一种新型的高压直流输电系统直流侧谐波电压测量方法

一种新型的高压直流输电系统直流侧谐波电压测量方法

0基于hvdc直流侧谐波电压测量原理的方法由于中国能源和需求的反向分布，客观上，中国应实施“东西电网、南北电网、全国电网”的能源资源优化配置，实现能源的大规模转移。然而，直接供电技术在远程和高压电压方面的优势决定了它是最好的选择。但直流输电在其换流过程中会产生大量谐波，不仅严重影响电能质量，对通信线路产生干扰，也严重威胁到直流输电系统设备的正常使用和自身的安全稳定运行目前的高压谐波测量方法主要有窄带滤波器选频法、基于快速傅里叶变换的采样数字化计算法本文提出了一种利用直流侧滤波器测量HVDC直流侧谐波电压的新方法。该方法仅需在传统直流侧滤波器的各支路中串入电流互感器，通过对测量得到的电流进行傅里叶分解，得到各次谐波电流，根据直流侧滤波器的组成和元件参数，计算高压直流输电系统直流侧的各次谐波电压，也可利用已知的直流侧滤波器的阻抗-频率特性计算直流侧的各次谐波电压，从而获知高压直流输电系统直流侧的谐波电压状况。本文分析了在不同直流滤波器上应用所提方法时对谐波测量结果的影响，研究了滤波器参数失谐时所引入的谐波测量误差，并把可能存在的不同谐波源相互叠加的情况考虑在内。最后通过仿真和实验进行了验证。1测量原理和波形电压计算方法1.1结构的分类如图1所示，目前高压直流输电系统直流侧滤波器从结构上均可分为上、下两个部分。图1中所示的基波阻抗为Z在测量得到下半部分各支路电流的情况下，可采用如下两种方法计算高压侧直流电压u1.2最高谐波次数m首先求解上半支路流过的电流i由于下半支路各并联支路的电压u式中，h为谐波次数；m为所关注的最高谐波次数；ω将电流i可求得u式中，Z类似地，可对上半部分电流i式中，I可求解得到上半部分电压u式中，Z对所有次谐波（h=1,2,…,m）均进行上述所示的计算，即可得出高压直流输电系统直流电压u1.3高压直流输电系统相联系数的计算首先根据式（1）求得上半部分流过的电流i对所设计的直流滤波器而言，其阻抗-频率特性是非常重要的，在设计时即可获知，阻抗-频率特性给出的是整个直流侧滤波器的阻抗幅值和相位角在不同谐波频率下的取值，并绘制成曲线的形式。因此，通过该特性曲线可查出h次谐波下直流侧滤波器的阻抗幅值Z对所有次谐波（h=1,2,…,m）均进行上述所示的计算，即可得出高压直流输电系统直流侧电压u以下结合图2和图3说明第二种方法的具体实现。图2中的C可见，该方法可更快速地进行高压直流输电系统直流侧电压u2谐波电压的测量基于本文提出的高压直流输电系统谐波电压测量方法，利用PSCAD软件进行仿真计算。在图4所示的高压直流输电系统中，整流侧与逆变侧均采用两个6脉冲换流桥组成的12脉冲换流装置，在直流侧系统中将产生比较严重的12次、24次等特征谐波，故在直流侧分别接入12次和24次两个单调谐波滤波器。12次谐波滤波器的参数为：C在图4所示的仿真模型中，首先仅添加12次谐波滤波器，根据本文所提出的测量方法，取前30次谐波电压以及36次、48次、…、120次特征谐波之和为测量得到的总谐波电压U在图4所示的仿真模型中，仅添加24次谐波滤波器，根据同样的方法，测量得到的谐波电压与实际谐波电压波形如图8所示。在图4所示的仿真模型中，同时添加12次和24次谐波滤波器，测量得到的和实际的谐波电压波形如图9所示。设计如图10a所示12/24次双调谐波滤波器，其参数如图中所示，其阻抗频率特性如图10b所示。在图4所示的仿真模型中，仅添加如图10a所示的双调谐波滤波器，测量得到的和实际的谐波电压波形如图11所示。由图7～图9和图11可看出，采用不同滤波器时，测量得到的谐波电压与实际谐波电压的波形基本重合，验证了所提出方法的有效性。3单次谐波电压的测量在HVDC直流侧谐波电压测量中，由于不同的滤波器具有不同的阻抗-频率特性，会对谐波电压测量的准确度产生影响。以下分析不同滤波器应用上述测量方法对谐波电压测量的影响。由式（8）可知，对于第h次谐波，其谐波电压幅值和相位分别为对于给定的滤波器，其在h次谐波下的阻抗值及其相位是确定的，则所用电流互感器测得的电流将直接影响谐波电压测量的准确度。假设第h次谐波电流幅值的测量误差为ΔI可见，对于单次谐波电压的测量，所用滤波器的阻抗越小，谐波电压的幅值测量误差越小。在式（10）中，ϕ综合考虑电流测量的幅值误差和相位误差时，可得由式（12）可知，电流互感器测得的电流幅值误差对谐波电压测量准确度的影响较大。对单次谐波采用低阻抗值的滤波器可提高谐波电压的测量准确度，而电流的相位测量误差仅会使测量的谐波电压产生相应的移相。