（电力系统及其自动化专业论文）高压直流输电系统直流滤波装置的优化设计.pdf

华北电力大学硕士学位论义 摘要 本文基于高压直流输电系统直流侧滤波装置传统的设计方法， 提出了以投资费 用和年运行费用为日标、等效干扰电流满足标准要求为约束条件的多目标规划设计 方法，对高压直流输电系统直流滤波装置 ( 包括平波电抗器、直流滤波器、中性点 冲击电容器)进行综合优化设计。首先通过比较选定直流滤波器与 平波电抗器的配 合接线方式及滤波器的基本型式，在此基础上建立优化设计用的等效电路以求得目 标及约束函数中用到的各谐波电流、 电 压。 通过m a t l a b中的f m i n c o n 求解此优化 设计问题，得到对于高压直流输电系统经济上最优且能满足等效干扰电流标准要求 的滤波装置配置方案。 运用以上方法， 针对三常直流输电工程进行滤波装置的优化设计。 通过优化得 出了经济、可靠的设计方案。运用谐波分析程序 ( h a p )对此方案进行校验，等效 干扰电流达到了标准要求。 关键词:滤波装置，高压直流输电，等效干扰电流，多目标规划，优化设计 ab s t ract o n t h e b a s i s o f t h e c o n v e n t i o n a l d e s i g n m e a n s o f d c s i d e f i l t e r i n g e q u i p m e n t s i n h v d c t r a n s m i s s i o n s y s t e m , m u l t i - o b j e c t p r o g r a m m i n g o p t i m i z i n g me t h o d w it h t w o o b j e c t s : i n v e s t m e n t a n d o p e r a t i o n f a r e a n d t h e c o n s t r a i n c o n d i t i o n o f e q u i v a l e n t i n t e r f e r i n g c u r r e n t l i m i t i s p r e s e n t e d t o g e t a g e n e r a l l y o p t i m u m s c h e m e f o r d c s i d e f i l t e r i n g e q u i p m e n t s i n c l u d i n g s m o o t h i n g r e a c t o r , f i l t e r s a n d c a p a c i t o r a t n e u t r a l b u s i n t h i s p a p e r . f i r s t , s e l e c t t h e c o n n e c t i n g m o d e o f s m o o t h i n g r e a c t o r a n d f i l t e r s , a l s o t h e t y p e o f t h e f i l t e r s , t h e n b u i l d t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t o f t h e h v d c t r a n s m i s s i o n s y s t e m w h i c h i s u s e d t o g e t t h e h a r m o n i c c u r r e n t a n d v o l t a g e o f e a c h o r d e r n e e d e d i n t h e c a l c u l a t i o n o f t h e o b j e c t a n d c o n s t r a i n f u n c t i o n s . t h i s o p t i m i z a t i o n p r o b l e m i s s o l v e d b y f m i n c o n f u n c t i o n o f ma t l a b , t h e n t h e b e s t c o n n e c t i n g m o d e a n d p a r a m e t e r s o f d c s i d e f i l t e r i n g e q u i p m e n t s f o r t h e s y s t e m i n e c o n o m i c a n d r e l i a