电网换相换流器直流谐波模型的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种电网换相换流器直流谐波模型的设计方法。包括以下过程：考虑1个电源周期内各换流阀的导通情况，计算各阀的换相角；然后采用分段线性法计算各个三相半桥电路的3脉动电感，对三相半桥电路的输出电压进行傅里叶分解，计算其3脉动谐波电压源；进而形成戴维南等效电路形式的三相半桥电路谐波模型；最后将半桥模型串联，建立换流器直流谐波模型。使用本方法建立的模型可以计算电网换相换流器直流侧的任意次谐波，且计及了交流侧多种不对称因素、背景谐波及交流滤波器的影响。相比现有方法，本方法具有更宽的谐波计算范围，更高的谐波计算准确性，对不对称因素的考虑更为全面，能够为换流器直流滤波器设计的改善提供技术支撑。

Design method of DC harmonic model for power converter

The invention discloses a method for designing a DC harmonic model of a power grid commutation converter. The process includes the following: consider the 1 power cycle of the converter valve conduction, phase change calculation of the valve; 3 pulse inductance is then calculated each three-phase half bridge circuit using piecewise linear method, the output voltage of the three-phase half bridge circuit by Fourier analysis, calculation of the 3 pulse harmonic voltage and harmonic three-phase source; the half bridge circuit model of the Thevenin equivalent circuit form; the half bridge series model, establish the converter DC harmonic model. The proposed model can be used to calculate the arbitrary harmonics of the DC side of the converter, and the influence of the asymmetry of the AC side, the background harmonic and the AC filter are also discussed. Compared with the existing methods, this method has a wider range of harmonic calculation, the calculation accuracy of the higher harmonics, the asymmetric factors is more comprehensive, can provide technical support for the improvement of converter DC filter design.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种电网换相换流器直流谐波模型的设计方法，特别是一种计及不对称因素和交流背景谐波的3脉动模型设计方法，属于电网换相换流器直流谐波模型设计方法的创新技术。
技术介绍
