（电力系统及其自动化专业论文）特高压直流输电交流滤波器优化设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 特高压直流输电系统在运行过程中，会在交流侧产生大量谐波，必须在换流站 装设交流滤波器加以抑制。 本文以世界上首个8 0 0 k y 特高压直流输电工程前期设计参数为基础，通过计 算分析，确定了与交流滤波器设计相关的无功补偿配置方案。改进了交流滤波器的 传统设计方法，首次针对特高压直流输电工程，采用了以寿命周期成本最小为目标， 同时满足电压谐波畸变标准等约束条件的交流滤波器参数优化设计方法。利用该优 化设计方法，建立了由双调谐滤波器、三调谐滤波器以及并联电容器构成的交流滤 波系统的等效电路及优化数学模型，并利用遗传算法和m a t l a b 软件，分别计算产 生了整流站和逆变站交流滤波器的5 种优化方案，并验证了该设计方法的正确性和 实用性。通过进一步的优化对比，从中选出了滤波器最优方案。本文所采用的优化 设计方法为特高压直流输电工程交流滤波器的设计提供了一种新的设计思路。 关键词：特高压直流输电，交流滤波器，谐波，优化设计，遗传算法 a b s t r a c t ag r e a td e a lo fh a r m o n i c sa ta cs i d eo fu l t r ah i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ( u h v d c ) t r a n s m i s s i o nl i n e sd u r i n gt h eo p e r a t i o no fu h v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m m u s tb er e s t r a i n e db yf i l t e r i n ge q u i p m e n t s b a s e do nt h ep r e l i m i n a r yd e s i g np a r a m e t e r so ft h ef i r s tu h v d ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ，t h ee x c h a n g eo fr e a c t i v ep o w e ro fa cf i l t e r sd e s i g ni sd e t e r m i n e dt h r o u g h c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t h e n ，t r a d i t i o n a lf i l t e rd e s i g nm e t h o di si m p r o v e d ，a n da n e wm e t h o dt os e l e c tt h ef i l t e rp a r a m e t e r si sp r o p o s e di no r d e rt or e d u c et h ec o s to f t h ea cf i l t e rt ot h em i n i m u ma n da c c o r dw i t ht h er e s t r i c t i v ec o n d i t i o n so fs t a n d a r d s o fv o l t a g eh a r m o n i cd i s t o r t i o n b yu s i n gt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d ，t h ec i r c u i tm o d e l c o n s i s t i n go fd o u b l e - t u n e df i l t e r ，t h r e e t u n a b l ef i l t e r s ，a sw e l la sc a p a c i t o r si na c f i l t e rs y s t e mi se s t a b l i s h e d a n df i v ek i n d so fa cf i l t e rg r o u p si nr e c t i f i e rs t a t i o na n d i n v e r t e r s t a t i o na r ec o n t r a s t e d r e s p e c t i v e l yb yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m a n d p r o g r a m m i n gi nm a t l a b a n dt h eo p t i m a lp r o g r a mi se l i c i t e d ，v a l i d a t i n gt h e c o r r e c t