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滤波换相换流器的典型故障暂态谐波与谐波不稳定问题研究 摘要 随着电力电子器件制造技术的进步，高压直流输电技术迎来了一个蓬勃发展 的新时期。但电力电子技术的大量应用也带来了谐波问题，且日益突出和严重。 其中暂态谐波及谐波不稳定两种现象正造成日益严重的影响。常用的f f t 算法， 无法检测系统电流所含有的间谐波和次谐波等暂态非特征分量；谐波不稳定会引 起换流站交流母线电压严重畸变。本文依托湖南大学输变电新技术研究开发平台， 结合湖南省重大科技专项“高压直流输电新型换流变压器研制”( 0 6 g k l 0 0 3 1 ) ， 阐述了基于滤波换相换流器的开发平台下暂态谐波和谐波不稳定所带来的影响， 并研究相应的检测及解决方案。本文的主要工作包括以下内容： 介绍了暂态谐波检测及谐波不稳定现象的国内外研究概况，针对当前传统滤 波方式存在的不足，为减小暂态谐波带来的影响和谐波不稳定发生的概率，保证 直流系统运行的安全、稳定性，认为很有必要探索新的滤波方式，对暂态谐波及 谐波不稳定进行有效的抑制研究是十分必要的。 简要论述了滤波换相换流器的工作原理，拟建立了相应的直流输电开发研究 平台。提出了一种结合能量群与消除频谱泄露的复合谐波检测算法；并在开发平 台基础上，对系统发生直流极母线短路、整流侧交流母线三相短路、逆变侧交流 母线三相短路等故障这三类典型故障情况进行了仿真研究；对交流母线处的电流 进行暂态谐波检测的结果表明，复合谐波检测算法在分析故障暂态电流时，能还 原更多的谐波特征和信息量。 提出了一种判断铁心饱和型谐波不稳定的新方法。并基于直流输电开发研究 平台，对三相接地故障激发的铁心饱和不稳定现象进行了仿真研究，验证了该方 法的正确性。 提出了一些抑制谐波不稳定的解决方案，其中对滤波换相换流器的仿真结果 表明，该方案可以大大降低交流网侧中2 、3 次非特征谐波与1 1 、1 3 特征谐波电 流含量，可以很好的抑制谐波不稳定，同时滤波器中的电容器对换流器进行无功 功率补偿，具有广泛的应用前景。 关键词：高压直流；暂态谐波；谐波不稳定；滤波换相换流器 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e st e c h n o l o g y ，h v d c9 0 ti n t oa n e wp e r i o do fv i g o r o u sa d v a n c e m e n t t h eh a r m o n i cp r o b l e mb r o u g h tb yal a r g e n u m b e ro fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n si sb e c o m i n gt h ei n c r e a s i n g l y p r o m i n e n ta n ds e v e r e w i t h i na l lt h o s ep r o b l e m ，t r a n s i e n th a r m o n i ca n dh a r m o n i c i n s t a b i l i t yb r i n gu pm a n y i s s u e s f f ta n a l y s i s ，w h i c hi s c o m m o n l ya p p l i e d i n h a r m o n i c a n a l y s i s o fh v d cp o w e rs y s t e m ，i s u n c a p a b l ef o r d e t e c t i o na n d m e a s u r e m e n to ft h o s en o n c h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i ci nt r a n s i e n ts t a t es u c ha s s u b _ h a r m o n i ca n di n t e r h a r m o n i c h a r m o n i ci n s t a b i l i t yc a u s e dh a r m o n i co s c i l l a t i o n d o e s n ta t t e n u a t e0 re v e na m p l i f i e ss e r i o u s l yi nt h ec o n v e n e rs t a t i o n t h i sp a p e r ， r e l y so nt h ep o w e rt r a n s m i s s i o nn e w - t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m s o fh u n a nu n i v e r s i t y ，c o m b i n e sw i t has p e c i a lm a j o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fh