GB∕T 20996.3-2020 采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能 第3部分：動態(tài)

?ICS29.200；29.240.99

K46

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T20996.3—2020/IECTR60919-3:2016

代替GB/Z20996.3—2007

采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流

系統(tǒng)的性能第3部分：動態(tài)

Performanceofhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systemswith

line-commutatedconverters—Part3:Dynamicconditions

(IECTR60919-3:2016,IDT)

2020-12-14發(fā)布

2021-07-01實施

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GB/T20996.3—2020/IECTR60919-3=2016

目次

tuW n

i翻 i

2規(guī)范性引用文件 1

3高壓直流動態(tài)性能規(guī)范概要 2

3.1動態(tài)性能規(guī)范 2

3.2—■般說明 2

4交流系統(tǒng)潮流和頻率控制 3

4.1観 3

4.2功率潮流控制 3

4.3頻率控制 5

5交流動態(tài)電壓控制及與無功功率源的相互影響 6

5.1概述 6

5.2高壓直流換流站及其他無功功率源的電壓和無功功率特性 6

5.3高壓直流換流站母線電壓偏移 10

5.4換流站與其他無功功率源的電壓和無功功率的相互作用 11

6交流系統(tǒng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性 12

6.1寸既$ 12

6.2有功功率和無功功率調(diào)制的特點 13

6.3網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分類 17

6.4交流電網(wǎng)與高壓直流系統(tǒng)并聯(lián) 17

6.5相連交流電網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)定性的改善 18

6.6阻尼控制特性的確定 18

6.7阻尼控制器的實現(xiàn)及通信要求 19

7較高頻率下高壓直流系統(tǒng)的動態(tài)性能 19

7.1寸既$ 19

7.2不穩(wěn)定性類型 20

7.3設(shè)計所需信息 21

7.4抑止不穩(wěn)定的有效措施 21

7.5通過控制作用阻尼低次諧波 22

7.6滿足較高頻性能要求的驗證 22

8次同步諧振 22

8.1寸既$ 22

8.2與高壓直流系統(tǒng)相關(guān)的次同步振動判據(jù) 23

I

8.3確定發(fā)電機組對扭振影響敏感性的篩選判據(jù) 23

8.4采用次同步阻尼控制器（SSDC）的性能要求 24

8.5 性能試驗 24

8.6渦輪發(fā)電機的保護 24

9 與發(fā)電廠的相互影響 25

9.1寸既$ 25

9.2特殊影響 25

9.3核電站的特殊考慮 27

參考t獻(xiàn) 28

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GB/T20996.3—2020/IECTR60919-3=2016

GB/T20996（（采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能》分為3個部分：

第1部分:穩(wěn)態(tài)；

第2部分:故障和操作；

第3部分:動態(tài)。

本部分為GB/T20996的第3部分。

本部分按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。

本部分代替GB/Z20996.3—2007（（高壓直流系統(tǒng)的性能第3部分：動態(tài)》，與GB/Z20996.3—2007相比，除編輯性修改外主要技術(shù)變化如下：

一修改了范圍（見第1章.2007年版的第1章）；

一修改了規(guī)范性引用文件（見第2章.2007年版的第2章）；

一增加了“零功率設(shè)置的頻率控制”的規(guī)定（見4.3）；

一修改了高壓直流換流器的有功功率/無功功率相關(guān)因素中“換相阻抗”的表述（見5.2.2,2007年版的5.2.1）；

一增加了滿足穩(wěn)態(tài)條件下的無功功率需求需安裝設(shè)備的規(guī)定（見5.2.5）；

一增加了“靜止同步補償裝置（STATCOM）的電壓特性”及相關(guān)內(nèi)容（見5.2.7）；

一增加了靜止同步補償裝置抑制暫態(tài)電壓變化的表述（見5.4.2）；

增加了同步調(diào)相機缺點的表述（見5.4.3）;

一增加了“高壓直流換流器、可投切的無功功率源和靜止同步補償裝置”及相關(guān)內(nèi)容（見5.4.4）；一增加了基于電力電纜的兩端高壓直流系統(tǒng)限制功率反轉(zhuǎn)的相關(guān)規(guī)定（見6.2.2）；

一增加了實時仿真裝置對于控制系統(tǒng)驗證的表述（見6.6）；

一增加了較高頻率下高壓直流系統(tǒng)動態(tài)性能設(shè)計的外部條件需考慮“阻抗頻率特性，包括并聯(lián)電容器數(shù)量的改變”和“近區(qū)發(fā)電機組（從交流主網(wǎng)隔離出來）形成孤島的可能性。”（見7.3）；

一增加了實時仿真裝置的重要性和測試要求的規(guī)定（見7.6）；

一修改了扭振的自然頻率，（見8.1,2007年版的8.1）；

增加了次同步扭振的表述（見8.1）；

——“SSR”修改為“SSTI”（見8.2,2007年版的8.2）；

一增加了當(dāng)UIF大于0.1時，需要進(jìn)一步開展研究的內(nèi)容（見8.3）；

一修改了發(fā)電機組的相互作用系數(shù)的表達(dá)式（見8.3,2007年版的8.3）；

一刪除了“因此，對于每個有潛在扭振不穩(wěn)定的渦輪發(fā)電機組，都應(yīng)設(shè)有次同步諧振（SSR）保護繼電器?！保ㄒ?007年版的8.4）；

一增加了安裝次同步阻尼控制器的高壓直流輸電系統(tǒng)中對渦輪發(fā)電機控制保護的相關(guān)規(guī)定（見

8.6）；

增加了直流重啟順序時的表述（見9.2.6）；

一全文中的“直流電抗器”修改為“平波電抗器”。

本部分使用翻譯法等同采用IECTR60919-3:2016（（采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能第3部分:動態(tài)》。

與本部分中規(guī)范性引用的國際文件有一致性對應(yīng)關(guān)系的我國文件如下：

一GB/T3859.1-2013半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-1部分：基本要求規(guī)

范(IEC60146-1-1：2009.MOD)；

一GB/T3859.2—2013半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-2部分：應(yīng)用導(dǎo)則(IEC/TR60146-1-2：2011.MOD)；

一GB/T3859.3—2013半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-3部分：變壓器和電抗器(IEC60146-1-3:1991,MOD)；

一GB/T20996.1—2020采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能第1部分：穩(wěn)態(tài)(IECTR60919-1：2020.IDT)；

一GB/T20996.2—2020采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能第2部分：故障和操作(IECTR60919-2:2020，IDT)。

本部分還做了下列編輯性修改：

——根據(jù)IECTR60919-1：2010,將文中的“圖16”修改為“圖18”(見5.2.2)；

一增加了發(fā)電機組相互作用系數(shù)表達(dá)式中第、臺發(fā)電機組的額定功率的文字符號的說明(見8.3)。

本部分由中國電器工業(yè)協(xié)會提出。

本部分由全國電力電子系統(tǒng)和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC60)歸口。

本部分起草單位：中國電力科學(xué)研究院有限公司、南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司、西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司、西安西電電力系統(tǒng)有限公司、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司、國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司、南京南瑞繼保電氣有限公司、許繼電氣股份有限公司、西安電力電子技術(shù)研究所、西安端怡科技有限公司。

本部分主要起草人：李新年、李巖、周會高、任軍輝、高沖、傅闖、申笑林、林少伯、嚴(yán)喜林、王永平、王明新、李亞男、楊曉輝、洪波、王高勇、李婧靚、張晉華、董添華、吳戰(zhàn)鋒。

本部分所代替標(biāo)準(zhǔn)的歷次版本發(fā)布情況為：

GB/Z20996.3—2007。

采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流

系統(tǒng)的性能第3部分：動態(tài)

1范圍

GB/T20996的本部分給出了高壓直流系統(tǒng)動態(tài)性能的綜合導(dǎo)則。本部分中的動態(tài)性能是指其特征頻率或時間區(qū)域覆蓋暫態(tài)條件到穩(wěn)態(tài)條件之間范圍的事件和現(xiàn)象。它涉及的動態(tài)性能應(yīng)屬于在穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)條件下，兩端高壓直流系統(tǒng)與相連的交流系統(tǒng)或其部件，如電廠、交流線路和母線、無功功率源等之間的相互影響。設(shè)定兩端高壓直流系統(tǒng)采用由三相橋式接線(雙路)組成的12脈動換流器單元構(gòu)成，具有雙向功率傳輸能力，而換流器采用由無間隙金屬氧化物避雷器進(jìn)行絕緣配合的晶閘管閥作為橋臂。本部分中未考慮二極管換流閥。對于多端高壓直流輸電系統(tǒng)雖未特別提及，但本部分中的許多內(nèi)容也適用于多端系統(tǒng)。

本部分僅涉及電網(wǎng)換相換流器，包括電容換相電路結(jié)構(gòu)的換流器。IEC60146-1-KIECTR60146-1-2和IEC60146-1-3 IEC60146-1-3已廢止，被IEC61378系列和IEC/IEEE60076-57-129覆蓋。

中給出了電網(wǎng)換相半導(dǎo)體變流器的一般要求，不包括電壓源換流器。

GB/T20996由三個部分組成。第1部分穩(wěn)態(tài)，第2部分暫態(tài)，第3部分動態(tài)。當(dāng)使用者編制兩端高壓直流系統(tǒng)規(guī)范時，三個部分都宜考慮。

對系統(tǒng)中的各個部件，注意系統(tǒng)性能規(guī)范與設(shè)備設(shè)計規(guī)范之間存在差異。本部分沒有規(guī)定設(shè)備規(guī)范和試驗要求，而是著眼于影響系統(tǒng)性能規(guī)范的那些技術(shù)要求。不同的高壓直流系統(tǒng)可能存在許多不同之處，本部分沒有對此詳細(xì)討論。本部分不宜直接用作具體工程項目的技術(shù)規(guī)范。但是，可以此為基礎(chǔ)為具體的輸電系統(tǒng)編制滿足實際系統(tǒng)要求的技術(shù)規(guī)范。本部分涉及的內(nèi)容沒有區(qū)分用戶和制造廠對規(guī)定工作的責(zé)任。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。

IEC60146-1-1半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-1部分：基本要求規(guī)范(Semiconductorconverters—Generalrequirementsandlinecommutatedconverters—Part1-1:Specificationofbasicrequirements)

IEC/TR60146-1-2半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-2部分：應(yīng)用導(dǎo)則(Semi-conductorconverters—Generalrequirementsandlinecommutatedconverters一Part1-2:Applicationguidelines)

IEC60146-1-3半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-3部分：變壓器和電抗器(Semiconductorconverters—Generalrequirementsandlinecommutatedconverters—Part1-3:Transformersandreactors)

