（电力系统及其自动化专业论文）高压直流输电直流侧谐波计算及滤波器设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 ec o n v e r t e r so ft l l eh v d cs y s t e my i e l dh a r m o n i cv o l t a g e sa n dc u r r e n t si n b o md cs i d ea n da cs i d eb e c a u s eo ft h e i rn o n l i n e a f i t y , i nd cs i d e ，t h em a i ni m p a c t o fs u c hh a n n o n i c si st h ed i s t u r b a n c ei n d u c e di nc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t sb yt h e h a r m o n i cc l l l t b ：q l t sf l o w i n gi na nh v d cl i n e , i tw i l le n d a n g e re q u i p m e n t sa n d p e r s o n a ls a f e t yi ns e r i o u sc a s e s i no r d e rt ok e e pt h ed i s t u r b a n c ea t 廿1 ea c c e p t a b l e l e v e l ，t h ed cf i l t e r ss h o u l db ee q u i p p e d m e a n w h i l e ，f o rt h es a k eo fs a r i s f 弭n gt h e s p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t sw h i l em a k i n gt h ec o s tl e a s t ，o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so f d cf i l t e r sa sw e l l 丛t h ec o n f i g u r a t i o na m o n gd ef i l t e r sa n do t h e re l e m e n t ss u c ha st h e s m o o t h i n gr e a c t o r sa n d t h eh v d cl i n ei sn e c e s s a r y t h ep e r f o r m a n c ec r i t e r i o ne q u i v a l e n td i s t u r b i n gi e q ，w h i c hi su s e dt oe v a l u a t e d i s t u r b i n gl e v e lo ft h eh a r m o n i cc u r r e n t si nh v d cl i n e i sr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y t h ee v a l u a t i o na n dl i m i t a t i o nc r i t e r i o no fd i s m r b i n gc u r r e n ti e qi se d u c e da c c o r d i n g t h es p e c i f i c a t i o l qo f c i l i u a 1 1 1 ea l g o r i t h mo f t h et h r e e - p u l s ev o l t a g es o u r c e si sp r e s e n t w i t hp i e c e w i s e1 i n e a ra n a l y s i s ，w h i c hi sm o r ea c c u r a t ea n dm u c he a s i e rt oc o m et r u e b yp r o g r a m b e s i d e s ，t h ea c c r e t i o na n dp r a c t i c a l i t yo ft h ea l g o r i t h mi sp r o v e dt h r o u g h t h ep a r a m e t e r so fy u n g u a n gp r o j e c t t h ef o r m u l aa n do p t i m i z a t i o no fd cf i l t e r s p a r a m e t e r si se d u c e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd ef i l t e r sa n dt h er e q u i