一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型及频率分析方法与流程

本发明涉及等效模型仿真领域，尤其涉及一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型及频率分析方法。

背景技术：

高压直流输电在我国“西电东送、南北互供、全国联网”战略中发挥了重要作用。在直流输电系统中，直流侧的直流滤波器与直流线路并联后与平波电抗器串联，在换流阀导通状态下又与交流侧的换流变压器、交流滤波器、交流系统串联。在主回路中存在多个由各个设备参数、接线方式所决定的固有谐振频率，可能会导致直流回路在基波频率和二次谐波频率附近发生谐振，呈现低阻抗特性。换流变压器在空载充电时，会产生幅值相当大的励磁涌流，并导致正在运行的换流变压器产生和应涌流，在直流侧产生基波和二次谐波电压，在低阻抗特性下直流侧会流过较大的基波和二次谐波电流，可能会引起保护误动作并对直流设备造成损害。因此研究高压直流回路的谐波阻抗特性具有重要的理论意义与实际价值。

由于直流输电系统换流器元件的非线性特点，使得直流回路的谐振特性不能用常规的频率扫描的方法进行计算。经典的换流器模型为一个内电感模型，该模型中谐波电流的通路限定在换流变压器和阀桥之间，忽略了换流变压器套管等对地杂散电容，利用该模型基于直流侧谐波电流理论设计结果与实测结果相差较大的现象。同时，直流谐振研究中较少考虑交流系统和交流滤波器对直流回路谐振特性的影响，使得换流器模型在谐振分析应用中准确度不足。

因此，经典的换流器模型中谐波电流的通路限定在换流变压器和阀桥之间，忽略了换流变压器套管等对地杂散电容，利用该模型基于直流侧谐波电流理论设计结果与实测结果相差较大是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型及频率分析方法，用于解决经典的换流器模型中谐波电流的通路限定在换流变压器和阀桥之间，忽略了换流变压器套管等对地杂散电容，利用该模型基于直流侧谐波电流理论设计结果与实测结果相差较大的问题。

本发明实施例提供一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型，包括：换流器；

所述换流器具体采用三脉动换流器模型；

所述三脉动换流器模型包括漏电流通路、换流桥；

所述三脉动换流器模型的换流桥上的换相电感计算公式如下：

其中：L_C是换流变压器的漏电感，L_3P是考虑换相过程后的换流器换相电感，μ是对应最严重工况下的重叠角。

优选地，所述对应最严重工况下的重叠角的计算公式如下：

式中，β为逆变器的触发越前角，I_d为直流电流；X_r为换相电抗；U_v为换流变压器交流侧的电压折算到阀侧的电压。

优选地，还包括交流系统，所述交流系统具体为一个感抗L_AC，接入所述换流桥；

所述感抗L_AC两端的电压为U_LAC，所述感抗L_AC的电流为I_LAC，n为直流侧每站6脉动换流器数量，换流变压器交流侧电流为:I＝I_LAC/n，交流系统阻抗折算到换流变压器直流侧为：

L_V＝[1.5μ+(60-μ)×2]/60L_DC

其中：r为换流变压器的变比，L_DC为交流系统折算到换流变压器直流侧阻抗，L_V为考虑换相过程后交流系统折算到换流变压器直流侧阻抗的计算值。

优选地，还包括交流滤波器，所述交流滤波器具体为RLC串并联回路，并联接入所述换流桥；

所述RLC串并联回路的电感和电阻可采用与所述交流系统解析等效计算相同的方法进行折算；

所述RLC串并联回路的电容，可采用下述公式进行折算：

其中：C_ACF为交流滤波器的电容值，C_DC为交流滤波器电容等效到直流侧的计算值。

优选地，还包括平波电抗器、直流滤波器，接入所述三脉动换流器模型的直流端；

所述平波电抗器、所述直流滤波器直接引用原模型参数，并且不改变其串并联结构。

优选地，还包括直流线路与接地极引线，连接所述三脉动换流器模型的直流端；

所述直流线路、所述接地极引线采用频域模型。

本发明实施例提供一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析方法，基于如上述的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型进行测试，包括：