IECTR60919-1：2010 現(xiàn)行有效版本IECTR60919-l：2020。

采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能第1部分：穩(wěn)態(tài)［Performanceofhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systemswithline-commutatedconverters—Part1:

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GB/T20996.3—2020/IECTR60919-3=2016

Steady-stateconditions]

IECTR60919-1:2010修正案l:2013（AMDl：2013）

IECTR60919-2：20083）采用電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)的性能第2部分：故障和操作[Performanceofhigh-voltagedirectcurrent（HVDC）systemswithline-commutatedconverters—Part2:Faultsandswitching]

IECTR60919-2：2008修正案l:2015（AMDl：2015）

3高壓直流動態(tài)性能規(guī)范概要

3.1動態(tài)性能規(guī)范

高壓直流系統(tǒng)完整的動態(tài)性能規(guī)范宜包括以下章條：

交流系統(tǒng)潮流和頻率控制（見第4章）；

—交流動態(tài)電壓控制及與無功功率源的相互影響（見第5章）；

——交流系統(tǒng)暫態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性（見第6章）；

——較高頻率下高壓直流系統(tǒng)的動態(tài)性能（見第7章）;

次同步振動（見第8章）；

一與發(fā)電廠的相互影響（見第9章）。

第4章涉及利用高壓直流系統(tǒng)的有功功率控制影響相關(guān)交流系統(tǒng)潮流和/或頻率，以改善交流系統(tǒng)的性能。在設(shè)計高壓直流有功功率控制模式時宜考慮以下幾點：

a） 穩(wěn)態(tài)運行時，使交流系統(tǒng)損耗最小化；

b） 穩(wěn)態(tài)運行和擾動時，防止交流輸電線路過負(fù)荷；

c） 與交流發(fā)電機調(diào)速器控制配合；

d） 穩(wěn)態(tài)運行和擾動時，抑制交流系統(tǒng)頻率偏差。

在第5章中，當(dāng)采用交流母線電壓控制時，考慮高壓直流換流站和其他無功功率源（交流濾波器、電容器組、并聯(lián)電抗器、靜止無功補償裝置、同步調(diào)相機）的電壓和無功功率特性，以及它們之間的相互作用。

在第6章中，對通過控制高壓直流有功功率和無功功率，以阻尼機電振蕩提高互聯(lián)交流系統(tǒng)的靜態(tài)和/或暫態(tài)穩(wěn)定性的方法進(jìn)行了討論。

第7章涉及由換流器產(chǎn)生的特征諧波和非特征諧波所引起的在二分之一工頻及以上頻率范圍內(nèi)的高壓直流系統(tǒng)動態(tài)性能，也討論了防止失穩(wěn)的措施。

在第8章中，考慮了由于高壓直流控制系統(tǒng)（定功率和定電流調(diào)節(jié)方式）與火電廠的渦輪機在它們的自然頻率下，發(fā)生扭矩放大和機械振動的現(xiàn)象。定義了次同步振動的阻尼控制的規(guī)范。

在第9章中，考慮了一個電廠與電氣距離較近的高壓直流系統(tǒng)之間的相互影響，考慮了核電站的一些特點和對高壓直流系統(tǒng)可靠性的要求。

3.2—般說明

對于所要考慮的高壓直流系統(tǒng)，其任何設(shè)計要求均宜在穩(wěn)態(tài)性能（IECTR60919-1）和暫態(tài)性能（IECTR60919-2）所覆蓋的設(shè)計限值之內(nèi)。在制定高壓直流系統(tǒng)動態(tài)性能規(guī)范時，宜以詳細(xì)的電力系統(tǒng)研究為基礎(chǔ)，確定正確的高壓直流系統(tǒng)控制策略，并規(guī)定輸人信號的優(yōu)先級和處理方法。3)現(xiàn)行有效版本IECTR60919-2：2020o

4交流系統(tǒng)潮流和頻率控制

4.1概述

高壓直流系統(tǒng)有功功率控制能用于控制相連交流系統(tǒng)的潮流及頻率，以便改善交流系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行和擾動下的性能。

本章將涵蓋用于改善交流系統(tǒng)性能的高壓直流有功功率運行方式，以達(dá)到如下目的：

一穩(wěn)態(tài)運行時，高壓直流功率控制用于使電力系統(tǒng)總損耗最小化；

一擾動以及穩(wěn)態(tài)條件下，高壓直流功率控制用于防止交流線路過負(fù)荷；

——高壓直流功率控制與交流系統(tǒng)發(fā)電機調(diào)速器控制配合；

一在穩(wěn)態(tài)運行以及擾動時，高壓直流功率控制用于抑制交流系統(tǒng)頻率偏差。

使用有功功率和/或無功功率的方式改善交流系統(tǒng)動態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，或改善交流電壓控制，在第5章和第6章論述。

4.2功率潮流控制4.2.1穩(wěn)態(tài)功率控制要求

高壓直流系統(tǒng)的功率控制用于使電力系統(tǒng)總損耗最小、防止交流輸電線過負(fù)荷，并與交流發(fā)電機的調(diào)速器控制配合。隨著高壓直流系統(tǒng)在整個電力系統(tǒng)中的作用變化，對直流功率控制的要求也有所不同。

當(dāng)高壓直流系統(tǒng)用于輸送遠(yuǎn)端發(fā)電廠功率時，高壓直流傳輸功率控制與發(fā)電廠發(fā)電機調(diào)速器控制相配合。此時發(fā)電機的電壓、頻率或轉(zhuǎn)速可作為高壓直流功率控制系統(tǒng)的參考值。

當(dāng)一個高壓直流系統(tǒng)連接兩個交流系統(tǒng)時，在常規(guī)條件下按預(yù)定方式控制高壓直流功率，但可在此高壓直流功率控制上附加一個功能，以便控制任何一端或兩端交流系統(tǒng)的頻率。當(dāng)其中一個交流系統(tǒng)是一個獨立系統(tǒng)時，如向孤島供電，此時該獨立交流系統(tǒng)就一定要由高壓直流系統(tǒng)實現(xiàn)頻率控制。在4.3中討論由高壓直流系統(tǒng)控制交流系統(tǒng)頻率。

當(dāng)兩個交流系統(tǒng)通過一個以上的直流系統(tǒng)相連或同時由直流和交流線路連接時，或當(dāng)一個直流系統(tǒng)處于一個交流系統(tǒng)中時，均可對高壓直流功率進(jìn)行控制，以使整個互聯(lián)系統(tǒng)的總輸送損耗最小。

在上述交/直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些工況下，控制高壓直流系統(tǒng)功率的變化，能防止電力系統(tǒng)中一條或多條輸電線路過負(fù)荷。

在某些特殊的高壓直流控制方案中，例如方案設(shè)計為擾動過程或擾動后增加直流功率改善交流系統(tǒng)的性能，穩(wěn)態(tài)直流傳輸功率一定要設(shè)置在一限定范圍內(nèi)，以便此控制被啟動時，直流功率就不會超出直流額定功率或過負(fù)荷能力。此時還要考慮為高壓直流換流器和交流系統(tǒng)提供所需的無功功率。

在穩(wěn)態(tài)控制要求的規(guī)范中需要考慮到下列a）?g）。在制定規(guī)范時要注意，由于完整的穩(wěn)態(tài)控制要求可能還沒有設(shè)計或決定，因此，有必要為將來可能的輸人留有裕度：

a） 當(dāng)設(shè)計的潮流控制系統(tǒng)有多個功能時，包括交流系統(tǒng)頻率控制，宜對這些控制功能設(shè)置優(yōu)先級。

b） 在穩(wěn)態(tài)條件下，防止交流線路過負(fù)荷控制的優(yōu)先級通常高于其他潮流控制。對于使電力系統(tǒng)損耗最小的控制，或是通過電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)確定的預(yù)置直流功率參數(shù)控制實現(xiàn)，或是根據(jù)負(fù)荷調(diào)度中心的在線計算執(zhí)行操作，通常它的控制響應(yīng)較慢，達(dá)幾秒或幾分鐘甚至更長。

c） 在孤島系統(tǒng)或有大型直流輸電接人的系統(tǒng)，頻率通常由高壓直流功率維持。此時，高壓直流頻率控制優(yōu)先于系統(tǒng)損耗最小控制，但它可能受到過負(fù)荷保護的限制。

d） 無功功率需求隨著功率變化而改變，這可能導(dǎo)致頻繁切換無功補償裝置。此吋，需要特殊的交流電壓控制措施，例如通過換流器單元的無功功率控制，或?qū)Ω邏褐绷鞴β首兓翟O(shè)置限制等。

e） 宜對電力系統(tǒng)所需的特殊功率指令調(diào)節(jié)信號加以確定、研究和規(guī)范。不準(zhǔn)許這些信號引起直流電流或功率或交流電壓偏差超過裝置和系統(tǒng)的額定值和限制值。當(dāng)兩個或更多的輸人信號同時要求直流系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)時，宜對其建立優(yōu)先權(quán)并進(jìn)行協(xié)調(diào)。

f） 雙極直流系統(tǒng)通常要求直流功率和電流在各極之間有效均分。當(dāng)一個極退出，剩余極的過負(fù)荷能使交流系統(tǒng)的潮流、電壓和頻率的擾動最小。

g） 直流系統(tǒng)送端和受端之間通信中斷不宜引起對交流系統(tǒng)的擾動。規(guī)范至少應(yīng)要求：在通信中斷時，保持輸送功率不變。如果在通信線路暫時中斷時仍需要如頻率控制這樣的輔加功能，均宜在規(guī)范中規(guī)定。

4.2.2功率階躍變化的要求

在某種條件下，電力系統(tǒng)在擾動中或擾動后，可能要求高壓直流系統(tǒng)功率階躍變化以改善交流系統(tǒng)的性能。有時，這種功率階躍變化也包括直流功率反轉(zhuǎn)。

通常，通過改變設(shè)置的直流系統(tǒng)功率指令值或改變功率范圍以響應(yīng)輸人信號，實現(xiàn)直流功率階躍變化。階躍變化需要的功率變化率和直流功率變化的限制量，宜被限制在交流系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，對于不同的事件可能要求不同的變化率。當(dāng)功率階躍變化包括功率反轉(zhuǎn)時，可能需要特殊考慮。

在規(guī)范直流功率階躍變化時，可考慮的電力系統(tǒng)擾動包括：交流線路跳閘、失去大的供電電源、交流系統(tǒng)頻率大幅度降低、突然增加或減少電力系統(tǒng)負(fù)荷導(dǎo)致的大幅度頻率偏移等。

