（电气工程专业论文）直流输电系统谐波危害及治理新方案研究.pdf

硕士学位论文 摘要 谐波对电力系统产生的不利影响不容忽视，由于h v d c 输电容量巨大，换流站 产生的谐波含量多，它们对系统会产生较大影响。h v d c 系统中谐波及其抑制方法 一直是对h v d c 进行研究的一个重要组成部分。为了实现对发明专利和实用新型专 利：“自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器”的产业化，湖南省以“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 予以支持。在查阅了大量文献资料的基 础上，对谐波在绿色节能直流电站的影响进行了全面、深入的研究，取得了一些 具有理论意义和工程实用价值的成果。 本文的研究工作主要包括如下几个方面： 1 首先，文章对谐波的产生及其危害进行了详细的分析，详细阐述了高压直 流输电系统中谐波的特点及危害，说明了研究谐波的必要性。 2 针对传统换流变压器存在的问题，给出了新型换流变压器接线方案、数学 模型及其结构形式。分析了新型换流变压器绕组电压之间的向量关系。并以新型 直流输电系统研究平台为基础，分析传统与新型换流变压器在滤波效果、变压器 振动速度、换相等方面的优劣。 3 分析谐波对旋转电机热损耗、感应电动势、脉动转矩的影响。并以i o o k v a 新型直流输电背靠背系统为研究对象，重点研究了新型换流直流输电系统谐波影 响下，未接入滤波器和接入滤波器时，发电机的损耗和效率。结果表明新型直流 输电系统在改善发电机输出端电压和电流正弦波形和提高发电机的额定出力方面 具有独特的优越性。 4 对变压器的损耗及其计算进行了详细的分析，在此基础上，提出了一种计 算变压器谐波损耗的方法。该方法借助谐波影响下变压器的等效电路，利用叠加 原理和曲线拟合技术，推导得出了变压器谐波损耗的计算公式。应用该方法计算 变压器谐波损耗更清晰、简洁，而且便于进行编程实现。最后，对变压器谐波损 耗与谐波次数、谐波电流畸变率的关系进行了研究，并得出了变压器谐波损耗与 谐波次数的关系曲线。 关键词：新型换流变压器及其滤波系统；谐波损耗；发电机；变压器；曲线拟合 a b s t r a c t c o n s i d e r a b l eh a r m o n i c sa r eg e n e r a t e db yh v d cc o n v e r t e rs t a t i o n s ，w h i c h u s u a l l yt r a n s f e rag r e a td e a lo fe l e c t r i cp o w e r i t sp r o v e dt h a tt h e s eh a r m o n i c sw i l l d og r e a th a r mt op o w e rg r i d h a r m o n i ca n di t se l i m i n a t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n t i s s u e si nh v d cs y s t e m f o ri m p l e m e n t i n gt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h ep a t e n to f i n v e n t i o na n dt h ep a t e n to fu t i l i t ym o d e l ：s e l f - c o u p l e da n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o n c o n v e r t e rt r a n s f o r m e r ”，a n ds u p p o r t e db yt h ek e ys c i e n c e & t e c h n o l o g yp r o j e c t 0 5 g k l 0 0 2 1o ft h et e n t hf i v ey e a rp l a na n d0 6 g k l 0 0 3 - 1o ft h ee l e v e n t hf i v ey e a r p l a no fh u n a np r o v i n c e b a s e do nm a n yl i t e r a t u r e so fc h i n aa n df o r e i g nc o u n t r i e s ， c o m p r e h e n s i v ea n dt h o r o u g hr e s e a r c hh a sb e e nm a d ef o rh a r m o n i c si ng r e e np o w e r s a v i n gd i r e c t c u r r e n te l e c t r i c i t ys t a t i o n s o m er e s u l t si n t h e o r i e sa n dp r a c t i c a l e n g i n e e r i n ga r eg i v e n t h i st h e o r e t i