗是实现滤波的关键因素，设计者以遗传算法设计了短路阻抗，算法复杂，收敛较早。本文以换流阀最大短路冲击电流为原则优化设计了感应滤波换流变压器的短路阻抗，算法简单，易于实现。
(2) 分析了引起谐波不稳定的两个主要原因：幅值较大的低次非特征谐波电流流过谐波阻抗较大的系统引起正反馈；变压器铁芯的饱和现象。基于感应滤波的直流输电系统，对这两个原因已有研究，但是研究结果是建立在实验的基础之上，并没有从机理上进行本质的分析。本文在交流系统发生不对称故障时，将交流电压分解为正序谐波电压和负序谐波电压形式，并对直流输电系统交流侧的正序、负序谐波传递到直流侧的规律进行了推导。由于感应滤波换流变压器的作用，使得直流侧的谐波电压幅值比传统的直流输电系统有所降低。以正序、负序谐波在交、直流侧传递的规律为基础，分析了基于感应滤波的直流输电系统交流侧等值谐波阻抗的计算公式；直流侧等值谐波阻抗的计算公式。得出了基于感应滤波的直流输电系统的谐波等值阻抗比传统的直流输电系统要小，以上以正序、负序谐波电压在交直流侧传递的计算方法，很好的从机理上论证了基于感应滤波的直流输电系统在抑制谐波不稳定方面的优势。
(3) 对感应滤波换流变压器铁芯的饱和现象研究，目前都是基于实测数据和录波，本文以传统变压器铁芯饱和的研究方法为基础，考虑感应滤波换流变压器绕组布置的特殊性，用电路-磁路耦合模型建立了感应滤波换流变压器的绕组电磁关系，数值仿真和实验结果相一致。研究成果有助于进一步研究其本体特性。
(4) 对基于感应滤波的直流输电系统换流站的电压稳定性进行了计算，换流站交流系统的失稳常常是由于无功功率的欠补或过补造成的。基于感应滤波的直流输电系统的无功补偿特性使得逆变站的电压稳定性比传统直流输电有所改善。现有研究进行了感应滤波换流变压器的换相电抗和换相电压的跌落值这两个因数与传统直流输电的比较，而本文在此基础上对比了这两个因素对电压调节效应的评估计算的影响。验证了基于感应滤波的直流输电系统能增强换流站的电压稳定性。
直流调制的调制信号和控制策略是研究的关键，针对目前两种主要的调节-交流系统的频率调节和交流系统的稳定性调节。在已有的线性与非线性变结构直流调制策略基础上进行控制器的改进研究。
(1) 着重研究了交直流并联系统中，受端系统出现负荷扰动时的频率控制问题，提出了变结构的直流调制线性控制器。建立了频率偏差、交流功率偏差与直流功率偏差控制的简单模型，采用了最优二次型切换面设计，与传统方法相比，该方法简单，状态变量少，容易实现，有利于抑制外部扰动，鲁棒性强。有利于在多端交直流并联系统中应用。
(2) 针对交直流并联系统的暂态稳定性问题，提出了非线性变结构直流调制控制器的设计新方法。本文与常规的变结构设计步骤相反，先设计了切换面，再设计控制器。该方法能使非线性系统的非线性变结构控制器的设计简单化。
本文以交直流输电系统的应用需求为背景，以直流输电对交流系统稳定性影响为研究对象，研究了基于感应滤波的直流输电能在一定程度上改善交流系统的稳定性，研究成果有助于感应滤波换流变压器在直流输电中的推广应用。论文也对直流系统和交流系统的联合调节作了一定的研究，变结构直流调制器的设计新方法为交直流并联运行系统的控制器设计提供了有益的参考。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 研究课题的学术背景及意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3 本章小结

第2章 感应滤波换流变压器特性的机理研究

2.1 感应滤波换流变压器的滤波机理

2.2 感应滤波换流变压器短路阻抗的优化设计

2.3 感应滤波换流变压器的无功补偿

2.4 感应滤波换流变压器的滤波及无功补偿实验

2.5 本章小结

第3章 基于感应滤波的直流输电改善交流系统稳定性分析

3.1 传统直流输电系统的谐波传递特性

3.2 基于感应滤波的直流输电系统等值谐波阻抗计算

3.3 感应滤波换流变压器的铁芯饱和

3.4 基于感应滤波的换流站交流电压稳定性研究

3.5 本章小结

第4章 改善交流系统频率稳定性的变结构直流调制

4.1 变结构的直流调制改善交流系统的频率稳定性

4.2 变结构控制的直流调制控制器设计

4.3 采用常规控制对频率的稳定调节

4.4 本章小结

第5章 直流调制改善两端交流系统暂态稳定性研究

5.1 平衡和稳定的概念

5.2 直流调制与发电机励磁的综合控制

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 基于感应滤波的直流输电系统原理图

附录B 基于感应滤波的直流输电测试系统

附录C 攻读学位期间的主要成果