n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h em e t h o d m e n gw e i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f w e nj u n k e yw o r d s ：u h v d c t r a n s m i s s i o n ，a cf i l t e r , o p t i m i z a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名：日期： 渺舒，弓i7 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关 部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学 位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学 位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 氏协 日期：2 1 墨3 扩兰盈垃 华北电力大学硕十学位论文 1 1 特高压直流输电简介 第一章引言 特高压输电技术是指在5 0 0 k v 以及7 5 0 k v 交流和5 0 0 k v 直流之上采用更 高一级电压等级的输电技术，包括交流特高压输电技术和直流特高压输电技术两部 分。随着国民经济的增长，中国用电需求不断增加，中国的自然条件以及能源和负 荷中心的分布特点使得超远距离、超大容量的电力传输成为必然。为减少输电线路 的损耗和节约宝贵的土地资源，需要一种经济高效的输电方式。特高压直流输电技 术恰好迎合了这一要求。 2 0 2 0 年前后，我国西部水电的大部分电力将通过直流特高压通道向华中和华 东地区输送，其中金沙江一期溪洛渡和向家坝水电站、二期乌东德和白鹤滩水电站 向华东、华中地区送电，锦屏水电站向华东地区送电，宁夏和关中煤电基地向华东 地区送电，呼伦贝尔盟的煤电基地向京津地区送电大约需要9 条输电容量为6 g w 的8 0 0 k v 级特高压直流输电线路【1 1 。特高压直流输电工程的建设进度如下：( 1 ) 2 0 0 8 2 0 11 年溪洛渡、向家坝水电站向华东地区送电的第一回8 0 0 k v 直流输电工 程将进入建设实施阶段，计划于2 0 11 年底投入运行；( 2 ) 2 0 1 3 年将建成溪洛渡、向 家坝水电站向华中地区送电的第二回8 0 0 k v 级直流输电工程；( 3 ) 2 0 1 4 年将建成 锦屏一、二级电站向华东地区送电的8 0 0 k v 级直流输电工程；( 4 ) 2 0 1 5 年将建成 溪洛渡、向家坝水电站向华东地区送电的第三回8 0 0 k v 级直流输电工程【2 】。 8 0 0 k v 特高压直流输电工程的额定容量为2 3 2 0 0 m w ，最小输送容量为： 双极6 4 0 0 m w 、单极3 2 0 0 m w ；上述特高压直流输电工程将全部采用每极两组1 2 脉动换流器串联的直流主接线方式。每个1 2 脉动换流器的额定容量为1 6 0 0 m w ， 将是世界上容量最大的换流器，选择( 4 0 0 + 4 0 0 ) k v 的换流器接线方案。 特高压直流输电( u l t r ah i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ，u h v d c ) 系统在运行过程中 不可避免地要产生大量的谐波，这些谐波必须通过交、直流滤波装置来加以抑制。 因此滤波装置设计的合理与否直接关系到特高压直流输电系统的投资成本与运行 性能的好坏。常规交流滤波器设计比直流滤波器设计更加复杂，因为交流滤波器容 量大，设备多，设计相关标准严格，而且设计过程中要综合考虑交、直流系统的运 行情况。常规交流滤波器的设计主要依靠设计人员的经验，重视滤波性能，而对滤 波器设计的经济性考虑不足。本文对特高压直流输电系统中交流滤波器进行优化设 计的主要目的是为了弥补常规设计方法的不足，希望提供一种兼顾技术性和经济性 的交流滤波器设计方法，并提出更加合理的交流滤波器的配置方案。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 谐波的危害 在特高压直流输电换流站内，换流器作为电力系统中的非线性元件，是换流站 内主要的谐波源，其在运行中会产生各种谐波。这些谐波电流通过换流变压器注入 交流系统。如果不加以控制，谐波可能会影响交、直流系统的正常运行【3 】。谐波的 危害主要体现在以下几个方面： ( 1 )使换流站附近的旋转电机( 包含发电机和电动机) 产生附加功率损耗，导 致发热加剧、产生脉动转矩和噪声。 ( 2 ) 可能引起无功补偿电容器组谐振或谐波放大，从而导致电容器因过负荷 或过电压而损坏。对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。 ( 3 )谐波电流在变压器中造成的损耗产生附加发热，降低其负荷能力。