通过具有如图5和图6所示阻抗频率特性的12次和24次滤波器分别测量如图4所示的直流输电系统直流侧第6次和第36次谐波电压，为验证以上的分析结果，分别对电流表测得的电流值加入一微小误差，该误差为流过两个电流表较小电流的0.5%。图12和图13分别为两个滤波器测得的6次和36次谐波有效值（RootMeanSquare,RMS）。由图5可知，测6次谐波时，24次谐波滤波器的阻抗值较大；而测36次谐波时，12次谐波滤波器的阻抗值较大。根据上述分析，对6次谐波电压的测量，采用12次滤波器测量的结果较为准确；而对36次谐波电压的测量，采用24次谐波滤波器测量的结果较为准确。由图12可知，12次滤波器测得的6次谐波电压更接近其实际值，而由图13可知24次滤波器测得的36次谐波电压更接近其实际值。仿真结果验证了分析结论的正确性。通过以上理论分析与仿真验证，结合图5，可得出如下结论：对于本文仿真所采用的12次和24次两个单调谐波滤波器，对17次及以上较高次数谐波电压的测量，由于24次谐波滤波器的阻抗值较小，故24次滤波器的测量结果更准确；而对于低于17次的谐波电压的测量，则12次滤波器的测量结果更准确。4单次谐波电压的测量在高压直流系统运行过程中，由于环境温度的变化、自身的发热和老化等因素，滤波器的电容值和电感值等均会发生微小的变化，使得直流滤波器的实际谐振频率和谐波阻抗值偏离原设定值，导致滤波器失谐。以下以单调谐波滤波器为例分析滤波器参数失谐时对谐波电压测量的影响。以具有图5和图6中所示阻抗频率特性的12次滤波器为例，考虑其电容值和电感值均偏离额定值±5%的情况，电容和电感的取值见表1。电容值变化时和电感值变化时的滤波器的幅频特性分别如图14和图15所示。由图14和图15可知，当电容值或电感值减小时，谐振频率增大；当电容值或电感值变大时，谐振频率变小。图16为电容值改变时12次滤波器测量的6次谐波电压波形。根据图14所示的幅频特性，采用12次滤波器对单次谐波电压进行测量时，当测量谐波次数小于12次时，若电容或电感值变小，则谐振频率变大，计算时采用的阻抗值将小于实际的阻抗值，使测量的谐波电压小于实际值；若电容或电感值变大，则谐振频率变小，计算时采用的阻抗值将大于实际的阻抗值，使得测量的谐波电压大于实际值。当测量的谐波电压的次数大于12次时，若电容或电感变小，则谐振频率变大，计算时采用的阻抗值大于实际的阻抗值，测量的谐波电压将会大于实际值；若电容或电感值变大，则谐振频率变小，计算时采用的阻抗值小于实际的阻抗值，测量的谐波电压将会小于实际值。而对于12次谐波电压的测量，不论电容电感的参数发生何种变化，测得的12次谐波电压均小于实际值。以上结论归纳见表2，表中列出的是失谐后的谐振频率高于11次且低于13次的情况。由图16可知，当滤波器参数失谐时，对单次谐波电压的测量结果的影响符合表2中的分析。对于总谐波电压的测量而言，由于某些次数的谐波电压测量结果变大，而某些次数的谐波电压测量结果变小，参数失谐后对总谐波电压测量的影响将很小。图17为电容值发生改变时的谐波电压测量结果，可见，参数失谐时对总谐波电压的测量几乎没有影响。5仿真电路设计在实际的高压直流输电系统中，会有许多意想不到谐波源，为验证在不同谐波源叠加的情况下所提出方法的正确性和有效性，在图4所示的仿真电路中人为加入谐波电流源，然后测量总的谐波电压和单次谐波电压。不失一般性，在图4的仿真电路中，在整流侧的电源处加入2～15次谐波，各次谐波电流幅值均为0.02kA，约为该处母线电流的1%。在逆变侧的电源处加入16～30次谐波，各次谐波电流相等均为0.01kA，约为该处母线电流的0.5%。然后在整流器出线端，注入6次和7次谐波电流，其有效值为0.02kA，约为直流侧输出电流的1%。在直流侧采用12次单调谐波滤波器，对总的谐波电压和6次谐波电压进行测量，测量结果分别如图18和图19所示。由图18和图19可知，所提出的方法对于具有不同谐波叠加的系统也具有适用性，且其测量的准确性与系统中的谐波源无关。6波器测量谐波电压在实验室设计了验证本文所提出的谐波电压测量方法的实验系统。由单相不控整流桥带纯电阻负载，以电阻上的谐波电压模拟HVDC的直流侧谐波电压，设计了单调谐波滤波器，谐振频率为200Hz。实验接线和元件参数如图20所示。采用TektronixDPO4054示波器测量并记录流过滤波器支路的电流和负载两端电压。在根据本文所提出的方法，求直流侧的各次谐波电压时，采用前100次谐波中偶数次谐波相加作为直流侧测量的谐波电压。直流侧总基准谐波电压与测量的谐波电压如图21所示。直流侧2次谐波电压的实际和测量波形对比如图22所示。由图21和图22可知，采用所提方法测量的谐波电压与实际谐波电压基本一致，验证了所提方法的正确性。7单次谐波电压的测量本文提出一种通过对高压直流输电系统中使用的直流侧滤波器进行简单改造实现兼顾常规直流