u n a n p r o v i n c e “a n e w t y p eh v d cc o n v e r t e rt r a n s f o r m e rd e v e l o p m e n t ”( 0 6 g k l 0 0 3 - 1 ) ， d i s c u s s e d p r o b l e m sc a u s e db yt r a n s i e n th a r m o n i ca n dh a r m o n i ci n s t a b i l i t y 0 n b u i l d i n g d ct r a n s m i s s i o n s y s t e me x p l o i t a t i o np l a t f o r m b a s e do nt h ef i l t e r c o m m u t a t e d c o n v e r t e r ， a n dd e s c r i b e dc e r t a i ns o l u t i o n si n c l u d em e a s u r e m e n t a l g o r i t h m t h em a i nj o bo ft h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft o d a y sd o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c ho ft r a n s i e n t h a r m o n i ca n dh a r m o n i ci n s t a b i l i t y ，w h i c ha i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g eo fc u r r e n tf i l t e r p l a n ，s u g g e s t e dt h a ti no r d e ft om i n i m u mt h ed a m a g ec a u s e db yt r a n s i e n th a r m o n i c ， a n dd e c r e a s et h ep r o b a b i l i t y0 fh a r m o n i ci n s t a b i l i t ya n dg u a r a n t e e i n gt h es a f e t ya n d s t a b i l i t yo fh v d c so p e r a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt 0r e s e a r c ht h ee f f e c t i v es u p p r e s s i o n m e t h o d so ft r a n s i e n th a r m o n i ca n dh a r m o n i ci n s t a b i l i t y b r i e fi n t r o d u c t i o n0 ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ff i l t e rc o m m u t a t e dc o n v e r t e ri s p r e s e n t e d ，a n da nd c t r a n s m i s s i o ns y s t e me x p l o i t a t i o np l a t f o r mb a s e d o nt h ef c c p r e s e n t sw a sb u i l t ；a ne n h a n c e dm e a s u r e m e n ts c h e m e0 fh a r m o n i c ，w h i c hc o m b i n e s t h ec o n c e p to fg r o u pe n e r g ya n ds p e c t r a ll e a k a g ee l i m i n a t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ； t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns t u d yu n d e rc l a s s i cf a u l to fh v d c p o w e rs y s t e ms h o w st h a t t h en e ws c h e m ec o u l dr e v e a lm o r ec h a r a c t e r i s t i ca n di n f o r m a t i o no ft h eo r i g i n a l h a r m o n i cs i g n a lw h e ni tw a sb e i n ga p p l i e do na n a l y s i so ft r a n s i e n th a r m o n