摘 要：當電網強度較低時，高壓直流輸電系統的并網系統中可能出現諧波，進而影響系統整體穩(wěn)定性。本文采用阻抗分析法對新能源高壓輸電過程中系統的穩(wěn)定性進行研究，通過建立阻抗數學模型并利用某仿真模擬軟件對并網系統的諧波產生條件進行分析。經過研究發(fā)現：系統的穩(wěn)定性與阻抗大小和傳遞函數有統計學意義，保證輸入端的低阻抗運行能夠避免網路系統與輸入端阻抗產生交點進而產生諧波影響總體穩(wěn)定性；調整整流器側電流控制器參數是控制諧波產生的重要手段之一，其可以有效降低諧振頻率內諧振的發(fā)生概率。

關鍵詞：高壓輸電系統；阻抗；諧波；電流控制器

中圖分類號：TM 726" " " " " " " " 文獻標志碼：A

高壓輸電系統是現代電力系統中的關鍵組成部分，它承擔著將發(fā)電廠產生的電能從遠距離輸送到用戶的重要任務[1-2]。由于電力系統規(guī)模不斷擴大，復雜性增加，高壓輸電系統的并網穩(wěn)定性分析面臨新的挑戰(zhàn)[3]。例如，可再生能源的大規(guī)模接入[4]、電力市場的自由化以及智能電網的發(fā)展等都對系統的穩(wěn)定性提出了新的要求。因此，進一步深入研究高壓輸電系統的并網穩(wěn)定性，探索新的分析方法和控制策略，保障電力系統的安全。本文通過深入研究系統的動態(tài)特性、建立準確的數學模型以及進行仿真分析，有效評估系統的穩(wěn)定性。為高壓輸電系統的可靠運行和電力供應的穩(wěn)定性提供有力支持，推動電力系統的發(fā)展。

1 研究概況

高壓直流（HVDC）輸電系統是一種將交流電轉換為直流電進行輸送的電力傳輸系統。該系統有以下4個組成部分。1）電源側換流器。在高壓直流輸電系統中，電源側的換流器將交流電轉換為直流電。這個過程稱為整流。2）直流線路。直流電從電源側的換流器進入直流輸電線路。直流線路通常采用高壓的絕緣電纜或空氣絕緣線路。在直流電的輸送過程中，由于電流較低，因此輸電損耗相對較小。3）負載側換流器。在負載側，直流電再次經過一個換流器進行逆變，將直流電轉換為交流電。4）負載側電網。逆變后的交流電供應給負載側的電網或用戶。在整個過程中，控制系統起到了關鍵的作用，通過監(jiān)測電壓、電流和頻率等參數控制整流器和逆變器的開關狀態(tài)，以實現電能的轉換和控制?？刂葡到y還負責監(jiān)測和保護系統的運行，保證系統的穩(wěn)定性。

2 研究方法

2.1 技術原理

目前，HVDC系統主要采用線路換流器（Line-Commutated

Converter）作為主要的電力轉換裝置。線路換流器是一種基于可控硅的電力電子裝置，通過控制換流器的開關狀態(tài)來實現交流到直流和直流到交流的轉換。該系統的運行模式包括逆變模式和整流模式，在逆變模式下，線路換流器將直流電轉換為交流電。換流器的可控硅開關將直流電源連接到交流側，并通過逆變操作將直流電轉換為交流電。逆變模式用于將直流電能輸送到交流電網中；在整流模式下，線路換流器將交流電轉換為直流電。換流器的可控硅開關將交流電源連接到直流側，并通過整流操作將交流電轉換為直流電。整流模式的作用是從交流電網中采集直流電能[5]。HVDC系統采用的控制方式主要為換流器的開關控制和調節(jié)控制，系統的換流器采用可控硅開關，通過控制這些開關的通斷狀態(tài)來實現電能轉換?；陔娋W頻率控制開關，換流器通過檢測電網的零交叉點來進行開關的觸發(fā)和控制。為了保證系統穩(wěn)定輸電，還需對系統進行調節(jié)控制。調節(jié)控制主要包括電流控制和電壓控制。電流控制的作用是控制直流電流的大小和穩(wěn)定性，以滿足電力系統的需求[6]。電壓控制用于控制交流側的電壓穩(wěn)定性，保證系統穩(wěn)定地運行。因此，對換流器的研究是高壓直流輸電系統穩(wěn)定性研究的重點。

2.2 模型建立

當HVDC系統處于實際運行狀態(tài)中時，系統的換流器工作點會不斷變化，根據以上特點，本文采用線性化法和分量對稱法[3]對諧波進行線性變化，使其能夠適用于這類非線性系統。當系統輸入端輸入擾動電壓時，工作點處的三相電各分量如公式（1）～公式（3）所示。

va（t）=V1cosω1t+Vpcos（ωpt+φp） （1）

式中：va為a相側電壓；V1為交流電壓幅值；ω1為三相電壓角頻率；Vp為擾動信號幅值；ωp為擾動信號角頻率；φp為擾動信號相位。

（2）

式中：vb為b相側電壓。

（3）

式中：vc為c相側電壓。

對各分量的變化進行分析，若各分量變化相對穩(wěn)定，則系統總體穩(wěn)定。而各分量穩(wěn)定性與其電壓頻域相關，為求得各分量電壓頻域，對上式進行傅里葉變換，就可以得到a相電壓的頻域，如公式（4）所示。

