 Smart Grid 智能电网, 2012, 2, 73-79 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2012.24014 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html) The Electromagnetic Transient Characteristic of an AC/DC Interconnected System with Filter Faults Pinliang Chen1*, Bo Zhang2, Fan Yang3, Hao Cui3, Chunli Li3 1Beijing Electric Power Corporation, Beijing 2State Grid Corporation of China, Beijing 3State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, College of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing Email: *chenplbjep@163.com Received: Oct. 2nd, 2012; revised: Oct. 27th, 2012; accepted: Nov. 8th, 2012 Abstract: Based on the CIGRE model, Xiangjiaba-Shanghai ±800 kV UHV DC transmission demonstration project parameters as the background, according to the harmonic component generated in high voltage DC transmission system, parameters of the filters used are calculated. Comparison is carried out between the calculated transient characteristics and the real value when the filter are normal, and the accuracy of the model is verified. Finally the electromagnetic transient of the system with different filter faults is investigated. The model and the results provide a reference for ultra HVDC transmission project, especially for the design and analysis of the AC/DC interconnection system. Keywords: DC Transmission; Filter; Electromagnetic Transient; Fault 交直流互联系统滤波器故障状态下电磁暂态特性研究 陈品良 1*，张 博2，杨 帆3，崔 浩3，李春莉 3 1北京市电力公司，北京 2国家电网公司，北京 3重庆大学电气工程学院，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 Email: *chenplbjep@163.com 收稿日期：2012 年10 月2日；修回日期：2012年10 月27 日；录用日期：2012年11 月8日 摘 要：论文以 CIGRE 模型为基础，以向家坝–上海±800 kV 特高压直流输电示范工程为目标，针对高压直流 输电系统中产生的谐波成份，计算出交直流互联系统交流侧与直流侧的滤波器参数。根据得出的滤波器参数建 立了交直流互联系统的电磁暂态仿真模型，仿真分析了滤波器正常状态下系统的电磁暂态特性，通过与系统实 际的电磁暂态特性比较，验证了论文模型的正确性。在此基础上研究了滤波器故障时系统的电磁暂态特性的变 化规律。论文的模型以及结果为特高压直流输电工程，特别是交直流互联系统的设计与分析提供了参考。 关键词：直流输电；滤波器；电磁暂态；故障 1. 引言 特高压直流输电网络由于其自身的优点在远距 离输电、大容量输电以及不同步交流电网的连接中有 着广泛的应用[1]。