通过带有漏电流通路的三脉动换流器模型等效解析换流器并计算换流器的换流桥上的换相电感；

通过随频率变化的感抗L_AC等效解析交流系统、通过RLC串并联回路等效解析交流滤波器，并将感抗L_AC和RLC串并联回路接入上述三脉动换流器模型，得到包含换流阀、交流系统和交流滤波器的三脉动换流器解析等效模型；

将所述三脉动换流器解析等效模型接入高压直流回路谐波阻抗解析等效模型。

优选地，本方法还包括：

在所得的高压直流回路谐波阻抗解析等效模型平波电抗器阀侧插入测试电压源，测量记录所述测试电压源两端电压信号及流过电压源的电流信号；

对所得的电压、电流信号进行傅里叶分析，得到电压、电流幅频特性，将所述电压、电流幅频特性相除得到高压直流回路谐波阻抗频率特性。

本发明实施例提供一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析装置，基于如上述的一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析方法进行分析，包括：

换流器等效解析模块，用于通过带有漏电流通路的三脉动换流器模型等效解析换流器并计算换流器的换流桥上的换相电感；

交流系统及交流滤波器等效解析模块，用于通过随频率变化的感抗L_AC等效解析交流系统、通过RLC串并联回路等效解析交流滤波器，并将感抗L_AC和RLC串并联回路接入上述三脉动换流器模型，得到包含换流阀、交流系统和交流滤波器的三脉动换流器解析等效模型；

接入模块，用于将所述三脉动换流器解析等效模型接入高压直流回路谐波阻抗解析等效模型。

优选地，还包括：

插入测试模块，用于在模型构建模块所得的高压直流回路谐波阻抗解析等效模型平波电抗器阀侧插入测试电压源，测量记录所述测试电压源两端电压信号及流过电压源的电流信号；

计算模块，用于对所得的电压、电流信号进行傅里叶分析，得到电压、电流幅频特性，将所述电压、电流幅频特性相除得到高压直流回路谐波阻抗频率特性。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的高压直流回路谐波阻抗解析等效模型包括：换流器，所述换流器采用三脉动换流器模型，包括漏电流通路、换流桥，考虑了漏电流通路和换流桥上换相电感的影响以反映3n次谐波性质,模型更为准确，解决了经典的换流器模型中谐波电流的通路限定在换流变压器和阀桥之间，忽略了换流变压器套管等对地杂散电容，利用该模型基于直流侧谐波电流理论设计结果与实测结果相差较大的问题。此外，本发明实施例考虑了交流系统和交流滤波器的因素对高压直流回路谐振特性的影响，使得高压直流回路谐振特性分析过程更加准确严密，结果更加可靠。本发明实施例在阻频特性分析中采集电压和电流信号进行傅里叶分析，方法简单、便捷，效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析方法的一个实施例的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型的一个实施例的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型的另一个实施例中的三脉动换流器模型的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型的另一个实施例中的包含交流系统和交流滤波器的三脉动换流器模型的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型的另一个实施例中的测试电压源时域波形示意图；

图7为本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型的另一个实施例中的流过测试电压源的电流时域波形示意图；

图8为本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型的另一个实施例中的经过傅里叶分析后的电压、电流、阻抗幅频特性曲线示意图。

其中，附图标记如下：

201、换流器等效解析模块；202、交流系统及交流滤波器等效解析模块；203、接入模块；204、插入测试模块；205、计算模块。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型及频率分析方法，用于解决经典的换流器模型中谐波电流的通路限定在换流变压器和阀桥之间，忽略了换流变压器套管等对地杂散电容，利用该模型基于直流侧谐波电流理论设计结果与实测结果相差较大的问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型，包括：换流器；