（4）

式中：Va（s）為a相電壓的頻域；f為三相交流電頻率分量；f1為三相交流電頻率；fθp為同步相位對應的頻率分量。b相和c相的電壓頻域同理，這里不再過多贅述。

2.3 仿真驗證

采用某仿真軟件對模型的有效性進行驗證。將交流電源相電壓設為500kV，交流電頻率設為50Hz，當整流器處于定流模式時，其額定直流電流大小為2kA，在輸入端施加100V的交流電壓作為擾動信號，該信號頻率為1Hz～1000Hz，通過計算得到結果（如圖1所示）。從圖中結果可以看出，在1000 Hz以內，采用本文阻抗模型得出的計算結果與仿真結果吻合效果較好，但根據發(fā)展趨勢可以推測出在更高的頻率區(qū)段中，二者結果可能會存在部分偏離現象。

3 結果分析

3.1 并網穩(wěn)定性分析

通過建立的整流器阻抗模型進一步對高壓直流輸電系統的總體阻抗進行分析，總結了輸入阻抗的變化特征，利用奈奎斯特穩(wěn)定性判據對并網穩(wěn)定性進行判定。在高壓直流輸電并網系統中，交流電網可以看作是電源，因此可以將其等效為一個串聯阻抗的電壓源戴維南電路，而高壓直流輸電系統本身相當于負載，可將其等效為一個并聯理想電流源的諾頓電路，因此網路電壓可以控制整個系統的輸入電壓，而高壓直流輸電系統則負責控制系統的交流電流。根據等效原理，可以推導出公式（5）、公式（6）。

（5）

（6）

式中：H（s）為傳遞函數；Zg（s）為網路阻抗；Zrec（s）為整流器端的輸入阻抗。

從公式（5）、公式（6）可以看出，當電壓源空載運轉時，高壓直流輸電系統的并網穩(wěn)定性主要取決于傳遞函數H。

圖2顯示了電流隨時間變化的趨勢。根據數據，電流在1.01014 kA～2.31996 kA變化?？梢钥闯?，電流的變化幅度較大，可能與系統的負載和電源的變化有關。此外，數據中電流的變化趨勢也值得注意。從圖中可以看出，電流呈現出周期性變化的趨勢，其中電流的最大值和最小值交替出現，該結果可能與系統的控制和調節(jié)有關。從圖2中的結果可以看出，在理想條件下，高壓直流輸電系統決定并網電流，其先決條件是在整個網路中的阻抗較低并且無諧波干擾，在并網系統中不會出現震蕩的情況。在實際的電網運行過程中，其阻抗不為0，與一般情況相比其在新能源發(fā)電中的阻抗更大，系統網路中的阻抗與系統輸入端阻抗在一定的頻域區(qū)間中存在交點，從而產生一定頻次的諧波震蕩，使并網系統穩(wěn)定性變差。

3.2 送端并網穩(wěn)定性分析

對于高壓直流輸電系統的送端網路阻抗以及其電壓等級，本文主要參照CIGRE Benchmark模型[4]。在忽略濾波器對阻抗的影響調價下，其短路比設定為2.5，換流變壓器的比值設置為345kV/210kV，其諧波吸收次數為11次和13次，以便于為并網系統提供較低阻抗下的運行通路，避免了低頻諧振的情況出現。

考慮到定電流調節(jié)器參數的不同會對阻抗造成一定的影響，因此將調節(jié)器參數設置為p=0.002，i=2.9，帶寬設為20 Hz。由于定電流控制器各不相同，因此本文給出以下2種參數。1） p1=0.9，i1=0.9。2） p2=2.2，i2=21。根據設計參數得出了送端并網波特圖，從圖3可以看出，在第一種參數下網路阻抗與整流器端的輸入阻抗交于200Hz處，二者相位角裕度為45°，在該參數設置下，高壓直流輸電系統可以穩(wěn)定運行；而在第二種參數設置下，網路阻抗與整流器端的輸入阻抗交于350 Hz處，二者相位角裕度約為25°，且其直流側存在350 Hz的諧振。

4 結論

本文通過深入研究系統的動態(tài)特性、建立準確的數學模型和進行仿真分析，有效評估高壓直流輸電系統并網的穩(wěn)定性，并得出以下2個結論。1）高壓直流輸電系統的穩(wěn)定性在實際工作運行中主要取決于低阻抗環(huán)境和傳遞函數大小，低阻抗運行環(huán)境中能夠減少諧波產生的可能性，從而保證系統穩(wěn)定性。2）整流器側電流控制器的參數變化會影響并網系統的穩(wěn)定性，將參數設置在合理區(qū)間內，能夠在諧振出現的頻率區(qū)間保證穩(wěn)定的裕度。

參考文獻

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