r e m e n t so f d r o j e c t t h eh a r m o n i cc u r r e n t so fe a c hn o d ea l o n gt h eh v d cl i n ea n dt h eh a r m o n i c i m p e d a n c ea r ec a l c u l a t e db ys e t t i n gu pag e n e r a lm o d e lo fs y s t e mn e t w o r ka c c o r d i n g t oi t sc h a r a c t e r i s t i c sa n ds o l v i n gt h em o d e l m o r e o v e r , d ef i l t e rp e r f o r m a n c e c a l c u l a t i o no f y u n g n a n gp r o j e c ti sd o n eu s i n gt h ep r o g r a md e s i g n e db ya u t h o r k e y w o r d s ：h v d c ，i e q ，h a r m o m cc u l t e n t ，t h r e ep u l s e ，d cf i l t e r , h a r m o m cr e s i s t a n c e ， p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n ，t r a n s m i s s i o nl i n e s i i 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第l 章绪论 第1 章绪论 1 。1 直流输电在我国的发展前景及直流输电国产化的意义“1 高压直流输电技术是- z - 有别于常规交流输电方式的全新技术，与后者相比 具有许多优点。因此世界上大功率长距离输电、海底电缆送电、交流系统间非同 步联网等都广泛采用直流输电技术。我国作为发展中国家，电力工业处于蓬勃发 展阶段，直流输电在我国的大电网技术和联网技术中前景广阔。1 9 9 6 年以前我国 直流输电工程技术基本上完全依赖国外。三峡工程建设及国务院“西电东送”战 略部署实施后，我国直流输电工程规模不断扩大。为扶植民族产业，国务院有关 部门及国家电网公司提出了直流工程国产化的方针，经过三常天广、三广贵 广、灵宝及三沪等直流工程的实践，国产化水平不断提高。 目前，我国正在启动建设大功率、远距离、特高压直流输电系统，并计划兴 建云广特高压直流工程，结合云广工程的实施，进一步开展高压直流输电系统设 计的研究，能够促进国内掌握+ _ _ 8 0 0 k v 直流输电系统设计的核心技术，具有重要 的意义。+ 8 0 0 k v 特高压直流输电是我国实施西电东送战略的一个重要举措，对 我国能源资源的优化配置具有十分重要的作用。而+ 8 0 0 k v 直流输电系统设计软 件包的完成为我国直流输电的设计自主化打下了一个坚实的基础，对提升我国直 流输电设计、制造产业的竞争力意义重大，其经济效益和社会效益是非常明显的。 开发适合于+ 8 0 0 k v 直流输电系统设计软件包，在世界上尚属首次，这无疑是体 现我国国力、增强我国在直流输电核心技术领域实力的重要工作。同时也为后续 的特高压直流输电工程提供技术支持和技术保障。 1 2 直流输电系统设计软件包功能简介 直流输电系统设计软件包主要用于计算换流站基本参数，为直流输电系统 中设备选取与设计提供计算依据。该软件包的基本功能是通过计算换流站的稳态 数据为换流站提供基础数据，在其基础上进行交流滤波器设计、直流滤波器设计、 交直流p l c 设计、交直流断路器设计，计算出过电压、绝缘配合、损耗以及进行 换流变压器短路电抗、平波电抗器的优化选取，除此还能够完成直流侧的阻抗扫 l 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电同有限公司许可严禁复制、使用或向第三方公开 第1 章绪论 描，可对直流侧设计方案进行综合考察。 这些功能在换流站设计阶段具有十分重要的作用，将直接关系到直流输电 工程投入运行的实际效果，根据工程设计流程，直流输电系统设计软件包体系首 先按照直流输电系统控制方式下对各种运行工况下的负荷水平运行主回路状态 量进行求解，各个子功能块在此平台数据基础上，按照设计数据需要顺序，先后 进行计算，直到完成各部分的设计工作。 直流输电系统设计软件包基本结构图： 图1 1 直流输电系统设计软件包基本结构图 1 3 直流输电设计软件包开发的基本思路和步骤 直流输电设计软件包开发的基本思路是建立统一的数据平台，避免数据冗 余输入，以及充分实现数据共享，使得整个软件包，各部分紧密联系在一起，便 捷输入，形成良好的顺序数据流，输出方式灵活，能够按需要形成工程报表，图 2 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第1 章绪论 表等。除此之外，直流输电成套设计的另外一个重要思想是使用户按照操作流程 能够最终实现整个直流输电系统的基本设计。 