电网换相换流器是电力电子领域重要的交直流电能变换设备，广泛应用于高压直流输电、柔性交流输电、新能源并网等场合。目前，电网换相换流器模型的设计有多种方法。有针对6脉动换流器的6脉动谐波模型和针对12脉动换流器的12脉动谐波模型，这两种方法只能分别计算6脉动换流器或12脉动换流器的特征谐波，不能体现这些换流器产生的非特征谐波，因此计算误差很大；而3脉动谐波模型虽然能够计算3k(k=1,2,3…)次非特征谐波，但原设计方法基于较多假设条件而导出模型，因此3脉动谐波模型不能准确体现非理想条件下12脉动换流器直流谐波的状况，表现为多回高压直流输电工程，用3脉动谐波模型计算的结果与现场实测结果存在较大的偏差。因此，设计一种充分考虑实际工况下多种非理想因素影响的12脉动换流器直流谐波模型算法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的：考虑上述问题，提供一种能够充分计及多种换流器交流不对称、触发角和换相角不对称影响及交流滤波器影响的电网换相换流器直流谐波模型的设计方法。本专利技术的技术方案是，包括以下过程：将12脉动换流器等效为4个串联的三相半桥电路，将每一个换流阀在一个电源周期中分为6个工作状态，采用分段线性法完备的表征每一个工作状态各个三相半桥电路的换相角、电感以及电压；进而求取一个电源周期内的电感平均值，建立3脉动电感模型，对三相半桥电路的输出电压进行傅里叶分解，形成3脉动谐波电压源模型；在此基础上组成戴维南等效电路形式的三相半桥电路谐波模型；最后考虑换流变压器的对地杂散电容，形成12脉动电网换相换流器直流谐波模型。求解所述换相角的数学方程为：其中，ω为基波角频率，Li和Ri分别为i(i=a,b,c)相换相电感和换相电阻，id为直流电流，U1为基波线电压有效值，M为常系数，α1和μ1分别为换流阀V1的触发角和换相角。所述3脉动电感模型的设计包含以下过程：（1）三相半桥电路上两个换流阀同时导通的换相过程期间，其电感为其中Li为i相(i,j=a,b,c)的换相电感，确定方法如下其中LTi为i相的换流变压器漏感，Lsi为i相电网等值电感，LFi为i相交流滤波器等值电感；（2）3个换流阀均不换相期间，三相半桥电路的电感为（3）考虑1个电源周期内各换流阀的导通情况，采用分段线性法计算三相半桥电路的3脉动电感，其计算式为其中，αq和μq(q=1,5,9)分别为换流阀Vq的触发角和换相角。所述3脉动谐波电压源的设计包括以下过程：（1）当j相向i(i,j=a,b,c)相换相时，换流阀V1、V5、V9组成的三相半桥电路的整流电压为式中ui为换流变压器阀侧i相电压，即其中n为谐波次数，Uni和φni分别为i相n次谐波电压的幅值和相角；（2）3个换流阀均不换相期间，上述三相半桥电路的电压为（3）一个电源周期内，对由3个换相期间及3个不换相期间组成的上述三相半桥电路的输出电压进行傅里叶分解，得到式中u3p为3脉动谐波电压源；U3pn和φ3pn分别为n次谐波电压的幅值和相角，计算公式分别为其中下标0代表直流分量，an和bn分别为n次谐波电压的实部和虚部，其计算式为。本专利技术的有益效果如下：本专利技术由于采用分段线性法且每一分段中完整体现换流器交流三相参数，同时考虑了控制系统误差所致的不等间隔触发和换相角偏差，保留了交流滤波器三相参数，因此避免了原3脉动谐波模型设计方法预先假定换流器交流侧三相对称、交流滤波器阻抗无穷大、每个换流阀等间隔触发，且换相角相等，从而不能计算换流器交流侧各种不对称及交流滤波器对直流谐波的影响、不能考虑控制系统误差所致的不等间隔触发的影响以及换相角偏差的影响，且只能计算直流3k（k=1,2,3…）次谐波的问题。此外，本专利技术的设计方法仍然具有原模型适用性广泛的特点，可以应用于各种不同结构的电网换相换流器直流谐波建模。因此本专利技术是一种具有更宽的谐波计算范围，更高的谐波计算准确性，同时考虑更多的谐波畸变影响因素的电网换相换流器直流谐波模型的设计方法。附图说明图1是12脉动电网换相换流器原理图。图2是本专利技术设计的12脉动电网换相换流器的3脉动谐波模型。图3是三相半桥电路换相过程示意图。图4是高压直流输电测试工程单极大地回线直流系统原理图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。图1为12脉动电网换相换流器的原理图。12脉动换流器由两个6脉动换流器在直流侧串联，同时在交流侧通过换流变压器并联组成。每个6脉动换流器由两个三相半桥电路串联组成，实现电能的交直流转换。因此，12脉动换流器等效为4个串联的三相半桥电路。1.3脉动谐波模型12脉动电网换相换流器的直流谐波模型拓扑如图2所示。它将12脉动换流器等效为4个串联的三相半桥电路，分别为由换流阀V1V5V9及其所连交流系统组成的共阴极半桥电路、V3V7V11及其所连交流系统组成的共阳极半桥电路，以及V2V6V10和V4V8V12分别与其所连交流系统组成的共阴极半桥和共阳极半桥电路。