一种受端电容换相换流器换相电容确定方法与流程

本发明属于电力系统输配电，具体涉及一种受端电容换相换流器的换相电容确定方法。

背景技术：

1、传统电网换相换流器(line commutated converter,lcc)是借助电网来实现换相，要求所连交流系统必须是有源网络且具有足够大的短路容量。由于其采用无自关断能力的晶闸管作为换流元件，因而在受端连接到弱交流系统时，容易产生换相失败问题，威胁直流输电系统的安全稳定运行；同时lcc在运行时会消耗大量的无功功率，需要安装占地面积较大的无功补偿装置。

2、由于lcc存在上述局限性，在上世纪90年代，专家学者们开始研究新一代直流输电技术，其中基于电容换相换流器(capacitor commutated converter,ccc)的高压直流输电技术(ccc based hvdc,ccc-hvdc)是一种技术路线，旨在解决lcc不能在极弱受端交流系统下正常运行的问题。

3、ccc是在传统lcc的换流变压器和换流阀之间串联接入电容器构成的新型换流器拓扑，其中串联的电容器被称为“换相电容”，可以产生额外的换相电压辅助换相。因此，如何确定换相电容的取值是对直流输电参数设计非常重要。

4、到目前为止，已公开的绝大多数文献直接给出了换相电容的值，并未详细阐述换相电容的取值方法。随意选取换相电容值时，换流阀可能会由于过电压导致击穿，同时受端定关断角控制的参考值需要重新进行计算来满足系统稳定运行的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种受端电容换相换流器换相电容确定新方法，为ccc-hvdc系统参数设计提供换相电容确定方法，在工程成套设计中有较大的应用价值。

2、一种受端电容换相换流器换相电容确定方法，包括如下步骤：

3、(1)在不考虑不对称因素的情况下，对电容换相换流器在一个工频周期内进行时域分段，分为换相过程和非换相过程。

4、(2)推导换相过程的微分方程，建立受端ccc的稳态数学模型。

5、(3)给出ccc换相电容选取原则，并计算得到换相电容值。

6、进一步地，所述步骤(1)的具体实施过程为：换流阀的触发顺序是v1、v2、v3、v4、v5、v6，相应的触发角度是α1、α2、α3、α4、α5、α6，换相重叠角是μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6。一个工频周期[α1,α1+2π]被分为6个换相区间和6个非换相区间。

7、在每个换相过程或非换相过程中，电容换相换流器的等效电路拓扑结构相同，使用符号p、r、q来表征不同阶段的特性。其中，符号p代表进入换相的相，符号r代表退出换相的相，符号q代表未参与换相过程的相。

8、进一步地，所述步骤(2)的具体实施过程为：以换流阀v1触发为例来推导换相过程的微分方程，换流阀v5退出换相，换流阀v1进入换相，换流阀v6不参与换相。令换流变压器的短路阻抗为uk，系统角频率为ω，直流电压为ud，直流电流为id，。建立受端ccc的稳态数学模型为：

9、

10、

11、

12、

13、

14、

15、

16、α+μ+γapp＝π

17、

18、pd＝udid

19、

20、

21、

22、以上13个方程构成了受端ccc的稳态数学模型。在受端ccc的稳态数学模型中包含15个状态变量：实际关断角γreal、视在关断角γapp、换相重叠角μ、触发角α、常数a、常数b、有功功率pd、无功功率qd、换相电容值c、谐振角频率ω0、换相电感值l、阀侧电压有效值e、换流阀峰值电压uvtmax、换相电容端电压变化量△u1和△u2。

23、进一步地，所述步骤(3)的具体实施过程为：在受端ccc的稳态数学模型中有15个状态变量，但只有13个独立方程。如果任意2个状态变量被确定，其余的状态变量就可以直接求解得到，由此给出换相电容选取原则。

24、换相电容选取原则1：ccc中换流阀的峰值电压为相同条件下lcc中换流阀峰值电压的k倍。

25、换相电容选取原则2：为满足控制的要求，ccc的视在关断角参考值取值为γappref。

26、进一步地，对于换相电容选取原则1，串联的换相电容会给换流阀增加额外的电压应力。在确定电容值时，令ccc的换流阀峰值电压为相同条件下lcc的k倍，这可以满足设计要求。一般而言，取k＝1.1。因此，状态变量uvtmax被确定。