直流输电设计软件包主要是建立在稳态数值计算基础上的( 其中主回路参 数优化相对而独立于此部分) ，因此首先进行的是最具有基础性的主回路状态的 计算，直流输电系统的实际可能运行状态很多，直流输电成套设计在这部分的计 算采用的是先按决定运行工况的几个因素：功率方向、运行模式、直流电压水平、 直流线路电阻、整流站交流母线电压、逆变站交流母线电压；在它们组合决定的 具体工况下以最小考核负荷水平1 0 额定功率水平起，以5 额定功率水平递增至 过负荷1 5 0 负荷水平，得到一个具有良好样本的状态空间。 在主回路状态量计算基础上，针对每一个工况可以对每一个负荷水平进行 交流侧无功平衡的计算，这部分的计算将为后面的交流侧滤波器设计提供无功约 束；与至平行的直流侧谐波计算模块，可以针对主回路工况状态量在直流侧进行 谐波分析，得出供直流滤波器设计的基础数据：另外一个平行的换流站损耗计算， 将在利用主回路状态量计算结果来考核换流站部分的损耗。 直流侧谐波计算模块完成后，直流侧滤波器设计可以在前者基础上进行性 能计算，包括等效干扰电流的考核，在性能计算满足后，即可进行直流滤波器额 定值计算，对滤波器元件的应力进行考核，在这部分做完后，可以对直流侧网络 进行阻抗扫描，对直流侧滤波器设计进行整体的一个检验。 在直流侧滤波器设计完成后，可以得到直流滤波器和直流侧网络拓扑结构 参数，在此基础上进行交流侧谐波电流计算。然后根据交流侧谐波电流计算结果 数据以及交流侧无功计算数据形成的约束条件进行交流滤波器设计。交流侧滤波 器设计包括性能计算和稳态额定值计算，它涉及到交流滤波器选型，滤波器参数 计算，交流母线电压畸变率计算，电话谐波波形系数计算，以及滤波器元件稳态 应力计算等。 在上述交流滤波器设计与直流侧滤波器设计完成后，交流侧以及直流侧网络 的拓扑结构与参数已经确定，在此基础上，交流p l c 设计的前提数据已经确定， 可以对p l c 进行设计，考察高频噪音对通讯的综合水平。 3 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第1 章绪论 1 4 本文的主要工作 本文通过深入学习与直流滤波器设计相关的理论知识，开发出一套能够用于 具体实际工程计算的直流侧谐波计算和直流滤波器设计程序。完成了直流输电基 本软件包中的直流侧谐波计算和直流滤波器设计模块。具体工作如下： ( 1 ) 对衡量直流输电线路谐波干扰水平的等效干扰电流标准进行了系统 研究。根据我国的相关标准，导出了等效干扰电流的限制标准。 ( 2 ) 对三脉动电压源模型理论深入理解和研究，用一个更为精确且易于 程序实现的计算方法完成了换流站直流侧特征谐波和非特征谐波的计算 ( 3 ) 建立了直流系统直流谐波电流求解模型，实现了线路中各点谐波电 流的求解。 ( 4 ) 建立了直流侧谐波阻抗求解模型，实现了入端阻抗谐振点扫描 ( 5 ) 根据滤波器原理以及其性能的评价标准，完成了滤波器参数计算以 及其参数的优化选取 ( 6 ) 针对云广_ + 8 0 0 k v 直流输电工程，进行了滤波器性能校验 4 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 2 1 输电线路对通信线路的电磁干扰机理 2 1 1 强电系统对通信系统产生干扰的机理分析 如图2 1 所示强电系统在运行过程中，其系统要产生很强的电磁场，在附近 的通信线路上会产生感应电压和感应电流。如果在电话局( 站) 附近发生强电系统 短路故障，故障点地电位的升高会危及局( 站) 内通信设备和人员的安全，并阻断 通信。根据长线辐射理论，强电线路在运行状态下会辐射出一定能量的电磁场， 通信线路与强电线路距离较近时，通信线路上会产生感应电动势并沿着通信线路 传入电话局( 站) ，干扰通信的正常运行，严重时还会危及通信设备和人身安全。 输电线路 通信明线 图2 一l 输电线路和通信线路相对位置示意图 从物理概念上分，强电系统对通信系统的影响途径主要有三种，分别为电磁感应 即磁耦合影响、静电感应即电耦合影响和地电位升高即电阻耦合影响。下面分别 对这三种途径加以说明。 5 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 ( 1 ) 磁耦合影响：高压输电线上的交流电流或谐波电流( 高压直流输电) ，在导 线周围产生交变磁场，若通信线路接近高压输电线路，输电线路上的交变磁场便 会交链到通信线路上，产生感应电动势，并引入到电话局( 站) 产生干扰信号，这 一现象称为电磁感应影响 ( 2 ) 静电耦合影响：任何高压输电线路，在导线周围都会产生静电场，这个静 电场会使导线积累电荷，大量积累的电荷对地会产生一个电位差。当高压输电线 路与通信线路接近时，由于高压输电线路与通信线路之间存在着分布电容，通信 线路与大地之间也存在着分布电容。所以，它们之间通过分布电容耦合产生静电 感应电压构成干扰信号，通过线路引入到电话局( 站) ，这种影响称为静电耦合影 响。 ( 3 ) 电阻耦合影响：高压交流输电、高压直流输电和电气化铁道供电等高压输 电系统，在正常运行或发生短路故障时，会有工作电流或短路电流流经大地，使 大地上各点产生电位差，也就是电位升高。