每个三相半桥电路用一组由3脉动电感L3p和3脉动谐波电压源u3p组成的戴维南等效电路加以等效。换流变压器杂散电容对谐波的影响则用图2中电容C1和C2加以表示。2.换相角模型设计实际工程场合下，由于电网中含有大量不对称负载、换流变压器三相参数不完全相等、换流阀非等间隔触发等因素，换流器的运行状态往往不对称，其各个换流阀的换相角亦均不相同，需要分别进行计算。这里以换流阀V9向V1换相为例，建立换相角的数学模型。此时，图1中上6脉动换流器中导通的换流阀为V9、V11和V1，其换相过程如图3所示。做以下假设：1）因为交流系统的谐波远小于基波，因此仅计及换流器交流侧的基波（即不考虑谐波）；2）交流滤波器的基波阻抗远高于谐波阻抗，故将交流滤波器视为开路，不计其影响；3）由于直流平波电抗器电抗非常大，因此直流电流id近似恒定。针对图3，依据基尔霍夫定律同时计及，可得(1)上式的通解为(2)式中(3)(4)其中Li和Ri分别为i(i=a,b,c)相换相电感和换相电阻；id为直流电流；U1为基波线电压有效值；M为常系数。将初始条件ia=0，及换相结束时ia=id代入式（2），得(5)式中α1和μ1分别为换流阀V1的触发角和换相角。式（5）为换相角μ1的超越方程，将交流系统各相参数带入之，即可迭代求出计及换流变压器三相不对称、电网不对称以及触发角不对称时的换相角。3.3脉动电感模型设计以换流阀V1、V5、V9组成的三相半桥电路为例，当换流阀V9向换流阀V1换相时（如图3所示），换相电感为(6)其中Li为i相(i,j=a,b,c)的换相电感，计算式如下(7)其中LT为换流变压器漏感；Ls为电网等值电感；Lf为交流滤波器等值电感。3个换流阀均不换相期间，每个三相半桥电路的电感为(8)考虑1个电源周期内各换流阀的导通情况，采用分段线性法计算换流器各个三相半桥电路的3脉动电感，具体方法如下：以换流阀V1、V5、V9组成的三相半桥电路为例，每个换流阀在一个电源周期中存在如下6个工作区间：，，，，，，因此每个三相半桥电路的平均电感为(9)式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电网换相换流器直流谐波模型的设计方法，其特征在于包括以下过程：将12脉动换流器等效为4个串联的三相半桥电路，将每一个换流阀在一个电源周期中分为6个工作状态，采用分段线性法完备的表征每一个工作状态各个三相半桥电路的换相角、电感以及电压；进而求取一个电源周期内的电感平均值，建立3脉动电感模型，对三相半桥电路的输出电压进行傅里叶分解，形成3脉动谐波电压源模型；在此基础上组成戴维南等效电路形式的三相半桥电路谐波模型；最后考虑换流变压器的对地杂散电容，形成12脉动电网换相换流器直流谐波模型。

【技术特征摘要】
1.一种电网换相换流器直流谐波模型的设计方法，其特征在于包括以下过程：将12脉动换流器等效为4个串联的三相半桥电路，将每一个换流阀在一个电源周期中分为6个工作状态，采用分段线性法完备的表征每一个工作状态各个三相半桥电路的换相角、电感以及电压；进而求取一个电源周期内的电感平均值，建立3脉动电感模型，对三相半桥电路的输出电压进行傅里叶分解，形成3脉动谐波电压源模型；在此基础上组成戴维南等效电路形式的三相半桥电路谐波模型；最后考虑换流变压器的对地杂散电容，形成12脉动电网换相换流器直流谐波模型。2.如权利要求1所述的电网换相换流器直流谐波模型的设计方法，其特征在于，求解所述换相角的数学方程为：其中，ω为基波角频率，Li和Ri分别为i(i=a,b,c)相换相电感和换相电阻，Id为直流电流，U1为基波线电压有效值，M为常系数，α1和μ1分别为换流阀V1的触发角和换相角。3.如权利要求1所述的电网换相换流器直流谐波模型的设计方法，其特征在于，所述3脉动电感模型的设计包含以下过程：（1）三相半桥电路上两个换流阀同时导通的换相过程期间，其电感为其中Li为i相(i,j=a,b,c)...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄莹，辛清明，赵晓斌，李欢，韩民晓，崔康生，蔚泽，文俊，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，华北电力大学，
类型：发明
国别省市：广东;44