新型换流变压器及其滤波系统对直流输电换相的影响研究

论文摘要

我国地域幅员辽阔,能源分布和负荷需求发展很不平衡,远距离大容量输电以及区域电网互联势在必行。在此方面,直流输电具有技术上和经济上的独特优势,必将对我国电力工业的可持续发展起到十分重要的作用。基于新型换流变压器及其滤波系统的直流输电系统(简称新型直流输电系统)采用了一种全新的滤波方案,称为感应滤波技术。它既有别于传统的无源滤波方式,也有别于现有的有源滤波方式。这项技术在新型换流变压器阀侧绕组的中间抽头处接入特征谐波滤波器,使得大部分谐波电流通过滤波支路短路,而在网侧绕组中流过的部分很小,可以忽略不计。本文的理论分析与现场测试均表明,新型直流输电系统的滤波效果明显优于传统直流输电系统;通过换流变压器网侧绕组的谐波很小,考虑谐波的影响而计入额定容量的设计裕度减小,有利于降低换流变压器的制造成本和运行损耗;此外,新型换流变压器的振动速度下降到传统换流变压器的1/3左右,在减振降噪方面有一定的优势。进一步考虑,新型直流输电系统采用感应滤波技术后,对换相会产生什么样的影响?和传统直流输电系统相比,前者在换相方面有什么潜在的优势?针对这些问题,本文主要完成以下几方面的基础研究工作:(1)计算直流输电稳态运行参数时,传统的方法要么非常复杂,一旦考虑相关滤波装置,在计算与分析方法上都容易遇到困难;要么过于简化,导致计算误差很大。针对此问题,本文将换流变压器阀侧相电流进行了完全傅里叶分解,并建立了计算直流输电系统运行参数的详细数学模型。模型有利于计入滤波器时的分析与计算,能够十分精确地反映出各种运行参数在稳态运行时的变化规律,而且计算过程特别简单。(2)通过深入研究发现,交流系统耦合电抗及换流变压器漏抗的存在是导致直流输电逆变器换相失败的重要因素之一;通过滤波,新型直流输电系统与传统直流输电系统均能消除耦合电抗对逆变器换相的不良影响,但前者能够大大削弱变压器漏抗的消极作用,改善了换相特性,后者却无法避免变压器漏抗对逆变器换相的消极作用。在此基础上,本文进一步分析得出新型直流输电系统能够改善换相的内在原因,即相比于传统直流输电系统,换相电抗大幅减小。(3)通过系统研究表明,未接入滤波器时,新型换流变压器换相电抗的计算方法与传统计算方法完全一致,但是接入滤波器后,传统的求解方法不再适用于新型换流变压器换相电抗的计算。因此,本文提出全新的计算换流变压器换相电抗的方法,认为换相电抗的大小与换相电流的基波及谐波分量流通回路的等值电感以及各分量的占有率密切相关。(4)传统换流变压器的换相电抗与短路电抗基本相同,主要由换流变压器漏抗决定。因此,换流变压器漏抗必须足够大,以限制短路电流,但又不宜过大,否则无功损耗增加,且造成换相失败。本文研究发现,新型换流变压器及其滤波系统在换相电抗减小的同时,短路电抗并无明显变化,两者并不矛盾。(5)可行性研究表明,传统直流输电系统难以应用于弱交流系统,而新型直流输电系统接入滤波器时所需换相压降大幅减小,因而对交流系统的强度要求大大降低,具有应用于弱交流系统的前景。本文通过系统而深入的研究,建立了新型直流输电系统在换相特性方面的理论研究体系。新型直流输电系统改善了换相特性,还可能应用到弱交流系统中。它在诸多方面体现出明显的优越性,具有良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文的工程背景
• 1.1.1 直流输电的概论
• 1.1.2 我国直流输电的发展现状
• 1.2 直流输电的换相问题及国内外研究现状
• 1.2.1 直流输电系统中换流器换相的基本概念
• 1.2.2 直流输电的主要换相方式
• 1.2.3 直流输电系统中换相失败问题
• 1.2.4 几种直流输电系统换相特性的优劣对比
• 1.3 本论文研究的目的和意义
• 1.4 本论文完成的主要工作