另外， 变压器电感与系统电容之间，可能会在某谐波频率下发生谐振，引起机械绝缘应力 和铁芯振动，产生的附加损耗会降低变压器的带负荷能力。 ( 4 )电流波形的畸变明显地影响断路器开断容量。当存在电流畸变时，在电 流过零点时，可能造成高的d i d t ，比电流为正弦波时开断将更为困难。而且由于 开断时间的增加而延长故障电流的切除时间，可能造成自动重合闸后的重合不成 功。 ( 5 )对继电保护和自动控制装置产生干扰，造成误动或拒动。 ( 6 ) 增加网损。当发生谐振或谐波放大时，网损更加严重。 ( 7 )对通信系统产生干扰，特别是对架空电话线产生噪音干扰，影响通话质 量。 1 3 交流滤波器设计的现状 伴随着我国直流工程的建设，国内高压直流输电工程交流滤波器的设计工作不 断得到发展和改进。普通交流滤波器的设计容量小，型式简单，相关文献较为丰富， 但是针对高压直流输电交流滤波器设计的文献偏少，采用优化方法设计且针对高压 直流输电的资料则更少。对于传统的直流输电工程交流滤波器的设计方法，国内外 各种直流参考书中都有比较系统地介绍。文献 4 在系统介绍了电力系统谐波产生 的原因、谐波对电气设备的影响和危害、谐波的分析方法和国内外谐波的限制措施 和标准后，对常规滤波器的设计方法进行了详细的介绍。文献 5 1 则从工程实际的 角度出发，在考虑了交流系统的频率变化范围、环境温度的变化范围、直流工程对 谐波的要求、以及换流母线电压水平和电话谐波波形系数( t h f f ) 对滤波的要求等 因素以后，对传统的交流滤波器设计方法，从交流滤波器设计相关的性能计算、稳 态额定值计算、暂态额定值计算等方面进行了详细描述，更有利于工程实现。 2 华北电力大学硕+ 学位论文 在滤波器设计的原则方面，文献 6 对交流滤波器设计需要考虑的交流电网的 谐波阻抗进行了详细的描述，并且对谐波阻抗计算常用的理论计算法和测量计算法 进行了具体的比较。 对于谐波的限制措旌和标准，文献 7 不仅搜集整理了国内外的相关数据，并 且针对我国近年来通信技术的发展的情况和通信设备的抗干扰能力，对目前国内工 程中应当采用的合理限制做了系统的研究。 而对交流滤波器设计中最重要的性能计算上，传统的计算方法主要是在考虑各 种影响因素的前提下，进行反复的迭代计算，因此对于每个工程而言，满足条件的 滤波器设计方案并不是唯一的。文献 8 1 3 分别对国内已建成的各个直流输电 工程交流滤波器设计和建设情况进行了详细介绍，并对各直流输电工程投入运行 后，交流滤波器出现的故障现象和原因做了具体分析。 在传统的交流滤波器设计的基础上，国内外不少研究者也从不同的角度进行了 优化理论的创新。文献 1 4 提出了针对单调谐滤波器和高通滤波器的，以整个滤 波器电容器额定安装容量最小为目标的优化设计方法。文献 1 5 在简单介绍了两类 经典的约束问题极小化方法后，利用模糊数学的方法，对电气化铁路治理和无功补 偿所需的交流滤波器设计进行了优化理论研究。文献 1 6 则从机会约束规划中的随 机规划理论出发，针对传统交流滤波器设计的优化方法进行了改进。交流滤波器的 优化设计方法正在不断的探索和改进过程中。 综上所述，现阶段对换流站交流滤波器一般的设计方法是一个不断试验和检验 过程，在设计阶段中已知条件为：各种相关的系统条件；各种相关的环境条件； 无功补偿方案和无功平衡条件：滤波性能要求和损耗费用；换流器的谐波。 高压直流输电交流滤波器设计的步骤为【l 7 】： ( 1 )选定一种滤波器组合方案，初步计算滤波器各元件参数； ( 2 )计算滤波性能。如满足，进入第三步，否则返回第一步，选择另一种滤 波器组合方案； ( 3 )计算滤波器各元件稳态额定值，计算滤波器总损耗，并进行价格比较。 如满意，进入第四步，否则返回第一步； ( 4 )计算滤波器各元件暂态额定值。 由于研究迭代的时间有限，不可能进行很多次的比较，因此设计者的经验就显 得特别重要。而经验主要体现在第一步，即体现在如何确定滤波系统的构成上。 1 4 本文的主要工作 本文以世界上首个+ _ _ 8 0 0 k v 特高压直流输电工程前期设计参数为基础，将数学 优化理论应用到了特高压直流输电交流滤波器的设计中，弥补了传统设计方法的不 华北电力大学硕十学位论文 足，提高了交流滤波器设计的经济性和技术性，并为高压直流输电交流滤波器的设 计提供了一种新的设计思路。 文中所采用的交流滤波器优化设计方法是在传统交流滤波器设计方法的基础 上经改进后得出的，通过建立交流滤波器的数学模型，利用数学优化算法对以经济 性为目标、技术性和可靠性为约束条件的目标函数进行求解，得出了特高压直流输 电交流滤波器的设计方案。本文主要工作及具体步骤如下： ( 1 ) 确定直流系统和交流系统基础数据； ( 2 )根据直流输电工程的基础数据和交流系统的相关条件以及换流阀制造 工艺水平，计算特高压直流输电工程换流站无功平衡所需的数据，最终确定所需装 设的交流滤波器和并联电容器组的总容量和单组最小容量； ( 3 )根据直流输电工程的基础数据，计算特高压直流输电工程换流器产生的 各次谐波电流数值。