在上述一些電力系統(tǒng)擾動中，交流系統(tǒng)也將由直流系統(tǒng)提供的交流頻率控制支持。

在設(shè)計和規(guī)定高壓直流控制功能時，宜針對各種電力系統(tǒng)條件，詳細(xì)考察功率階躍功能的影響。最好規(guī)定功率變化的限值、范圍以及變化率，而不是規(guī)定定值。在直流系統(tǒng)運行時能進(jìn)行定值整定。

高壓直流功率階躍變化的啟動信號包括：過負(fù)荷繼電器信號，或送到高壓直流換流站特別的輸電線路跳閘信號，或在高壓直流換流站以及交流系統(tǒng)某些點測得的交流系統(tǒng)頻率等。

傳輸這些啟動信號的通信系統(tǒng)的延時可能影響直流或交流系統(tǒng)的性能。因此，對某些情況，需要高速通信系統(tǒng)。當(dāng)傳輸延時太長時，宜考慮其影響。

某些情況，信號要同時送給兩個高壓直流換流站或一個高壓直流換流站需要接受多個信號，此時應(yīng)設(shè)置控制功能的優(yōu)先級。

直流功率階躍變化量可能受交流和直流系統(tǒng)條件的限制，因此需要在特定工況下檢測系統(tǒng)條件的變化，更新其限制值。

特別是當(dāng)直流系統(tǒng)功率階躍變化很大時，可能會使交流電壓產(chǎn)生相當(dāng)大的變化。因此，需研究交流電壓允許波動的范圍進(jìn)而決定功率階躍變化的限值，或是提出一種特殊的交流電壓控制方法。在穩(wěn)態(tài)運行和暫態(tài)條件下，允許的交流電壓偏移限值可能不同，宜分別予以規(guī)定。

當(dāng)高壓直流系統(tǒng)與一個高阻抗和/或小慣性的交流系統(tǒng)相連接時，直流功率階躍變化對交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和頻率可能會有不利的影響。在此情況下，宜限制功率的變化率和變化量，或是提出其他特殊的方法阻止交流系統(tǒng)動態(tài)性能的惡化。當(dāng)一個高壓直流系統(tǒng)和兩個交流系統(tǒng)互聯(lián)時，一定要詳細(xì)評定直流功率階躍變化的影響，不僅要考慮發(fā)生擾動的交流系統(tǒng)，而且要考慮另一個未發(fā)生故障的交流系統(tǒng)的情況。

當(dāng)直流功率階躍變化會造成直流電流低于高壓直流系統(tǒng)允許運行的最小值時（通常是額定電流的5%?10%），換流器運行宜不小于最小電流。否則，經(jīng)過一段允許時間的低電流運行后，換流器宜被閉鎖，或規(guī)定運行電流宜降到零。解決最小允許運行電流的一種可能的措施是當(dāng)高壓直流系統(tǒng)設(shè)計為雙極結(jié)構(gòu)時設(shè)置兩極的潮流方向相反并且使兩極的潮流互相抵消。兩極潮流的差額是整個高壓直流系統(tǒng)4

3

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的實際運行潮流。

在失去通信時，因為逆變器控制的限制和可能對交流系統(tǒng)運行帶來的危害，除非采取特殊的控制策略，否則電流的階躍變化一般不建議大于電流裕度。

當(dāng)高壓直流系統(tǒng)需從空載備用狀態(tài)起動以響應(yīng)一個功率階躍變化指令時（見IECTR60919-1：2010的第7章），可能還需要考慮某些條件。

4.3頻率控制

利用高壓直流系統(tǒng)控制交流系統(tǒng)頻率，能用于以下情況：

a） 一個從遠(yuǎn)端電源送電的直流系統(tǒng)，送端和/或受端所連接交流系統(tǒng)的頻率控制；

b） 一個孤島或小的交流系統(tǒng)，當(dāng)它通過直流系統(tǒng)與一個大交流系統(tǒng)互聯(lián)時的頻率控制；O通過高壓直流系統(tǒng)互聯(lián)的任一端交流系統(tǒng)的頻率控制，同時要考慮另一端系統(tǒng)的頻率。交流系統(tǒng)頻率控制是指穩(wěn)態(tài)條件下頻率的持續(xù)控制功能，或是當(dāng)交流系統(tǒng)的頻率偏差超出了某一

限值時執(zhí)行的控制功能。頻率控制可能僅在某些情況下才起作用，例如，當(dāng)與高壓直流換流站連接的局部交流系統(tǒng)與主交流系統(tǒng)無聯(lián)系時（形成孤島）。因此，規(guī)范宜規(guī)定頻率控制功能的任務(wù)和性能要求。

如果利用改變或調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)輸送功率控制受端的頻率，直流系統(tǒng)的頻率控制就一定要與其連接的任一臺相關(guān)交流發(fā)電機的調(diào)速器控制進(jìn)行協(xié)調(diào)。有可能利用異步的送端系統(tǒng)暫態(tài)頻率偏差能力支持受端系統(tǒng)，進(jìn)而提出交流發(fā)電設(shè)備的設(shè)計要求。

當(dāng)高壓直流換流站在電氣上遠(yuǎn)離交流系統(tǒng)中心時，高壓直流換流站的交流電壓相角完全隨功率變化而改變，此時頻率信號的響應(yīng)速度將減慢。為了避免這種低速的響應(yīng)，可在交流系統(tǒng)中心檢測頻率信號，并將其傳輸給高壓直流換流站。

在頻率控制時，為了使交流系統(tǒng)電壓的波動維持在允許的范圍內(nèi)，要求提供功率變化和功率變化率的限制，或者采用特殊的電壓調(diào)節(jié)法，例如利用換流器或靜態(tài)無功補償裝置控制無功功率。宜規(guī)定在穩(wěn)態(tài)頻率控制期間，允許的電壓波動限值。

當(dāng)直流系統(tǒng)承擔(dān)交流系統(tǒng)頻率控制時，如果配合不當(dāng)，可能使發(fā)電機頻率控制減弱。當(dāng)兩個不同的電力系統(tǒng)互聯(lián)時，可能需要對高壓直流系統(tǒng)的頻率控制規(guī)定適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)或選擇適當(dāng)?shù)脑鲆妫酝ㄟ^直流功率控制補償大的或快速的頻率波動，而通過屬于獨立交流系統(tǒng)的電廠控制小的、慢速的頻率波動。

對于頻率控制被設(shè)計為應(yīng)對嚴(yán)重擾動，例如，大型發(fā)電機組跳閘引起的擾動，如果發(fā)電機組的跳閘信號傳輸給高壓直流換流站去啟動控制作用，可更有效地實現(xiàn)頻率控制。

頻率控制時直流功率的快速和大幅度變化，可能引起交流系統(tǒng)的過電壓或電壓降低。這種情況可通過限制功率變化率或采用快速無功補償緩解。宜規(guī)定允許的過電壓或電壓降低的數(shù)值，以及允許的持續(xù)時間。

當(dāng)直流輸電系統(tǒng)是雙極配置時，為了使頻率控制更加平穩(wěn)，一種可行的方案是在兩極設(shè)置相反的潮流方向，使兩極的潮流相互抵消。這種特殊的運行模式稱為“零功率設(shè)置的頻率控制”。然而，在穿越最小電流邊界的時候，需要注意會有額外的系統(tǒng)損失和伴隨的極性反轉(zhuǎn)。

由于電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)常常會隨著輸電線路停電和/或變電站的檢修而改變，有時很難設(shè)置最優(yōu)的頻率控制參數(shù)，因此需要采用多變量頻率控制。

當(dāng)實施直流功率控制實現(xiàn)頻率控制時，通常需要提供快速通信通道，例如在兩個高壓直流換流站間安裝微波通道或光纖通道。當(dāng)兩個直流換流站間通信中斷時，頻率控制通常受到實施電流控制的換流站側(cè)交流系統(tǒng)限制。

當(dāng)頻率檢測點遠(yuǎn)離高壓直流換流站控制端時，或準(zhǔn)備利用交流系統(tǒng)提供的特殊信號啟動頻率控制作用時，要求使用通信通道。

在任何工況下，都宜計及通信延時的影響。

對于通信通道的說明，參見IECTR60919-1=2010的第13章。

5交流動態(tài)電壓控制及與無功功率源的相互影響

5.1概述

負(fù)荷改變、倒閘操作或故障時引起的無功功率潮流變化，會在交流電網(wǎng)中產(chǎn)生電壓波動。對于高阻抗交流電力系統(tǒng)，即短路容量小、電壓波動大的系統(tǒng)，電壓控制的需要就尤為明顯。

宜對電網(wǎng)電壓的突然變化量規(guī)定一個適當(dāng)?shù)南拗?，例如，?jīng)常發(fā)生的電壓波動小于3%，偶爾發(fā)生的電壓波動小于10%。

在短路容量小的電網(wǎng)中，由于大的負(fù)荷變化及甩負(fù)荷會造成超過正常運行范圍的高暫態(tài)過電壓，它可能危及變電站設(shè)備，此時可切除無功功率源對其進(jìn)行限制。宜規(guī)定可接受的暫態(tài)過電壓限值和持續(xù)時間。

5.2高壓直流換流站及其他無功功率源的電壓和無功功率特性5.2.1概述

采用不同的設(shè)備能實現(xiàn)高壓直流換流站交流母線的動態(tài)無功功率和電壓控制。圖1給出一個高壓直流換流站的無功補償設(shè)備示意圖。無功補償設(shè)備的選取取決于交流電網(wǎng)特性和高壓直流換流站有關(guān)數(shù)據(jù)的要求，以及對各種可能方案的經(jīng)濟評估。

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說明：

1——交流系統(tǒng)；

2 同步調(diào)相機；

3 靜止無功補償裝置;

4——交流電抗器；

5 電容器:

6 交流濾波器；

7 換流變壓器；

8——換相電容器；

9 換流器；

10——平波電抗器；

11 直流端。

圖1高壓直流站無功補償元件

5.2.2換流器作為有功功率/無功功率源

高壓直流換流器的有功功率/無功功率與以下因素有關(guān):一換相阻抗（若適用，需包含換相電容）；

一換相電壓；

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一整流器的觸發(fā)角?或逆變器的關(guān)斷角y;

直流電流。

換流器的運行時間常數(shù)是由控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及直流輸電線的時間常數(shù)組成。如果典型控制系統(tǒng)時間常數(shù)范圍是幾毫秒，其觸發(fā)角和關(guān)斷角的控制將在小于20ms的范圍內(nèi)，而整個直流系統(tǒng)的響應(yīng)時間通常為50ms?150ms。

除了換流器的觸發(fā)控制，還可通過分接開關(guān)進(jìn)行控制。但每級分接開關(guān)的改變要有幾秒的延時。因此，這種控制不能用于快速有功功率/無功功率控制，只能用于調(diào)整最優(yōu)運行條件的新運行點。