• 第2章 新型换流变压器及其滤波系统综述
• 2.1 换流变压器特有的问题
• 2.2 直流输电用传统换流变压器的基本理论
• 2.2.1 接线方案与工作原理
• 2.2.2 电压电流传递方程
• 2.3 直流输电用新型换流变压器的基本理论
• 2.3.1 接线方案与工作原理
• 2.3.2 电压电流传递方程
• 2.4 传统换流变压器与新型换流变压器在直流输电中的应用对比
• 2.4.1 直流输电系统换流站拓扑结构
• 2.4.2 直流输电系统研究平台
• 2.4.3 应用效果对比
• 2.5 本章小结
• 第3章 交流系统等值电抗对新型直流输电系统运行参数的影响研究
• 3.1 直流输电系统运行于整流状态时的运行参数
• 3.1.1 直流输电系统整流站拓扑结构
• 3.1.2 传统直流输电系统整流站运行参数的数学模型
• 3.1.3 新型直流输电系统整流站运行参数的数学模型
• 3.2 直流输电系统运行于逆变状态时的运行参数
• 3.2.1 传统直流输电系统逆变站运行参数的数学模型
• 3.2.2 新型直流输电系统逆变站运行参数的数学模型
• 3.3 对计算直流输电系统运行参数的数学模型的分析
• 3.3.1 对数学模型的分析
• 3.3.2 传统与新型直流输电系统运行参数的对比分析
• 3.4 交流系统等值电抗对直流输电系统运行参数的影响分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 新型直流输电系统改善换相的机理研究
• 4.1 概述
• 4.2 直流输电系统换相失败故障
• 4.2.1 换相失败的机理分析
• 4.2.2 影响换相失败的因素
• 4.2.3 避免换相失败的措施
• 4.3 新型直流输电系统改善换相的机理
• 4.3.1 交流系统等值电抗对换相失败的影响机理
• 4.3.2 新型直流输电系统改善换相的机理
• 4.3.3 新型直流输电系统改善换相的原因
• 4.4 本章小结
• 第5章 感应滤波技术对新型换流变压器换相电抗的影响
• 5.1 感应滤波技术对新型换流变压器换相电抗的影响机理
• 5.1.1 基于新型换流变压器及其滤波系统的换流站
• 5.1.2 感应滤波技术的基本原理
• 5.1.3 新型换流变压器换相电抗的特征分析
• 5.2 新型换流变压器等值换相电抗的理论计算
• 5.2.1 换相电流基波及各次谐波分量占有率计算
• 5.2.2 单相测量法计算基波及各次谐波下的单相等值电感
• 5.2.3 新型换流变压器等值换相电抗的计算
• 5.3 仿真验证
• 5.3.1 仿真模型
• 5.3.2 对比分析
• 5.4 总结
• 5.5 本章小结
• 第6章 感应滤波技术对新型直流输电系统短路电抗的影响
• 6.1 直流输电短路期间换流阀中最大电流的分析计算
• 6.1.1 需要研究的短路故障类型确定
• 6.1.2 桥臂短路时换流阀中最大短路电流的理论计算
• 6.2 仿真计算
• 6.2.1 仿真模型
• 6.2.2 仿真计算结果
• 6.3 定性分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 新型直流输电系统应用于弱交流系统的可行性研究
• 7.1 与弱交流系统相连的直流系统运行存在的问题
• 7.2 新型直流输电系统应用于弱交流系统的可行性
• 7.2.1 新型直流输电系统应用于弱交流系统的主要优势
• 7.2.2 存在的问题
• 7.2.3 可行的解决措施
• 7.3 本章小结
• 结论
• 1. 本文完成的工作
• 2. 今后研究工作展望
• 参考文献
• 附录A 攻读博士学位期间所发表的主要学术论文目录
• 附录B 新型直流输电系统原理图
• 附录C 直流输电系统研究平台实物图
• 附录D 攻读博士学位期间参与的主要科研项目
• 致谢