这个电位升高对邻近的通信线路、地 下电缆或通信局( 站) 的接地装置会产生电位差，经接地系统干扰通信，这就是电 阻耦合影响，也叫地电位升高影响。 2 1 2 直流输电线路对通信线路的电磁干扰 直流输电线路在正常运行情况下会产生大量的谐波电压和谐波电流，其频率 在音频范围内。由谐波电压通过容性耦合和由谐波电流通过感性和阻性耦合会对 电信线路中的音频电话回路产生干扰，降低通话质量，即所谓干扰影响。干扰影 响主要由谐波电流引起，而谐波电压引起的干扰影响一般可以忽略。研究直流系 统对通信系统的干扰时，通常考虑1 0 0 次( 5 0 0 0 h z ) 以内各次谐波所造成的影 响。 在任何一条电力线路中流动的谐波电流会在线路周围产生时变的磁场，从 而在输电线路附近的通信线路中感应出谐波电压和谐波电流。在通信线路中产生 的感应谐波电压是与直流线路中的谐波电流以及它们之间的互感z m 相关的，其 中z m 与谐波频率以及直流线路的数目有关，其关系式为： 6 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 d 。= ( 厶) ( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 中，n 为谐波次数，j 为直流线路导线序号，k 为包括接地极引线在内的直 流线路导线总数，为n 次纵向感应电压，单位为伏特，l 为导线j 中n 次谐 波电流，单位为安培，6 咖为导线j 与通信线路之间的n 次谐波互感，单位为欧 姆。 输电线路在通信线路上通过磁耦合感应的电压称为纵向感应电压 ( l o n g i t u d i n a lv o l t a g e ) ，指的是通信线路与直流线路的接近段上始端到末端的感 应电压。纵向感应电压也称为共模电压( c o m m o nm o d ev o l t a g e ) 。根据中华人民 共和国国家标准g b t1 3 9 9 8 - - 9 2 1 2 的规定，其测量方法如图2 - 2 所示。 f 鲐八 接近段 娃 5 ) 段 强电线路 田2 - 2 磁悬压纵电动势的撼量圈 根据中华人民共和国国家标准g b t6 8 3 0 - - 8 6 1 7 的规定：“强电系统线路正 常运行状态下，通信导线上的危险纵电动势容许值为6 0 v ”。现代通信系统很少 使用单线一地通信回路而较多地采用双线通信回路。在每一个回路中，两导线的 纵向感应电压之差就是直流线路对通信线路造成的干扰电压，称为横向电压 ( t r a n s v e r s ev o l t a g e ) 或金属模式电压( m e t a l l i cm o d e v o l t a g e ) 。 横向电压和纵向电压的比值称为电信回路的敏感系数或平衡系数，记作 “r ”，它是由双线电话回路的不平衡引起的，且是频率的函数，单位为d b 。根 据中华人民共和国国家标准g b t1 3 9 9 8 - - 9 2 2 1 的规定，杂音计电压的测量方法 如图2 。3 所示。根据基尔霍夫电压定律，用图2 - 3 所示方法测得的杂音计电压的 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 两倍为杂音电动势，即为上述通信线路双线路间的横向电压或金属模式电压【3 1 。 u p z 。= 6 0 0 q 图2 3 杂音计电压的测量 g b l 3 9 9 8 9 2 在通信回路中的杂音电压是由许多不同频率的感应电压组成的，而不同频率 的感应电压在电话机上产生的音响程度是不同的，也就是说人的耳朵和电话受话 器对不同频率的声音强度的反应是不一样的。人耳对8 0 0 1 2 0 0 h z 频率范围内 的声音最灵敏。衡量人耳对各种频率声音的敏感程度以及电话接收机对各频率电 流的响应特性的标准曲线，在欧洲通常使用“杂音加权系数”，而北美更多使用 “c 加权系数”，这两种系数之间的差别非常小。有了杂音加权系数或c 加权系 数后，各频率电流就有了对应的频率加权系数。为了简化下面的分析，本文使用 杂音加权系数对各谐波频率进行加权。总的加权感应纵电动势由下式给出： u 。= 其中：m 为考虑的最大谐波次数，k 一为通信线路对n 次谐波的屏蔽系数， ( 2 2 ) k m 为架空地线的屏蔽系数，一般认为它是常数且等于0 7 1 4 ，仉为通信线路的敏感 系数，只为n 次谐波的杂音加权系数，u , q 为加权感应横向电压( 金属模式电压) 即杂音电动势。这里，仉、k 一的值通常由电信公司提供，只是标准的加权 系数。公式( 2 2 ) 中包含的仉、吒、都是频率的函数。公式( 2 2 ) 表明为了计算加权磁感应横向电压，必须确定各直流线路中各次谐波电流的大 小。 8 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 2 2 直流系统谐波干扰水平的评估方法及其计算 2 2 1 等效干扰电流法i e q 国际电话与电报咨询委员会( c c i t t ) 提出了“等效干扰电流”的概念。它指 的是：假想的位于直流输电线路中间的单根导线中流动的某一参考频率下的电 流。由于我国和欧洲交流电的额定频率为5 0 h z ，加上人耳对1 2 次到2 4 次特征 谐波频率之间的声音最敏感，所以在我国参考频率取为8 0 0 h z 。