换流器具体采用三脉动换流器模型；

三脉动换流器模型包括漏电流通路、换流桥；

三脉动换流器模型的换流桥上的换相电感计算公式如下：

其中：L_C是换流变压器的漏电感，L_3P是考虑换相过程后的换流器换相电感，μ是对应最严重工况下的重叠角。

对应最严重工况下的重叠角的计算公式如下：

式中，β为逆变器的触发越前角，I_d为直流电流；X_r为换相电抗；U_v为换流变压器交流侧的电压折算到阀侧的电压。

本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型还包括交流系统，交流系统具体为一个感抗L_AC，接入所述换流桥；

感抗L_AC两端的电压为U_LAC，感抗L_AC的电流为I_LAC，n为直流侧每站6脉动换流器数量，换流变压器交流侧电流为:I＝I_LAC/n，交流系统阻抗折算到换流变压器直流侧为：

L_V＝[1.5μ+(60-μ)×2]/60L_DC

其中：r为换流变压器的变比，L_DC为交流系统折算到换流变压器直流侧阻抗，L_V为考虑换相过程后交流系统折算到换流变压器直流侧阻抗的计算值。

本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型还包括交流滤波器，交流滤波器具体为RLC串并联回路，并联接入所述换流桥；

RLC串并联回路的电感和电阻可采用与交流系统解析等效计算相同的方法进行折算；

RLC串并联回路的电容，可采用下述公式进行折算

其中：C_ACF为交流滤波器的电容值，C_DC为交流滤波器电容等效到直流侧的计算值。

交流滤波器为电阻、电感、电容的串并联回路，从直流侧看，将交流系统和交流滤波器二者等效为并联回路并引入换流器的三脉动模型。

本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型还包括平波电抗器、直流滤波器，接入所述三脉动换流器模型的直流端；

平波电抗器、直流滤波器直接引用原模型参数，并且不改变其串并联结构。

需要说明的是，本发明实施例相当于是将一个实际的模型进行等效，原有的模型部分就是指不需要等效，原模型直接拿过来就可以用的，大概平波电抗器就是一个电杆，直流滤波器是一组串并联的RLC，即原模型指的是等效前的模型。

本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型还包括直流线路与接地极引线，连接所述三脉动换流器模型的直流端；

直流线路、接地极引线采用频域模型。

需要说明的是，频域模型也是原模型中的频域模型。

以上是对本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型的一个实施例作详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析方法的一个实施例作详细的描述。

请参阅图2，本发明实施例提供一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析方法，基于如上述的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型进行测试，包括：

101、通过带有漏电流通路的三脉动换流器模型等效解析换流器并计算换流器的换流桥上的换相电感；

102、通过随频率变化的感抗L_AC等效解析交流系统、通过RLC串并联回路等效解析交流滤波器，并将感抗L_AC和RLC串并联回路接入上述三脉动换流器模型，得到包含换流阀、交流系统和交流滤波器的三脉动换流器解析等效模型；

103、将所述三脉动换流器解析等效模型接入高压直流回路谐波阻抗解析等效模型；

104、在所得的高压直流回路谐波阻抗解析等效模型平波电抗器阀侧插入测试电压源，测量记录所述测试电压源两端电压信号及流过电压源的电流信号；

105、对所得的电压、电流信号进行傅里叶分析，得到电压、电流幅频特性，将所述电压、电流幅频特性相除得到高压直流回路谐波阻抗频率特性。

以上是对本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析方法的一个实施例作详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析装置的一个实施例作详细的描述。

本发明实施例提供一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析装置，基于如上述的一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析方法进行分析，包括：

换流器等效解析模块201，用于通过带有漏电流通路的三脉动换流器模型等效解析换流器并计算换流器的换流桥上的换相电感；

交流系统及交流滤波器等效解析模块202，用于通过随频率变化的感抗L_AC等效解析交流系统、通过RLC串并联回路等效解析交流滤波器，并将感抗L_AC和RLC串并联回路接入上述三脉动换流器模型，得到包含换流阀、交流系统和交流滤波器的三脉动换流器解析等效模型；