i c an e wm e t h o di si n t r o d u c e df o rju d g i n gh a f m o n i ct r a n s f o r m e rc o r es a t u r a t i o n i n s t a b i l i t y t h e nb a s eo nt h ef o r m e fr e s e a r c hp l a t f o r m ，a ns i m u l a t i o no f t h ec o r e u i 滤波换相换流器的典型故障暂态谐波j 谐波不稳定问题研究 s a t u r a t i o ni n s t a b i l i t yc a u s e db yt h r e e - p h a s eg r o u n d i n gf a u l ti sp r o c e s s e d ，t h u st h e n e wj u d g m e n tm e t h o di sv a l i d a t e d c e n a i ns 0 1 u t i o nf b rs u p p r e s s i o n0 fh a r m o n i ci n s t a b i l i t yi sp r e s e n t e d ，t h er e s u l t 0 fs i m u l a t i o n0 nt h ep l a t f o r ms h o w st h a tt h ec o n t e n t so f2 加，3 恤n o n - c h a r a c t e r i s t i c h a r m o n i cc u r r e n t sa n d1 1 t h 1 3 hc h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i cc u r r e n t si na cn e ts i d ea r e d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t ly ，a n dt h eh a r m o n i ci n s t a b i l i t yi sc o n t r o l l e de f f e c t i v e l y ，a sw e l l a st h ec a p a c i t o r sp r o v i d e st h er e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nt 0t h ec o n v e r t e r ，t h u s s u g g e s t st h a tn e ws c h e m eh a sn i c ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：h v d c ；1 r a n s i e n th a r m o n i c ；h a r m o n i ci n s t a b i l i t y ；f i l t e rc o m m u t a t e d c o n v e r t e r 硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着高压直流输电( h v d c ) 的发展，相关的谐波问题日显突出。对换流变压器 来说，谐波的存在不但会会造成谐波损耗，降低系统效率，更会引起发热，震动， 噪声等问题。轻则降低系统工作寿命，重则会影响系统稳定性，降低保护可靠性， 甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备造成事故以及干扰通信线路的正 常工作f 1 1 。 一般来说，电力系统电流、电压波形通常不为纯粹的正弦形式，而由基波、 周期性谐波及由因瞬态现象产生的其他非周期谐波组成。通过分析电流电压波形 畸变以精确测量电力系统谐波成分，对于滤波器的设计环节而言是不可或缺的。 如今，常用的谐波分析算法为快速傅里叶变换( f f t ) ，以期获得电压电流频谱。 然而，f f t 的这一传统应用形式只考虑到了基波及频率为其整数倍的谐波分量， 而忽视了波形中的非周期分量、间谐波和次谐波【2 】。而忽略这类由瞬态现象造成 的分量除会导致谐波测量结果的不准确外【3 】，间谐波与次谐波频率接近谐波或基 波频率时，不但会引起电压严重畸变，还会导致电压闪变和冲击性转矩【4 7 】，比谐 波的危害更大。而随着电力系统非线性负荷的不断增加，电网中暂态谐波含量大 大增加。这些暂态谐波已经对电网造成了不可忽视的危险。因此，进行暂态谐波 的研究是有必要的。 高压直流输电引起的谐波不稳定是指换流站附近有扰动时，谐波振荡不衰减 甚至放大的现象，主要表现为换流站交流母线电压严重畸变。发生谐波不稳定时 谐波电流放大几倍甚至几十倍，对电力系统的危害十分严重，特别对换流变压器、 电容器和与其串联的电抗器等元件将形成很大的威胁，常常使其损坏，而电压畸 变则会导致直流输电困难甚至系统闭锁。因此，研究特高压直流输电系统的谐波 不稳定是非常必要的。这对电网的安全运行有着极其重要的意义。 