通过进一步的综合比较分析，确定装设交流滤波器的种类和型 式； ( 4 ) 建立交流滤波器设计的电路模型，明确交流滤波器参数与换流器产生谐 波电流源以及交流系统谐波阻抗间的物理关系； ( 5 )建立以经济性为目标的交流滤波器优化设计数学模型，确定交流滤波器 优化设计的目标函数； ( 6 )根据交流滤波器无功单组容量限值以及其他技术指标，选择合理的约束 条件； ( 7 ) 计算产生交流滤波器优化设计结果，即选定交流滤波器各元件参数； ( 8 )对优化设计结果，计算各元件的稳态额定值。 4 华北电力大学硕十学位论文 第二章特高压直流输电工程概况 金沙江水电是我国规划的“西电东送”最主要的水电电源之一，其一期工程设 计采用三回8 0 0 k v 、6 4 0 0 m w 特高压直流输电向华东和华中送电。向家坝一上海直流 输电工程是金沙江一期工程的重要组成部分，是国内第一个6 4 0 0 m w 级的特高压直 流输电工程，也是目前世界上电压水平最高、输送容量最大的直流输电工程。该工 程起点为向家坝换流站，位于四川省宜宾县的复龙，落点为南汇换流站，位于上海 市南汇区，线路全长约1 2 3 2 k m 。 向家坝一上海直流输电工程额定运行电压8 0 0 k v ，额定电流为4 k h ，双极额定容 量为6 4 0 0 m w 。该项直流输电工程的前期研发目前已经基本就绪，将于2 0 0 7 年一2 0 0 9 年进行工程投标、成套设计和设备制造等工作，并将于2 0 1 0 年完成建设任务，于 2 0 11 年进行工程调试并实现单极投运，2 0 1 2 年双极投运。 向家坝一上海直流输电工程的有关参数介绍如下。 2 1 交流系统参数 2 1 1 环境温度 向家坝换流站和南汇换流站周围空气温度如表2 1 所示【18 1 。 表2 - 1 环境温度 周围空气温度 c向家坝南汇 最大值+ 4 0 3 + 3 8 7 最小值 2 1 2 交流系统电压 向家坝换流站和南汇换流站的接入交流系统电压变化范围如表2 2 所示。 2 1 3 交流系统短路电流 向家坝换流站和南汇换流站接入交流系统的短路电流见表2 - 3 。 2 1 4 频率特性 表2 - 4 所示为向家坝和南汇换流站接入交流系统的频率变化。 5 华北电力大学硕十学位论文 表2 - 2 交流系统电压 电压k v向家坝南汇 额定运行电压5 2 55 1 5 最高稳态电压 5 5 05 2 5 最低稳态电压 5 0 0 4 9 0 最高极端电压 5 5 05 5 0 最低极端电压 4 7 54 7 5 表2 - 3 换流母线短路电流 短路电流k a向家坝南汇 最大短路电流 6 36 3 最小短路电流 1 4 92 9 表2 - 4 频率特性 频率h z 向家坝 南汇 额定频率 5 05 0 稳态频率偏差0 20 2 故障清除后l o m i n 频率偏差 0 50 5 事故情况下频率偏差一1 ， + o 7一l ，+ 0 5 2 2 直流系统参数 2 2 1 换流站直流主接线 通过对换流站直流主接线设计的两种方案：单1 2 脉动换流器方案和每极两组 1 2 脉动换流器串联方案的比较，每极两组1 2 脉动换流器串联方案在设备制造、运 行灵活性、大件设备运输可行性以及对交流系统的影响等技术指标方面占有明显优 势，是切实可行的技术方案，因此我国的特高压直流输电工程采用此直流主接线方 案。换流器为每极两组1 2 脉动换流器串联接线方式的特高压直流输电系统接线图 如图2 一l 所示。图中，1 2 p 表示1 2 脉动换流器，a c f 、d c f 分别表示交流滤波器和 直流滤波器。 2 2 2 换流器电压等级 8 0 0 k v 特高压直流输电工程采用每极两组1 2 脉动换流器串联的结构，其接线 6 华北电力人学硕士学位论文 方案的研究比较主要是依据1 2 脉动换流器电压分配而展开的。备选方案包括 ( 6 0 0 + 2 0 0 ) k v ，( 5 0 0 + 3 0 0 ) k v 和( 4 0 0 + 4 0 0 ) k v 三种，其中( 6 0 0 + 2 0 0 ) k v 方案中 与低压端6 0 0 k v 换流器连接的换流变压器容量大，超出了运输条件限制，故不予考 虑。( 5 0 0 + 3 0 0 ) k v 和( 4 0 0 + 4 0 0 ) k v 两种方案比较，( 4 0 0 + 4 0 0 ) k y 方案不论是设备 制造和运输，还是运行控制的灵活性方面均较优。因此，我国的特高压直流输电工 程每极两个1 2 脉动换流器的额定电压相同，均为4 0 0 k v 。 l d直流输电极线路l d ，、 j a o 即盼 例孙p l j ：粉 接地极线路 ，、 i 广勺。一 l n i c n c n 删脚l dr tt ：p 昏n 枷，2 一 卜良d i y 直流输电极线路 lr 口栅 u 栅口 2 2 3 控制参数 图2 - 1 特高压直流输电系统接线图 表2 5 控制参数 项目数值 额定触发角a 1 5 。 a 的稳念控制范闸2 5 o 最小触发角 5 o 额定熄弧角y l7 o 分接头变化一档对应的整流侧直流电压变化范围 1 2 5 眈觥 分接头变化一档对应的直流电流变化范围 1 2 5 i d n 统 特高压直流输电工程的控制策略与5 0 0 k y 直流输电工程的控制策略相同，即 7 华北电力大学硕士学位论文 整流侧定直流电流控制，逆变侧定直流电压控制。 