并假定这个电流 在通信回路中所产生的杂音，与原来直流线路各导线谐波电流在此回路中所产生 的杂音效果一样。这样，直流线路的干扰可以只按一个参考频率电流来计算，显 然计算就方便多了。遣用这一模型，可以计算通信线路中的杂音电动势，如 公式2 3 所示。 2 。z 一一。k s m “k 。r s m 但3 ) 其中：，m 为等效干扰电流；z s o o 为假想导线和通信线路之间在参考频率( 8 0 0 h z ) 下的互阻抗；k s o o 为通信线路在参考频率下的屏蔽系数；k 一为架空地线的屏蔽 系数；玎s o o 为在参考频率下通信线路的敏感系数。 等效干扰电流1 w 由下面的公式定义： 1 , q = ( 2 4 ) 其中：l 为n 次谐波电流；h 一为折算到参考频率下时各次谐波电流的加权系数， 考虑了各次谐波频率下直流线路与通信线路之间的互感、屏蔽，通信线路对1 1 次谐波干扰电流的平衡系数；只为n 次谐波的杂音加权系裂1 9 1 。 由公式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可以得到杂音电动势o _ 的计算公式： 吒= 、以h n 只乙。如。x r 。) 2 yn = l ( 2 5 ) 在高压直流输电系统中，通常采用换流器中点接地的双极线路系统，双极线 9 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 路对谐波电压和谐波电流来说，每极的对地电压和每极导线中通过的谐波电流的 相位不一定相同，也就是说，线路对各次谐波电压和电流的运行方式一般是不对 称的，两极导线中的谐波电流之和不等于零。因此，在决定双极线路的参数和等 值电路时，必须注意到计算这种不对称方式的要求。 如图2 - 4 所示，假定原来两极对地的谐波电压分别为u a 和u a ，两极导线中 的谐波电流分别为，a 和，a ，地中的谐波电流为j m 。为了便于研究问题起见，可 以把电压和电流都分解成对称分量。因为对各次谐波电压和电流来说，双极直流 线路相当于两相三线制的接线方式。因而可以把电流和电压分解成正序和零序分 量： 。i d 阢i 一击 同理， 一i b 以f “f - + 1 0 一2 如 砜l 一2 i o 矾l h 图2 4 积极架空线路单位长度的参数和等值电路 d ，：u n - u b z d o = u o + 2 u , 一 u 。= u 1 + u o ，u 6 = 一u 1 + u o j r 。：生生 2 ，。：堡坐 2 j 。= ，+ j 。，j r a = 一- + j 。 1 0 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制，使用或向第三方公开 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 电流的正序分量，- 是在两倍正序电压2 厂，的作用下产生的，由于两极导线 中正序电流大小相等，相位相反，所以它相当于在一极导线中流出，而在另一极 导线中流回，并且不通过大地回路。而电流的零序分量jo 是由两个由导线和大 地构成的回路中的零序电压u o 产生的，它们在两极导线中的大小相等，而且是 同相位的，所以这两个零序电流从两极导线流出，并都经大地流回。由此可见， 研究双极架空线路的电压和电流的关系，可以用两个等值电路来代替：一个用来 分析正序电压和正序电流分量的等值电路，它只含两极的导线，而不包括大地回 路；另一个只用来分析零序电压和零序电流分量的等值电路，他包含两个“导线 和大地”构成的回路，并把两个回路并联起来，组成一个等值电路。对谐波来说， 双极线路上不对称的电磁过程，应该是正序分量和零序分量分别在两个等值电路 中电磁过程的叠加。 直流线路中的正序谐波电流分量与通信线路之间互阻抗不同于零序谐波分 量与通信线路之间的互阻抗。通常，由于零序电流模式与通信线路之间的互阻抗 非常大，即使正序电流比零序电流要大很多，通信线路中的感应杂音电压却主要 由零序电流o 决定。从物理意义上来说，因为直流输电两极线路上正序电流大 小相等，方向相反，在通信线路上感应的纵向电压是相互抵消的，只要直流线路 和通信线路之间的距离足够大，就可以忽略这种影响。而直流输电两线路上的零 序电流的方向是相同的，从而在通信线路上感应的纵向电压相互加强。所以，为 了简化起见，在公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 中谐波干扰电流可以用零序电流来代替，相 应地互阻抗也由零序模式下的的互阻抗代替。如公式( 2 1 0 ) 所示： 2 ，。：壹加z j 。 ，51(2-10、 在计算当中，整流和逆变站注入线路的谐波电流都要考虑。如果整流和逆变站注 入线路的谐波电流之间的夹角未知，则可以取它们平方和的开方值。 如果直流线路和通信线路之间的距离与直流导线之间的距离相比较显得足 够大，那么可以认为直流输电线路中每一条导线与通信线路之间的互阻抗都等于 假想单根导线与通信线路之间的互阻抗，即 1 1 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 z = z m ( 2 1 1 ) 其中：z 一3n 次谐波频率下假想单根导线与通信线路之间的互阻抗。 