b l e v i e w c a n b e a c h i e v e d . wi t h t h e m e a n s , t h e o p t im i z i n g d e s i g n f o r t h e p r o j e c t o f s a n - c h a n g h v d c t r a n s m i s s i o n s y s t e m i s f u l f i l l e d . t h e c o m p a r a t i v e l y e c o n o m i c a l a n d r e l i a b l e d e s i g n i s a c h i e v e d t h r o u g h o p t i m i z a t i o n . t h i s d e s i g n i s v e r i f i e d b y h a p p r o g r a m , t h e e q u i v a l e n t i n t e r f e r i n g c u r r e n t c a l c u l a t e d b y h a p i s u n d e r t h e l i mi t e d l e v e l . g u o j i n y a n ( p o w e r s y s t e m a n d a u t o m a t i o n ) d i r e c t e d 勿p r o f . w e n j u n k e y wo r d s : f i l t e r i n g e q u i p m e n t s , h v d c , e q u iv a l e n t i n t e r f e r i n g c u r r e n t , m u l t i - o b j e c t p r o g r a m m in g , o p t i m i z i n g d e s i g n y7 1 3 1 3 7 亡匕.口口 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，独立进厅 j 飞 研究工作所取 得的成果。 尽我所知， 除文中己 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 己在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名:日期: 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:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学硕七学位论文 第一章绪论 ， . ，引言 高压直流输电具有高电压、 大容量、远距离输电的优势，由于我国能源储存与 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性电网间的互联。目 前，我国已经建成了多条直流输电线路，包括早期建成的舟山试验工程和葛 卜 直流 输电工程，以及近年新建的天广、三常、三广和贵广直流输电工程等。我国正在建 设和规划建设中的还有灵宝背靠背、三峡一上海、云南水电送广东、四川水电送华 中、华东以及西南水电送江西、福建，广东一海南联网等直流输电1程。我国的直 流输电技术必将在此过程中有长足的发展。 高压直流输电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高压直流输电 系统的投资成本与运行性能的好坏。本文对高压直流输电系统中直流滤波装置进行 优化设计，其目的是希望得出在经济上和技术上都比较优良的直流滤波装置的配置 方案，并为高压直流输电工程中直流滤波装置的规划设计提供可借鉴的方法。 1 . 1 . 1直流滤波装置的重要性 交、 直流滤波装置位于高压直流输电系统的心脏一一换流站内， 是换流站的主 要组成部分， 其投资约占高压直流输电工程总体投资的 1 0 y . -1 5 y . .图 1 -1 为 高压直流输电系统示意图。从图中可以 看出，交流滤波装置连接于交流母线上，其 作用是保证换流器正常工作所依赖的交流系统电压波形、抑制换流器产生的谐波进 入交流系统，并为换流站提供无功功率:直流滤波装置通常包含平波电抗器、直流 滤波器组，在有的工程中还包含中性点冲击电容器 ( 接于中性母线和地之间的的电 图1 - 1高压直流输电系统示意图 华北电力大学硕七学位论文 第一章绪论 ， . ，引言 高压直流输电具有高电压、 大容量、远距离输电的优势，由于我国能源储存与 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性电网间的互联。