刘思宇,刘　青

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,河北 保定 071003)



·输变电与特高压·

含UPFC线路的谐波特性仿真分析

刘思宇,刘青

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,河北 保定 071003)

针对统一潮流控制器(UPFC)在输电线路中产生的谐波导致线路保护误动的问题,利用PSCAD软件对UPFC建立数学模型,应用快速傅里叶变换法(FFT)详细分析了UPFC安装在输电线路不同位置下的电流谐波特征,发现UPFC在线路首端时电流谐波含量最小。同时也研究了不同故障类型情况下电流的各次谐波变化特征,并用这些特征区分继电保护中线路正常与故障状态,判别故障类型和故障相的判别元件,为提出新的保护原理奠定基础。

UPFC;谐波特性;FFT;保护;PSCAD

统一潮流控制器(UPFC)是所有FACTS元件中最复杂也是最具有创造性的一种装置,它能够同时或分别调节输电线路的电压、相角、阻抗,对线路的有功、无功进行有效控制[1-2]。但是它作为一种新型设备的加入,也给输电线路带来了一些新问题。由于UPFC相当于STATCOM和SSSC装置的组合,而二者均使用了大量大功率电力电子器件,因此,UPFC的加入会使线路产生大量特征谐波和非特征谐波。这些谐波会对线路中的继电保护设备产生干扰,电网的电能质量也会随之下降。因此,深入研究UPFC元件产生的谐波特性以及对谐波进行详细分析,对提高电网电能质量,设计改进线路保护措施具有重要意义。

目前,国内对UPFC装置加入输电线路后产生的谐波在区别正常与故障方面的研究还很少。发表的文献主要讨论了含UPFC线路的输出电压、电流的谐波问题,分析了输出电压、电流的形成原因及其产生的规律,并提出了减小该种谐波的方法。文献[3-4]通过改变变压器的接线方式,分别结合UPFC主电路结构以及特定谐波消去调制技术提出两种不同的方法。文献[5]验证了适当调节控制方法中的优化环节在SSSC能够使输出电压的谐波含量最小,并提出可以将该思想应用在UPFC的逆变器控制中。文献[6]提出了在载波频率和正弦调制波上叠加一个三次波使之成为鞍形波的新方法,总结含UPFC输电线路产生的谐波特征,能够区分线路运行的正常状态和故障状态,并判别出故障状态下的故障类型以及故障相。基于此,本文利用PSCAD软件建立了UPFC的基本模型,利用FFT模块对加入UPFC后的线路电流进行谐波分析,得到UPFC在不同安装位置时的主要谐波次数及谐波含量,并发现将UPFC放在线路首端时谐波含量最小。同时,详细分析了不同故障类型及不同运行时间下的三相电流谐波特征,也利用这些谐波特征在继电保护中区分正常和故障状态,判别故障类型以及故障相,为提出新的保护原理奠定了基础。

1　UPFC基本原理

UPFC一般是由2个电压源型的变流器和1个公共直流侧电容器组成。并联侧变流器通过1个并联变压器接入输电线路,串联侧变流器通过1个串联变压器接入输电线路,并在2个变流器之间接入电容器[7],如图1所示。

图1　UPFC原理图

并联侧的变流器可以随意地与输电线路进行有功和无功的传递,并通过直流电容器为串联变流器提供有功支持。串联变流器通过串联变压器向输电线路注入1个幅值和相角均可控的补偿电压,随着注入电压幅值、相角的不断变化,可以控制输电线路上的等效阻抗、电压、有功及无功,等效电路如图2所示。

图2　等效电路图

UPFC有多种不同的工作方式,即:并联补偿、串联补偿、相位角调节以及该3种方式的结合[8]。

2　UPFC输电线路模型的建立

230 kV双机系统建立的仿真模型如图3所示。

图3　含UPFC的230 kV双机系统

将UPFC安装在AD线路的BC段上,线路AD总长200 km。UPFC的额定容量为100 MVA,其内部的并联变压器变比为230/20 kV,串联变压器的变比为20/230 kV,直流侧电容为2000 μF。仿真过程中,在0.5 s时发生故障,故障持续0.2 s后切除。

UPFC采用三相桥式逆变器模型,逆变器输出采用正弦脉冲调制技术(SPWM)进行控制。UPFC模型的逆变器结构如图4所示[9],其中逆变器的每个桥臂由1个可关断晶闸管(GTO)和1个反向并联的二极管组成。可关断晶闸管与一般晶闸管有所不同,可关断晶闸管经触发导通后,一旦接收到关断信号,就可立刻由导通变为关断。由于二极管整流桥的存在,直流电容上的电压只能是上正下负。但由于可关断晶闸管与二极管反向并联,使桥臂上的电流既可以正向流动也可以反向流动。通过适当的控制,可使电容两端的电压基本保持恒定,其作用相当于一个直流电压源。反向二极管和可关断晶闸管的作用相当于开关。换流桥交流侧的每一相连接到上下2个开关上。通过开关控制信号使得在任一时刻均有开关保持导通状态。上面开关导通,使该相连接到电压源的正极,下面开关导通,则使该相连接到电压源的负极。