27、进一步地，对于换相电容选取原则2，受端ccc采用定视在关断角控制，相比于传统lcc，ccc可以在较小的视在关断角情况下运行，从而减小无功功率需求。一般而言，取γappref＜17°。因此，状态变量γapp被确定。

28、当确定好状态变量uvtmax和γapp之后，通过求解受端ccc的稳态数学模型，可以得到方程组的唯一解，从而确定换相电容值。

29、基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

30、(1)针对受端电容换相换流器，本发明提出了一种换相电容确定方法，该方法从稳态数学模型角度给出换相电容选取原则，从而可以精确计算换相电容的取值，为未来工程成套设计中的主回路参数选取提供指导作用。

31、(2)本发明在换相电容选取原则中确定了换流阀峰值电压的取值，可根据该值进行换流阀选型，从而避免换流阀由于过电压导致击穿的问题。

32、(3)本发明在换相电容选取原则中确定了视在关断角参考值的取值，这与受端电容换相换流器采用定关断角控制的控制方式相吻合，因此在受端无需重新设计额外控制器，说明本发明方法实施简单，具有较强的适用性。

技术特征：

1.一种受端电容换相换流器换相电容确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的换相电容确定方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体实施过程为：换流阀的触发顺序是v1、v2、v3、v4、v5、v6，相应的触发角度是α1、α2、α3、α4、α5、α6，换相重叠角是μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6；一个工频周期[α1,α1+2π]被分为6个换相区间和6个非换相区间；

3.根据权利要求1所述的换相电容确定方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体实施过程为：以换流阀v1触发为例来推导换相过程的微分方程，换流阀v5退出换相，换流阀v1进入换相，换流阀v6不参与换相；令换流变压器的短路阻抗为uk，系统角频率为ω，直流电压为ud，直流电流为id，建立受端ccc的稳态数学模型为：

4.根据权利要求3所述的换相电容确定方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体实施过程为：在受端ccc的稳态数学模型中有15个状态变量，但只有13个独立方程，如果任意2个状态变量被确定，其余的状态变量就可以直接求解得到，由此给出换相电容选取原则。

5.根据权利要求4所述的换相电容确定方法，其特征在于，换相电容选取原则1为：ccc中换流阀的峰值电压为相同条件下lcc中换流阀峰值电压的k倍。换相电容选取原则2为：为满足控制的要求，ccc的视在关断角参考值取值为γappref。

6.根据权利要求5所述的换相电容确定方法，其特征在于，换相电容选取原则1还包括：串联的换相电容会给换流阀增加额外的电压应力，在确定电容值时，令ccc的换流阀峰值电压为相同条件下lcc的k倍，取k＝1.1，因此，状态变量uvtmax被确定。

7.根据权利要求5所述的换相电容确定方法，其特征在于，换相电容选取原则2还包括：受端ccc采用定视在关断角控制，相比于传统lcc，ccc可以在较小的视在关断角情况下运行，从而减小无功功率需求，取γappref＜17°，状态变量γapp被确定。

8.根据权利要求5所述的换相电容确定方法，其特征在于，换相电容选取原则1还包括，串联的换相电容会给换流阀增加额外的电压应力，在确定电容值时，令ccc的换流阀峰值电压为相同条件下lcc的k倍，取k＝1.1，因此，状态变量uvtmax被确定；换相电容选取原则2还包括：受端ccc采用定视在关断角控制，相比于传统lcc，ccc可以在较小的视在关断角情况下运行，从而减小无功功率需求，取γappref＜17°，状态变量γapp被确定；

技术总结
本发明公开了一种受端电容换相换流器换相电容确定方法，包括以下步骤：(1)在不考虑不对称因素的情况下，对电容换相换流器在一个工频周期内进行时域分段，分为换相过程和非换相过程。(2)推导换相过程的微分方程，建立受端CCC的稳态数学模型。(3)给出CCC换相电容选取原则，并计算得到换相电容值。本发明从稳态数学模型角度给出换相电容选取原则，可以精确计算换相电容的取值，为未来工程成套设计中的主回路参数选取提供指导，同时，在换相电容选取原则中确定了视在关断角参考值的取值，这与受端电容换相换流器采用定关断角控制的控制方式相吻合，无需重新设计额外控制器，实施简单，具有较强的适用性。

技术研发人员：严铭,贾妍博,倪佳华,杨文斌,王霄鹤,郦洪柯,杨林刚,陈晴,陈玮,陈雨薇,夏冰清
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/7/15