本文采用p s c a d e m t d c 专业仿真软件，依托湖南大学输变电新技术研究开 发平台，结合湖南省“十五 “十一五”重大科技专项( 0 5 g k l0 0 2 1 ，0 6 g k l0 0 3 1 ) “直流输电新型换流变压器的研制 、国家自然科学基金项目资助( 项目批准号： 5 0 9 0 7 0 l8 ) “滤波换相换流器的基础理论研究，建立基于滤波换相换流器的h v d c 电磁暂态仿真平台；对系统发生直流极母线短路，整流侧交流母线三相短路，逆 变侧交流母线三相短路等故障这三类典型故障条件的暂态特性及发生谐波不稳定 的条件进行仿真研究，更深一步掌握滤波换相换流器h v d c 平台的特点。 滤波换相换流器的典型故障暂态谐波与谐波不稳定问题研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 暂态谐波的国内外发展动态 在早期，电力系统的谐波畸变主要是随着电机和变压器的设计和运行而产生 的，其中主要谐波源是电力变压器的励磁电流，发电机是居第二位的谐波源。变 压器和旋转电机在正常的稳态运行条件下，他们本身并不在网络中产生大的畸变 分量，但是，在暂态扰动时和非正常运行时便会产生谐波分量。除此之外，在我 们日常中还有两种谐波源，电弧炉和荧光照明灯工作时会产生大量暂态特性谐波。 而随着现在电力电子的发展，以及直流输电技术的广泛应用，相角控制换流器和 逆变器也已成为越来越广泛的应用技术，特别是逆变器供电的交流驱动在数量和 额定功率上都在增加，他们对电力系统产生越来越重要的影响。随着当今世界对 节能兴趣的增加，对这些谐波源所产生的谐波进行治理，是电力系统安全稳定运 行的必要条件。对谐波的治理也不能仅仅只局限在稳态谐波，也应对暂态谐波的 问题进行关注。而对暂态谐波进行准确的检测和分析则是实现暂态谐波治理的前 提条件。 一般意义下的谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析方法、谐波源分 析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准，谐波测量及在谐波情 况下对各种电气量的测量方法等。谐波测量是谐波问题中的个重要分支，也是 研究分析谐波问题的出发点和主要依据。 由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂 性等特征，因此难以对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波测量问题进行广 泛研究。 目前一般认为，暂态谐波包括：谐波电流中所包含的非周期分量、间谐波以 及次谐波。其中，间谐波是指任何频率为非整数倍基波频率的电压或电流分量 【8 - 1 0 】；而次谐波是间谐波的一种特殊形态，是指频率小于基波频率的电压或电流 分量1 3 1 。 基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多、也是最广泛的一种方法，它由 离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成，使用此方法测量分析谐 波，精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进 行两次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性 较差。 1 2 1 1 间谐波分析存在的问题及解决方案 快速傅里叶算法在电力系统谐波检测中已被成功广泛应用了。而在将快速傅 里叶变换应用于谐波分析时，需要满足以下几个假设： 2 硕士学位论文 1 ) 波形稳定并且周期性； 2 ) 采样率必须高于最高被检测频率的两倍 3 ) 采样周期数必须为整数； 4 ) 在谐波分析频谱中只包括频率为基波整数倍的谐波分量。因此，波形中不可包 含频率非基波整数倍的谐波。 当满足以上假设条件时；快速傅里叶变换的结果是精确的。由于电力系统在 稳态条件下，谐波能量稳定，成周期性，不包含或包含极少量的非周期分量，因 而快速傅里叶变换能被广泛应用。 但是，当电力系统在暂态条件下时，一般来说，谐波的能量都是有限的、非 稳定的【1 4 ，15 1 ，暂态现象产生的波形不稳定，包含非周期分量，而次谐波和间谐波 的频率也均不为基波频率的整数倍。而基于傅里叶变换的谐波分析方法，建立在 信号平稳的假设基础之上，将其直接应用于暂态谐波的分析势必会导致大量的问 题。 当将快速傅里叶变换应用于间谐波及次谐波检测时，在快速傅里叶变换的采 样过程中，由于信号频率和采样频率不一致，应用该法进行检测会产生频谱泄漏 效应和栅栏效应，使计算出的信号参数( 即频率、幅值和相位) 不准确，尤其是相 位的误差很大，无法满足测量精度的要求，结果只能精确检测出基波整数倍的谐 波信号。因此若要将其应用于间次谐波分析的领域的话，必须对该算法进行改进。 否则在稳态谐波研究领域呼风唤雨的快速傅里叶变换将无法适用于暂态谐波的检 测分析。 对于栅栏效应，还只需通过简单增加采样频率即可满足检测精度要求，但由 于信号频率和采样频率不同步而导致的频谱泄漏问题一直是间次谐波检测研究 的一个热点。 为了提高f f t 算法的精度，v k j a i n 等提出了一种插值算法，对f f t 的计算结 果进行修正，通过插值得到信号较精确的频率，以提高各谐波参数的计算精度【16 。 