根据上述两个假设，公式( 2 2 ) 可变为公式( 2 1 2 ) ： 一 u 。= 、( lx z 。x k 。x k ，x r 。只) 2 y 一“ f 2 1 2 ) 它和公式( 2 5 ) 是相等的，这里原来依赖与频率的三个参数z 一吒仉被个 依赖于频率的参数日吖弋替了： ( z 舢k 一巩) = ( z m 8 量咖r 8 0 0 h 一) ( 2 1 3 ) 对于一个特定的直流输电工程，相应的频率校正系数和直流线路与通信 线路之间的互阻抗、屏蔽系数、敏感系数有关。如果没有考虑频率变化对h 一的 影响，而始终认为h 一都等于1 ，就会导致直流滤波器造价非常昂贵。如果改善 通信线路在低次谐波频率上的平衡程度，那么就有可能不再需要低次谐波滤波 器。 因此，为了经济合理地设计直流滤波器，必须在工程设计的早期确定片一的 数值，以便查用。 将，”和u 0 分开计算，可以缩短工程早期设计时间，这可以从以下两方面看 出：( 1 ) 可以更容易地分析强电系统线路对通信线路的杂音干扰，这只依赖于等 效干扰电流的值，而不需要考虑强电系统线路中特定谐波的频谱。( 2 ) 直流滤波 器的设计和规范分析可以更简单些，因为可以直接使用等效干扰电流标准，而不 需要计算附近设各中感应杂音电压。 2 2 2 等效测试线路法 用等效测试线路的方法来计算直流输电线路对通信系统的干扰的思路如下： 在离直流线路l k m 远的地方平行安装一条没有屏蔽的测试线路，当测试线路长 度为l k m 时，计算其两端的感应电动势，作为衡量直流线路中谐波电流对通信 1 2 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 线路电磁干扰程度的标准。这就是所谓的感应杂音电动势i n v ( i n d u c e dn o i s e v o l t a g e ) e s j 。这样就可以用感应杂音电动势来作为直流线路对附近通信线路电磁 干扰程度的衡量标准了。将公式( 2 1 2 ) 到测试线路中的感应杂音电动势( i n v ) 2 2 3 互阻抗的计算方法 中的参数足一和仉用1 代替，就可以得 的值。 在电磁感应的研究中，需要计算通信线路和直流线路之间的互阻抗。要精确 计算这一互阻抗的值是非常困难的，这要涉及环境条件和损耗因素。有很多文献 都对这一问题做了研究。d u b a n t o n 所导出的方程是其中的一种，他认为，通信 线路和直流线路之间的互阻抗与需要考虑的频率范围、通信线路和直流线路之间 的距离、大地的电阻率有关。在运用这一方程时要对受干扰线路作一些简化，但 所得到的结果与精确考虑大地电阻率、屏蔽、平衡等因素时所得结果相比误差不 大，d u b a n t o n 方程的结果在工程应用上是可以接受的【5 1 。 在实际工程中，通信线路大部分都不是与直流输电线路平行接近的，还包括 斜接近段和交叉跨越段，这些接近段可以被分成许多足够小的平行接近段。它们 与直流输电线路的距离是不同的，但是，它们之间可以用与直流线路相垂直的线 段连接起来，显然，垂直线段与直流线路之间是没有互感耦合的。各个部分的互 阻抗相加就得到总的互阻抗。在每一段计算时认为这一段大地的电阻率是不变 的。 ( 1 ) d u b a n t o n 方程 应用d u b a n t o n 方程计算互阻抗时，首先要计算大地返回回路的等效深度， 该等效深度与频率和大地电阻率有关，可用下式表示： p = 一! f 盟 1 p ( 2 1 4 ) 这里：p 为大地返回回路平面的深度，是一个复数；j 2 4 1 ；国为n 次谐波的 角频率；o 为真空中的磁导率；p 为大地的电阻率。 通信线路自阻抗、通信线路和直流线路之间互阻抗的计算公式分别如下所 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 示： z ，= 訾h 【半】 二j rr f 7 15 、 其中r 为通信线路导线的半径；h 为通信线路的高度。 耻铲j 国z o y 嚅( h l + h 2 焉+ 2 p ) 孚+ d 2 其中d 为直流线路和通信线路之间的水平距离；h i 、 2 分别为直流线路、 线路距离地面的高度。 ( 2 1 6 ) 通信 上面两式计算出来的阻抗都是复数阻抗，如果通信线路不是平行于直流线 路，那么在计算总的互阻抗时必须要考虑这些复数阻抗的相角。公式( 2 1 5 ) 、 ( 2 1 6 ) 是基于假设大地的介电常数等于真空中的介电常数。而且公式还假设大 地的电阻率是相同的。考虑到大地电阻率在不同的地层中是不同的，因此须用一 个修正系数来修正，这一课题现在正在讨论当中。 ( 2 ) 各种模式的互感 上面已经提到过，对应于正序和零序谐波电流的互阻抗是不同的。在零序模 式下，直流线路( 如果架空接地极引线也架设在铁塔上或离铁塔很近，则包括架 空接地极引线) 被等效为一根导线，零序模式互阻抗指的就是这根等效导线和通 信线路之间的互阻抗。正序模式下的互阻抗等于两条直流线路与通信线路之间互 阻抗的差值。如果直流线路与通信线路之间的距离相对直流线路两极导线之间的 距离足够大，则正序模式阻抗很小。 