随着中国建立了越来越多的特高压 直流输电线路，直流输电中的稳定性、谐波等问题也 开始引起了重视。当交直流输电网络互连时，互联网 络的电磁暂态特性与单一网络相比会变得复杂，当其 中的一部分网络故障时，交直流系统的相互影响将变 得更为复杂。因此交直流系统的电磁暂态研究有着重 要的物理意义。目前，对直流输电系统的电磁暂态研 究都是采用实时电磁暂态建模。电磁暂态仿真采用数 *通讯作者。 Copyright © 2012 Hanspub 73  交直流互联系统滤波器故障状态下电磁暂态特性研究 值计算法，对系统中从数微秒到数十毫秒的电磁暂态 过程进行仿真。 加拿大直流研究中心率先推出世界上第一个电 网实时仿真系统 RTDS 。随后加拿大魁北克水电研究 所和法国电力公司都开发了以 EMTP为核心的实时仿 真软件。国内也开展了很多关于高压直流输电暂态过 程的研究，对高压直流输电暂态过程进行分析研究， 并取得了一定进展。 论文以 CIGRE 模型为基础，以向家坝–上海±800 kV 特高压直流输电示范工程参数为背景，计算出交直 流互联系统交流侧与直流侧的滤波器参数。根据得出 的滤波器参数建立了交直流互联系统的电磁暂态仿真 模型，仿真分析了滤波器正常状态下系统的电磁暂态 特性，通过与系统实际的电磁暂态特性比较，验证了 论文模型的正确性。在此基础上研究了直流侧滤波器 HP12/24 和HP12/36 同时故障、只有 HP12/24 及只有 HP12/36 故障时系统的电磁暂态特性的变化规律。 2. 滤波器参数与模型 直流输电线路与交流线路互联时，在交流侧与直 流侧都安装滤波器，常用的滤波器类型包括：1) 双调 谐滤波器。每台滤波器使用R、L、C元件的串联、并 联构成具有两个调谐频率的带通或高通滤波器，并接 在交流母线上，滤波系统中两个及两个以上特定频率 的谐波电流[2-9]。2) 三调谐滤波器。由串联谐振回路 L1、C1和两个并联谐振回路 L2、C2以及 L3、C3组成。 三调谐滤波器在小负荷下无功平衡方便，可以同时滤 除三个不同频率的谐波[10,11]。图 1所示为双调谐滤波 器与三调谐滤波器的示意图。3) C型阻尼滤波器。C 型阻尼滤波器是从三阶高通滤波器发展起来的，其滤 波特性介于二阶高通滤波器和三阶高通滤波器之间。 目前这种滤波器在低次谐波滤波器中应用较为广泛 [12]。图 2为C型阻尼滤波器结构示意图。 2.1. 交流侧滤波器参数计算 交直流互联系统在交流侧与直流侧都要采用滤 波器，这里以向–上±800 kV特高压直流输电示范工 程为例。该示范工程在复龙换流站的无功分组容量为 220 Mvar，具体配置为四组 HP11/13 滤波器，四组 HP24/36 滤波器，二组 HP3滤波器，四组 SC并联电 (a) 双调谐滤波器 (b) 三调谐滤波器 Figure 1. Schematic diagram of the filter 图1. 滤波器结构示意图 Figure 2. C-type damping filter 图2. C型阻尼滤波器 容器，容量都为220 Mvar。以此配置为基础，根据所 了解的滤波器参数设置方法进行滤波器设计。 根据常用的双调谐滤波器参数计算方法来进行 相关参数的计算[13,14]。 每组滤波器无功补偿容量为 220 Mvar，由公式 2 0 QCU ，得 2 0 Q CU 。 仿真模型采用的母线电压为525 kV，故 U = 525 kV，可以计算得到高压电容值为C1 = 2.5407 μF。 双调谐滤波器是取两个回路频率特性的相交点 作为两个谐振频率点[15,16]，即取ωs和ωp相等，所以 双调谐滤波器中 12sp 可以得到在 HP11/ 13 中： 120 0 11 1311.96 sp 因此可由 12 1 sLL 得到 12 1 s L 1 27.89 mH C 。 将C1、ω1、ω2、ωs、ωp代入公式(1)，可得 290.8300 μFC 。 Copyright © 2012 Hanspub 74  交直流互联系统滤波器故障状态下电磁暂态特性研究 Copyright © 2012 Hanspub 75 22 22 12 1 2 22 s p C C (1) HP24/36 滤波器的具体参数为： 11 21 3.1204 μF 3.758mH 18.722 μF0.6264 mH CL CL 在根据公式 22 1 pLC 可计算出 。 