【摘 要】
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基于电网换相换流器的高压直流输电系统由于其独特的优势,目前在跨区域电网间的互联与大容量远距离输电中获得广泛应用。然而,随着实际工程的运行,直流输电系统的谐波问题也逐渐凸显,已成为交直流系统安全稳定运行面临的巨大挑战之一。本文围绕直流输电系统的谐波问题,建立了涵盖直流一二次系统的谐波分析模型,从谐波的传递与耦合两个维度,针对直流线路的传递特性、换流变的饱和效应、控制系统的响应特性以及谐波对换相失败评
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金项目《多馈入直流系统换相失败评估理论与柔性控制技术基础研究》（项目编号:U1766213）; 国家自然科学基金项目《基于模态切换的交直流混联电网故障的系统属性解析与直流保护策略优化》（项目编号:51677073）
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基于电网换相换流器的高压直流输电系统由于其独特的优势,目前在跨区域电网间的互联与大容量远距离输电中获得广泛应用。然而,随着实际工程的运行,直流输电系统的谐波问题也逐渐凸显,已成为交直流系统安全稳定运行面临的巨大挑战之一。本文围绕直流输电系统的谐波问题,建立了涵盖直流一二次系统的谐波分析模型,从谐波的传递与耦合两个维度,针对直流线路的传递特性、换流变的饱和效应、控制系统的响应特性以及谐波对换相失败评估的影响问题进行了全方位的研究。主要内容如下:（1）建立了计及直流线路分布式参数特征的直流系统完整二端口模型。在分析换流器开关特性以及线路特征的基础上,构建了能够反映交直流系统间谐波交互影响的模型。将该模型用于谐波计算,并与PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真中的结果相比较,结果表明该模型计算简单,精度可靠。由于考虑了线路的分布参数,该模型可以较便利地分析谐波在直流线路中的传递机理与放大特性,可以应用于工程规划初期的谐波评估为制定谐波保护策略提供理论基础。（2）构建了计及换流变饱和效应的交直流系统谐波不稳定性判据。针对由互补谐振与换流变饱和特性共同作用导致的交直流系统谐波不稳定现象,建立了考虑直流完整系统的谐波不稳定性判据。该判据理论清晰,表达简单,参数基于二端口模型容易求取,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真结果验证了判据的准确性与有效性。采用该判据分析不同参数对谐波稳定性的影响,可以为直流输电系统的设计以及运行阶段避免谐波不稳定性现象提供依据。（3）提出了抗谐波扰动的双二阶广义积分锁相方法。针对直流输电系统锁相环易受电压不对称及谐波影响导致不能准确追踪同步信号的问题,提出基于相序解耦控制器与正交谐波消除模块来改进锁相环的方法,以提升其抗干扰能力。通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真表明:改进的锁相环在电网电压不对称、谐波含量较高时仍具有较强的鲁棒性。将改进的锁相环应用于直流输电系统中对比发现,该锁相环不但能够减少换相失败的发生次数,而且还可以降低系统的谐波含量。（4）提出了直流输电系统控制策略的改进方案。针对极控系统输出的触发角易受谐波影响的问题,提出基于陷波器、改进低压限流环节与故障产生的动作时序相结合的方法来提升极控系统的性能。将改进的控制策略应用于直流输电系统中,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真对比分析发现,该策略可以削弱故障时谐波对直流系统响应的影响,在提升直流输电系统暂态特性与恢复特性的同时也减少了系统的谐波含量,可为实际工程中提升直流输电系统的性能提供参考。（5）提出了同时计及换流母线谐波电压、相位偏移和直流电流变化影响的熄弧角计算方法。鉴于谐波对直流输电系统换相的影响,在分析了其影响规律的基础上,对直流电流、谐波电压进行拟合处理;并构建相位偏移的计算方法。基于上述的处理,提出对传统熄弧角计算公式进行改进,利用改进公式可以对换相失败进行评估。通过与PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真结果对比验证了所提评估方法的准确性和有效性。该方法完善了逆变侧交流系统故障后谐波对直流输电系统换相失败影响的定量分析。本文研究工作得到了国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金项目《多馈入直流系统换相失败评估理论与柔性控制技术基础研究》（项目编号:U1766213）、国家自然科学基金项目《基于模态切换的交直流混联电网故障的系统属性解析与直流保护策略优化》（项目编号:51677073）的资助。部分研究成果已经在电网运行部门的实际工作中得到应用,取得了良好的技术和经济效益,验证了本文工作的正确性和有效性。
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