柔性直流输电系统中谐振的主动抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统领域，涉及一种柔性直流输电系统中谐振的主动抑制方法， 即虚拟非基波正序电阻的控制方法，从而抑制交流侧电网故障引起的谐波向直流侧传播。
【背景技术】
[0002] 基于电压源型换流器（Voltage Source Converter, VSC)的柔性直流输电系统 (VSC-HVDC)采用可控关断型电力电子器件和PffM技术，它既可以实现有功功率和无功功率 的独立控制，又能向无源系统供电。在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不 变，且换流器之间无需通信，有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端 直流输电系统。因此，柔性直流输电系统在连接分散的小型发电厂（如风力发电、太阳能发 电等）到电网、向远距离负荷供电、构筑城市直流配电网等领域具有广阔的应用前景。
[0003] 当交流电网发生故障时，电网会产生非基波正序电压分量和电流分量(基波负序 分量、零序分量以及谐波分量)，并增加换流变压器的饱和程度，激发换流变注入更大的低 次谐波，增大功率器件承受的电气应力，且VSC-HVDC的从交流侧看进去的阻抗在低频段 大部分容性使得系统易发生谐振，导致换流站热过载和波形质量问题凸显。
[0004] 对于这一问题，现行有以下几种解决方法： 1、安装滤波器。在交、直流侧安装滤波器可以对交流侧非基波正序分量向直流侧传播 起到一定的抑制作用，但此类方法会降低系统的经济性且无源滤波器的抑制能力有限。
[0005] 2、双序电流控制。柔性直流输电系统中采用双序电流内环控制器可以分别实现抑 制交流系统负序电流或抑制有功功率的2次谐波分量的控制目标，但是不能解决低次谐波 产生谐振问题。
[0006] 3、负序分量前馈控制。针对负序电压向直流侧传播问题，研究人员提出了主动抑 制的方法，其思想为在换流器控制中引入负序控制算法，很好的抑制了负序电流和减小了 直流侧二次谐波电压，但此类对负序电压的传播有针对性的抑制，难以解决由非特征谐波 从交流侧向直流侧传播引起的波形质量和谐振问题。
[0007] 4、网络参数整定方法。针对输电系统存在的某次谐波，通过调整系统参数来避免 该次谐波产生的谐振，这种方法比较经济，但容易顾此失彼。
[0008] 综上所述，现有的抑制柔性直流输电系统中谐波的传播的方法各有优缺点，在实 际的应用中未能有效抑制低次谐波在柔性直流输电系统中产生的谐振问题，因而，提出一 种主动全面抑制柔性直流输电系统中谐波传播的方法有着重大的理论意义和工程应用价 值。
【发明内容】
[0009] 针对上述存在的问题本发明提出一种柔性直流输电系统中谐振的主动抑制方 法一虚拟非基波正序电阻的控制方法，从而抑制交流侧电网故障引起的谐波向直流侧传 播。本发明的目的是克服已有的方法的不足，通过扼制换流站输出电抗支路的基波负序、零 序和谐波电流，实现主动全面的阻尼交流侧非基波正序分量向直流侧传播，减小功率开关 器件承受的电气应力的同时，避免低次谐波在VSC-HVDC中产生的谐振，提高系统故障下运 行的安全稳定性。
[0010] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤： (1) 首先，VSC-HVDC的交流电网发生故障时，将变压器、负荷分别看作谐波电压源和谐 波电流源，建立仅考虑非基波正序分量作用的低频阻抗模型； (2) 其次，在非基波正序分量作用的阻抗模型上，通过附加算法在控制系统中电阻信号 流支路，通过传递函数方框图的等效变换将电抗器和电阻两条信号流支路合并为一条信号 流支路，实现在输出电抗器支路增大非基波正序电阻(等效于在输出电抗支路串联了一个 虚拟非基波正序电阻)，且不影响支路的基波电阻； (3) 最后，根据阻尼要求，利用非基波正序分量的低频阻抗模型确定虚拟非基波正序电 阻的大小。
[0011] 本发明公布的虚拟非基波正序电阻的控制方法的有益效果是： 换流器输出电抗支路中串联一个虚拟非基波正序电阻，通过扼制换流站输出电抗支路 的基波负序、零序和谐波电流，实现主动全面的抑制交流侧非基波正序分量向直流侧传播， 从而减少功率开关器件承受的电气应力和抑制系统谐振，提高系统故障下运行的安全性。