考慮動態(tài)工況時，換流器的有功功率/無功功率特性如圖2所示（也見IECTR60919-1=2010的圖

18）。圖2中所給定的最大直流電流，以及從幾度到90°的觸發(fā)角運行有效范圍可作為理論值使用。

注：本閣適用于恒定換相電壓。說明：

UA?.Illn——額定直流電壓和額定直流電流;

a 角蟲發(fā)角;

Q 換流器的無功功率；

P 換流器的有功功率；

y 熄弧角。

圖2換流器的有功功率/無功功率特性

然而，實際的變化范圍要受到設(shè)備的設(shè)計和運行條件的限制。下述為不同動態(tài)運行條件下?lián)Q流器特性的一些實例：

一在定觸發(fā)角a或定關(guān)斷角7運行時，動態(tài)工況的無功功率隨有功功率變化的相應(yīng)曲線由圖2的曲線a表示；

一當(dāng)有功功率改變時無功功率保持恒定（圖2的b線），觸發(fā)角a或關(guān)斷角7隨之改變。

如果換流站確定了相應(yīng)的應(yīng)力要求，根據(jù)交流電網(wǎng)的要求，曲線a和曲線b之間面積范圍內(nèi)的所有運行點都能用于動態(tài)控制目的。

在背靠背直流系統(tǒng)中，換流器的無功功率控制能在較大范圍內(nèi)進(jìn)行。對于長距離或電纜輸電系統(tǒng)，

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換流器無功功率控制的范圍將受到一定的限制。它首先要考慮保持直流線路或電纜的電壓恒定，以經(jīng)濟地輸送有功功率。

當(dāng)一個換流器用于無功功率控制時，需要考慮對另一端換流器運行的影響。盡管兩個換流器在背靠背連接時被一個平波電抗器隔離，在兩端輸電的情況下由多個平波電抗器、直流線路或電纜、直流濾波器隔離，但一個換流器的有功功率/無功功率動態(tài)改變將影響另一端換流器的有功功率/無功功率，因此，需要對高壓直流系統(tǒng)兩端的控制進(jìn)行協(xié)調(diào)。

對遠(yuǎn)距離架空線或長電纜輸電線路，直流輸電系統(tǒng)較長的響應(yīng)時間會影響有功/無功功率的動態(tài)性能，但能通過兩端通信信號加以協(xié)調(diào)。如果通信系統(tǒng)故障，兩端間的協(xié)調(diào)能基于控制中的電壓/電流控制特性進(jìn)行，這時控制響應(yīng)較慢。

在背靠背換流站中，控制的協(xié)調(diào)更易實現(xiàn)。

5.2.3與高壓直流換流站母線潮流有關(guān)的交流電網(wǎng)電壓特性

在進(jìn)行動態(tài)電壓控制時，重要的是描述不同電壓水平下，交流母線上有功功率/無功功率與交流電網(wǎng)特性的關(guān)系。圖3是這種穩(wěn)態(tài)性能的典型曲線。為保持某一電壓（如額定電壓lp.u.）恒定，每個直流換流站要根據(jù)無功功率和有功功率的關(guān)系規(guī)定高壓直流換流站宜輸出或消耗的無功功率量。

圖3能用于確定動態(tài)電壓控制，曲線通常通過潮流和穩(wěn)定程序計算得到。此外把交流電網(wǎng)簡化為一個簡單的戴維南（Thevenin）等值電路（見圖4）也是可行的。

在發(fā)電機遠(yuǎn)離高壓直流換流站母線的交流網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)電機電動勢E（見圖4）近似地維持恒定，僅當(dāng)交流電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)改變，如輸電線路、負(fù)荷或發(fā)電機跳閘時才改變。

但當(dāng)發(fā)電機處在高壓直流換流站附近時，有功功率/無功功率工況和相應(yīng)電壓工況的變化將會影響發(fā)電機的電壓，發(fā)電機勵磁控制將會動作并影響高壓換流站母線的電壓工況。

這種情況下，電壓變化時間常數(shù)大約是100ms?500ms;當(dāng)發(fā)電機與高壓直流換流站的電氣距離很近時，例如，獨立發(fā)電機-高壓直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該值會更小。對于這種饋人方式的高壓直流系統(tǒng)需要考慮更多的細(xì)節(jié)，例如高壓直流控制和發(fā)電機電壓控制宜緊密協(xié)調(diào)等。

說明：

Q——交流系統(tǒng)所需無功功率的標(biāo)么值;

Fdc 注入交流系統(tǒng)的直流功率標(biāo)么值。

圖3弱交流系統(tǒng)的無功功率需求，基于有功負(fù)荷的高壓直流換流站交流母線不同電壓特性

說明：

E 個交流電網(wǎng)的發(fā)電機的戴維南等值電動勢；

Z（f>——交流電網(wǎng)的戴維南等值阻抗；

<p——交流電網(wǎng)的戴維南等值阻抗角。

圖4交流系統(tǒng)的等效電路圖

5.2.4用于高壓直流換流站無功補償?shù)慕涣鳛V波器、并聯(lián)電容器組和并聯(lián)電抗器的電壓特性

為了滿足穩(wěn)態(tài)工況下的無功功率需求，通常需要安裝交流濾波器、電容器組、換相電容器和并聯(lián)電抗器。為滿足諧波特性所需的最小交流濾波器組宜連接在高壓直流換流站。其余可投切的無功補償設(shè)備也能用于動態(tài)電壓控制和系統(tǒng)所需無功功率的調(diào)節(jié)。

無功補償設(shè)備的容量由交流電網(wǎng)的需求決定，并限制投切時電壓的階躍變化。在換流器運行時，能利用換流器控制的幫助抑制無功功率的變化，以減小換流器運行時投切引起的暫態(tài)電壓變化。二進(jìn)制切換（例如同吋控制投人和切除不同容量和類型的無功設(shè)備）也能用于減小無功功率的變化。

在對無功補償設(shè)備進(jìn)行規(guī)劃配置時，宜考慮交流合閘時間、控制系統(tǒng)處理時間，以及這些設(shè)備的放電或工作周期等限制因素，還需要特別考慮電氣回路開關(guān)的操作方式，包括在誤操作或故障情況時設(shè)備的暫態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）。

5.2.5靜止無功補償裝置（SVC）的電壓特性

交流網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)電壓能通過靜止無功補償裝置控制。當(dāng)高壓直流換流站退出運行或換流器無功功率控制由于其他原因不能實現(xiàn)時，靜止無功補償裝置可用于高壓直流換流站母線的電壓控制。

與高壓直流換流站母線連接的靜止無功補償裝置的容量宜根據(jù)母線電壓變化的要求和需要補償?shù)臒o功功率決定。

靜止無功補償裝置的無功功率額定值宜大于連接于母線上的最大可投切無功功率時，才能平穩(wěn)地調(diào)壓。

靜止無功補償裝置的容量也能根據(jù)過電壓限制要求確定，例如甩負(fù)荷時，能利用靜止無功補償裝置的過負(fù)荷能力。

當(dāng)確定靜止無功補償裝置的動態(tài)補償容量時，需考慮連續(xù)運行期間的運行點。從連續(xù)運行開始，靜止無功補償裝置就宜具有足夠的調(diào)節(jié)范圍維持電壓控制。

靜止無功補償裝置設(shè)計的一個重要方面是其可用率問題。如果在靜止無功補償裝置可能退出運行時仍要考慮靜止無功補償裝置的動態(tài)性能，需要有一個備用單元，或宜對運行進(jìn)行限制。

為滿足穩(wěn)態(tài)條件下的無功功率需求，可能需要安裝交流濾波器、電容器組、換相電容器和并聯(lián)電抗器。

5.2.6同步調(diào)相機（SC）的電壓特性

在無慣性或小慣性的交流網(wǎng)絡(luò)中，可采用同步調(diào)相機增大短路額定值和慣性。此時同步調(diào)相機的容量由無功功率和頻率控制的要求決定。在弱交流電力系統(tǒng)中，同步調(diào)相機通過減小網(wǎng)絡(luò)阻抗實現(xiàn)高9

壓換流站的穩(wěn)定運行。

對于支撐動態(tài)電壓控制的同步調(diào)相機，適合采用具有高強勵倍數(shù)的快速勵磁系統(tǒng)。盡管同步調(diào)相機的響應(yīng)時間常數(shù)慢于靜止無功補償裝置，但由于同步調(diào)相機的內(nèi)部電壓滯后于它的暫態(tài)電抗，增加了交流系統(tǒng)的短路容量，暫態(tài)電壓變化能固有地、瞬時地被限制在設(shè)計可接受的偏移水平。勵磁系統(tǒng)的作用就是使交流電壓返回正常的理想運行點。

確定同步調(diào)相機時，宜考慮其設(shè)備的可靠性。由于計劃檢修的需要和可能的故障情況，在某些情況下需要配備備用單元。

5.2.7靜止同步補償裝置（STATCOM）的電壓特性

靜止同步補償裝置（STATCOM）采用電壓源換流器（VSC）技術(shù)，使用可關(guān)斷功率半導(dǎo)體器件（如IGBT.GTO）.由自換相橋式電路組成，通過電抗器并聯(lián)接入交流電網(wǎng)中。靜止同步補償裝置將通過適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流網(wǎng)側(cè)輸出電壓的幅值和相位或者直接控制交流網(wǎng)側(cè)電流實現(xiàn)動態(tài)無功補償，根據(jù)電網(wǎng)需求吸收或是發(fā)出無功功率。對于運行在低電壓限制時的無功補償，由于靜止同步補償裝置輸出無功功率隨著系統(tǒng)電壓線性減小，而靜止無功補償裝置輸出無功功率隨著系統(tǒng)電壓平方減小，所以靜止同步補償裝置比靜止無功補償裝置具有更好的補償性能。

具有上述特性的靜止同步補償裝置能對交流系統(tǒng)的電壓支撐和改善系統(tǒng)穩(wěn)定性提供魯棒和有效的控制。

5.3高壓直流換流站母線電壓偏移

高壓直流換流站母線交流電網(wǎng)的強度能用短路比（SCR）表示。短路比定義為高壓直流換流站母線在lp.u電壓時的短路水平（MVA）與額定直流功率（MW）的比值。

連接在交流母線上的電容器和交流濾波器明顯地降低了短路容量。有效短路比（ESCR）可表達(dá)為交流系統(tǒng)短路容量減去連接在交流母線上的電容器和交流濾波器在lp.u.電壓下的容性無功補償量后與直流換流器額定功率的比值。

較低的ESCR或SCR值意味著高壓直流換流站與交流系統(tǒng)的相互影響更嚴(yán)重。交流網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)強度m，分為下述幾類：