图4　UPFC逆变器结构

3　谐波仿真与分析

3.1正常运行时,UPFC安装在不同位置的谐波分析

将UPFC分别安装在线路的首端、1/4、1/2、3/4、末端处,利用PSCAD中FFT模块对加入UPFC后线路上的电流进行谐波分析,得到主要次数的谐波含量如表1所示。

表1　UPFC安装在不同位置时主要谐波的含量值

由表1可以更清晰地发现,将UPFC安装在线路首端时所有次数的谐波含量均明显小于其他位置。因此,将UPFC安装在首端能够使线路上受到谐波的影响最小,对线路上保护的影响也最小。

3.2不同故障类型下含UPFC线路的谐波分析

选择UPFC的安装位置为线路首端,设置不同故障类型,分析故障情况下线路上电流的谐波特征[10]。故障类型分别为A相接地短路,B、C两相短路,A、B、C三相短路,B、C两相接地短路和A、B、C三相接地短路。故障时间设在0.5 s发生,0.7 s切除,系统总运行时间1 s。主要次数的电流谐波含量如表2～6所示。

表2　A相接地故障时主要谐波含量

表3　BC两相短路故障时主要谐波含量

表4　ABC三相短路故障时主要谐波含量

表5　BC两相接地故障时主要谐波含量

表6　ABC三相接地故障时主要谐波含量

将表1正常运行的数据与表2～6的故障数据对比,得到以下结论:

1) 线路发生故障时,三相电流的谐波幅值明显高于正常运行时的三相电流谐波幅值。

2) 当故障发生时,由故障相的基波电流突然增大而导致低次谐波含量增加的幅值较大。

3) 故障情况下,故障相的电流谐波幅值明显高于非故障相的电流谐波幅值。

4) 对于两相故障,两相短路时发生故障的两相之间电流谐波幅值差距较大,而两相接地短路时故障的两相之间电流谐波幅值差距很小,近乎相等。

3.3谐波特征在继电保护中的作用

根据上面分析得到的谐波特征,在电力系统继电保护中,将有助于分析解决谐波导致保护装置误动的问题。而且通过详细分析主要谐波次数可为设计滤波装置提供理论基础。另外,对于发生故障的线路,利用线路中三相电流的谐波特征可以在保护中起到如下作用:

1) 区分线路正常状态和故障状态。当线路输出三相电流的任何一相谐波幅值大于正常状态下该相电流的谐波幅值时,线路发生故障。

2) 在故障情况下判别故障类型。若线路电流的一相谐波幅值明显高于另外两相,则该线路发生了单相故障;若有两相电流的谐波幅值高于另外一相,则该线路发生了两相故障;若三相电流的谐波幅值均大于正常值,则该线路发生了三相故障。

3) 在故障情况下判别故障相。线路电流的谐波幅值明显增大的一相即为故障相。

综上所述,对谐波特征的分析不仅有利于处理谐波在电力系统中的不利影响,同时也可以将其应用在保护中,由特殊谐波次数及谐波特征提出新的保护理论。

4　结　语

仿真分析了在含UPFC的线路中输出电流的谐波特征。通过UPFC在不同安装位置下的三相电流谐波的主要次数及含量的比较,得出将UPFC安装在首端时谐波含量最小。利用不同故障类型下三相电流的谐波特征,能够判断正常与故障状态,在发生故障时可判别出故障相和故障类型。在继电保护中,可利用谐波特征为继电保护新原理的研究提供理论基础。

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(责任编辑郭金光)

Harmonic simulation and analysis of transmission line with UPFC

LIU Siyu, LIU Qing

(State Key Laboratorg of New Energy Power System, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Aiming at the transmission line protection mis-operation caused by the harmonic generated by UPFC, this paper established the mathematical model of UPFC by PSCAD software, and analyzed all kinds of current harmonic content when UPFC was installed in different locations through Fast Fourier Transform Algorithm (FFT). This simulation results show that the amplitudes of harmonics are the least when UPFC was installed in the head of the line. Moreover, this paper discussed the harmonic characteristic of different frequency current under the condition of different fault types. By comparing the harmonic characteristics, the fault type and fault phase can be distinguished, which provides the foundation for protection principle.

UPFC; harmonic characteristic; FFT; protection; PSCAD

2015-12-19;

2016-02-23。

刘思宇(1991—),女,硕士,主要研究方向为柔性交流输电与智能电网。

TM743

A

2095-6843(2016)03-0218-04