每极串联的两组1 2 脉动换流器采用独立控制，换流变压器分接头采用非同步 控制。控制参数如表2 5 所示。表中眈r 为整流侧直流电压，k 直流电流。 在降压运行方式下，当换流变压器分接头达到最高档位时，触发角a 将增加。在 最小稳态功率运行方式下，为了满足换流站与交流系统之间无功功率交换限制的要求， 采用无功功率控制( q p c ) 功能，即通过加大整流侧的a 或逆变侧的丫来增加换流器的 无功功率消耗。最大a 和最大y 不能超过3 8 。( 最大可运行角度需根据6 英寸换流阀设 计参数确定，此处暂取3 8 。) 。 华北电力人学硕士学位论文 第三章交流滤波器初步选择 3 1 交流滤波器设计原理 对交流系统而言，换流器相当于一个谐波电流源。换流器产生的谐波电流从换 流变压器网侧注入交流系统，在从换流站换流母线向交流系统看进去的等值谐波阻 抗上产生压降，使换流站换流母线电压发生畸变。畸变程度过大，则影响交、直流 系统的正常运行，甚至会引起交流系统的电压稳定等问题【l 9 1 。 为了限制换流母线电压畸变的幅度，以满足电压质量要求，在换流站内需要设 置对特定频率的谐波电流呈现低阻抗的并联通道，即装设交流滤波器。交流滤波器 不仅可抑制注入交流系统的谐波电流，减小换流母线电压畸变率，同时还可为换流 器提供一部分无功功率【1 9 之们。 交流滤波器设计原理图如图3 - 1 所示。其中，l 为等效的换流器第n 次谐波电 流源，z ，为交流滤波器等效阻抗，z 。c 为交流系统等效阻抗。由图可知，z ，与z 。c 的 并联阻抗越小，滤波效果越好。根据电路分流原理可知，如果z ，的取值合理，大部 分谐波电流会通过z ，通过z r 的谐波电流会很少，即减小了谐波电流向交流系统 的渗透。由于z f 随交流系统运行方式的变化而变化，且在某些频率下可能会与z f 发生并联谐振，因此，完全滤除换流器产生的谐波电流是非常困难的。目前，在交 流滤波器设计中采用的方法是：假设交流滤波器的阻抗与交流系统等效阻抗发生并 联谐振，计算在这种最严重的情况下产生的交流电压谐波畸变值，并检验该畸变值 是否达到可接受的水平。这个交流电压畸变水平就是根据具体情况选择的交流电压 谐波畸变指标，采用这种方法对设计交流滤波器最为方便。 图3 1 交流滤波器设计原理图 3 2 交流滤波器设计技术指标 3 2 1 衡量换流母线电压畸变程度的指标 1 电压畸变指标 9 华北电力大学硕十学位论文 ( 1 ) 刀次谐波电压含有率h r u ( 以百分比表示) 舰u 2 瓷川毗 ( 2 ) 电压总谐波畸变率1 7 t d v ( 也可写成d e f t ) t h d u = 1 0 0 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 2 通信干扰指标 电话谐波波形系数( t h f f ) 在电信线路上各种频率的噪声或各次谐波对人耳听觉的干扰敏感程度不同，一 般人的听觉对8 0 01 2 0 0 h z 或对第1 6 2 4 次谐波的噪声较为敏感。国际电报电话咨 询委员会( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ei n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n ea n dt e l e g r a p h ，c c i t t ) 采用噪 声权系数只计入各次谐波对电信的干扰，用电话波形系数t h f f 衡量谐波在长输电线 引起的干扰。计算公式如下所示： t h f f =1 0 0 ( 3 - 3 ) 谐波谐波谐波谐波谐波 次数 只只 只 只只 次数次数 次数次数 1o 7 11 17 3 32 1l1 0 93 18 4 24 16 9 8 28 9 11 27 9 42 21 0 7 23 28 2 44 2 6 8 9 33 5 51 38 5 12 31 0 3 53 38 0 74 36 7 9 48 9 11 49 0 22 41 0 0 03 47 9 l4 46 7 0 51 7 81 59 5 5 2 59 7 7 3 57 7 54 56 6 1 62 9 51 61 0 0 02 69 5 53 67 6 04 66 5 2 73 7 61 71 0 3 52 7 9 2 9 3 77 4 54 7 6 4 3 84 8 41 81 0 7 22 89 0 53 87 3 24 86 3 4 9 5 8 21 9 11 0 9 2 9 8 7 13 97 2 04 9 6 2 5 1 06 6 l2 01 11 23 08 6 l4 07 0 85 06 17 l o 华北电力大学硕士学位论文 式( 3 3 ) 中砜为各次谐波电压；只为，1 次谐波电压的噪声加权系数，反映了各次 谐波对人耳听觉的干扰敏感程度，见表3 - 1 。 3 2 2 电压谐波标准 我国对电网谐波电压限值的规定如表3 - 2 所示。 