2 L0.780mH 3次谐波本来其值小于特征谐波，但是由于交流 滤波器数量多、单台容量大，可能在交流电网产生 3 次谐波放大，甚至出现并联谐振，导致设备损坏，零 序保护误操作，引起谐波不稳定，因此有必要确定是 否需要装设 3次谐波滤波器。 同理可以计算出HP24/36 中的参数如下： 11 22 2.5407 μF 4.616mH 15.2442 μF0.769m CL CL H 向上工程在奉贤换流站设置的无功分组容量为 260 Mvar，具体配置为三组 HP11/13 滤波器，三组 HP24/36 滤波器，二组 HP3滤波器，七组 SC并联电 容器，容量都为260 Mvar。据此配置基础，同样根据 上述计算方法进行计算，最后得出逆变侧HP11/13 滤 波器的具体参数为： 如果交流电网的 3次谐波较大时，当换流母线处 的容量比 12 kc SQ 时，表明交流滤波器与电网可能 发生 3次谐波的并联谐振，需要考虑装设 3次谐波滤 波器；反之，可以不装设。其中，Sk、Qc为换流母线 处的交流电网短路容量和交流滤波器(含并联电容器) 总容量，MVA。对此采用 C型阻尼滤波器进行滤波， 算得到： 12 11 3.1204 μF 111.559μF 22.706 mH0.635 mH CC LL 计 22 22 0202 21 22 2 22 01 02 02 112 1 1 w n w LCn w LCCC ZR nw CRnwLC nwRC 由于 C2不承担无功补偿，仅是为降低R上的基 波损耗，C1决定该滤波器提供的无功补偿，容量基本 限定，因此也就限制了C阻尼滤波器的n值不能太大。 一般实际工程中，n取2、3、4等谐波次数。 在实际工程中，n、ω、C2均已选定，根据前面的 分析，高压电容 C2的值为 2.5407 μF，n为3，计算可 得C2的值为 20.3256 μF，电感 L的值为498.49 mH。 根据同样的方法可以得到 C型阻尼滤波器的参数 为高压电容 C2的值为 3.1024 μF，电感 L的值为 135.29 mH，C2的值为 74.889 μF。 2.2. 直流侧滤波器参数 根据向上工程的结构，考虑干扰电流的影响，高 压电容器的取值直接参考《特高压直流输电技术研究 成果专辑》，取 C1的值为 1 μF，根据2.1 中交流侧滤 波器的参数计算方法，得到HP12/24、HP12/36 各个 参数，如表 1所示。 3. 滤波器故障状态下电磁暂态研究 3.1. ±800 kV直流输电线电磁暂态模型 以CIGRE HVDC Benchmark模型为基础，根据 前面计算得到的滤波器参数，建立图 3所示的向上 ±800 kV 的交直流互联系统模型。CIGRE HVDC Benchmark 系统为研究 HVDC控制的标准测试系统。 该标准测试系统为双桥 12 脉动单极大地返回式的直 流输电系统。整流侧交流系统额定电压为 345 kV；额 定直流电压为 500 kV，额定直流传输功率为1000 MW；逆变侧交流系统额定电压为 230 kV，两侧都为 弱交流系统。 CIGRE 标准系统模型的控制系统主要包 括极控制和阀控制[17,18]。 图3所示的模型中，也是采用12 脉冲换流器， 每回直流输电线路的额定电压为±800 kV，额定传输 电流为 4 kA，双极额定功率传输能力为 6400 kW，仿 真平台采用 PSCAD/EMTDC，PSCAD/EMTDC 在时间 域描述和求解完整的电力系统及其控制的微分方程 Table 1. Parameters for the filter on DC side 表1. 直流侧滤波器参数 项目 HP12/24 HP12/36 1μFC 1 1 1mHL 35.181 23.454 2μFC 2 0.75 2mHL 17.591 31.272  交直流互联系统滤波器故障状态下电磁暂态特性研究 Figure 3. Model simulation diagram of the system 图3. 系统模型仿真总图 (包括电磁和机电两个系统)在电磁暂态仿真分析中具 有明显的优势。为了验证论文提出的模型的准确性， 首先通过仿真分析系统在正常状态下的电磁暂态特 性，并与实际值比较，验证了模型的正确性。 3.2. 滤波器正常状态下的电磁暂态特性 表2与表 3为根据前面方法计算得出的滤波器参 数，即图 3的仿真模型中滤波器的参数。 Table 2. Parameters of AC filters in the rectifier station 表2. 