c a la n a l y t i c a ls y s t e mi n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： 1 f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fh a r m o n i c s a n di t sh a r m ，a n d h a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so fh v d c ，i ta l s od e m o n s t r a t e st h en e c e s s i t yo fs t u d y h a r m o n i c 2 s e c o n d l y ，t ot h eq u e s t i o nb e i n gi nt r a d i t i o n a lc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r , t h e r ea r e s t a t e do fc o n n e c t e ds c h e m eo fw i n e ，m a t h e m a t i c a lm o d e la n dp o s s i b l et y p e so f s t r u c t u r e t h ev e c t o rr e l a t i o nb e t w e e nt r a n s f o r m e rw i n d i n g s v o l t a g ei sa n a l y z e d a n d ， t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eh a v eb ea n a l y z e df o re f f e c to ff i l t e r , s p e e d o f v i b r a t i o nf o rt r a n s f o r m e ra n dc o m m u t a t i o ni nt h eb a s i co fn o v e ld i r e c t c u r r e n t t r a n s m i te l e c t r i c i t y 3 t h ee f f e c to fh a r m o n i c si sa n a l y z e df o rh o tw a s t a g e ，i n d u c t i o ne l e c t r o m o t i v e f o r c ea n dp u l s et o r q u ei nd y n a m o a n di nr e s e a r c ho b j e c to f10 0 k v an o v e ld i r e c t c u r r e n tt r a n s m i te l e c t r i c i t yb a c kt ob a c ks y s t e m ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h el o s sa n d e f f i c i e n c yo fg e n e r a t o re a s e db yh a r m o n i c sw i t hf i l t e ra n dw i t h o u t f i l t e ri nt h en o v e l d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m f i n a l l y ，b yu s i n gd y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n d a n a l y z i n gt h er e s u l t ，i ti n d i c a t e st h a tt h en o v e ls y s t e mh a si t su n i q u ea d v a n t a g eo f r e f o r m i n gt h eq u a l i t yf o rv o l t a g ea n dc u r r e n ti nt h ef a n o u to fg e n e r a t o r ，i m p r o v i n g r a t e de x p o r tf o rg e n e r a t o r 4 f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st r a n s f o r m e r sh a r m o n i c l o s sa n dc a l c u l a t i o ni n d e t a i l o nt h eb a s i s ，ah a r m o n i cl o s sc a l c u l a t i o nm e t h o do ft r a n s f o r m e ri sp r e s e n t e d i i i 直流输电系统谐波危害及治理新方案研究 t h i sm e t h o