在此基础上，t h o m a sg r a n d k e 应用汉宁( h a n n i n g ) 窗结合插值算法减少泄漏，提高 了参数估计精度，进一步提高了计算精度【1 7 】。ga n d r i a 提出了r i f e v i n c e n t 窗的插 值f f t 理论【1 引。以后发展的插值算法有双峰谱线修正算法【1 9 】和多谱线插值算法【2 0 】 等。文献【2 1 2 4 】用四项b l a c k m a n h a r r i s 窗对采样数据加权，再用改进的插值算法计 算信号的谐波参数。尽管b l a c k m a n h a r r i s 窗对弱信号的检测能力已经很强，但当 弱信号附近有一个很强的信号时，对该弱信号的检测仍存在较大的误差。文献【2 5 ，2 6 】 采用矩形窗的卷积运算所得的窗函数用于谐波参量估计，但没对含间谐波的信号 做出仿真实验和讨论。文献 2 7 】先分析采用加窗插值算法以提高谐波、间谐波参 数测量精度的原因；进而提出基于相关h a n n i n g 窗插值的谐波、间谐波分析算法， 算法测量精度也比较高。 3 滤波换相换流器的典型故障暂态谐波与谐波不稳定问题研究 m u s i c 算法是现代谱估计的代表，以谐波信号模型为基础的m u s i c 算法从理 论上说可以达到无限的精度，对信号的估计精度、分辨率很高，而且谱估计的稳 定性好，但它要在整个频域内搜索，耗时较长，并且由于伪谱的存在，影响了其 在实际中的应用；f f t 又存在频谱泄漏和栅栏效应，影响其精度。文献【2 8 】将两种 算法结合在一起，利用f f t 对谐波频率进行预估计，减少搜索区间，再利用m u s i c 算法的分辨率高的特性进行频率的精确估计。 加窗算法和m u s i c 算法的出现在很大程度上解决了间谐波测量中存在的频 谱泄露的问题。利用加窗算法可以减少频谱泄漏误差，但是构造窗函数，和使用 m u s i c 算法进行再搜索又使频谱分析变得复杂，在需要使用数字信号处理( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 等芯片的要求高效处理场合又显得不利。 因此也有研究提出了其他的改进f f t 算法，三点f f t 算法【2 9 】只需要对f f t 算法 做简单的变换，就可以有效地消除频谱泄漏分量，实现非整数次谐波的精确检测， 在对该算法与加窗体f f t 算法的仿真结果比较中，通过计算出其在d s p 中的运行时 间，结果表明该算法运行效率高于加窗体f f t ，而精度虽然也因此下降，但更适 合于高速处理场合的要求。 1 2 1 2 结合小波变换进行暂态谐波分析 对于暂态现象，目前一般使用各种小波变换( w t ) 进行分析【3 们。小波变换作为 一种新型的时频域分析工具，具有良好的时频局部化特性，可同时提取信号的时 频特征，克服了傅里叶变换仅有频域局部化而无时域局部化特性的缺点，适用于 非整数次谐波的分离和突变谐波的检测，近年来在电力系统的谐波检测中得到了 广泛应用。理论上可以用来分析暂态谐波。 以暂态谐波中的问谐波为例，间谐波以波形畸变为特征，属于稳态电能质量 问题。传统的傅立叶变换可以精确地检测出信号中的频率成分，但对分析窗口宽 度有严格的要求。要达到检测间谐波成分的频率分辨率，就要采用较宽的傅里叶 变换窗口。如果循环变流器的特征频率已知，或是要分析确定频带的间谐波，就 可以选择相应宽度的变换窗口。这样不仅确定了频率分辨率，而且克服了选择窗 口的盲目性，减小了计算量。实际从电力系统中提取的电信号一般都含有噪声， 这些噪声信号对于有用信息的正确处理是有害的。 因此，在检测之前有必要对信号进行消噪，而消噪处理后的信噪比直接影响 到d f t 的测量精度。小波变换可以对信号进行多分辨率分析( m r a ) ，信号被分解 为一系列的子频率带，细节信号中包含了高频噪声成分。通过对细节系数处理， 可以去除幅值低的噪声和我们不期望的信号，然后进行重构恢复我们期望的信号。 小波变换去噪后信噪比明显提高，提高了傅立叶变换精度，傅立叶变换窗口宽度 的选择可根据待分析信号的频率分辨率确定，具有一定的灵活性。有仿真结果证 明：应用先消噪后作d f t 的方法检测间谐波能够满足很高的精度。 4 硕士学位论文 目前国内外已经有一些文献在小波变换应用于谐波分析领域做了探索性研究 和有益的尝试，但是小波变换存在频域混叠误差现象，导致谐波分析的精度不高 【3 1 1 ，如何克服避免该现象也成为利用小波变换进行暂态谐波分析领域的一个研究 热点。 有些研究通过选用分频严格的小波函数来抑制小波变换的频域混叠误差【3 2 】， 离散小波包变换滤波器组以及采用连续小波变换对非零子频带信号进行谐波分 析。但是分频严格、能量集中的小波函数很难构造； 有些研究利用连续小波变换和离散小波变换来分析谐波，如文献 3 3 】采用了 改进的离散小波包变换滤波器组来分析谐波变化趋势，并用基于连续小波变换的 算法来获得谐波的频率、幅值及相位。但就其本质而言，还是通过连续小波变换 的尺度确定谐波频率，利用连续小波变换系数的幅值确定多分辨分析中一个子频 带的谐波大小。 小波包变换建立在小波变换的基础上，可以均匀划分信号频带，能够更好地 提取信号的时频特性，具有更好的谐波分析特性。