整流站交流侧滤波器元件参数计算值 参数 类别 HP11/13 HP24/26 HP3 SC 1μFC 2.5407 2.5407 2.5407 2.540 1mHL 27.89 4.616 498.49 - 2μFC 90.830 15.244 20.326 2mHL 0.780 0.769 1 R 550/650 1200/1800 150 - 特征频率 Z H kV varPM 220 220 220 220 3at 525 Q 4 4 2 4 Table 3. Parameters of AC filters in the inverter station 表3. 逆变站交流侧滤波器元件参数计算值 参数 类别 HP11/13 HP24/26 HP3 SC 1μFC 3.1204 3.1204 3.120 3.120 1mHL 22.706 3.758 135.2 - 2μFC 111.559 18.722 74.88 2mHL 0.635 0.6264 1 R 550/650 1200/1800 150 - 特征频率 Z H V varPM 260 260 260 260 3at 52 Q5 k 3 3 2 7 为了验证模型参数的正确性，论文仿真向–上工 程滤波器正常工作时的电磁暂态特性，通过与实际工 程值比较，验证论文模型的正确性。图 4和图 5为滤 波器正常状态下的电磁暂态特性，及实际工程中滤波 器的电磁暂态特性。其中蓝色曲线代表正极的参数 值，绿色曲线代表负极的参数值。 图6和图 7为向–上特高压直流示范工程在滤波 器正常状态下系统的电磁暂态特性波形图。 对比本文的仿真结果与实际的运行值，整流站直 流线路出线处电压基本稳定在±800 kV左右，且正负 极对称。由于平波电抗器的作用，导致电压波形较为 平坦，滤波器的滤波作用也是相当成功的。在直流输 电仿真在0.3 s后才处于稳定状态，这是因为控制系统 中有一个一阶惯性元件，从而导致系统在开始有一个 振荡变化过程。 同时我们也可以看到，逆变站的电压稳定在±760 kV 左右，是由于很长的输电线路上存在电 阻，造 成 输电线路上较大的压降，从而使逆变站达不到 800 kV 的电压。论文模型仿真值与实际值基本一致，从而可 以验证论文模型的准确性。 3.3. 滤波器不同故障状态下的电磁暂态特性 滤波器故障将会影响交直流互联系统的稳定性， 因此本节研究滤波器故障时对系统的电磁暂态特性 的影响规律。 因为四组滤波器都是对称的，只研究直流侧滤波 器HP12/24 和HP12/36 同时故障、只有 HP12/24 及只 有HP12/36 故障。故障状态用断路器来模拟，即使用 “BRK”元件，时间参数设置为在 0.5 秒时断开， Copyright © 2012 Hanspub 76  交直流互联系统滤波器故障状态下电磁暂态特性研究 (a) 电压波形 (b) 电流波形 Figure 4. Calculated voltage and current output on DC side of the rectifier station 图4. 整流站直流输电出线处电压电流仿真值 (a) 电压波形 (b) 电流波形 Figure 5. Calculated voltage and current input of DC side of the inverter statio n 图5. 逆变站直流输电进线处电压电流仿真值 (a) 电压波形 (b) 电流波形 Figure 6. Real voltage and current output on DC side of the recti- fier station 图6. 整流站直流输电出线处电压电流实际值 (a) 电压波形 (b) 电流波形 Figure 7. Real v oltage and current input of DC side of the inverter station 图7. 逆变站直流输电进线处电压电流波形的实际值 Copyright © 2012 Hanspub 77  交直流互联系统滤波器故障状态下电磁暂态特性研究 故障时间为 0.05秒。设置该断路器在闭合状态下的电 阻为 0.005 Ω，断开状态下的电阻设置为1,000,000 Ω。 1) 直流侧滤波器 HP12/24、HP12/36 同时处于故 障状态时系统的电磁暂态特性如图8所示。 根据图 8所示的结果，当两滤波器同时发生故障 时，整流站直流输电出线处的电压波形电压震荡幅度 达到 25 kV 左右，因为整流侧直流滤波器故障，直接 影响整流侧的电压，所以对整流侧电压影响较大。而 整流侧直流输电出线处的电流震荡幅度达到100 A左 右，这是因为与电压的震荡一样，整流侧直流滤波器 故障，也同时直接影响整流侧的电流，使得整流侧的 电流波动也很大。 