du s e sh a r m o n i ce q u i v a l e n tc i r c u i to ft r a n s f o r m e ra n ds u p e r p o s i t i o n p r i n c i p l e a n dp o l y n o m i a lc u r v e f i t t i n g t od e d u c et h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao f t r a n s f o r m e r sh a r m o n i cl o s s t h em e t h o di sd i s t i n c ta n dc o u l db ep r o g r a m m e de a s i l y t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i ch a r m o n i e s d i s t o r t i o nr a t e a n dh a r m o n i cl o s so ft r a n s f o r m e ra sw e l l a tl a s t ，t h ec u r v eo fr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ee l e c t r i ch a r m o n i c s d i s t o r t i o nr a t ea n dh a r m o n i cl o s si sg a i n e d k e yw o r d s ：n e w - t y p ec o n v e r t e rt r a n s f o r m e ra n di t sf i l t e rs y s t e m ；h a r m o n i c sl o s s ； g e n e r a t o r ；t r a n s f o r m e r ；p o l y n o m i a lc u r v ef i t t i n g i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 兰砜霞日期：净岁月7e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密匝。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：兰丽霞 刷程一 日期：2 呻年 月2 7 日 日期：沙矽年，月彩日 硕十学位论文 第1 章绪论 我国中长期科学和技术发展纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 提出了重点研究开发大 容量远距离直流输电技术和特高压交直流输电技术与装备的重大战略规划。本文 给出了新型换流变压器及其滤波系统，详细分析了该新型换流变压器的参数随谐 波频率增加变化的规律，以及谐波对旋转电机和换流变压器的影响，为新型换流 变压器及其滤波系统的产业化提供理论依据。 1 1 本文的研究背景 电力工业是国民经济的基础和支柱产业，为了“充足、可靠、优质、经济 地供电，电力工业融会了近百年来几乎所有工程科技进步的成果。现代电力系统 已不仅是巨大的发、送、供的网络，也是拥有从卫星到微波、载波、高频各种现 代通讯手段和庞大计算机群分层分散监测控制的网络，已成为电力设备与计算机、 各种控制器及通讯网有机结合的整体。世界上一些大停电事故又表明现代电力系 统在一定意义上讲还是相当脆弱的动态大系统。因此现代电力系统必然成为各种 新技术竞相被引入和渗透的交汇点n 4 1 。 直流输电技术从2 0 世纪5 0 年代在电力系统中得到应用以来，至今经历了汞弧 阀换流和晶闸管阀换流时期。目前，世界上已有6 0 多项直流输电工程投入运行， 在远距离大容量输电、海底电缆和地下电缆输电以及电力系统联网工程中得到了 较大的发展。特别是在2 0 世纪8 0 年代以后，大功率电力电子技术及微机控制技术 等高科技的发展，进一步促进了直流输电技术的应用与发展。至u 2 0 0 0 年已有5 项轻 型直流输电工程投入运行。随着新型半导体器件在直流输电工程中的应用，还将 会推动直流输电技术进一步的发展。 由于中国能源储存与经济发展极不平衡，高压直流输电非常适用于西电东送 及大区域性电网间的互联。自19 8 7 年舟山直流输电工程投入运行，至u 2 0 0 7 年已有 l o 项直流输电工程相继投入运行，其中包括葛洲坝一南桥、天生桥一广州、三峡 一常州、三峡一广东、三峡一上海、灵宝背靠背、以及贵州一广东第一第二回直 流输电工程等大型直流输电工程，此外还有舟山及嵊泗海底电缆及架空线混合的 小型直流输电工程 7 1 。高压直流输电凭借其独特的优势在我国西电东送中发挥 了重要的作用，为我国西电东送战略做出了巨大贡献，实现了东西部资源优化配 置，缓解了东部电力紧张局面。 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数，由于谐 直流输电系统谐波危害及治理新方案研究 波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称它为高次谐波。