【附图说明】
[0012] 为了使本发明的技术方案、目的和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进 一步的描述： 图1为VSC-HVDC系统结构图； 图2为送端换流站交流侧故障时交流电流波形图； 图3为柔性直流输电系统交直流侧的谐波传递规律示意图； 图4为虚拟非基波正序电阻的控制框图； 图5为图4等效控制框图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图和实例阐述本发明提出的柔性直流输电系统中的谐波传播的主动 抑制方法。
[0014] (1)图1给出了柔性直流输电系统的结构图。假设在Fl处发生故障，由图2中交 流侧电流可以看出，柔性直流输电系统的电压和电流出现了大量的低次谐波，这些谐波分 量会增大电气设备的电气应力，甚至使得系统发生谐振，导致换流站的热过载而停运。
[0015] (2)柔性直流输电系统中交、直流侧的谐波传递规律如图3所示，图中η表示谐波 的次数，η (+)表示为η次正序谐波分量，η (-)表示为η次负序谐波分量。由于PffM的载波 频率一般较高，因而，可以不计开关函数高频分量。SPffM调制下忽略高频分量的电流、电压 开关函数的双边傅里叶分解如下：
其中M为换流器的调制系数；I为调制角。
[0016] 根据开关函数，可以得到交流侧和直流侧参数如下：
式中，为直流侧端口电流和电压；_、_:(1?1、13、(3)为交流侧端口电压和电流。
[0017] 由柔性直流输电系统中交、直流侧谐波的传播规律以及电压、电流的低频开关函 数，可知从交流侧看进去低频非基波正序阻抗成容性，因此在故障下容易发生网络谐振。图 2直观地表明了换流站交、直流侧谐波交叉调制引发的系统网络谐振问题。
[0018] (3)本发明通过附加的控制算法引入非基波正序分量的信号支路，如图4所示，其 等效的附加控制算法如图5所示，其最终可等效在换流站输出电抗支路串联了一个虚拟非 基波正序电阻R h，如图1所示。本发明在不影响输出电抗支路的正序电阻前提下，通过等效 增大输出电抗支路的非基波正序电阻，实现了全面阻尼换流站交流侧谐波向直流侧传播。
[0019] (4)最后，根据阻尼要求，利用非基波正序分量低频阻换流站抗模型确立虚拟电阻 的大小。
[0020] 以上实施例仅用以说明发明，很明显本发明并不受这些实施例的限制。本领域的 普通技术人员任何基于本发明的实质内容的修改、变形或等同替换，均涵盖在本发明权利 要求范围当申。
[0021] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种柔性直流输电系统中谐振的主动抑制方法，其特征是：通过附加算法实现用于 控制非基波正序分量的信号流支路，等效于在输出电抗器支路增大非基波正序电阻，且不 影响输出电抗支路的基波正序电阻，能全面阻尼换流站交流侧非基波正序分量向直流侧传 播，减小功率开关器件承受的电气应力，避免柔性直流输电系统网络谐振，提高系统故障下 运行安全稳定性。
【专利摘要】本发明属于电力系统领域，涉及一种柔性直流输电系统中谐振的主动抑制方法-虚拟非基波正序电阻控制方法。本发明根据换流站交直流侧的谐波传递规律和低频开关函数，建立仅考虑非基波正序分量作用的分析模型。通过附加算法实现用于控制非基波正序分量的信号流支路，等效于在输出电抗器支路增大非基波正序电阻，且不影响支路的基波电阻。最终，根据阻尼要求和非基波正序分量的低频阻抗模型，确定虚拟电阻的大小。本发明提出的方法能全面主动地扼制换流站输出阻抗支路的非基波正序分量，从而解决由于系统网络谐振引起的换流站热过载问题，提高了柔性直流输电系统运行的安全稳定性。
【IPC分类】H02J3/01, H02J3/36
【公开号】CN105098779
【申请号】CN201410184331
【发明人】唐欣, 曾启明, 陈伟乐, 李建霖, 张武其
【申请人】长沙理工大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月5日