针对电力系统谐波检测小波分 析方法中没有抗混叠措施而导致精度低、鲁棒性差等问题，一些研究提出利用补 偿插值来抑制小波变换的频域混叠误差，一种新的离散正交小波变换的混叠补偿 方案：将谐波信号分解成子频带分量，再利用连续小波( c w t ) 变换，对非零子频 带信号进行谐波分析。 目前已有不少将小波包变换用于间谐波检测分析的研究，有文章提出选择单 一小波作为小波包变换函数【3 4 】。s h a n n o n 小波是一种频域紧支撑正交小波，其频 域波形为矩形窗，s h a n n o n 小波是现有单一小波家族中唯一能够严格进行频带分割 的小波函数，利用它进行谐波分析可以实现频域严格分割；但s h a n n o n 小波具有矩 形窗频域波形，造成能量不集中，光滑性差，时域旁瓣较大，易产生振荡上冲的 g i b b s 现象，g i b b s 效应会在频域产生虚假的高频信号，严重干扰分析结果。在该 研究中，利用能量细化思想，对s h a n n o n 小波频域窗进行插值分割以消除小波混叠 和g i b b s 现象，提出了小波包变换的频域内插算法，可有效消除小波混叠和g i b b s 现象。 还有研究选择复小波对非零子频带信号进行分析【3 5 ，3 6 1 ，提取谐波分量特征。 常见的复小波有m o r l e t 小波、g a u s s i a n 小波、s h a n n o n 小波、b s p l i n e 小波等，其小 波变换系数的相位变化一般都比较规则，可用于电力系统谐波检测，但它们相应 的小波变换系数的幅值比较杂乱，其幅值随着复小波实部和虚部的比例、复小波 时间窗长度的变化而波动。如m o r l e t 小波就能有效地提取信号中的幅值和相位信 息3 7 。3 9 】；且其频域能量比较集中，通频带较窄，频带混叠影响较小，具有时域对 称性和线性相位特点，能够有效地防止连续小波变换重新产生混叠、提高检测精 度。 5 滤波换相换流器的典型故障暂态谐波与谐波不稳定问题研究 文献 4 0 】提出一种利用复小波变换相位信息的新方法来检测电力系统谐波， 该法利用不同尺度信号的复小波变换相位变化的周期来确定信号的频率成分，同 时能得到对应频率的幅值，与f f t 和幅值检测法相比，其在一定程度上能消除f f t 算法的栅栏效应和频谱混叠问题，提高谐波检测的精度，且适用于含有非整数次 谐波的信号。与基于小波变换系数幅值检测方法只能得到频带信息相比，该法可 较准确地得到各次谐波的频率和幅值，是小波变换方法在谐波检测中的新探索。 但是相位对于噪声非常敏感，而实际系统中不可避免存在一定噪声，因此该方法 未得到广泛应用。 目前，以上几种方法均存在计算量大、谐波次数检测精度低、谐波幅值检测 受滤波器频率响应特性影响较大等问题。 1 2 2 谐波不稳定研究的国内外发展动态 直流输电引起的谐波不稳定是指在换流站附近有扰动时，谐波振荡不易衰减 甚至放大现象，主要表现为换流站交流母线电压严重畸变，从而导致直流输电系 统运行困难甚至系统关闭【4 1 1 。 发生谐波不稳定时，谐波电流放大几倍甚至几十倍，对电力系统的危害非常 严重，可能会导致的危害如： 1 ) 增加电气设备的热应力； 2 ) 引起保护误动作； 3 ) 增加换流变压器磁化电流的直流分量，使铁心饱和，引起过热； 4 ) 对通信产生严重干扰； 5 ) h v d c 联络线引起的谐波传递可能激发大型汽轮发电机的次同步振荡等； 6 ) 对换流变压器、电容器和与之串联的电抗器等元件构成很大威胁，常常使之损 坏； 7 ) 电压畸变会导致直流输电系统运行困难，甚至闭锁系统。 最早出现谐波不稳定的直流输电工程有新西兰直流输电工程和英法海峡直 流输电工程，后来k i n g s n o r t h 和n e l s o nr i v e r 等多个直流输电工程都曾出现过谐 波不稳定现象。对直流输电引起的谐振和谐波不稳定问题，不管是单直流落点系 统还是多直流落点系统，国内还未有过相关报道【4 2 1 。 导致h v d c 谐波不稳定发生主要有两种原因。一种是按相控方式，另一种则 是因为交流系统为非无穷大系统、直流系统的平波电抗器非无穷大。 h v d c 按相控制又称分相控制或等触发角控制。其特点是每一换流阀都有各 自独立的触发相位控制电路，直接以加在每个阀上的参考电压为参考，即以它的 瞬时值变正的过零点为相位基准，以决定该阀触发时刻的相位，保持各阀的触发 相位相等。在交流系统三相电压对称时，按相控控制的各阀相继触发脉冲时间的 6 硕上学位论文 相位差在稳定运行时是相等的。实际上，加在换流器上的三相电压难免有一定程 度的不对称，此时各阀的触发角彼此相等，而各阀相继触发脉冲间的相位间隔也 就彼此不等。触发脉冲相位间隔不相等，将在换流器的交流侧和直流侧产生非特 征谐波电流和电压。未被滤除的低次非特征谐波电流流入交流系统，将进一步导 致交流电压发生畸变和过零点相位的相对移动，从而造成触发脉冲间隔更加不相 等，产生更大的非特征谐波，由此形成恶性循环。特别在交流系统谐波阻抗较大 时，有可能产生增幅的谐波振荡，甚至造成h v d c 系统工作的不稳定。此外，触 发脉冲间隔不等，还会使换流变压器产生直流偏磁，产生大量非特征谐波，进一 步使换流母线电压畸变。