新能源发电高压直流输电系统并网稳定性研究

新能源发电高压直流输电系统并网稳定性研究

陈 ,璐

江西中电投新能源发电有限公司， 江西   南昌   330000

摘要：由于经济的迅速发展和全球人口的日益增长，化石能源的消耗量越来越大，但它的储量却是有限的，未来很难满足人类的需求。自从二十世纪七十年代的石油危机之后，人们就意识到了化石能源短缺的危险性，并开始采用新的可再生能源，如风能、太阳能等。风能因其储量大、分布范围广而被广范围地应用。我国的风力/光电设备的装机容量为3亿2千万千瓦，不过这些新能源的发电站大多集中在北方，南方的电力需求量比较大，所以为了更好的利用新能源，我们必须将北方的电力资源有效地输送到南方。在各种传输技术中，采用直流传输技术是一种理想的传输方式。

关键词：新能源发电；高压直流输电系统；柔性直流输电技术；并网稳定性

前言

目前直流输电技术分为两大类，一种是由 IGBT等控制装置组成的整流器，即柔性直流输电技术，简称VSC-HVDC。由于 FDC系统是全控式设备，因此不会出现换相故障，并且可以对有功、无功进行解耦。然而，由于全控型器件所能承受的电压电流等级限制，VSC-HVDC只适用于容量小、距离近的轻型直流功率外送。一种是高压直流输电技术，简称LCC-HVDC系统，采用的是基于晶闸管构成的换流器，晶闸管耐压等级高，运行可靠，特别适合大容量、远距离的功率外送，所以在这种场景下选择LCC型直流输电外送系统更为合适。同样利用谐波线性化的方法，结合对称分量法对PLL频率特性进行了建模分析，最后得出三相并网LCL型逆变器的正负序阻抗模型。以上工作虽然均使用了谐波线性化的方法对不控整流器或VSC整流器进行了输入阻抗建模，但是LCC-HVDC系统中使用的晶闸管整流器在控制方式上有很大的不

同，而且，在交流输入电压三相不平衡的情况下开关函数模型还要根据锁相环的动

态变化做进一步的修正。研究新能源的并网稳定性，不仅可以提高其对电网的支持，而且还能促进新能源并网技术的发展，降低电力事故和经济损失。本文采用阻抗比例均衡方法，探讨了新能源并网的稳定问题，同时对其原因、发生过程及其影响进行了分析。为解决新能源基地与电力基地的差异问题， HVDC的并网稳定性问题，本文从影响 HVDC并网稳定的角度出发，对影响 HVDC系统的稳定原因进行了分析，阐明了在实际工作中某些频率下的共振会影响到系统的正常工作，调整控制器的控制参数和锁相环的参数可以有效的防止系统的共振;交流/直流系统的故障会导致换流器的换相失败，虽然不会对系统的正常工作产生影响，但它会引起直流等效阻抗的改变，从而产生新的谐振点[1]。

一、换相失败

（一）导致换相失败的原因分析

晶闸管是一种半控型的元件,无法通过信号来控制晶闸管的开关。一般来说,要关掉晶闸管,必须使它在开启操作期间所形成的不平衡状态的载流子消失,在逆向电压作用下,载流子可能被降低到0,如果载流子不能完全消除,则晶闸管上的电压就会变成正向进而无法关断,这时就会发生换相故障。

图一

图一显示了逆变器6脉动换流器跨晶闸管的电压波形图，这里α表示触发延时角度，β表示启动前启动角度，μ表示换相时所需的换相角，γ表示逆变器的关断角，其对应关系如下式(7)：γ表示晶闸管自身能够在逆向压降下工作的时间。在一定程度上，由于伽马越大，逆变器所能吸收的无功功率越大，系统的工作就越不正常;但如果伽马太小，就会导致换相失效，一般在伽马小于8度时，换相失败[2]。

（二）换相失败的过程

逆变器6脉冲逆变器VT1的换相过程是这样的：在接收到信号之后，阀门VT3打开，在打开阀门后， DC电流增大， AC电压减小，VT1的γ值会明显的降低，在电压不变成正向之前，VT1的γ值就不能正常工作;此时，当在线电压 Uba达到过零状态变化为正之后，VT1不能被关闭，从而使VT3向VT1反转，在该处理的最后，VT1可以打开，而VT3将被关闭;在此之后，VT4收到信号之后，晶闸管开启，当逆变器侧出现换相失败时，它的导通将会保持120°+μ的直流短路时间，在这段时间里，直流电流会不断地上升，只要将故障排除，就不会对系统造成任何影响。但若发生一次换相故障，并且这种故障持续的时间较长，那么在故障发生时，直流电流和 AC电压都会继续上升，达到一定的程度，就会超过系统的控制范围，从而导致逆变器的连续换相失效，而一旦连续的换相失败，直流电流将会继续上升，并且有一部分的交流电会在直流侧产生，从而造成直流系统的连接，从而导致变压器的故障;在直流线路上直接加 AC电压时，基波频率发生谐波过电压。