目 前，我国已经建成了多条直流输电线路，包括早期建成的舟山试验工程和葛 卜 直流 输电工程，以及近年新建的天广、三常、三广和贵广直流输电工程等。我国正在建 设和规划建设中的还有灵宝背靠背、三峡一上海、云南水电送广东、四川水电送华 中、华东以及西南水电送江西、福建，广东一海南联网等直流输电1程。我国的直 流输电技术必将在此过程中有长足的发展。 高压直流输电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高压直流输电 系统的投资成本与运行性能的好坏。本文对高压直流输电系统中直流滤波装置进行 优化设计，其目的是希望得出在经济上和技术上都比较优良的直流滤波装置的配置 方案，并为高压直流输电工程中直流滤波装置的规划设计提供可借鉴的方法。 1 . 1 . 1直流滤波装置的重要性 交、 直流滤波装置位于高压直流输电系统的心脏一一换流站内， 是换流站的主 要组成部分， 其投资约占高压直流输电工程总体投资的 1 0 y . -1 5 y . .图 1 -1 为 高压直流输电系统示意图。从图中可以 看出，交流滤波装置连接于交流母线上，其 作用是保证换流器正常工作所依赖的交流系统电压波形、抑制换流器产生的谐波进 入交流系统，并为换流站提供无功功率:直流滤波装置通常包含平波电抗器、直流 滤波器组，在有的工程中还包含中性点冲击电容器 ( 接于中性母线和地之间的的电 图1 - 1高压直流输电系统示意图 华北电力大学硕士学位论文 容器) ，自流滤波装置的主要作用是滤除流入直流系统的交流谐波分量，保证直流 线路不对附近通信线路的正常工作造成严重影响。交、直流滤波装,9 对于高压直流 输电系统正常运行都是不可缺少的。目前环保问题已经在全球范围内受到霞视，随 石电力市场的不断发展，电力系统生产绿色、高质量的电能显得越来越重要。具体 到高压直流输电工程来说就必须扬长避短，防止其自身不可避免的缺陷 ( 如谐波污 染)给整个电力系统带来不利的影响。因此交直流滤波装置是高压直流输电系统非 常重要的组成部分。 高压直流输电系统的换流器具有非线性特性， 运行过程中必将向交流系统和直 流系统注入谐波电 流和谐波电 压。 一个脉动数为n 的换流器在直流侧产生n 二 扣 ( k 为自 然数)次的特征谐波，在交流侧产生n = 勿士 1 ( k 为自 然数)次的特征谐波， 另外还在交、直流侧产生一系列的非特征谐波。 当进入交流系统和直流线路的谐波分量过大时， 将产生一系列不良影响。 谐波 电流在交流系统中的传播将使得交流系统电压发生畸变，造成接入其中的发电机和 电容器由 于谐波的附加损耗而过热;可能引起电网发生局部谐振并产生过电压;使 得保护误动作;对通信设备产生干扰，使邻近电话线路产生噪声;使高压直流输电 系统本身的换流器的控制不稳定。对于直流侧来说，由于直流线路都通过换流器很 好地与交流系统形成了隔离，并且不像交流系统有负荷接入，因此需要考虑的最重 要的谐波影响就是长架空直流输电线路对周边通信设备的干扰。通常音频通道的工 作 频率范围约为2 0 0 - 3 5 0 0 赫兹 12 1 ， 而换 流器在 直流线路上 产生的 最严重的 谐波就 在此频率范围内，这些谐波电压和谐波电流将对高压直流输电线路邻近的电话线路 通过静电感应和电磁感应产生电话噪声干扰。 增加换流器脉动数虽然可以减少谐波输出， 但使高压直流输电系统的投资费用 增加过大，从工程角度来说不经济。普遍认为采用 1 2脉动换流器配以滤波器装置 是比较经济可行的抑制谐波方案。换流器交流侧一般采用交流滤波器来限制谐波， 同时也提供换流器所需的无功功率。换流器直流侧一般用平波电抗器和直流滤波器 来限制谐波电压和谐波电流。平波电抗器主要不是根据限制谐波电流来设计的，但 是须与直流滤波器的参数统筹考虑。最新的研究还发现，中性点冲击电容器或滤波 支路能够为通过换流变压器杂散电容入地的谐波电流提供就近的返回中性点的低 阻抗通道3 1 ，从而较明 显地降低整个直流系统的谐波水平。目 前较为常用的是装设 中性点冲击电容器来参与滤波。对于采用直流电缆线路的高压直流输电系统，由于 电缆良好的屏蔽效果可以有效削弱谐波的不良影响，所以直流侧可以仅装设平波电 抗器，而不必装设直流滤波器。对于采用直流架空线路的高压直流输电系统，则必 须装设直流滤波器。 华北电力大学硕士学位论文 2直流滤波装置设计的研究现状 直流滤波器是直流滤波装置最主要的组成部分。 以往的高压直流输电 _ 程无论 交流侧还是直流侧都采用无源滤波器。无源滤波器由电容、电感和电阻等无源元件 组成，对于某些频率，电容和电感元件发生谐振，使无源滤波器呈现低阻抗，从而 达到滤波目的。 