谐波源主要有两大 类，一类是含半导体的非线性元件的谐波源，如变流器、调压器等；另一类是含 电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如旋转电机、变压器、电弧炉等。近年来，由 于电容器组大量增加，电力电子变流器广泛使用，使得谐波对电力系统运行、电 力设备、电力用户和通信线路等有害影响已经十分严重阳 1 引。 随着高压直流输电系统的不断投运，换流设备整流器和逆变器则成为电力系 统中最主要的谐波源。连接交、直流系统的枢纽一一换流器是一种非线性电力电 子元件，它在将交流转换为直流( 以及将直流逆变为交流) 的过程中会形成脉动的 电压电流波形，而不是理想的正弦波，会产生大量谐波。一般来说，在换流器的 直流侧产生次数为助的大量特征谐波电压( k 为自然数，p 为换流器的脉波数) ； 在交流侧产生次数为助士l 的特征谐波电流。此外，由于交流系统的电压畸变、 种种不对称因素的影响，还会使系统含有大量非特征谐波，而且其产生过程和变 化规律也十分复杂。当换流器连接不同频率的交流网络时，系统不仅存在通常 h v d c 系统的特征谐波、非特征谐波，还存在着问谐波，即非整数次谐波。 电力谐波对系统产生的不利影响不容忽视，它会增加设备的铜耗、铁耗和介 质损耗进而加剧设备的热应力，降低设备寿命，干扰通信、保护和控制的正常工 作，严重时还会扰乱系统的正常运行、引发系统故障和事故。谐波问题是直流输 电系统中的重要技术问题，国内外均有一系列的相关谐波防治标准。由于h v d c 输电容量巨大，换流站产生的谐波含量多，故h v d c 系统中谐波的影响一直是对 h v d c 进行研究的一个重要组成部分。 1 2 国内外现状与谐波研究的意义 经验表明，各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发电设备容量 的增长率。这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。表1 1 列出 了2 0 0 4 年2 0 0 6 年我国全国的发电装机容量、发电量和用电量的统计数据n 。由 表可以看出，非线性负荷用电量的年增长率高于发电量的增长率。这是电网的谐 波问题，它反应了非线性负荷的谐波污染及其危害。发达国家的经验和预测表明， 随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量将迅猛增加。 例如美国i e e e 学会认为，伴随着当代一项最重要的科技进步，即电力电子技术 的发展，作为非线性用电负荷的敏感电子器件已经大量涌现，其负荷在9 0 年代中 后期的美国要上升到1 9 9 2 年的4 5 倍。英国有学者认为，自6 0 年代以来由于电 力电子技术的发展，若不进行有效的谐波控制，在8 0 年代未，英国的供电电压畸 变率可能高达1 0 n 毛1 引。日本电气协同研究会的电力系统高次谐波对策委员会论 述说：日本当前的重要谐波源依次是电力换流器( 占谐波源总数的6 6 ) 、家用电 器( 占谐波源总数的2 3 ) 以及大型电弧炉。在高技术的电力电子领域中，换流装 2 硕十学位论文 置占核心位置。在日本，这种装置在2 0 0 0 年的普及率和增长率达到1 9 8 7 年的2 5 倍。若按照合同电力的增长，日本到2 0 0 0 年，谐波电流和电力系统容量的比例上 升到1 9 9 0 年的2 倍左右。很明显，随着我国改革开放和经济建设的发展，我国电 网已开始遭遇并将迅速面临发达国家当前的谐波局面，即谐波源随着高新技术的 发展而猛增，电网电压畸变率也将上升。 表1 1 中国发电装机容量和用电量统计 1 2 1 谐波的影响与危害 谐波电流和谐波电压的出现，对于电力系统运行是一种“污染 。由于谐波 的存在使得系统电能质量下降。谐波对电力系统设备的危害可归结为两类：第一 类危害，为在电气设备的基波电压上叠加谐波电压，引起电气应力的增加。第二 类危害，为通过电力线路的谐波电流将通过感应作用在邻近的电话线上产生谐波 电势，对通信系统产生干扰。为此，我国于1 9 9 3 年对电网中的谐波制定了相应的 国家标准。其主要影响及危害可归纳为以下几点： 1 谐波对旋转电机的影响可以概括如下： ( 1 )铜耗和铁耗增加导致发热n 4 1 9 1 。 ( 2 )由谐波产生的磁场与基波磁场相互作用而产生脉动转矩。这些脉动转矩 造成了更大的可闻噪声。 2 谐波对电容器组的影响有以下几种方式： ( 1 )电容器由于谐波电流而过载，因为电容器的电抗随着频率的升高而减 小，这使得电容器成为谐波的吸收点。同时，谐波电压产生大电流会引起电容器 熔丝熔断。 ( 2 )谐波往往会使介质损耗增加，其直接后果是额外的发热及寿命缩短。 ( 3 )电容器和电源电感结合构成并联谐振电路。在谐振情况下，谐波被放大， 最终的电压会大大高于电压额定值并导致电容器损坏或熔丝熔断。 3 对公用电网和导线产生的影响： ( 1 )谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及 用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 ( 2 )谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 3 直流输电系统谐波危害及治理新方案研究 这使得其它危害大大增加，甚至引起严重事故。 