（三）换相失败的原理及影响因素

晶闸管是一种半控装置，它的断开过程不会受到触发信号的影响。为使晶闸管关断，需要对其两端施加一段时间的逆向压降，使一些载流子需要迁移、扩散、复合，形成新的电位屏障，然后再进行逆向阻隔。在此期间，流动晶闸管的电流逐渐降低到零。因此，整体而言，晶闸管的关闭过程是在开启时累积的不平衡载流子的消失。可以看到，如果不平衡载流子浓度在晶闸管被反压降到0时不能降低到临界储存电荷，则当两端的电压变成正向时，晶闸管就会继续接通，导致转换失败。在常规 HVDC系统中，整流端的换流站在逆向电压下会持续一段时间，从而导致晶闸管断开，因此，在整流端上，不存在切换失败的情况。而在逆变器一侧，为了降低无功功耗，必须保持在一个很小的角度上

[3]。

（四）换相失败的过程

图二

图二示出了从阀门VT1至VT3转换失败期间的逆变方的等价电路图。其步骤如下：VT3在阀门VT3接收到触发脉冲信号之后导通，若此时 DC电流突然升高或 AC电压降低，VT1的换相角度突然增加，则VT1的换相角度突然增加，而当两端的电压变成正向时，则无法恢复阻塞的能力。因此，将在线电压过零为正之后，VT1不关闭，从而VT3将相位反转到VT1，在此处理之后，VT1接通，VT3断开。然后，VT4接收到一个触发信号，使位于相同的桥臂上的两个晶闸管VT1和VT4同时导通，从而产生 DC端短路。在VT4和VT6完成换相后，直流侧的短路现象消失，换流站又能正常工作。这个失效过程将持续10 ms，而 DC端的短路持续时间为1。如果在逆变器侧换相失败时，如果考虑到整流端的控制效果接近理想，可以把整流端等效为电流源，在此期间可以使输出 DC电流不改变。如前所述，在逆变方单次变换不成功时，会产生一段持续时间的直流短路，在这段时间内，直流电流会升高。通过对稳流控制进行调整，并对故障进行及时的切断，一般情况下， HVDC系统不需要任何其他措施就能自动恢复。但是，如果在单次切换失败后，直流或交流电压持续升高，超出了 HVDC系统的控制范围，将导致逆变器的连续切换失效。如果出现连续的换相故障，不但会导致直流电压的大幅增加，而且会在直流侧输入一个交流电压。交流、直流连接、直流线路通过换流变压器时，会产生直流偏磁对变压器的破坏。直接施加于直流回路的 AC电压会导致基波频率的谐波过电压[4]。

二、交直流故障对换相故障的影响

在实际工程中，除 HVDC系统的参数设计存在问题外，大部分的故障都是由于交流或直流侧的故障引起的，从而使开关角度太小。

（一）三相接地短路发生故障

因为晶闸管完成换相操作所需的 S值是固定的，若三相换相电压突然发生对称性下降，则完成换相所需 S值将会较低，这意味着该换相的终止时刻将被推迟至正常换相时的余量。

（二）单相接地短路发生故障

在电网中也是常见的单相接地故障，在出现此类故障时，往往会导致在换相电压过零的瞬间产生偏移，从而使交流母线的某个相位电压降低;另外，这种类型的故障，因相位的运动，会对系统造成更大的伤害。一般来说，要减少换相失效的频率，就必须要提高直流系统的控制能力[5]。

三、结语

通过对电网的稳定、故障原因、故障过程和影响的分析，笔者发现在实际工作中，一定频率的谐振会影响到整个系统的正常工作，利用阻抗比较法可以有效地求出影响系统的稳定度，调整控制器的控制参数和锁相环的参数，可以有效地防止系统的谐振;交流和直流系统的故障会导致换流器出现换相失效，虽然不会对系统的正常运行产生影响，但是它会引起直流等效阻抗的改变，从而产生新的共振。

参考文献

[1]崔陆兵.新能源发电高压直流输电系统并网稳定性研究[J].自动化应用,2022(06):108-110.

[2]刘铠. 基于深度学习的高压直流输电系统换相失败故障诊断方法研究[D].西华大学,2022.

[3]甄自竞. 高压直流输电系统引发电力系统次同步振荡问题研究[D].华北电力大学(北京),2019.

[4]郭政琛. 新能源发电外送直流输电系统送端并网稳定性研究[D].华中科技大学,2019.

[5]尚肖肖. 高压直流输电系统控制策略仿真模型的研究[D].安徽理工大学,2018.