图9为故障状态下的逆变站直流输电出线 处电 流、电压波形。可以看出逆变侧电压基本没有变化， 因为整流侧直流滤波器故障，直接影响的是整流侧的 电压电流，而对于逆变侧的电压，因为在长达1900 km 的输电线路上，由于电阻等作用，造成谐波电压衰减， 故整体变化不明显。而逆变侧电流振荡幅度也为 100 A左右，这是因为由基尔霍夫电流定律可知，逆变侧 的电流基本同整流侧的电流变化情况相同。 2) 直流侧滤波器HP12/24 处于故障状态。 图10 为直流侧滤波器 HP12/24 处于故障状态时 整流站直流输电出线处电压、电流波形。根据图 10 所示的结果，当滤波器 HP12/24突发故障时，整流侧 电压产生振幅为8 kV左右的振荡，因为设计的滤波 器原先振幅较小，所以对幅值影响也较大。整流侧电 压电流变化情况基本同步。可以观察到电流波形也变 化情况基本同电压波形相同，振幅为 20 A左右 ，在对 逆变侧进行仿真研究也可以看到，逆变侧电流波形的 变化基本同整流侧相同，逆变侧电压基本无变化。 3) 直流侧滤波器 HP12/36处于故障状态。 图11为直流侧滤波器 HP12/36处于故障状态时整 流站直流输电出线处电压与电流波形图。当 HP12/36 突发故障时产生振幅为 2 kV 左右的振荡，影响不大。 与图 11相比，相对于 HP12/24 突发故障时的振幅小多 了，这是因为原先设计的滤波器，HP12/36相对于 HP12/24 原先存在较大的谐波振幅，所以在突发故障 时，波形的畸变和振幅变化比 HP12/24 小。而电流波 形基本没什么影响，只是在断路器断开瞬间有个20 A 左右的脉冲而已，几乎没影响，在逆变侧电流波形变 化基本同整流侧相同，逆变侧电压基本无变化。 (a) 电压波形 (b) 电流波形 Figure 8. Voltage and current output on DC side with faulty filters in the rectifier station 图8. 故障状态下的整流站直流输电出线处电压、电流波形 (a) 电压波形 (b) 电流波形 Figure 9. Voltage and current output on DC side with faulty filters in the inverter station 图9. 故障状态下的逆变站直流输电出线处电压、电流波形 Copyright © 2012 Hanspub 78  交直流互联系统滤波器故障状态下电磁暂态特性研究 Copyright © 2012 Hanspub 79 4. 结论 论文计算了直流交直流输电系统滤波器参数，根 据得到的参数建立了交直流互联系统的电磁暂态模 型。通过比较滤波器正常工作时系统电磁暂态的计算 值与实际值，验证了模型的准确性。在此基础上研究 了不同滤波器故障时系统的电磁暂态特性。结果表明 当直流侧滤波器HP12/24、HP12/36 同时故障时，系 统的电压波动比较大。当只有HP12/36 处于故障时， 系统的电压波动最小，只有2 kV 左右。 (a) 电压波形 参考文献 (References) [1] 宋蕾. 特高压直流输电直流滤波系统综合优化设计[D]. 华北 电力大学, 2007: 3-22. [2] 汤广福. 基于电压源换流器的高压直流输电技术[M]. 北京: 中国电力出版, 2009: 229-234. [3] 李崇. 基于双可控电抗器的双调谐滤波器研究[D]. 南京理工 大学, 2007. (b) 电流波形 [4] 徐超. 特高压直流输电高频谐波及高频滤波器的研究[D]. 华 北电力大学, 2009. Figure 10. Voltage and current output on DC side with faulty HP12/24 filter in the rectifier station [5] 惠慧, 王庆平, 马进. 换流站实时电磁暂态仿真中的滤波器 建模[J]. 电网技术, 2011, 35(2): 53-57. 图10. 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Voltage and current output on DC side with faulty HP12/36 filter in the rectifier station 11. HP12/36模型故障状态下的整流站直流输电出线处电压波形 图 |