a i n s w o r t h 首先对该现象进行了研究，在对直流输电换流 器非特征谐波的相互作用特性的研究分析之后，得出谐波不稳定的产生原因是与 按相触发控制方式有关【4 3 1 。在此结论基础上，提出了一种基于锁相倍频电路的等 间隔触发脉冲控制方式作为解决的办法。而目前，等间隔触发脉冲控制方式已经 完全取代了按相触发控制方式。 由交流系统为非无穷大系统、直流系统的平波电抗器非无穷大产生的谐波不 稳定无论从表现形式还是形成机理上都比较复杂。这一形式的谐波不稳定又可以 大致分为两类，一种由换流变压器的铁心饱和引起：另一种由交、直流系统间的 谐振引起。这种分类只是相对而言，实际上h v d c 系统一旦发生谐波不稳定，两 种原因常常同时出现。 铁心饱和不稳定是由交直流系统中过多的低次谐波交互影响造成的，这些谐 波通过变压器的磁通偏移放大，谐波和换流器交互影响又激励了这种放大。当换 流变压器发生铁心饱和时，会向交流系统注入大量的谐波，如果交流系统存在某 些频率分量的谐振点，则会引起换流母线谐波电压的异常增大，同时如果这些谐 波经换流器作用后被进一步放大，则有可能形成正反馈，最终导致h v d c 的闭 锁【4 4 】。 目前，国内研究铁心饱和不稳定的文献较少。国外在对该现象的研究之初， 有研究给出了方程描述【4 5 1 ，其后l a r s e n 采用小信号分析法研究h v d c 谐波的交 互影响，并提出了如今被称为混合谐振的概念【4 6 1 ，而后b u r t o n 等人【4 7 】从计算结 果中得到了与文献【4 6 】中一样的交互系数，而在与经验系数比较过后，找出了引 起铁心饱和型不稳定的交直流电路条件。而且发现，铁心饱和谐波不稳定即使在 等间隔触发脉冲控制方式下也同样可能发生。 此外，还有研究提出了利用换流器两侧谐波关系的矩阵计算饱和稳定因子 ( s a t u r a t i o ns t a b i l i t yf a c t o r ，s s f ) 的方法，以此来判定铁心饱和不稳定【4 引。当饱和 稳定因子s s f 值为正时，表示谐波分量将随时间而递减，因而系统稳定；而其为 负值时，表示谐波分量随时间递增，会导致谐波不稳定的发生。但是，在实际应 用该方法后发现，计算表征换流器两侧谐波关系的矩阵参数是困难的。近期有国 7 滤波换相换流器的典型故障暂态谐波与谐波不稳定问题研究 内研究在该理论基础上提出了采用仿真方法求取换流器两侧谐波关系的矩阵参 数，进而计算饱和稳定因子的改进手段【4 9 1 。基于南方电网2 0 1 0 年数据，采用 p s c a d e m t d c 软件建立了云广+ 8 0 0 k v 特高压直流输电系统详细的电磁暂态仿 真模型，然后通过设置交流母线三相接地故障，激发系统换流变压器铁心饱和不 稳定现象。故障消失后，直流电压和直流电流并没有随着时间而衰减，而是持续 振荡，说明三相接地故障激发了系统的换流变压器铁心饱和不稳定现象。验证了 用饱和稳定因子为负作为判断系统发生换流变压器铁心饱和不稳定现象依据的正 确性。 此后，y a c a m i n i 和0 1 i v e r i a 对换流器引起的谐波不稳定进行了更为深入的研 究p ，他们首次提出了交流侧和直流侧互补谐振的概念。当交流侧的并联谐振频 率与直流侧的串联谐振频率刚好能够满足交直流两侧谐波相互转换的频率关系 时，就会发生互补谐振。当具体从换流站来看时，总的系统阻抗与电源阻抗和滤 波器阻抗相并联，时常可能会出现在低于特征谐波最低次某个频率的并联谐振。 而在弱交流系统中，并联谐振的问题往往更为突出。除此之外，交流系统的阻抗 角，与其对谐振的阻尼成反比关系，即：其阻抗角越大，对谐振的阻尼也越小。 譬如说，没有任何当地负荷的远方发电机直接馈电给h v d c 输电系统时，整流侧 其余交流系统所提供的阻尼非常小。这样的h v d c 输电系统就极有可能出现谐波 不稳定。 基于y a c a m i n i 与o l i v e r i a 的理论，有文章提出了频率扫描法【5 1 】，用于高压直 流输电系统谐波不稳定的检测。该法可简述为：向处于稳态的、正常工作中的高 压直流输电系统中，注入一个包含极宽频率范围的小电流谐波信号激励，然后通 过测量由该谐波激励引起的响应，即在交流母线上的谐波电压，算出送端交直流 频率阻抗特性。然后，通过对该结果的分析，确定系统送端是否满足谐波不稳定 发生的频率条件。该法理论上可应用于任何规模的网络，并包含了控制系统的响 应。 国内有研究实际应用了频率扫描法。有文章以2 0 l0 年为研究水平年，针对 云广士8 0 0k v 直流输电系统投运后送端将面临的谐波不稳定问题，应用具有详细 换流器模型的p s c a d e m t d c 电磁暂态仿真软件进行分析研究【5 2 】。在该系统几 种不同运行方式下，通过频率扫描法得到云广特高压直流系统送端交直流频率阻 抗特性，通过对该结果的分析，确定系统送端是否满足谐波不稳定发生的频率条 件。然后通过：1 ) 在运行方式及系统配置相同的条件下，通过仿真模型的交流母 线设置单相三相接地短路故障来激发换流变压器的饱和，使其向交流系统注入大 量低次谐波；2 ) 直接在系统送端交直流母线上注入较大幅值的低次谐波，观察两 种情况是否如频率扫描法结论激发谐波不稳定，验证了频率扫描法的结果及其正 确性。 