接入模块203，用于将所述三脉动换流器解析等效模型接入高压直流回路谐波阻抗解析等效模型。

还包括：

插入测试模块204，用于在模型构建模块所得的高压直流回路谐波阻抗解析等效模型平波电抗器阀侧插入测试电压源，测量记录所述测试电压源两端电压信号及流过电压源的电流信号；

计算模块205，用于对所得的电压、电流信号进行傅里叶分析，得到电压、电流幅频特性，将所述电压、电流幅频特性相除得到高压直流回路谐波阻抗频率特性。

以上是对本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗频率特性分析装置的一个实施例作详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种高压直流回路谐波阻抗解析等效模型及频率分析方法的另一个实施例作详细的描述。

参见图1，为本发明高压直流回路谐波阻抗解析等效模型图。

对高压直流输电回路仿真模型各重要组成部分进行解析等效，建立解析等效模型；所述组成部分主要包括交流系统、交流滤波器、换流器、换流变压器、平波电抗器、直流滤波器、直流线路及接地极引线等。其中，换流器采用三脉动模型；交流滤波器为电阻、电感、电容的串并联回路，从直流侧看，将交流系统和交流滤波器二者等效为并联回路并引入换流器的三脉动模型；平波电抗器、直流滤波器直接引用元件参数；直流线路及接地极引线采用频域模型。对所搭建的模型进行阻抗频率扫描，得到其阻抗频率特性。

在本实施例中以整流侧相关参数为例进行说明，换流器模型采用三脉动模型，如图4所示。所述换流器三脉动模型计算公式如下：

其中：L_C是换流变压器的漏电感；L_3P是考虑换相过程后的换流器换相电感，μ是对应最严重工况下的重叠角，计算公式如下：

式中，β为逆变器的触发越前角，I_d为直流电流；X_r为换相电抗；U_v为换流变压器交流侧的电压折算到阀侧的电压。

所述三脉动换流器模型中杂散电容取经验值15μF。

在本实施例中，交流系统解析等效为一个感抗L_AC，两端电压为U_LAC，电流为I_LAC，由于同一条交流母线同时接到多个6脉动换流器，因此换流变压器交流侧电流为:I＝I_LAC/n。其中n为直流侧每站6脉动换流器数量；交流系统阻抗折算到换流变压器直流侧为：

L_V＝[1.5μ+(60-μ)×2]/60L_DC

其中：r为换流变压器的变比，L_DC为交流系统折算到换流变压器直流侧阻抗，L_V为考虑换相过程后交流系统折算到换流变压器直流侧阻抗的计算值

在本实施例中，所述交流滤波器解析等效模型计算如下：

对于交流滤波器，电感和电阻可采用与所述交流系统解析等效计算相同的方法进行折算；对于电容，可采用下述公式进行折算

其中：C_ACF为交流滤波器的电容值，C_DC为交流滤波器电容等效到直流侧的计算值。

交流系统和交流滤波器从直流侧看过去等效为二者的并联回路，通过换流变变比折算到换流阀侧，并将其引入所述换流器三脉动模型，得到包含换流阀、交流系统和交流滤波器的三脉动换流器解析等效模型，如附图5所示。

在本实施例中，所述平波电抗器与直流滤波器参数直接取用原模型参数值，直流线路与接地极引线采用原模型频域模型

在本实施例中，建立高压直流回路谐波阻抗解析等效模型之后，对所述模型进行阻抗频率扫描，得到高压直流回路谐波阻抗频率特性，其步骤包括：

(1)在PSCAD/EMTDC平台建立高压直流回路谐波阻抗解析等效模型

(2)在所述解析等效模型平波电抗器阀侧插入测试电压源u_A，幅值为0.5K_V频率为所关心的频率范围0-150Hz(各频率电压源可以单独插入、也可以同时插入),测量记录所述测试电压源两端电压信号及流过电压源的电流信号i_A,如图6、图7所示

(3)对所得的电压、电流信号进行傅里叶分析，得到电压、电流幅频特性U_A(f)、I_A(f)，将二者相除得到所述高压直流回路谐波阻抗频率特性Z_A(f)，如图8所示

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。