随着直流线路与通信线路之间距离减小，零序模式互阻抗与正序模式互阻 抗之间的比值也减小。正序模式互阻抗也就变得越来越重要了。当不满足如下三 个假设条件时，必须考率正序模式互阻抗的影响： 1 ) 正序电流与零序电流之间的比值很大，例如超过5 0 ： 2 ) 通信线路离直流输电线路距离在4 0 0 米以内； 3 ) 在2 0 0 米长度内，斜接近的交叉角度有显著变化。 2 2 4 耦合参数计算 ( 1 ) 屏蔽效应 1 4 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 谐波电流会在其它导线中( 例如：中性线、屏蔽线、接地线、铁路) 产生感 应电动势。如果这些受影响的的线路通过小电阻接地，则在通信线路侧看来，谐 波电流对它的影响被削弱了，从而降低了通信线路中的感应杂音电压。在大多数 的直流输电工程中，这种屏蔽物通常由输电线路的接地线提供。 ( 2 ) 接地极引线 在接地极引线中也存在谐波电流，它与通信线路间有可能存在电磁耦合。如 果架空接地极引线也架设在铁塔上或离铁塔很近则接地极引线中的谐波电流可 被包括在零序电流中，在等效干扰电流法中假设的单根参考导线在这里还是适用 的。为了计算得更加精确些，或需要考虑线路之间的交叉跨越时，就有必要计算 每根导线之间的互阻抗。 ( 3 ) 大地电阻率( 电导率的倒数) 零序电流要从大地中返回，返回电流遍布整个大地。根据集肤效应理论，如 果电流的频率越高、大地电阻率越小、输电线路越短，返回电流就越接近地表。 在实际工程中研究的谐波电流频率从5 0 h z 到2 5 0 0 h z ( 或5 0 0 0 h z ) ，大地电阻 率有可能很大，例如，在古地质条件下约为4 0 0 0 f 2 m ，从而得到假想的大地返 回回路平面的等效深度超过1 0 0 01 1 1 _ 。所以，大地电阻率对互阻抗的影响是显著 的。 大地电阻率数值主要取决于地质结构，需要通过实际测量来决定。在工程建 设早期就应该确定线路接近段附近的大地电阻率。这一数值的精确性将直接影响 到直流滤波器的造价。对大地电阻率最坏的估计( 例如在古岩层地带) 将会导致 直流滤波器造价过高。 ( 4 ) 函数月一 公式( 2 1 3 ) 中参数爿一在不同的频率和接近段是不同的，应用等效干扰电 流法时有必要建立只随频率变化而变化的单频率函数。为了定义平均的爿一值， 必须知道所有接近段的详细参数，而这一项工作是非常耗时的。我们可以对这一 方法作一简化，平均的爿n 值可由下式来定义： 1 5 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电厨有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第2 章直流系统对通信线路干扰分析及评价标准 即喜c 去老鼍， 其中：s 为受影响通信线路的序号；t 为受影响通信线路总数：。一一为n 次谐波频 g t n k n g ：k “为n 次谐波频率下的屏蔽系数；仉一为n 次谐波频率下的通信 线路的敏感系数。 坠且 由于e 一、，7 ”都是频率的函数，则k s m 、仇一就有可能不依赖于特定的受 干扰段，而成为通信线路的典型值，因此只要知道所考虑频率范围内的所有k “、 值，就可以简化计算。 z 一一与频率的比值随着线路间距和大地电导率的不同变化很大。然而， 兰生 z , s o o 的值却与实际的线路关系不大，如图2 - 5 所示 5 。根据i e e e1 5 0 5 0 9 工作 组直流输电系统直流侧谐波性能的分析和定义导则，作这一简化后，导致的杂音 电动势误差为2 3 d b ，与等效干扰电流法所作的其它假设相比较，其计算结果 是可以接受的。 图2 = 5 随频率变化的关系 1 6 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第3 章直流侧谐波电压源计算 第3 章直流侧谐波电压源计算 3 1 直流侧谐波电压源模型的发展旧 在传统的谐波电压源模型中是将6 脉动换流桥等效为6 脉动谐波电压 源，其中理想电压源为6 k 次的( k 为自然数) 谐波电压，串联电抗为换相电抗 的平均值，因此叫6 脉动模型。1 2 脉动的换流桥则由两个相移3 0 。的6 脉动 谐波电压源串联而成。一个1 2 脉动桥的6 脉动模型如下图 图3 - 11 2 脉动桥6 脉动模型 2 0 世纪9 0 年代初，在美国i p p 直流输电工程谐波的实际测量结果中发现， 测量结果和用传统1 2 脉动模型计算的结果有很大差异，主要表现在两方面：一， 发现有大量的接地方式的电流在直流输电工程的接地极导线上流动，而传统模型 计算的结果则很小；二，在测量的谐波电流中发现占主要地位的是3 ( 2 k + 1 ) 次 ( k 为自然数) 谐波电流，而传统方法计算的则主要为 2 k 次( k 为自然数) 谐波电流。1 。这表明传统模型忽略了3 ( 2 k + 1 ) 次( k 为自然数) 谐波电流的影响。 这是因为传统6 脉动模型或1 2 脉动模型仅考虑了换流站产生的特征谐波，没 有计及非特征谐波。非特征谐波的产生是系统各种不理想因素造成的，这些因素 包括换流变压器阻抗的差异、分接头的差异、触发角的差异和交流电压中含有负 序分量等因素。