8 硕上学位论文 1 2 3 传统抑制谐波不稳定方案 目前，抑制谐波不稳定的传统方案，主要有两种思路，即通过增加硬件电路 设备来抑制低次谐波的发生以及采用改进软件变更控制思路的方式来达到抑制谐 波不稳定的目的。 1 2 3 1 增加硬件电路 通过增设附加的硬件电路能够直接、准确的起到抑制低次谐波发生的作用， 且响应迅速，增设后无需过多的人为干预，运行成本较低。 安装非特征谐波滤波器或附加谐波阻尼电路都能达到抑制低次谐波，有效防 止谐波不稳定发生的目的。 1 ) 非特征谐波滤波器 将调谐至2 次或3 次吸收频率的交流滤波器安装在换流器交流母线上，这种 滤波器的作用是在所有控制方式下吸收2 次( 或3 次) 谐波，从而保证系统稳定运 行，同时也提供了额外的无功补偿。这种方法实际上完全忽略了谐波不稳定的机 理。此外，它还能够抑制直流侧基频附近的谐波电流( 有可能折射为交流侧的2 次 谐波电压) 。 2 ) 附加谐波阻尼电路 这种方法是将一个附加的2 次谐波阻尼电路用于直流控制器中，此控制电路 的原则是阻尼直流中的任何一次谐波振荡。 使用附加电路后，在逆变侧等间距触发的条件下，2 次谐波和换流器交流电 流中的直流成分大大减少，阻尼效果非常明显。 1 2 3 2 控制电路的协调与改进 安装非特征谐波滤波器和附加阻尼电路虽然能够达到抑制低次谐波的目的， 但是需要加装设备，而且这两类设备的价格都十分昂贵，增加了投入。如果能够 在现有设备基础上对控制思路，方法和协调，而不用加装任何设备，就能在经济 性上取得更好的效果。事实上，对原有控制电路的协调和改进入手，也能取得令 人满意的效果，而且价格相对低廉。 以下介绍几种不同的改进策略。 1 ) 低电压限流指令( v d c o l ) 的改进 常用的v d c o l 特性能使交流系统整流、逆变侧从严重故障中快速恢复，而 在负荷不能提供阻尼的弱交流系统中，让控制电路在个合适的速度下使交流系 统得到恢复，效果会更好。 2 ) 优化直流控制 在谐波谐振问题中，可以通过减小控制增益( 针对有可能发生谐振的频率) 来 9 滤波换相换流器的典型故障暂态谐波与谐波不稳定问题研究 优化直流控制，同时使控制器有快速充分的动态响应。 3 ) 定时脉冲触发( t p g ) 对t p g 进行一定的改进也能达到抑制谐波不稳定的目的。具体方法是：当每 相电压过零点时，记录下该周期( 2 个连续零点之间的时间间隔) ，并在下一次过零 时更新周期，使得同步误差缓慢减少。 1 3 课题来源和本文所做的主要研究工作 本课题的主要研究内容是依托湖南大学输变电新技术研究开发平台，结合湖 南省“十五”“十一五 重大科技专项( 0 5 g k l 0 0 2 1 ，0 6 g k l 0 0 3 1 ) “直流输电新 型换流变压器的研制”、国家自然科学基金项目资助( 项目批准号：5 0 9 0 7 0 18 ) “滤 波换相换流器的基础理论研究 ，针对该平台下暂态谐波的测量，及直流输电特 有的谐波不稳定现象进行分析研究。力求为谐波的测量与治理开创一条新的研究 途径。 本课题的主要任务如下： ( 1 ) 湖南大学输变电新技术研究开发平台的p s c a d e m t d c 建模； ( 2 ) 暂态谐波测量的算法研究； ( 3 ) 平台下典型故障暂态谐波的仿真研究； ( 4 ) 平台下谐波不稳定的仿真及结果分析； ( 5 ) 谐波不稳定抑制新方法研究。 本课题的创新主要集中在以下两点： ( 1 ) 提出暂态谐波的检测算法，并在p s c a d e m t d c 软件中搭建相应的检测模块， 为输变电新技术研究开发平台暂态特性的研究提供手段； ( 2 ) 输变电平台换流变压器铁心饱和型谐波不稳定的发生机理，暂态谐波特性， 并提出相应的解决方案。 l o 硕十学位论文 第2 章滤波换相换流器的典型故障暂态谐波仿真研究 电力系统中，变流器产生的谐波电流流入交流系统后，将在系统中产生谐波 电压、电流分布，使电压波形发生畸变并因而造成不良影响和危害。为了限制谐 波电压和电流，通常需要采取措施对谐波进行抑制。通过增加换流装置的脉波数 可以减少特征谐波的组成成分并提高最低次特征谐波的次数，从而使谐波含量减 少。 1 2 脉波的变流装置结构比较简单，只需用两组6 脉波变流器在直流侧进行串 联，它们分别通过y ，y 和y ，d 接线韵变压器很容易地得到在相位上彼此相差兀6 的换相电压。如果采用更高的脉波数，则为了得到相应的换相电压，变压器的结 构和接线将非常复杂，不但增加设备制造的困难，而且增大了投资，与采用滤波 装置进行谐波抑制相比，通常是不经济的。 2 1 滤波换相换流器的原理和接线方案 滤波换相换流器f 5 3 5 5 是一种结合新型换流变压器、阀侧感应滤波装置及换流 器的换流器拓扑电路。其在谐波抑制、降低变压器损耗以及增强系统稳定性方面 都有十分显著的效果。针对传统滤波方式存在的问题，新型换流变压器的阀侧绕 组由现行的y 联结变为延边联结，将滤波装置移到阀侧的公共绕组处，通过 对公共绕组的零阻抗设计，使阀侧的特定次谐波电流流入滤波支路，实现与网侧 绕组的隔离，从而在滤除谐波的同时，又实现了对变流过程中产生的无功功率的 补偿。由于其绕组的自耦作用，避免了阀侧绕组对变压器和电网的冲击。 2 1 1 新型换流变压器的原理及接线方案 新型换流变压器的接线方案，如图2 1 ( a ) 所示。从变压器沿边三角形公共端 点引出6 相，a 1 、b 1 、c 1 、a 2 、b 2