4 对断路器和熔断器的影响： 电流波形畸变影响断路器容量，当存在电流畸变时，在过零点时可能造成很 高的d i d t ，此电流为正弦波时开断更为困难，而且由于开断时间延长而延长了故 障电流的切除时间，因而造成了快速重合闸后的再燃。熔断器是由于发热而熔断 的，它们对谐波过流集肤效应引起的发热效应很敏感。 5 对变压器的影响他们： ( 1 ) 负载损耗增加。 ( 2 )磁滞和涡流损耗增加。 ( 3 )变压器电感与功率因数校正电容器之间可能产生谐振。 ( 4 )由于峰值电压增加而导致绝缘应力增加。 ( 5 )噪音显著增加。 6 对电子设备的影响： ( 1 )谐波畸变的结果产生多个过零点问题，这种多个过零点会破坏设备的运 行。最明显的是数字时钟，任何应用过零点原理同步元件都应考虑这种影响。半 导体器件经常在电压过零点时投入，以降低电磁干扰和涌流，多次过零点会改变 器件投入时间，破坏设备运行。 ( 2 )电力电子电源使用波形的峰值以维持滤波电容器的全充电。谐波畸变可 提高或削平波峰的峰值，其结果是即使均方根的输入电压是正常的，电力电源将 运行在高的或低的输入电压下，严重时设备运行可能遭到破坏。 ( 3 )电压陷波也会破坏电子设备的运行，电压陷波不过零但影响过零敏感的 设备。 7 对照明的影响： 电压畸变对白炽灯寿命有一定影响，如运行电压的均方根值由于畸变而高于 额定值时，灯丝温度升高而降低灯泡寿命。 8 对继电器保护和自动控制装置产生干扰而造成误动或拒动。受电压和电 流峰值或零值控制的继电器在有谐波存在时，机电型继电器的时间延时特性会改 变。地电流继电器不能区分零序电流和3 次谐波电流，从而导致误跳闸。 9 对仪表和电能计量的影响： 测量仪表对非正弦信号呈现出不同的响应特性。现代指示均方根值的电压表 和电流表相对不受波形畸变的影响。受谐波影响较大的计量电能的感应型电能表， 其误差与频率特性和非线性造成的误差有关。 1 0 对通讯的影响： 谐波通过感性耦合干扰音频通讯，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致 4 硕十学位论文 信息丢失，使通信系统无法正常工作。 此外，由于过零点的移动，谐波影响电子装置和控制电路的正常工作。谐波 还干扰用户负载，这对计算机系统特别值得关注。 1 2 2 谐波研究的意义 由于谐波的存在对电力系统的安全可靠运行和用电设备的正常稳定工作构成 了严重的威胁，故有关电力谐波影响的研究就具有重大理论价值和现实意义。 谐波影响研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、 传输和利用的效率降低，使电气设备过热，产生振动和噪声，并使绝缘老化，使 用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐 振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装 置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设 备会产生严重干扰。 谐波影响研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子 技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计 算机技术一起成为2 l 世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波 污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员 必须对谐波问题进行更为有效的研究。 谐波影响研究的意义，更可以上升到从治理环境污染，维护绿色环境的角度 来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色 的主要标志之一。在电 力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子的呼声也日益高涨。目前，对地球 环境的保护己成为全人类的共识，对电力系统谐波污染的治理也成为电工科学界 所必须解决的问题。 谐波及其抑制是高压直流输电中的重要技术问题之一。在高压直流输电系统 运行过程中，换流器会产生大量的谐波并消耗大量无功功率，其中谐波包含特征 谐波和非特征谐波，无论在换流变压器的一次t 贝1 1 ( 又称网侧) ，或是二次t 贝l l ( 又称阀 侧) 的电压和电流都不是交流正弦波，在换流器的直流侧也不是平滑的直流波形。 换流变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时会在某些金属部件 或油箱壁中产生局部过热现象，会严重损坏变压器，使其不能正常工作，势必影 响到系统的稳定运行；同时由于谐波的存在，换流变压器的噪音远大于普通电力 变压器。因此，传统换流变压器及其滤波系统自身无法克服由于变压器绕组接线 方式及滤波方案带来的弊端。如果要克服这些缺点，必须要从换流变压器的绕组 结构出发，采用全新的接线方案和滤波方案。 5 直流输电系统谐波危害及治理新方案研究 1 3 本课题来源及主要研究工作 本课题来源于湖南省重大科技专项“直流输电换流站新型变压器 。 