表3 - 2我国规定的电网谐波电压限值【2 1 2 6 1 电压总谐波畸变率 电压等级k g 单次谐波畸变率h r 虬 标准名称 ( t h d v ) 奇次 4 o 3 85 偶次 2 奇次 3 2 g b t 6 、1 04 偶次 1 6 1 4 5 4 9 - 9 3 电 奇次 2 4 能质量公用 3 5 、6 63 偶次 1 2 电网谐波 奇次 1 6 ll o2 偶次 o 8 目前，我国规定的电网谐波标准只到1 1 0 k v ，1 1 0 k v 以上的电网谐波标准正在制定 中，实际工程中谐波标准的选取主要参考国外标准并考虑工程实际情况。 3 2 3 交流滤波器设计的谐波检验标准 根据现有谐波标准和相关项目取得的研究成果，并结合当前通信系统发展的实 际水平，确定特高压直流输电交流滤波器设计选取以下谐波标准： 1 总谐波电压畸变率t h d ： 1 5 2 电话谐波波形系数t h f f ：1 0 3 3 交流滤波器型式选择 3 3 1 交流滤波器分类 交流滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器两种。无源滤波器由电容器、电抗 器和电阻适当组合而成，接在换流母线上，滤除谐波电流。其优点是结构简单、运 华北电力大学硕十学位论文 行可靠、维护方便。缺点是频率特性受电网频率变化限制和元件老化等原因造成的 参数变化影响，容易失谐；交流滤波器在某些频率下的阻抗可能会与电网阻抗产生 谐波放大，甚至发生并联谐振，危害直流输电系统及电网的安全。 相对于无源滤波器而言，有源滤波器出现的时间较短，它串接或并接在主回路 中，产生一个与系统谐波电压( 或谐波电流) 幅值相等但反相的电压( 或电流) ， 以抵消相应的谐波电压( 或电流) ，从而使谐波对系统的影响减小。有源滤波器的 优点是：滤波频率范围宽，没有失谐效应，产生串、并联谐振的可能性小，占地面 积少。其缺点是性能价格比较低，还处于研究发展阶段，工程经验少。在本课题研 究中，采用交流无源滤波器【2 7 啦】。 3 3 2 无源滤波器型式分类及其特点 1 无源滤波器型式 目前，直流输电工程换流站采用的交流滤波器主要为无源滤波器，型式主要有 单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器等。其结构如图3 2 所示： ( a ) 单调谐滤波器( b ) 双调谐滤波器( c ) 三调谐滤波器 图3 2 常见交流滤波器基本结构 2 无源滤波器的特点 ( 1 ) 单调谐滤波器 单调谐滤波器的优点是结构简单，对单次谐波的滤除能力强，损耗低，且维护 要求低。 单调谐滤波器的主要缺点是滤除谐波次数单一，在直流输电工程中应用时，经 济性较差，而且低负荷时的适应性差，抗失谐能力低。由于在换流站装设单调谐滤 波器的投资过大，因此在直流输电工程中一般不再考虑装设单调谐滤波器。 ( 2 ) 双调谐滤波器 双调谐滤波器的主要优点是：可以同时滤除两个特征谐波；且通过调整电阻值 1 2 丁一li 华北电力人学硕士学位论文 可在很大频率范围内产生高频阻尼滤波作用。与两个单调谐滤波器相比，只有一个 处于高电位的电容器，所以投资更小，损耗更低。又由于双调谐滤波器的使用使得 总滤波器组数减少，因此便于备用和维护。 双调谐滤波器的主要缺点是：对失谐较为敏感，由于谐振的作用低压元件的暂 态额定值可能较高，元件数较多，且常常需要两组避雷器。 双调谐滤波器优点突出，技术成熟，是目前高压直流输电工程采用最普遍的滤 波器型式。 ( 3 ) 三调谐滤波器 与双调谐滤波器相比，三调谐滤波器的优点更加突出，缺点也更加明显。三调 谐滤波器最突出的优点是小负荷下无功平衡方便，投资大为降低。最大的缺点是现 场调谐困难。目前，三调谐滤波器在直流输电工程中已开始采用。 我国已建成的直流输电工程中，交流滤波器大部分采用的是单调谐滤波器与双 调谐滤波器的组合，只有在贵广直流输电工程中首次使用了三调谐滤波器。 3 3 3 交流滤波器型式选择原则 在选择滤波器型式时，一般要考虑如下因素： ( 1 ) 交流系统的频率变化范围。一般说来，当频率变化范围大时，需要采用阻 尼特性较好的滤波器型式，因为这种滤波器的滤波性能对频率的变化不敏感。 ( 2 ) 环境温度的变化范围以及是否允许采用季节性分接头。环境温度的变化与 频率变化具有相似的影响，在电抗器上装设分接头是解决夏冬气温相差过于悬殊的 经济而有效的措施。但如果因运行便利的要求规定不允许采用分接头，则采用对参 数变化较为不敏感的阻尼型滤波器具有较大的优越性。 ( 3 ) 单次谐波电压、电流要求的限制。如果在性能要求中对单次谐波有较为严 格的要求，则一般需装设调谐型滤波器。 ( 4 ) 对t h f f 等要求的限制。如果在性能要求中对电话谐波波形系数t h f f 等 高频频谱敏感的指标有较为严格的要求，则一般需装设高通型调谐滤波器。 ( 5 ) 直流轻载下无功平衡的限制。当直流轻载下无功平衡要求严格时，为了避 免装设可投切的高压电抗器，需要尽量减少投入滤波器的组数，因此一般采用双调 谐甚至三调谐滤波器。 ( 6 ) 滤波器型式和备品备件共享要求。如果规范要求中明确规定了型式数量和 备品备件的要求，一般要采用双调谐甚至三调谐滤波器。 ( 7 ) 滤波器额定值的要求。滤波器额定值的计算条件决定了同种滤波器数量的 要求。一般而言，同种滤波器数量越多，因额定值要求而增加的费用越少。