这些发现表明换流站模型必须改进，要重新考虑谐波电压源的产 生和等值的电路结构。于是在此基础上一个新的“三脉动模型”得到了发展，并 考虑了上面的变化。 1 7 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第3 章直流侧谐波电压源计算 3 2 三脉动电压源谐波分析 3 2 1 特征谐波求解 传统1 2 脉动模型忽略了换流变压器以及换流器换流阀组对地的耦合电容， 这些杂散电容的大小是纳法级的，它们构成了对地的通路，从地经过换流阀再到 地。由于这些通路的存在，谐波电流可以流经中性母线和地之间，接地极导线和 接地极之间，或者流入极导线。三脉动模型的改动有两方面：正确表征杂散电容 所引起的对地通路；表现出3 k 次( k 为自然数) 的谐波电压。三脉动模型的结 构图如下”1 1 筠 1 7 1 动 图3 - 21 2 脉动桥的三脉动模型 其中，每个6 脉动换流桥由两个有6 0 。相移的三脉动电压源组成，每个 电压源产生3 k 次( k 为自然数) 的谐波电压，并且串联一个电感，其值为由公 式( 3 1 ) 可以求出，两个3 脉动电压源之间经过一个杂散电容接地，如图3 3 所 示。 1 8 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第3 章直流侧谐波电压源计算 图3 3 六脉动桥的三脉动模型 模型中 l - 扣5 盖+ 2 1 1 一静m c 其中l c 为一个六脉动的换相电感，为换相角。 模型中 巧p ( f ) 2 去。 ( c o s 口+ c o s j ) + 五( a 3 kc o s ( 3 七c o t ) + b 3 k s i n ( 3 k c o t ) ) 其中占= 2 + = c o s a ( 1 + 3 k i ) + 甄c o s j 一( 1 + 3 k ) + c o s a ( 1 - 3 k f ) + 磊c o s j ( 1 - 一3 k ) ：b 3 k = s i n a ( 1 + 3 k 再) + 瓦s i n j ( 1 + 一3 k ) + s i n a ( l - 3 k f ) + 瓦s i n 8 ( 1 一- 3 k ) 6 脉动桥电压波形和相应的三脉动电压对应的波形如图3 - - 4 ： 孳 舢彦补、，厂，厂、 v 知o - y 6 ) 号v 一矗 图3 - 4 六脉动桥分解为三脉动的波形图 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 2 a ) ( 3 2 b ) ( 3 2 c ) 1 9 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第3 章直流侧谐波电压源计算 3 2 2 特征谐波在三脉动模型中的流动 3 2 2 1 双极对称运行 双极对称网络运行时谐波电流如图3 - 5 所示，可以分为四种类型： ( 1 ) 奇次3 n 次谐波3 + 1 2 k ( k = 0 、1 ) ( 2 ) 奇次3 n 次谐波9 + 1 2 k ( k = o 、1 ) ( 3 ) 偶次3 n 次谐波6 + 1 2 k ( k = o 、1 ) ( 4 ) 偶次3 n 次谐波1 2 + 1 2 k ( k = 0 、1 ) l ， o o 伽o o 蕊o 拼 ( 2 ， o 口 娜。 翔o o 拍o o o o t3 ， 矿 0 0 1 o 1 扣o 伽o 锄o “ o o o o o o o o o o o 0 0 锄街o o0 4 图3 - 5 双极对称运行时三脉动源的相位关系 为了简化起见，最上面一个三脉动源相角均设定为0 0 ，从以上各类三脉动源的相 位关系可以得出双极对称运行时的谐波电流流动特性如图3 - 6 所示 2 0 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 f 占一 第3 章直流侧谐波电压源计算 ( 鑫) 嘲 图3 - 6 谐波电流流动( a ) 奇次谐波( b ) 偶次谐波 ( 1 ) 偶次3 n 次谐波 偶次谐波：两极的三脉动电压源由于平衡对称的关系，谐波电压的大小相等， 相位相同，导致从杂散电容中流过的电流互相抵消，只剩下少数谐波电流在极导 线中流动如图3 - 6 ( a ) 。这种方式的谐波电流对通信的影响是轻微的。 ( 2 ) 奇次3 n 次谐波 两极对称的三脉动电压源的电压大小相等、相位相反。由图3 6 ( b ) 可以 看出，它们产生了通过杂散电容流入地里的残余电流，这些残余电流只能通过中 性母线或者极导线构成回流。这种方式的电流对通信的影响很大。 3 2 2 2 双极不对称运行 在双极运行模式中，由于两极直流电压，直流电流，以及触发角等不能完全 对称运行，存在轻微的偏差，使得两极产生的三脉动源幅值和相角不能与以上分 析的对称运行时完全相同： ( 1 ) 偶次的非1 2 脉动谐波，例如6 、1 8 、3 0 等谐波，流经杂散电容的残余电 流不再完全抵消，由这些谐波电压产生的残余电流就加大了对地模型的残余电 流。 2 1 知识产权所有，未经浙江大学和中国南方电网有限公司许可，严禁复制、使用或向第三方公开 第3 章直流侧谐波电压源计算 ( 2 ) 偶次1