采用传统换流变压器的高压直流输电系统中，滤波及无功补偿装置安装于网 侧，由换流器所产生的谐波和消耗的无功功率皆通过换流变压器的原副边绕组， 使得换流变压器的设计制造困难，体积大大增加，噪音很大。正因为如此，我国 的高压直流输电换流站核心技术目前都由国外控制。 化工、冶金行业中的供电站也是典型的整流供电设备，对电网造成严重的谐 波污染。目前，一般都在整流变压器的网侧安装滤波器对谐波进行治理，安装并 联电容器进行无功补偿。因传统采用星形和三角形接线组合形式的多重化整流时， 变压器的设计参数很难做到完全对称，非特征谐波含量重，特征谐波和非特征谐 波通过整流变压器的原副边绕组，运行损耗大。避开谐振点的滤波器设计，滤波 效果差。 另外，传统滤波方法，普遍存在能耗偏高、治理不彻底等固有问题。 湖南大学刘福生教授针对目前换流系统存在的上述问题，提出一种新型换流 变压器一自耦补偿和谐波屏蔽换流变压器( s e l f - c o u p l e dc o m p e n s a t i n ga n d s u p p r e s s i n gh a r m o n i cc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r s ，s c c s h c t ) 及其滤波系统并获得专 利。该专利通过将滤波及无功补偿系统从网侧移到了阀侧、延边三角形移相、换 流变压器公共绕组零阻抗设计、工作于谐振点的滤波器设计，创造性地实现了谐 波电流仅在阀侧及公共绕组中流过、无功功率可在公共绕组得到补偿、降低损耗 和噪音，滤波效果显著改善，新系统运行节能且环保。以该专利技术为核心，建 立了湖南大学输变电新技术研究开发平台，用以对系统的关键部件进行研究攻关， 研制相应的换流器、功补系统、控制与监测保护系统，并可以解决大量谐波治理 问题。 本文所研究的内容依托已经申报成功的：1 湖南省“十五 重大科技专项 ( 0 5 g k l 0 0 2 1 ) ：直流输电新型换流变压器的研制；2 湖南省“十一五 重大科技 专项( 0 6 g k l 0 0 3 1 ) ：绿色节能直流电站的研制的需要，建设湖南大学教育部输变 电工程中心直流输电实验室，与株洲时代集团变流技术国家工程研究中心合作， 开发设计的1 0 0 k v a 直流输电模拟系统换流器。该换流器可用于对所研制的新型 换流变压器及传统换流变压器进行大部分的运行特性实验，以验证新型换流变压 器相对于传统换流变压器的优良特性。 1 4 本文将要完成的主要工作 本论文的总体目标是：以新型换流变压器及其滤波系统为研究对象，建立计 算新型直流输电系统运行参数的数学模型，在此基础上，研究新型直流输电系统 6 硕上学位论文 网侧谐波对发电机的影响以及对s c c s h c t 参数的影响。 全文安排如下： 1 绪论部分主要给出本课题研究的背景及意义：一方面随着我国不断推进 电力工业未来发展的总目标：“西电东送、南北互供、全国联网、电力市场 ；高 压及特高压直流输电技术在我国具有广阔的应用的发展前景，为我国高压及特高 压直流输电技术创新提供了广阔的发展空间和机遇。另一方面，随着人们逐渐认 识到谐波会给电力系统带来严重的谐波“污染问题，重点分析了谐波的影响和 危害及其重大意义，提出了本论文的总体研究目标。 2 分析了换流站交流侧谐波和计算方法，为后来的研究打下基础。 3 谐波的影响和危害很广泛，各类电气设备都不同程度的受到影响和危害。 以高压直流输电为基础，重点分析谐波对旋转电机和换流变压器的影响，推导得 出谐波环境下旋转电机和换流变压器热损耗。 4 对换流变压器的主要功能以及国内换流变压器研制现状进行简要介绍， 总结出换流变压器研制特有的一些问题；给出传统和新型换流变压器的接线方案、 工作原理以及理想条件下电压电流的传递方程；介绍新型直流输电系统研究平台， 并根据此平台的直流输电稳态运行试验数据，对传统和新型直流输电系统在滤波、 减振和换相等方面的应用效果进行对比。 5 阐述电能质量与旋转电机( 发电机) 的交互作用与影响，给出直流输电系统 1 0 0 k v a 新型整流动模实验方案，分析新型直流输电系统下谐波电流对发电机的 热损耗的影响。并通过m a t l a b 仿真研究对比普通变压器与自耦补偿和谐波屏蔽 换流变压器参数随谐波次数变化而发生的变化。通过曲线拟合得出新型换 流变压器参数，在此基础上计算其损耗。最后通过中盐湖南株洲化工集团的 应用为例，得出原系统和新系统损耗对比。 6 最后，对本论文研究工作和研究成果进行总结，并指出今后待研究 的问题。 7 直流输电系统谐波危害及治理新方案研究 第2 章换流站的谐波分析 2 1 谐波的基本理念 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压 可表示为 “( ，) = 4 2 u s i n ( t o t + 口)( 2 1 ) 式中u 为电压有效值；口为初相角；0 3 为角频率，0 3 = 2 万厂= 2 7 t t 。；f 为频 率；丁为周期。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比 例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上 时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也 变为非正弦波。