要增加 同种滤波器数量，必须减少种类，因而需采用双调谐滤波器。 华北电力人学硕士学位论文 ( 8 ) 换流母线电压水平。由于电容器堆的自身设计要求，使得换流母线电压越 高，每堆的额定容量也必须相应提高，总的滤波器台数减少，因而需要采用双调谐 滤波器。 ( 9 ) 三次背景谐波水平和负序电压水平。当电网三次背景谐波水平和负序电压 水平较高时，三次谐波指标将成为一个显著的限制因素，应根据工程实际情况考虑 是否装设滤波装置。 3 3 4 交流滤波器型式的选择 由交流滤波器类型、特点以及交流滤波器型式选择原则，并考虑换流站交流滤 波器设置的特点和经济性，本文选取带阻尼电阻的高通型双调谐滤波器和三调谐滤 波器作为交流滤波器的主要型式，其具体结构如图3 3 所示。 j 2 与 双调谐滤波器三调谐滤波器 图3 - 3 交流滤波器型式 3 4 换流器产生谐波电流的计算 3 4 1 谐波电流选取方法 为了更加准确的选取交流滤波器的搭配型式和设计参数，满足直流输电工程不 同运行工况对交流滤波器性能的要求，需要对交、直流系统不同工况下换流器产生 的谐波电流进行分析。 谐波电流的选取方法包括同时最大谐波组和不同时最大谐波组两种方法。由于 谐波电流的不确定性，为了确保直流输电工程的安全，实际工程中多采用不同时最 大谐波组方法。由于运行方式的无限性，实际工程计算中常计算有限的运行方式， 如针对一种确定的功率传输方向，确定的系统接线方式，以及是否降压运行等，从 1 4 华北电力大学硕士学位论文 最小运行功率到感兴趣的最大功率( 如最大稳态过负荷功率) ，取额定功率的某一 个百分比( 如2 或5 ) 作为增量，逐点计算所有关注的谐波电流( 一般计算1 5 0 次谐波) 。对于最小功率点，计算所得的谐波电流组即为用于设计的谐波电流组。 对于其他功率点，只需比较该功率点下计算出的每次谐波幅值与前一功率点对应频 率的谐波幅值，并取较大的一个，所得的谐波组合就是该功率点下的不同时最大谐 波电流组。 3 4 2 与计算谐波电流有关的u h v d c 系统运行方式 在工程设计时，为了确定或校核交流滤波器设计方案，需要规定一个确定的运行工 况，这些运行方式包括： 1 过负荷运行 高压直流输电系统过负荷是指直流电流高于其额定值，其过负荷能力是指直流 电流高于其额定值的大小和持续时间的长短。 按过负荷时间的长短分类，高压直流输电系统的过负荷分为三种：连续过负荷、 短期过负荷和暂时过负荷。高压直流输电系统的过负荷能力由换流站中电气设备的 允许过载倍数决定，主要与换流阀的过载能力有关，而换流阀的制造水平以及换流 阀冷却系统又决定了换流阀的过载能力。目前，暂时过负荷下换流阀直流电流可达 到额定电流的1 5 倍，甚至更高。一般工程中，连续过负荷电流为额定电流的1 0 5 - 1 2 倍，在此电流值下无运行时间限制；短期过负荷电流为额定电流的1 1 倍，限制 时间为两小时；暂时过负荷电流为额定电流的1 3 倍，持续时间限制在1 0 秒内。 根据目前u h v d c 换流阀的制造水平，保守估计换流阀过负荷电流可达到 4 2 8 5 a ，为额定电流的1 0 7 。最高环境温度带冗余冷却运行时，过负荷电流可为 4 5 1 4 a ，为额定电流的11 3 。为此特高压直流输电过负荷运行选取以下两种情况： ( 1 ) 额定直流电压，1 0 7 额定直流电流 ( 2 ) 额定直流电压，1 1 3 额定直流电流 2 降压运行 直流输电工程具有可以降低直流电压运行的性能。为了提高直流输电线路的可靠性 和可用率，以及满足直流输电系统无功控制的要求，当高压直流输电系统出现绝缘问 题或者需要进行无功控制时，直流输电工程将降压运行。 根据多年的运行经验，目前世界上大多数直流输电工程降压运行方式的额定电 压取为压7 0 8 0 的额定直流电。如5 0 0 k v 的双极直流输电工程，降压方式的额 定直流电压可取3 5 0k v - - - 4 0 0 k v 。降压幅值太小，则起不到降压后提高直流输 电线路可用率的作用；降压幅度太大，则导致直流输电在大触发角下运行，由此将 引起换流阀应力变大、谐波增加等问题，同时也将使无功补偿投资增大，进而使换 华北电力大学硕+ 学位论文 流站的造价升高。 如果在降压方式下能保持额定直流电流不降低，则直流输送功率按电压降低的 比例来降低。在不增加换流站造价的前提下，降压方式应尽量争取较大的直流电流 来保持较大的直流输送功率。当利用备用冷却设备时，直流电压降低到其额定值的 7 5 ，直流输电工程通常可以在其额定电流下连续运行。此时的谐波干扰水平会有 所增加，但一般是可以接受的。通常直流电压降低到8 0 ，可以不降低额定直流电 流，而降低到7 0 时，则大部分工程需要降低额定直流电流。对于具体的直流输电 工程，在降压方式的额定直流电压确定后，根据工程的具体情况( 如设备设计冗余 度、降压运行预计时间、对输送功率的要求以及在降压运行时对直流输电稳态运行 性能的要求等) ，对降压方式的额定直流电流进行优化选择，然后作出规定。 