——高ESCR值的強系統(tǒng):ESCR>3.0；

——低ESCR值的中等系統(tǒng)：3.0>ESCR>2.0；

—低ESCR值的弱系統(tǒng):ESCR<2.0。

在高ESCR值的系統(tǒng)中，高壓直流換流站有功功率/無功功率的改變會導(dǎo)致電壓有較小或中度的變化。因此，通常不需要附加母線暫態(tài)電壓控制。通過投切無功設(shè)備能實現(xiàn)交流系統(tǒng)和高壓直流換流站之間的無功功率平衡。

在低ESCR值和極低ESCR值系統(tǒng)中，交流網(wǎng)絡(luò)的變化或高壓直流傳輸功率的變化可能導(dǎo)致電壓振蕩并需要特殊的控制策略。

因此，在這些系統(tǒng)中，需要換流器的動態(tài)無功功率控制、附加的靜態(tài)無功補償裝置或同步調(diào)相機。當(dāng)交流電壓降低時，為了避免電壓不穩(wěn)定，逆變器宜運行在定電流方式或定直流電壓方式，該設(shè)計既不降低逆變器的功率因數(shù)也不增加逆變器消耗的無功功率。

在背靠背換流站中，可能用高壓直流換流器控制因另一側(cè)交流輸電中斷而在本端產(chǎn)生的甩負(fù)荷過電壓（反之亦然）。在故障側(cè)，閥通過旁路繼續(xù)傳輸直流電流。在非故障側(cè)，為了吸收無功功率，閥觸發(fā)被調(diào)整為去控制在這短路方式下的直流電流，如同采用一個晶閘管控制電抗器的方式進(jìn)行過電壓控制。在這種方式下，允許運行的持續(xù)時間宜足夠用于無功功率操作?；蛘?，在裝置的額定容量范圍內(nèi)，還能使這個時間盡可能地長，以有足夠的時間等待交流系統(tǒng)恢復(fù)，進(jìn)而使直流輸電也盡快恢復(fù)。

但如果甩負(fù)荷是由于高壓直流換流站內(nèi)的故障，這種方法不可用，此時需要其他措施降低過電壓。10

高壓直流輸電在甩負(fù)荷時的暫時過電壓隨短路比的減小而增大。高短路比系統(tǒng)在甩負(fù)荷時的過電壓倍數(shù)低于1.25p.u.,并在多數(shù)情況下低于設(shè)備應(yīng)力的臨界值。這種過電壓會持續(xù)很長時間，直至切除無功設(shè)備后才降低，這是強電網(wǎng)供電的高壓直流換流站降低暫時過電壓常用的方法。

在短路比低或很低的系統(tǒng)中，如果沒有其他措施限制，其甩負(fù)荷過電壓倍數(shù)會很高，會危及交流和高壓直流設(shè)備或增加換流站的造價。

此時，通常要求高壓直流換流站的無功功率控制能限制這種由于全部或部分甩負(fù)荷引起的過電壓。然而，由于換流站內(nèi)部故障引起高壓直流換流站跳閘時，需要采取其他措施降低過電壓。例如能采用過電壓限制器，或在母線上加裝靜止無功補償裝置，或采用無功設(shè)備的快速跳閘，或裝設(shè)同步調(diào)相機等。5.4換流站與其他無功功率源的電壓和無功功率的相互作用

5.4.1高壓直流換流器、可投切的交流濾波器、電容器組和并聯(lián)電抗器

無調(diào)節(jié)功能的可投切無功元件提供的是階躍變化的無功功率。無功元件容量的設(shè)計宜使投切時電壓的變化不超過某一限值。通?？赏肚袩o功元件只配置用于強系統(tǒng)。

通過對換流器觸發(fā)角或關(guān)斷角進(jìn)行幾度變化的控制，直流系統(tǒng)能抵御操作時的無功功率變化。為了允許中等強度系統(tǒng)可能要求的使用換流器進(jìn)行小范圍的附加無功功率控制，只需要換流器的額定值稍有增加。

在滿負(fù)荷時，觸發(fā)角或關(guān)斷角改變3°，引起高壓直流換流站無功功率的改變量相當(dāng)于實際有功功率的10%，它能通過提高約2%的設(shè)備額定值提供這種調(diào)節(jié)性能（見圖2）。如果兩個站相互協(xié)調(diào)是可行的，這種方法也適用遠(yuǎn)距離直流輸電。帶部分負(fù)荷時，為了增加相同的無功功率調(diào)節(jié)量，就需要更大的觸發(fā)角或關(guān)斷角。這可能導(dǎo)致低于額定直流電壓的運行，并因此將影響另一端換流站。較低的直流電壓將導(dǎo)致電流增加，以致輸電線損耗的增加。

在弱電力系統(tǒng)中為了控制電壓需要有無功功率范圍變化更大的換流器。無功功率的調(diào)節(jié)范圍宜至少為最大可投切無功元件的容量。此時，需要高壓直流換流站具有更大的額定容量，這將導(dǎo)致成本的增加。這種方法通常更適合于背靠背高壓直流換流站。

換流器的電壓控制時間常數(shù)范圍約為10ms?20ms。如果兩側(cè)根據(jù)每端交流側(cè)的要求投切無功元件實施同步控制時，盡管實際需要一定的判定時間，原則上能按每步100ms計及。如果由于每側(cè)有不同的電壓條件，而最佳運行條件不能只通過投切無功元件獲得，還需要通過改變換流變壓器的分接開關(guān)校正電壓條件，這種校正很慢，每步約在幾秒的范圍。

5.4.2高壓直流換流器、可投切無功功率源和靜止無功補償裝置

如果因為系統(tǒng)弱而需要電壓和無功功率控制，但又不能由換流器實現(xiàn)，可在高壓直流換流站母線上安裝額外的靜止無功補償裝置。這種解決方法的優(yōu)點是：即使在高壓直流停止運行或跳閘，電壓也受控。靜止無功補償裝置的進(jìn)一步應(yīng)用是交流側(cè)的電壓控制不會對直流輸電的另一側(cè)產(chǎn)生任何影響。對于兩端高壓直流系統(tǒng)的情況，由靜止無功補償裝置控制電壓，能使高壓直流系統(tǒng)不考慮無功功率控制而運行在經(jīng)濟運行點。

宜根據(jù)調(diào)節(jié)范圍的要求設(shè)計靜止無功補償裝置的容量，此容量宜大于最大可投切無功元件的容量。宜考慮高壓直流工程連續(xù)運行時靜止無功補償裝置所有可能的運行點，以滿足調(diào)節(jié)的要求。此外，如果考慮到靜止無功補償裝置由于停運或維修而退出運行時的情況，宜考慮使用兩個靜止無功補償裝置單元，或接受沒有靜止無功補償裝置運行時的限制。

高壓直流工程和靜止無功補償裝置各自具有時間常數(shù)相匹配的控制系統(tǒng)。宜仔細(xì)研究它們的協(xié)調(diào)，以避免兩者之間可能發(fā)生的振蕩。

靜止無功補償裝置通常用于抑制暫態(tài)的電壓變化，當(dāng)靜止無功補償裝置動態(tài)調(diào)節(jié)啟動后，并聯(lián)電容11

器或者分接開關(guān)隨之動作達(dá)到一個新的穩(wěn)態(tài)。這種協(xié)調(diào)方式有助于更加經(jīng)濟地配置靜止無功補償裝置的容量。

5.4.3高壓直流換流器、可投切的無功功率源和同步調(diào)相機

同步調(diào)相機也能用于高壓直流換流站母線的動態(tài)電壓控制。如果交流系統(tǒng)的慣量低，同時出現(xiàn)暫態(tài)負(fù)荷變化或故障，會導(dǎo)致無法接受的大的頻率偏差，這時可采用同步調(diào)相機。同步調(diào)相機能提供部分所需的無功補償和電壓控制。電壓補償?shù)臅r間常數(shù)取決于同步調(diào)相機的勵磁系統(tǒng)，通常在100ms?200ms范圍內(nèi)，該時間長于直流控制的時間常數(shù)。

同步調(diào)相機增加交流系統(tǒng)的短路容量，因此它有利于防止弱系統(tǒng)中的電壓不穩(wěn)定。

同步調(diào)相機的調(diào)節(jié)范圍要大于最大的可投切無功功率單元，同時宜考慮同步調(diào)相機所有可能的運行點。

由于調(diào)相機強迫停運和維護時間長，宜考慮有一個或更多的備用機組，或者必須接受沒有同步調(diào)相機運行時的限制條件。

同步調(diào)相機的一個主要缺點是檢修周期長，因為檢修旋轉(zhuǎn)部件和大量的機械部件需要更長的時間。5.4.4高壓直流換流器、可投切的無功功率源和靜止同步補償裝置

與靜止無功補償裝置相似，如果高壓直流系統(tǒng)連接弱交流系統(tǒng)，也可考慮安裝靜止同步補償裝置。典型的晶閘管投切電抗器（TCR）型靜止無功補償裝置，它需要配置如5次、7次、11次、13次和高通諧波濾波器。而最新的靜止同步補償裝置只需要小型濾波器或者不需要濾波器。

與靜止無功補償裝置相比，該特性的優(yōu)點是靜止同步補償裝置只需要更小的安裝空間。另外，可能由濾波支路引起的系統(tǒng)諧振問題，在安裝靜止同步補償裝置的系統(tǒng)中幾乎不會發(fā)生。

一些靜止同步補償裝置設(shè)計為可擴展和可移動型，更容易滿足客戶需求。靜止同步補償裝置還有平衡系統(tǒng)電壓和減小負(fù)序分量的性能。

對于受端系統(tǒng)沒有或僅有小型同步發(fā)電機和同步調(diào)相機的應(yīng)用場景，如果靜止同步補償裝置能獲得足夠的有功功率，例如通過柴油發(fā)電機，那么靜止同步補償裝置通過交流電壓和頻率控制維持高壓直流系統(tǒng)的換相。靜止同步補償裝置通過高壓直流從其他電源系統(tǒng)饋人電能恢復(fù)停電系統(tǒng)，這個能力稱為“黑啟動”功能。

靜止同步補償裝置在高壓直流輸電系統(tǒng)的最新應(yīng)用是替代同步調(diào)相機。因為靜止同步補償裝置沒有旋轉(zhuǎn)設(shè)備，與同步調(diào)相機相比其最大的優(yōu)點是檢修時間短且更容易檢修。

注：研究表明，當(dāng)0.05<UIF<0.1時在額定直流電壓情況下風(fēng)險很小。而參考文獻(xiàn)［11］報告在降壓和降功率運行條件（例如70%的額定電壓和功率）下會產(chǎn)生重大風(fēng)險。