与一般交流电路中产生非正弦周期性电压和电流的原理相同，由 于换流器的非线性特性，在稳态运行情况下，交直流系统中也将产生周期性的非 正弦电压和电流，它们的周期与交流系统的工频周期一致。因此，在交流电路理 论中有关非正弦周期性电压、电流的理论和分析方法，同样适用于交直流系统中 的谐波分析。对于周期为t = 2 t t o 的非正弦电压“( 耐) ，一般满足狄里赫利条件， 可分解为如下形式的傅里叶级数： f ( o t ) = 4 0 ) + ( 4 。) c o sn e a t + b c 。) s i nm o t ) ( 2 2 ) n = l 式中 或 4 。) = 芴1 c 4 f ( c o t ) d ( c o t ) a ( n ) - 1 r 石f ( c o t ) c 刚c o t d ( t o t ) = 扣f ( o t ) s i n 玎c o r d ( c o t ) n = 1 , 2 3 f ( c o t ) = 4 。) + c ( 。) s i n ( m o t + q ，( 。) ) ( 2 3 ) 疗= l 比较式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) ，可以得出系数4 。) 、最。) 、c ( 。) 和相位敛。) 2 _ f o q 的关系为 8 硕士学位论文 c ( 圹厩 ) = a t c t g ( 4 。) 最。) ) 4 。) = c ( 。) s i n a p ( 。) 姣。) = c ( 。) s i n 仍( 。) 刀= 1 ，2 ，3 或用复数形式表示为 最。) + 以。) = c ( 。) e x p f i p ( 。) 】 ( 2 4 ) n = 1 ，2 ，3 由于式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 中的系数和相位之间存在式( 2 4 ) 的关系，故常将式( 2 2 ) 称为傅里叶级数的直角坐标形式，将式( 2 3 ) 称为极坐标形式。 在式( 2 2 ) 或式( 2 3 ) 的傅里叶级数中，频率为i t 的分量称为基波，而谐波是 一个周期电气量中频率大于1 整数倍基波频率的正弦波分量。 f ( a ，t + 0 0 ) ；4 。) + c ( 。) s i n ( n 0 9 t + ( n o o + ) ) ) ( 2 5 ) 上式是在式( 2 3 ) 中令t o t = c o t + o o 得出，比较这两式可知，f ( c o t + 8 0 ) 的直流分 量以及基波和各次谐波的幅值与f ( e o t ) 的对应量分别相等，而f ( 舀o t + 8 0 ) 中基波和 各次谐波的初相位则分别比f ( o g t ) 的对应初相位增加n s o ( n = 1 , 2 ，3 ) 。这一关系虽 然简单，但在谐波分析中却非常有用。例如，当两个周期性函数具有相同的波形 但在时间关系上相差某一常数t o = o o 国( 或者相位关系上相差0 0 ) 时，由一个周期性 函数的直流、基波及各次谐波分量的幅值和相位，可以直接推出另一个周期性函 数的相应量。或者，对于同一个周期性函数，当起始时间( 即相应的参考相位) 改 变时，可以由原来得出的直流、基波和各次谐波分量的幅值和相位直接推出参考 相位改变后的相应量。 对于非正弦周期性电压和电流： r l “( r o t ) = o ) + 2 u 。) s i n ( m o t + e p ( ) ) ”1 ( 2 6 ) if ( 纠) = o ) + 2 。) s i n ( m o t + 呼o ( ) ) l n = l 它们的有效值u 和，仍定义为一个周期内的均方根值，即： u = 怯肌( 训2 似) ，= 怯胁c o t ) 2 d ( 由此可得出： 9 直流输电系统谐波危害及治理新方案研究 u = 厣面2 ，= 厣瓦n = l ( 2 7 ) 式中0 ) 、。) 为电压、电流的直流分量；u 。) 、。) 为基波及各次谐波电压、 电流有效值。 非正弦周期性电压和电流所形成的视在功率和有功功率为 s = u 尸：致。) 。) + o o 。) 厶。) c 。s ( 纹。) 一i 岷。) ) ( 2 8 ) 它表明有功功率由电压和电流中的直流分量、基波和各次谐波分量分别形成 的有功功率之总和，而不同频率的电压和电流分量之间并不形成有功功率。 无功功率定义为 q = q 。) 。) s i n ( 呼o ( 。) 一) ) ( 2 9 ) 由式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 并利用式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可以推出视在功率、有功功率和无 功功率之间的关系 s 2 = p 2 + q 2 + d 2( 2 1 0 ) 这一关系与一般正弦电压和电流所形成的功率之间的关系不同，由于电压和 ( 或) 电流的非正弦性，在功率关系式( 2 1 0 ) 中出现了d 2 项，它的存在是由于电压和 ( 或) 电流的波形发生畸变而造成的，所以d 称为畸变功率。 有功功率p 和视在功率s 之比p s 仍称为功率因数。由于电压、电流中谐波 分量的存在以及畸变功率的出现，往往使功率因数变得更低。只有当u ( c o t ) 与i ( c o t ) 每一时刻瞬时值之比保持不变时，功率因数才等于l 。 