根据国内已建成的典型长距离直流输电工程降压运行的不完全统计和详细分 析，特高压直流输电工程确定为以下两种降压运行方式： ( 1 ) 8 0 额定直流电压，1 0 0 额定直流电流 ( 2 ) 7 0 额定直流电压，不低于7 0 额定直流电流 根据以上对直流输电工程过负荷运行和降压运行的分析，本文采用下列几种典 型工况计算换流器产生的谐波电流： ( 1 ) 工况1 ，双极额定运行工况：8 0 0 k v ，4 k a ，6 4 0 0 m w 。 ( 2 ) 工况2 ，双极8 0 额定直流电压，1 0 0 额定直流电流：6 4 0 k v ，4 k a ， 5 1 2 0 m w 。 ( 3 ) 工况3 ，双极7 0 额定直流电压，7 0 额定直流电流：5 6 0 k v ，2 8 0 0 a ， 3 1 3 6 m w 。 ( 4 ) 工况4 ，双极额定直流电压，1 0 7 额定直流电流：8 0 0 k v ，4 2 8 5 a ，6 8 4 8 m w 。 ( 5 ) 工况5 ，双极额定直流电压，1 1 3 额定直流电流：8 0 0 k v ，4 5 1 4 a ，7 2 3 2 m w 。 3 4 3 谐波电流计算结果 针对上述5 种工况，可计算出谐波电流如表3 - 4 所示。 从表3 4 可以看出，特高压直流输电换流器产生的谐波电流中，特征谐波远大 于非特征谐波，尤其是1 l 、1 3 、2 3 、2 5 次特征谐波，其幅值高出非特征谐波几倍甚 至几十倍。3 、5 、7 、9 次低次谐波电流的数值偏大，需要进一步计算后才能确定是 否有必要安装针对这些低次谐波的滤波器。 3 4 4 低次谐波滤波器配置必要性分析 在谐波次数小于1 1 的低次谐波频率范围内，交流系统一般呈感性，而交流滤波 器呈容性。若不装设低次谐波滤波器，可能会导致交流系统和交流滤波器产生低频 1 6 华北电力大学硕十学位论文 分量谐波放大，甚至出现谐振。所以有必要深入分析，详细计算，以确定是否需要 表3 4 谐波电流计算结果( 双极)单位：a 谐波工况谐波工况 次数l2345次数l2345 l4 4 3 63 6 9 22 1 7 54 8 0 75 1 0 92 6o i lo 0 8o 0 5o 1 2o 1 2 2o 8 20 6 40 4 00 8 70 9 l2 72 6 22 0 51 2 8 2 8 3 2 9 8 3 1 8 6 81 6 4 29 1 62 0 。6 02 2 1 82 8o 1 lo 0 6o 0 6o 1 2o 1 2 4o 7 io 5 30 3 50 7 4o 7 72 91 7 7i 4 9o 8 7i 9 42 0 8 5l o 1 58 9 74 9 81 1 2 l1 2 0 83 0o 1 3o 0 6o 0 6o 1 l0 0 9 60 6 90 4 60 3 40 7 00 7 03 l1 7 21 3 7o 8 41 8 71 9 6 78 5 07 1 74 1 79 2 8 9 9 0 3 2o 0 7o 0 6o 0 3o 0 60 0 7 80 3 3o 1 7o 1 60 3 lo 3 03 32 0 51 7 21 o l2 2 i2 3 5 98 0 4 5 9 l 3 9 48 4 i 8 6 83 4 o 0 6o 0 6 o 0 30 0 7 0 0 8 1 0o 1 30 0 7o 0 6o 1 00 0 73 51 2 0 7l o 3 05 9 21 3 3 91 4 4 8 l l6 8 2 96 6 7 83 3 4 77 7 7 28 6 0 l3 6o 0 80 0 70 0 4o 1 0o 1 0 1 2 o 1 30 1 4o 0 6o 1 5o 1 73 7l i 7 98 5 25 7 81 2 5 31 3 5 0 1 37 2 1 66 2 0 43 5 3 77 9 8 38 5 3 93 8o 0 80 0 40 0 40 0 80 0 9 1 40 1 70 1 5o 0 8o 1 90 2 l3 91 8 l1 3 80 8 91 9 01 9 6 1 54 5 33 8 72 2 24 9 65 3 04 0o 0 80 0 40 0 4o 0 80 0 7 1 60 1 9o 1 40 0 9o 2 00 2 l4 1i 2 41 0 1o 6 l1 3 61 4 4 1 73 0 7 2 6 3 1 5 l 3 3 53 5 74 2o 0 9o 0 60 0 40 0 6 0 0 7 1 8o 2 2o 1 0o 1 lo 2 lo 2 04 31 2 20 9 7o 6 01 3 l1 3 7 1 92 8 62 3 61 4 0 3 1 33 3 2 4 4 0 0 5o 0 5o 0 20 0 5 o 0 6 2 00 1 20 0 6o 0 6o 。l o0 0 74 51 5 41 2 3o 7 5i 6 9i 7 9 2 l3 2 42 5 01 5 93 3 83 4 74 6 o 0 5o 0 5 0 0 2o 0 60 0 6 2 20 0 7o 0 80 0 3o 0 80 0 94 77 2 95 4 23 5 77 9 98 2 6 2 32 5 0 3 2 1 6 21 2 2 72 7 8 22 9 0 94 80 0 70 0 4o 0 30 0 7 o 0 8 2