东北电力大学等单位学者：面向柔直换流站高频谐振问题的换流变压器建模与参数辨识

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柔直换流站启动过程中发生的空母线高频谐振，会导致换流阀闭锁，新能源外送失败。本文构建了换流变压器的高频模型，并提出了一种换流变压器高频模型参数的反演方法，能较为方便准确的得到换流变压器的高频参数，揭示了换流变压器的高频特性是决定换流站发生空母线高频谐振与否的重要因素。

研究背景

在柔直换流站启动过程中，首先要对换流变压器进行空载加压充电，在这个过程中很容易发生空母线高频谐振现象，最终导致柔直换流站启动失败，严重影响新能源的消纳能力。之前针对柔直高频谐振分析忽略了换流变压器的高频特性，而且缺乏一种方便准确的换流变压器高频参数获取方法，导致无法很好的揭示空母线高频谐振的发生机理。因此对换流变压器进行高频建模以及提出方便准确的高频参数获取方法对研究柔直换流站空母线高频谐振至关重要。

论文所解决的问题及意义

1. 以往研究其他工况下发生的高频谐振时忽略了换流变压器高频特性的影响，这导致无法准确分析MMC空母线高频谐振问题。

2. 本文提出的获取换流变压器高频模型参数的方法较之传统方法更加方便快捷。并且经校验，针对柔直换流站高频谐振问题，该参数获取方法能够为换流变压器高频建模提供准确的匝间电容、耦合电容、漏感等参数。

3. 进行了MMC空母线高频谐振的仿真复现及机理研究，并分析了换流变压器匝间电容对MMC空母线高频谐振的影响。

论文方法及创新点

1. 柔直换流变压器高频等效模型建立

随着频率的提高，特别是当频率超过1 kHz后，变压器的物理特性与低频情况相比有明显不同，变压器的电容效应逐渐显现，此时传统的低频模型已无法正确反映变压器的高频特性，需要充分考虑高频段电容效应的影响。

图1 忽略对地支路的换流变压器高频简化模型

换流变压器安装于交流网和MMC阀侧之间，分析时可看作一个整体，将换流变压器等效为一个二端口网络，电容效应可由5个集中电容参数表示。针对柔直高频谐振问题，本文忽略了网侧和阀侧绕组的对地电容，考虑网侧和阀侧绕组的匝间电容C1s、C2s，网侧和阀侧绕组之间的耦合电容C12，建立了适用于高频谐振分析的换流变压器高频等效模型。

2. 换流变压器高频等效模型参数反演

传统变压器的高频等效模型参数是通过电磁场分析计算或实验测定的方法来获取，电磁场分析计算需要知道变压器的结构、尺寸、媒质参数等详细数据，并且计算极为复杂，实验测定则依赖操作人员的技术水平，也容易导致获取的参数不准确。因此本文提出了一种利用改进鲍威尔算法，结合实际换流变压器实测频率响应幅值和相位数据，对换流变压器高频简化模型参数进行反演计算的方法。

图2 改进鲍威尔算法反演计算模型参数流程

得到换流变压器高频等效模型参数后，通过与实测数据进行对比，两者拟合程度可以衡量反演计算所得换流变压器参数的准确性。对实测数据与计算数据进行误差分析，在低于5 kHz时，其计算数据与实测数据的误差率在5%以下，拟合程度较高，可满足柔直高频谐振分析精度要求。

图3 10 kHz内幅值相位对比

图4 10 kHz内幅值和相位误差率

3. 换流变压器等效电容参数对其高频阻抗的影响

与工频模型不同，换流变压器高频等效模型需考虑C1s、C2s、C12对其阻抗的影响，因此本文讨论了1～5 kHz范围内，等效电容参数小范围变化时对换流变压器高频阻抗的影响，并得到结论：C1s对换流变压器高频阻抗影响最大，C2s对换流变压器高频阻抗影响较小，C12对换流变压器高频阻抗几乎无影响。

4. 基于换流变压器高频等效模型的空母线谐振算例验证

0～2 s时段内，换流变压器采用工频模型，2 s后，切换为高频模型，换流变压器采用工频模型，换流站稳定运行；切换为所建高频模型，换流站与换流变压器之间交互作用，发生高频谐振。这表明忽略换流变压器高频特性将无法准确分析柔直换流站空母线高频谐振问题，换流变压器高频特性与MMC空母线高频谐振之间具有内在联系。

图5 网侧交流电压电流仿真波形

结论

本文重点从换流变压器高频等效建模和模型参数辨识两方面展开研究，分析了换流变压器高频特性与MMC空母线高频谐振的内在联系，并通过电磁仿真对理论分析结果进行了验证，得到以下结论：

1）与工频模型不同，高频条件下换流变压器建模需考虑绕组匝间电容和耦合电容，而本文电容效应会使换流变压器等效阻抗特征在1～5 kHz频段呈现容性。

2）针对MMC空母线高频谐振分析而言，相较于阀侧绕组匝间电容C2s和耦合电容C12，网侧绕组匝间电容C1s对换流变压器高频阻抗的影响最大，随着C1s的增大，MMC空母线高频谐振频率将相应减小。

3）在MMC空母线运行工况下，换流变压器的高频特性是决定换流站发生高频谐振与否的重要因素，忽略换流变压器高频特性将无法准确分析MMC空母线高频谐振问题。

4）与传统方法相比，在5 kHz以内，所提换流变压器高频模型参数获取方法能方便地获取换流变压器高频模型匝间电容、耦合电容、漏感等参数的准确数值。

团队介绍

项目团队对电力电子设备在电力系统中的应用有较深入的研究，形成了电力电子设备及并网稳定的研究方向，对风力发电、柔性直流输电、STATCOM等变流器的建模与控制、并网稳定性有深入研究，获得省部级奖励8项，其中牵头申报的柔性直流电网主设备检测及运维关键技术获得国家电网公司2022年科学技术进步二等奖，柔性直流电网技术研发、设备研制及工程应用获得国家电网公司2022年科学技术进步特等奖。

本工作成果发表在2024年第22期《电工技术学报》，论文标题为“面向柔直换流站高频谐振问题的换流变压器建模与参数辨识“。本课题得到国网冀北电力有限公司科技项目的支持。

引用本文

胡应宏, 李雨, 李阳, 陈继开, 张扬. 面向柔直换流站高频谐振问题的换流变压器建模与参数辨识[J]. 电工技术学报, 2024, 39(22): 7154-7166. Hu Yinghong, Li Yu, Li Yang, Chen Jikai, Zhang Yang. Modeling and Parameter Identification of Converter Transformer for High-Frequency Resonance Problem of Flexible DC Converter Station. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(22): 7154-7166.

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