在一般三相系统中，当电压、电流呈现非正弦周期性变化时，通常需要按相 将电压、电流展开成傅里叶级数，以便得出每相电压、电流的各个分量，并计算 各相的视在功率、有功功率、无功功率和畸变功率。然而，在对称的三相系统中， 各相电压、电流的同次谐波分量之间的关系将存在如下的一般规律。 以系统中某一处的电流为例，当三相系统完全对称时，三相电流的波形将完 全相同，但彼此之间相差基波周期的三分之一。设a 相电流的傅里叶级数为 i 。( c o t ) = 厶o ) + 。) s i n ( n c o t + q ，( 。) ) ( 2 11 ) b 相电流在时间上将滞后于a 相电流t 3 ，即相当于在相位上滞后 c o t 3 = 2 n 3 。于是，应用式( 2 5 ) ，并令最o ) = - 2 n 3 ，得 1 0 硕士学位论文 毛( 耐) = i o ( c o t - 2 x 3 ) ：”氖) s i i l m 6 0 t + ( b c ( n ) - - n 争 2 _ 2 c 相电流在相位上滞后于a 相电流2 a ，t 3 = 4 t r 3 ，并同理得 i 。( c o t ) = i o ( o j t 4 x 3 ) ：”氖) s i n 印c o t + ( 弘t ( n ) - - n 等) 】 2 。1 3 比较式( 2 1 1 ) - 式( 2 1 3 ) ，可以得出如下规律：三相电流的直流分量彼此相等： 三相电流的基波= 1 ) 及刀= 4 , 7 ，1l 次谐波分量的幅值分别相等，其初相位关系都 是b 相滞后于a 相2 r r 3 ，c 相滞后于a 相4 万3 ，说明三相电流的这些分量呈正序； 刀= 2 , 5 ，8 次谐波分量的幅值分别相等，但初相位关系为b 相滞后于a 相4 万3 ，c 相 滞后于a 相2 n - 3 ，即这些分量呈负序；刀= 3 , 6 ，9 3 倍次谐波分量的幅值和初相位 都分别相等，即它们呈零序。显然，对于三相电压的各个分量也服从上述规律。 这一规律对于交直流系统的特征谐波分析相当重要。 2 2 换流站交流侧特征谐波 特征谐波电流是在交流母线电压为恒定频率的理想正弦波，换流变压器各相 的阻抗和变比完全相等，同一个1 2 脉动换流器的y ，y 和y ，d 换流变压器组的 阻抗和变比完全相等，每周期的1 2 个脉冲严格按电角度3 0 。等距触发，直流回 路的电流为恒定直流电流的理想条件下进行谐波分析得出的各次谐波电流，它是 换流器产生的谐波电流主体部分。整流装置特征谐波的阶次为( 础1 ) ，相应的谐 平波电抗器 图2 1 12 脉动换流器示意图 波电流值分别为小于或等于五( 肚1 ) 。式中：k 为任意正整数；为整流装置的 基波电流。在理想状态下，换流变压器绕组电流波形如图2 2 所示。下面以经典 1 2 脉动( 图2 1 ) 整流电路为研究对象，来阐述特征谐波电流的产生原理。 在m a t l a b 中按上述条件建立相应模型进行仿真，并假设直流侧的平波电抗 器厶为无穷大，在自然换相点换相，得到网侧母线电流l 、y y 型换流变压器交 直流输电系统谐波危害及治理新方案研究 一 飞尹 图2 2 理想状态下换流变压器绕组电流波形图 流侧a 相电流以及y d 型换流变压器交流侧a 相电流乙波形和频谱如图2 3 2 5 所示。由三处电流波形，可见它们波形都不是正弦，存在畸变，波形形状主要由 连接在同一相的换流阀的导通期间电流所决定，同时，通过对比发现1 2 脉动波形 ( l ) 相对于6 脉动波形( l 和乙) 与正弦波波形更加接近，因此在它们波形最大值 相等条件下，1 2 脉动谐波分量相对于6 脉动的要小，这也是目前工程广泛采用1 2 脉动换流器的原因之一。由频普图可发现l 中没有5 次、7 次、1 7 次、1 9 次谐波， 这些次数的谐波分量是由于它们在星形和三角形接法的变压器中产生了相位相反 的电流而相互抵消。导致1 2 脉动交流侧谐波电流中的谐波成分减少，出现的谐波 只有1 2 k 1 次谐波，其中k 为自然数。各次谐波电流的幅值与直流电流直接相关， 同时还受换相角的影响。对于低次谐波，主要是1 1 和1 3 次，谐波幅值基本上随 直流电流增加而增加。 2 3 换流站交流侧非特征谐波 各种各样的不对称，如不等间隔的触发脉冲、母线电压不对称和相间换相电 抗的不对称，将产生额外的谐波，这些谐波次数非1 2 n 1 次，它们称之为“非特 征谐波 。这些谐波同样可由变压器励磁电流产生。 引起交流侧非特征谐波电流的主要影响因素有： 1 直流电流中存在纹波。 2 交流电压中存在谐波。 3 交流基波电压不对称，即存在负序电压。 4 换流变压器阻抗相间差异。 5 y ，y 组换流器和y ，d 组换流器触发角差异。 6 换流变压器变比不同造成y ，y 组换流器和y ，d 组换流器换相电压不同。 7 y ，y 组换流变压器和y ，d 组换流变压器阻抗差异。 8 触发脉冲不完全等距。 1 2 硕上学位论文 0 51 01 5 扣 h a r m o n i co r d 计 a ) l 电流波形频谱图七) l 电流波形 图2 3l 电流波形和频谱图 a ) 电流波形频谱图 图2 4 电流波形和频谱图 。 | | - l i b ) 电流波形 a ) 乙电流波形频谱图b ) 乙电流波形 图2 5 乙电流波形和频谱图 2 4 本章小结 本章论述了h v d c 系统谐波的基本概念及谐波分析方法，并讨论了换流站交 流侧