靜止同步補償裝置的設(shè)計容量宜比最大的可投切無功功率裝置大，所以靜止同步補償裝置的容量宜根據(jù)所需的調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行設(shè)計。

6交流系統(tǒng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性

6.1概述

高壓直流工程有功功率和/或無功功率的可控性能用于改善與其相連的交流系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性,以達(dá)到良好的運行狀態(tài)。

如果一個電力系統(tǒng)在任何小擾動后，達(dá)到穩(wěn)態(tài)運行的狀態(tài)與初始狀態(tài)相同或接近，稱該系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定的。

如果一個電力系統(tǒng)在一系列擾動（非前述的“小”擾動）之后恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)同步運行，稱該系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。

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本章中涉及的是在電網(wǎng)受擾動之后，各同步機之間以及多機組之間或多個地區(qū)之間的機電振蕩現(xiàn)象。如果不采用適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?，這種振蕩可能嚴(yán)重至使系統(tǒng)失穩(wěn)，并使發(fā)電機失去同步。在有些情況中，系統(tǒng)可能是穩(wěn)定的，但由于低阻尼會導(dǎo)致過長的振蕩時間，這種機電振蕩會導(dǎo)致發(fā)電機、傳輸線路等產(chǎn)生有功功率和無功功率振蕩，還會導(dǎo)致變電站的電壓振蕩。

關(guān)注的振蕩頻率變化的范圍為0.1Hz?2Hz。大電網(wǎng)區(qū)域之間的振蕩通常在這個頻率范圍中的較低部分，而涉及小慣量電機的振蕩，例如同步調(diào)相機，振蕩頻率將在這個頻率范圍的較高部分。

為了抵御這種振蕩，有時通過高壓直流輸電有功功率的自動控制改善所連交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。如果需要，能通過控制換流器的無功功率消耗改善系統(tǒng)的性能。

高壓直流系統(tǒng)有一個基本的控制特性能幫助保持交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即要求功率潮流進(jìn)行階躍變化，這在第4章中已討論。

高壓直流系統(tǒng)還有一些涉及交流系統(tǒng)穩(wěn)定的特性，如故障時的功率輸送，或故障消除后的功率恢復(fù)等，不在此贅述，詳見IECTR60919-2=2008的5.3.2和5.3.3。

6.2有功功率和無功功率調(diào)制的特點

6.2.1概述

有功功率和無功功率的改變通過控制觸發(fā)角實現(xiàn)。換流變壓器分接開關(guān)動作太慢而使其不能在所關(guān)心的頻率變化范圍內(nèi)對振蕩起作用.或因為調(diào)制水平太低而不能啟動分接開關(guān)動作。因此，調(diào)制控制通常不包括分接開關(guān)的操作。在調(diào)制期間也可能閉鎖分接開關(guān)的操作。

在擾動期間可能有幾種振蕩模式同時出現(xiàn)。此時控制器應(yīng)同時對幾種振蕩頻率作出響應(yīng)。但有時，系統(tǒng)條件可能呈現(xiàn)為控制器不能對某些頻率正確響應(yīng)。這些情況能通過對控制器的輸人信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波處理。

大信號調(diào)制或小信號調(diào)制均能實現(xiàn)自動控制作用，它們均與有功功率調(diào)制相關(guān)。大信號調(diào)制包括同時調(diào)制整流側(cè)和逆變側(cè)的電流指令，而小信號調(diào)制僅在電流控制站中就地進(jìn)行。大信號調(diào)制是最普遍采用的辦法。

6.2.2大信號調(diào)制

大信號有功功率調(diào)制通常利用換流設(shè)備的短時過負(fù)荷能力，這是獲得有效阻尼作用的重要因素。因此，宜確定是由阻尼控制功能決定所需的過負(fù)荷量，還是控制作用僅受限于使用固有過負(fù)荷能力。在確定用于阻尼調(diào)制目的過負(fù)荷要求時，宜綜合考慮短時或穩(wěn)態(tài)過負(fù)荷運行要求。對于過負(fù)荷要求其他方面的討論，詳見IECTR60919-1=2010第6章。

在背靠背換流站中，有可能使用功率反轉(zhuǎn)的調(diào)制功能。如果在一個兩端直流系統(tǒng)中，調(diào)制期間需要功率反轉(zhuǎn)，需要一個高速通信系統(tǒng)。

在基于電力電纜的兩端高壓直流系統(tǒng)中，由于功率反轉(zhuǎn)造成極性的改變，電纜的絕緣將承受較大的應(yīng)力，縮短了高壓直流電纜絕緣壽命，所以，宜限制功率反轉(zhuǎn)的次數(shù)和速度。

在兩端高壓直流系統(tǒng)中，大信號調(diào)制通常需要通信設(shè)備，用來在高壓直流換流站之間傳輸電流指令，有時傳輸頻率信息。

當(dāng)通信設(shè)備不可用時，在電流控制的換流站中的有功功率調(diào)制仍能進(jìn)行，但是宜嚴(yán)格規(guī)定不得失去電流裕度。見圖5。

說明：

1——整流器電流定值=直流電流h的值；

2 電流裕度A/;

3 逆變器電流定值=7\|—

4 電流調(diào)制范圍的限制；

Ud 直流電壓；

Id 直流電流。

圖5整流器與逆變器之間無通信時，電壓-電流特性顯示的電流的可能調(diào)節(jié)范圍（示例）

6.2.3小信號調(diào)制

一些情況下，使用通信設(shè)備傳輸調(diào)制的功率或電流指令可能是不切實際或不可能實現(xiàn)的。例如，如果通信延時大到可與調(diào)制周期相比，或者通信設(shè)備失靈時，均會發(fā)生這種情況。此時，小信號的功率調(diào)制仍能在電流控制站中進(jìn)行，調(diào)制幅度通常限于電流裕度的30%?50%。在一些振蕩開始自然增強的工況下（靜態(tài)不穩(wěn)定工況），這樣的小信號調(diào)制仍能提供不可忽視的阻尼作用。

6.2.4無功功率調(diào)制

在多數(shù)情況下有功功率調(diào)制相當(dāng)有效。而無功功率調(diào)制有時也很有益，特別是當(dāng)交流系統(tǒng)或在直流系統(tǒng)接人處呈現(xiàn)高阻抗時。因為有功功率的變化總是伴隨著無功功率的變化，所以宜注意高壓直流有功功率調(diào)制只會導(dǎo)致不希望出現(xiàn)的交流電壓振蕩，這有時能通過有功功率和無功功率的聯(lián)合控制解決。抵御交流電壓的波動是無功功率調(diào)制的一種功能，此時控制器的輸人信號是交流電壓。

無功功率調(diào)制是通過改變電壓控制站的觸發(fā)角和關(guān)斷角實現(xiàn)的。這通常會影響到逆變器。為了增加逆變器的無功功率消耗而增大關(guān)斷角會導(dǎo)致直流電壓的降低，同時為了維持恒定的直流電流和功率，整流器的觸發(fā)角也會自動增大。因此，逆變器的無功功率調(diào)制也會導(dǎo)致整流器無功功率消耗的變化，這有時會限制調(diào)制的幅度。

以上機制表明，無功功率調(diào)制能在電壓控制站完成，而不需要任何特殊的通信要求。如果電流控制站需要無功功率調(diào)制，控制動作仍然需要在電壓控制站進(jìn)行，此時控制信號需要通過通信通道發(fā)送。在電流控制站中的最終動作，將間接地通過定電流或定功率控制實現(xiàn)。

如果高壓直流系統(tǒng)運行在最小關(guān)斷角（最大直流電壓），在調(diào)制中只可能使無功功率消耗從穩(wěn)態(tài)值增大。只有在高壓直流系統(tǒng)運行在低于最大直流電壓，并且穩(wěn)態(tài)觸發(fā)角和關(guān)斷角大于最小值時，才會出14

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現(xiàn)無功功率從穩(wěn)態(tài)值減小的情況。圖6和圖7表明在這兩種情況下，逆變器運行的電壓電流特性和無功功率變化。

如果調(diào)制期間可能要求無功功率消耗減少，需要對此作出規(guī)范要求，因為這會導(dǎo)致?lián)Q流閥、換流變壓器、濾波器的費用的增加。

u.

a=amm

說明：

1 在無功功率調(diào)制期間的UA范圍；

Utl—直流電壓；

Id 直流電流。

a）電壓-電流特性

時間r/s

b）交流電壓和關(guān)斷角y的變化

圖6高壓直流輸電運行在最小關(guān)斷角ymi?時的無功功率調(diào)節(jié)

15

說明：

i—在無功功率調(diào)制期間的Uj范圍;

ud—直流電壓;

Id 直流電流。

交流電壓

"acP-U.

時間r/s

b）交流電壓ua。和關(guān)斷角r的變化

圖7高壓直流輸電運行在關(guān)斷角r>rmin時的無功功率調(diào)節(jié)

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6.3網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分類

交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善程度取決于調(diào)制幅度的大小與電網(wǎng)強度、電網(wǎng)的特性以及高壓直流系統(tǒng)在電網(wǎng)中的連接點的關(guān)系。穩(wěn)定性的改善有兩種不同的概念，一種是當(dāng)交流線路或交流電網(wǎng)與高壓直流系統(tǒng)并聯(lián)時對穩(wěn)定性的改善，另一種是當(dāng)一個電網(wǎng)與一個局壓直流換流站連接時電網(wǎng)內(nèi)部穩(wěn)定性的改

a）交直流并聯(lián)運行

b）交流系統(tǒng)與_個高壓直流換流站的連接

圖8交流線路或網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的改善

6.4交流電網(wǎng)與高壓直流系統(tǒng)并聯(lián)

這可能是一種充分利用高壓直流系統(tǒng)能力以改善交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的配置。一般的控制行為是調(diào)制傳輸?shù)挠泄β实钟娋W(wǎng)A和電網(wǎng)B間相角的變化［如圖8a）所示］。電網(wǎng)A和電網(wǎng)B間的頻率差或并聯(lián)的交流線路中的有功功率或電流是高壓直流系統(tǒng)阻尼控制器可能的輸人。圖9給出阻尼控制器的兩種原理結(jié)構(gòu)。如果控制策略判別系統(tǒng)狀態(tài)為并聯(lián)的交流連接已斷開，并且電網(wǎng)A和電網(wǎng)B已失步，該調(diào)制就無意義了。

說明：

/aa/b 頻率；

Gj(5)^G>(5) 傳遞函數(shù)；

<f,\ fflft；

直流系統(tǒng)功率；

Fa.e. ——交流功率；

P。 ——到功率控制系統(tǒng)的功率指令;

Ia.c. 交流電流。

圖9阻尼控制器的原理結(jié)構(gòu)

通常采用測量頻率差的方法。使用交流線路的功率用作控制器的輸人有時會有難度，因為線路兩端存在大相角差，而線路的功率可能隨著相角差的增加而減小，這會引起直流系統(tǒng)的錯誤控制。

6.6描述了如何確定傳遞函數(shù)G(5)oGGJ通常有一個帶通特性，它使穩(wěn)態(tài)變化不會導(dǎo)致控制器的非零輸出。同時，在輸人信號快速變化時，傳遞函數(shù)宜能抑制控制器作用。

從穩(wěn)定意義講，在交流并聯(lián)連接的狀態(tài)下，高壓直流阻尼控制有時能增加并聯(lián)交流回路穩(wěn)定狀態(tài)的輸送功率。增加的幅度取決于非穩(wěn)定性類型決定的功率限值。在第一次不穩(wěn)定擺動中，只有當(dāng)高壓直流系統(tǒng)容量很大或具有很大的短期過負(fù)荷能力時，才會有預(yù)期的改善；然而，在調(diào)制幅度相對較小時也能改善系統(tǒng)阻尼。某些情況下，即使在電流控制站本地完成小信號調(diào)制，仍可能增加并聯(lián)交流線路中的輸送功率。

6.5相連交流電網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)定性的改善

對于這種情況，高壓直流系統(tǒng)改善穩(wěn)定性的能力很大程度上取決于需要改善的電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特性，也取決于獲得阻尼控制器相應(yīng)輸人信號的可能性。在某些情況下，輸人信號可能不得不從交流電網(wǎng)中其他變電站傳輸?shù)礁邏褐绷鲹Q流站。控制器的輸人信號可以是頻率、電壓、交流線路功率、線路電流或它們的組合。

在這種情況下，當(dāng)規(guī)范阻尼控制時，宜考慮與另一端高壓直流換流站連接的交流電網(wǎng)接受由于阻尼控制所引起的功率波動的能力。

6.4中給出的對于并聯(lián)交流網(wǎng)絡(luò)的控制器傳遞函數(shù)的一般考慮，也適用于這種情況。

6.6阻尼控制特性的確定

通常使用具有模擬高壓直流系統(tǒng)和不同控制器特性能力的暫態(tài)穩(wěn)定計算程序?qū)Ω邏褐绷飨到y(tǒng)阻尼控制的要求和有效性進(jìn)行研究。這種研究可揭示高壓直流系統(tǒng)和其他系統(tǒng)元件(如靜止無補償裝置或18

同步調(diào)相機）之間的低頻相互影響的潛在問題。

控制器的外部條件還包括很多無法精確模擬或根本就無法模擬的元件。因此，除了模擬研究外，宜在現(xiàn)場進(jìn)行可能的試驗和實際測量。

在進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定性研究時，很重要的是需要對高壓直流線路及其控制系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，過于簡化的模型會導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。因此，穩(wěn)定性程序或者數(shù)字仿真程序中直流系統(tǒng)的模型宜是有效的，它可通過使用高壓直流暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)仿真器或數(shù)字仿真裝置驗證，工程建成后宜通過實際直流系統(tǒng)測量驗證。

值得注意的是，即使使用了一個簡單的模型，也宜給出保守的結(jié)果。對于高壓直流輸電的觸發(fā)控制而言，建立盡可能精確的鎖相環(huán)模型也是非常重要的。

高壓直流輸電仿真裝置和等效程序能用來驗證阻尼控制器的傳遞函數(shù)。

實時仿真裝置對于控制系統(tǒng)的驗證非常有效。采用實時仿真裝置進(jìn)行的閉環(huán)測試更接近實際工況。實時仿真裝置能是像TNA模擬式的或數(shù)字式的。由于是仿真裝置測試，可模擬各種擾動工況對控制策略進(jìn)行驗證。此外，如果有可能，特別是對于新建高壓直流輸電系統(tǒng)，推薦采取人工短路故障試驗的方法進(jìn)行驗證。

盡管阻尼控制器通常是設(shè)計為針對低于約2Hz的范圍，但它可能對次同步諧振阻尼控制器有不利的影響（見第8章）。

當(dāng)確定一個高壓直流系統(tǒng)改善穩(wěn)定性的性能規(guī)范要求時，有兩種不同的方法。不同點在于是由用戶，還是由高壓直流換流站設(shè)備的供應(yīng)商決定阻尼控制器傳遞函數(shù)及其他特性。

對于前一種情況，規(guī)范的相關(guān)控制內(nèi)容宜根據(jù)各輸人量、傳遞函數(shù)、附加邏輯和各輸出量規(guī)定控制器的特性。然后，設(shè)計控制設(shè)備以正確實現(xiàn)所規(guī)定的特性，并通過試驗得到驗證。

第二種情況更為復(fù)雜。供應(yīng)商宜得到完整的電網(wǎng)及發(fā)電機的數(shù)據(jù)資料，使其能進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定性及與多種運行條件有關(guān)的研究。在這種情況下，對性能的要求就會更加復(fù)雜，可能很難提出清晰的性能指標(biāo)，需要進(jìn)行多次協(xié)商。如果選擇這種方法，宜在發(fā)布技術(shù)規(guī)范之前就進(jìn)行穩(wěn)定性研究，以確立穩(wěn)定性水平和/或預(yù)期由直流系統(tǒng)控制功能所能達(dá)到的阻尼作用。

不管是上述哪種情況，在確定控制器的增益和幅值限值時，都宜考慮換流站設(shè)備的容量，特別是閥的容量。宜明確規(guī)定在工程調(diào)試及以后的周期性檢查中，對控制器性能進(jìn)行工程評價。

6.7阻尼控制器的實現(xiàn)及通信要求

阻尼控制器易于集成到高壓直流控制設(shè)備中。通常，它被分配在高壓直流換流站一級的控制中（見IECTR60919-1：2010第12章）。

大信號調(diào)制時，宜考慮兩個高壓直流換流站間的通信能力，它宜能傳輸調(diào)制信號，并且在大多數(shù)情況下，能將輸人信號（如頻率）傳送至控制器，且不會引起大的相移。

在調(diào)制控制需要通信的地方，通信設(shè)備的可靠性很重要。通信系統(tǒng)宜設(shè)計為不因通信故障而使“調(diào)制退出”，即如果通信通道中斷，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成當(dāng)通道恢復(fù)運行時，調(diào)制功能也能正確恢復(fù)。

7較高頻率下高壓直流系統(tǒng)的動態(tài)性能

7.1概述

本章闡述了高壓直流系統(tǒng)在二分之一基頻及以上的頻率范圍的動態(tài)性能。高壓直流換流器產(chǎn)生或響應(yīng)頻率為基頻的整數(shù)倍或者非整數(shù)倍的振蕩.因此換流器特性取決于交流和直流系統(tǒng)的阻抗。在某些情況下可能會發(fā)生失穩(wěn)的換流器特性是不能被接受的。穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性之間的區(qū)別是：在一個穩(wěn)定系統(tǒng)中，其不穩(wěn)定的因素（例如非特征諧波）與其起因（例如交流系統(tǒng)的不平衡）是成比例的，而不穩(wěn)定性通常指產(chǎn)生的振蕩頻率為基頻的非整數(shù)倍，或者在完全平衡的系統(tǒng)中甚至無緣由地發(fā)生振蕩。在參

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考文獻(xiàn)中，特別是在CIGRETF14-07/IEEE.第1部分m中對這部分內(nèi)容做了詳細(xì)地描述。

本部分僅進(jìn)行簡明扼要的描述，并且提出所需相關(guān)信息的要點以及高壓直流工程規(guī)范的特殊要求。7.2不穩(wěn)定性類型

7.2.1回路不穩(wěn)定（諧波不穩(wěn)定）

一些早期的高壓直流工程中存在這種不穩(wěn)定，通常被稱作諧波不穩(wěn)定。它可能呈現(xiàn)為基頻的整數(shù)倍或者非整數(shù)倍，可能涉及主回路或者控制回路（包括測量回路）。它與控制和測量回路的參數(shù)關(guān)系密切。如果交流或者直流系統(tǒng)存在不恰當(dāng)?shù)目刂铺匦裕词乖诜浅Ｆ胶饧盁o畸變的交流系統(tǒng)中，也可能發(fā)生不穩(wěn)定性，并且交流側(cè)和直流側(cè)均會出現(xiàn)。它通常從接近基頻整數(shù)倍，并且靠近主回路諧振點的頻率開始，然后，隨著不穩(wěn)定幅值的增長，可能被鎖定在最鄰近的諧波頻率上。

由于現(xiàn)代控制類型為“等距觸發(fā)”，這種不穩(wěn)定很少發(fā)生。

7.2.2電流回路不穩(wěn)定

高壓直流系統(tǒng)的響應(yīng)速度主要受交流和直流系統(tǒng)的電容和電感的限制。通常認(rèn)為換流器自身的響應(yīng)比交流系統(tǒng)或發(fā)電機的響應(yīng)要快的多。但是，如果過分強調(diào)采用高增益的電流控制回路提高響應(yīng)速度，會導(dǎo)致高壓直流系統(tǒng)的不穩(wěn)定。特別是如果包含測量和控制裝置在內(nèi)的直流系統(tǒng)響應(yīng)時間與交流系統(tǒng)響應(yīng)時間具有可比性時，這種影響更為明顯。在某些情況下，一個系統(tǒng)如果需要完全穩(wěn)定，就意味著應(yīng)降低高壓直流系統(tǒng)的控制響應(yīng)。

7.2.3鐵心飽和不穩(wěn)定性

這種不穩(wěn)定性通常在換流變壓器局部飽和情況下發(fā)生。直流電流中的基波分量將導(dǎo)致在換流變壓器閥側(cè)繞組中產(chǎn)生二次諧波和直流電流。如果直流分量達(dá)到某一可比的水平，如換流變壓器勵磁電流的50%，換流變壓器的局部飽和會在勵磁電流中產(chǎn)生顯著的附加諧波（包括二次諧波）。這些二次諧波電流增加了交流電壓中的二次諧波含量，在某些特殊情況下可能導(dǎo)致系統(tǒng)完全失穩(wěn)。

在交流側(cè)接近二次諧波的高阻抗諧振和/或直流側(cè)接近基頻的低阻抗諧振都可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。某些情況下，通過主回路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計（如平波電抗器或交流濾波器）避免這類諧振是可行的。然而，在某些情況下，線路阻抗起主導(dǎo)作用，即使通過優(yōu)化高壓直流換流站設(shè)備的實際參數(shù)也無法避免基波或諧波諧振。此時，這種不穩(wěn)定性還可通過修改控制系統(tǒng)參數(shù)或在控制系統(tǒng)中提供特殊的反饋回路抵御。但這時需要特別注意控制系統(tǒng)的暫態(tài)性能，例如過電壓，尤其是在諧振被輕度阻尼時。

7.2.4諧波的相互影響

交流電壓諧波會導(dǎo)致直流電壓中產(chǎn)生兩個邊帶頻率的諧波，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生這些頻率下的直流電流諧波。同樣，直流電流諧波會導(dǎo)致在換流變壓器閥側(cè)繞組和交流系統(tǒng)產(chǎn)生兩個邊帶頻率的交流電流諧波，最終使得交流側(cè)在這些頻率下產(chǎn)生諧波電壓畸變。在諧振條件下，交流側(cè)或直流測，或者兩側(cè)同時均可能產(chǎn)生不能接受的諧波畸變。

與7.2.1和7.2.2所描述的不穩(wěn)定性的區(qū)別是，這種現(xiàn)象僅僅發(fā)生在直流系統(tǒng)或交流系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)部自激源的條件下。該現(xiàn)象的一個例子就是直流架空線路與交流架空線路長距離并聯(lián)運行時，交流系統(tǒng)基頻分量就會疊加在直流電流上。這種基頻分量會在換流變壓器閥側(cè)繞組中產(chǎn)生直流電流和二次諧波，進(jìn)人交流系統(tǒng)的二次諧波分量很難降低。因此，可能有必要采取交流線路換位或者在換流器的直流側(cè)或交流側(cè)加裝相應(yīng)的濾波裝置等必要的措施。

其他自激源，如交流系統(tǒng)不平衡（負(fù)序基頻，或阻抗不平衡）或換流變壓器的漏抗不平衡等，都會引起直流側(cè)的二次諧波，進(jìn)而反過來影響交流系統(tǒng)。后者的一個邊頻是三次諧波，有時可能需要加裝三次20

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GB/T20996.3—2020/IECTR60919-3=2016

諧波濾波器抑止較大的交流電壓畸變。

由于產(chǎn)生非特征諧波的機理取決于各換流器直流側(cè)的各次諧波回路，因此兩端換流器之間可能會存在相互影響。除非直流線路或電纜和直流濾波器與另一個換流器阻抗相比具有很低的并聯(lián)阻抗，否則兩個換流器在這些頻率下是耦合的。因此，兩個高壓直流換流站對非特征諧波的處理不能獨立進(jìn)行，這就意味一端換流站對非特征諧波的處理都會影響另一端換流站的非特征諧波性能。甚至如果在直流線路出現(xiàn)駐波，兩個直流換流站對其都有放大作用。一個可行的方法是通過故意改變回路參數(shù)以暴露這些現(xiàn)象進(jìn)行分析。

7.3設(shè)計所需信息

為了保證高壓直流系統(tǒng)在高頻時具有滿足要求的動態(tài)性能，設(shè)計中宜考慮整個系統(tǒng)各不同部分間緊密的相互影響。全系統(tǒng)包括與兩端換流站相連的交流系統(tǒng)、直流線路、直流換流站主回路和換流器控制系統(tǒng)。制定規(guī)范階段的研究是不可能達(dá)到確定高壓直流換流站各部件特殊要求的深度的。因此，規(guī)范的功能是宜規(guī)定制造商設(shè)計高壓直流換流站元部件時所需要滿足的、系統(tǒng)各種條件的所有實際組合下所需要的較高頻特性。制造商宜給出能證明其產(chǎn)品在較高頻條件下具有滿意的動態(tài)諧波性能的過程。

當(dāng)進(jìn)行高壓直流系統(tǒng)在較高頻下具有滿足要求的動態(tài)性能的設(shè)計時，需要考慮高壓直流換流站的外部條件如下：

一分別從每個換流器看過去的交流系統(tǒng)阻抗和相位角，以及已知的直流系統(tǒng)。對于強交流系統(tǒng)和弱交流系統(tǒng)都宜提供模型。如果可能，還需提供可能發(fā)生事故停運時的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。交流側(cè)或直流側(cè)的諧振，特別注意是否存在互補諧振（例如，/res.ac=/res.de士 其中fU是基

頻./res.ne和/res.de分別是交流側(cè)和直流側(cè)的諧振頻率）。

一交流系統(tǒng)阻抗或電壓的不平衡度。

一存在的帶有相應(yīng)源阻抗的其他諧波源，以及在直流和/或交流終端、電氣上接近高壓直流換流站的非線性負(fù)荷。直流側(cè)存在基頻源是其中一個特例。

一基頻下可能出現(xiàn)的交直流線路耦合，需提供交直流線路并聯(lián)運行時的幾何結(jié)構(gòu)、交流線路電流和電壓的最大值及換位點等。

一阻抗頻率特性，包括并聯(lián)電容器數(shù)量的改變。

一近區(qū)發(fā)電機組（從交流主網(wǎng)隔離出來）形成孤島的可能性。

規(guī)范中宜包含上述信息，或提供相關(guān)交流和直流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以滿足進(jìn)而得到上述信息的要求。以上所列信息，也基本符合高壓直流換流站穩(wěn)態(tài)設(shè)計的需要（見IECTR60919-1）。但宜注意，在某些應(yīng)用實例中，基頻f0可能有很大的變化范圍（例如獨立的發(fā)電廠站），這可能導(dǎo)致發(fā)生不常碰到的諧振。

7.4抑止不穩(wěn)定的有效措施

通常通過改變控制系統(tǒng)能避免或改善大多數(shù)的高頻不穩(wěn)定，這可能僅涉及選擇合適的調(diào)諧。而另一些情況下，有必要從交流電壓或直流電壓，或交流閥側(cè)繞組電流或直流電流等引人附加的反饋環(huán)節(jié)。不同的制造商或不同的工程會采用不同的解決措施。

通過控制技術(shù)解決不穩(wěn)定問題，通常簡便且易于實施，因此往往首先研究控制技術(shù)。但是，在某些場合控制系統(tǒng)單獨動作不能解決所有遇到的問題。此吋，或者改變控制目標(biāo)，或者尋找其他的措施。通過帶寬阻尼濾波器濾掉大幅度的諧振能顯著改善全系統(tǒng)的性能。但是，阻尼濾波器在單個頻率上的諧波抑制能力（每kvar）遠(yuǎn)低于調(diào)諧濾波器。因此，這種抑止不穩(wěn)定的方法造價相對較高，特別是當(dāng)發(fā)生低頻不穩(wěn)定時。例如在無法換位的交流線路與架空直流線路并行距離很長、外部諧波源較強的情況下，如果在直流側(cè)不使用昂貴的基頻阻塞濾波器，或在交流側(cè)不使用二次諧波并聯(lián)濾波器，很難得到滿意的性能。

7.5通過控制作用阻尼低次諧波

目前的控制系統(tǒng)（等距觸發(fā)）通過對觸發(fā)角（a）的適當(dāng)調(diào)制即可有效地阻尼低次非特征諧波（例如來自交流網(wǎng)絡(luò)的）。這在高壓直流與弱交流電網(wǎng)相連，或交流系統(tǒng)導(dǎo)線沒有進(jìn)行換位，甚至是交流系統(tǒng)故障后恢復(fù)階段發(fā)生嚴(yán)重的波形畸變等特殊情況下，是有明顯作用的。盡管通過控制系統(tǒng)改變觸發(fā)角（a）對抑制低頻非特征諧波有效，但它卻不能同時抑止直流側(cè)的二次諧波和交流側(cè)的三次諧波。

7.6滿足較高頻性能要求的驗證

在設(shè)計階段通常采用高壓直流仿真試驗驗證一個高壓直流工程的穩(wěn)定性。仿真是進(jìn)行這種研究的方便的工具，它能快速研究許多系統(tǒng)條件和結(jié)構(gòu)。研究時通常要進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗，以顯示快速動態(tài)響應(yīng)對抑制不穩(wěn)定所具有的良好阻尼作用。但其研究的準(zhǔn)確性會受仿真元件的限制。

例如，很多可觀察到的正常諧波由于含量很小，以至于被仿真元件不平衡所產(chǎn)生的虛假諧波所掩蓋。雖然換流變壓器模型在模擬真實變壓器的B-H特性時具有很高的準(zhǔn)確度，但大多數(shù)模型在檢測鐵心飽和不穩(wěn)定性方面是不能滿足需要的。

近年來，計算機仿真成為高壓直流暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)仿真器的一種可行的替代方案，用于證明是否存在不穩(wěn)定性。由于它能很好的反映實際系統(tǒng)和元件的損耗，因此計算機仿真比借助高壓直流暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)仿真器進(jìn)行的仿真更方便且更準(zhǔn)確。除非計算機仿真實時運行，否則使用實際的和完整的控制硬件是不現(xiàn)實的。將仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)的真實測量進(jìn)行比較以證明它的有效性很重要。

此處宜提及實時仿真裝置的重要性，大量試驗表明，控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用前可使用實時仿真裝置進(jìn)行閉環(huán)測試。

由于換流器和它的諧波環(huán)境（交直流側(cè)的諧波阻抗和其他諧波源產(chǎn)生的諧波）存在相互影響，因此有必要證明換流器是否放大了低次非特征諧波且使之達(dá)到一個無法接受的程度，或需要證明這些諧波的振幅不會導(dǎo)致不穩(wěn)定。

在相連的交流及直流網(wǎng)絡(luò)之間具有低次諧波互補諧振的系統(tǒng)中，通過對換流器及其控制系統(tǒng)的仿真，進(jìn)行相關(guān)的研究工作。通過適當(dāng)?shù)脑囼?，通常能證明即使出現(xiàn)較大幅值的諧波，換流器及其控制系統(tǒng)的特性也不會受到嚴(yán)重干擾。

調(diào)試期間，宜盡可能安排與換流站相關(guān)的交流系統(tǒng)和/或直流系統(tǒng)處于最惡劣的諧振條件下，并通過對電流指令階躍變化和/或在適當(dāng)頻率下的小信號調(diào)制的系統(tǒng)響應(yīng)試驗，驗證相關(guān)措施是否足以防范系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

8次同步諧振

8.1概述

只有接近整流站并且和交流網(wǎng)絡(luò)有弱連接的渦輪發(fā)電機單元才易受到次同步諧振的危害。通常，扭振的自然頻率處于15Hz?40Hz。大型核能渦輪發(fā)電機的最低扭振頻率可達(dá)到5Hz，其他扭振模式頻率較高。

渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的扭振振動可能受輸電系統(tǒng)中許多常見的電氣擾動的激勵。而且，在一定條件下，由于渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子和串聯(lián)補償線路之間的接近諧振的相互影響，或