无源滤波器有单调谐、双调谐、高通及三调谐等多种类型。 近年来， 由于高电压、大功率的电力电子元件的出现，已有高压直流输电_ !几 程开始采用有源 滤波器。 就无源滤波器而言， 直流滤波器与交流滤波器的设计方法相似。 直流侧滤波器 接在换流器的直流侧，由于正常运行时直流输电线路上的基波电压很小，因此直流 滤波器不会像交流滤波器一样产生大量的无功从而参与无功补偿，而且由于直流侧 不需要无功补偿，所以在设计时不必考虑无功容量的分配问题，只要使得直流输电 线路上的谐波对周围通信线路的干扰达到标准要求即可。 直流滤波器设计的原则， 是保证在高压直流输电系统的各种运行方式下， 都能 把直流输电线路上的谐波减小到可以接受的水平。这些运行方式包括高压直流输电 系统双极或单极大地回路 ( 金属回线)运行方式，以及各种不同运行参数 ( 如降压 运行等) 条件下的运行方式。 就直流输电线路的谐波污染水平来说， 7 0 年代末以来， 高压直流输电工程普遍采用“ 等效干扰电流” 值作为衡量直流侧谐波水平的标准i4 i 设计的滤波装置是否满足要求，最终需要通过性能校核来确定，而此校核即以等效 干扰电流的计算值为基础。由于直流侧谐波对通信线路的千扰与高压直流输电工程 的参数以及其与通信线路之间的距离有关，因此直流侧滤波装置的设计与性能分析 只能针对各个具体的高压直流输电工程进行。 工程上常用的直流滤波器的设计方法是，首先建立高压直流输电系统的模型， 包括一次设备和控制系统，并确定其可能的运行方式。然后通过计算各种运行方式 下流入直流线路的谐波电流及等效干扰电流，得到直流线路上谐波对周围干扰最严 重的运行方式。在这种运行方式下，为线路设计一调谐于直流侧幅值较大的特征谐 波频率 ( 如对于1 2 脉动换流器，可选1 2 倍基波频率)的单调谐滤波器，通过计算 并逐步调整滤波器参数，使得流入直流线路的谐波等效干扰电流达到标准要求。为 保证滤波器运行的可靠性，一般需要装设多组滤波器，以便能在一组滤波器因故障 或检修退出运行时仍能保证直流线路保持在一定的干扰水平以下。因此可以继续选 择在其它的几个低次特征谐波 如 2 4 , 3 6 , 4 8等)频率下进行滤波器设计。重复 上述步骤，可得到几组调谐于不同特征谐波频率并能满足谐波限制要求的单调谐滤 波器 ( 更高次的特征谐波数值很小，设计时可暂不予考虑) 。这样得到的几组单调 谐滤波器经过转换公式可以得到一组或多组双调谐滤波器。采用双调谐滤波器可以 使得设计更加合理 ( 经济上节省费用、滤波容量分配更均匀) 。现在许多的高压直 华北电力大学硕士学位论文 流输电工程通常在直流侧采用两组双调谐滤波器就可以满足要求。 通过上述方法可初步确定滤波器的参数， 此外还需考虑失谐对滤波器性能的影 响，并通过计算各元件可能承受的稳态最大电压来确定其额定电压，最后还需要校 核暂态情况 h 各元件所能承受的最大电压和电流。由此最终确定滤波器的元件参数 及额定值。 采用上述设计方法得到的直流侧滤波器能够满足滤波的技术性能要求， 而经济 性却不一定理想。对于换流站来说，滤波装置在换流站的投资和占地面积中均山有 相当大的比重，滤波装置 交流侧滤波器、直流侧平波电抗器及直流滤波器及其辅 助设备等)费用可以占到 h v d c总投资的 1 0 ,-1 5 %。因此，在保证滤波性能达 到标准要求的基础上对滤波装置进行优化设计，对包括平波电抗器、直流滤波器、 中性点冲击电容器等各部分的参数进行统筹考虑，使得其投资费用及年运行费用 ( 主要考虑有功损耗费用)最小。这样做不仅具有重要的工程实用价值，而且还能 提高高压直流输电系统的竞争能力。 近年来一些学者对直流侧滤波装置的优化设计方法进行了研究，将平波电抗 器、滤波器作为一个平波滤波网络来进行整体的优化设计，使两者的滤波能力得到 充分的利用和配合以 提高滤波性能并降 低投资费用， 如文献 1 2 f 口 文献 2 7 中进行的 研究。以往的研究采用的优化设计方法有非线性单目 标规划方法、非线性多目 标规 划方法，根据这些方法建立优化设计模型，最后利用遗传算法或非线性规划数值解 法来求解以获得优化结果。既有研究通常将滤波装置的投资费用作为目 标函数，并 没有考虑滤波装置的损耗对经济性的影响。本文在前人研究的基础土，首先系统地 分析了影响滤波装置性能的各种因素，并将平波电抗器、滤波器、中性点滤波支路 作为一 个滤波装置整休来进行优化设计，更加全面地考虑了影响经济性的元素，除 投资费用外还加入了年运行费用 ( 主要是滤波装置的有功功率损耗费用)作为目标 函数，建立了更加详细完善的优化设计模型，并根据三常直流输电工程的实际参数 给出了算例，最后通过谐波分析程序 ( h a p )对优化结果进行了校核，给出经济、 技术性均优良的设计方案。 1 .2本文的主要工作 本文首先对高压直流输电系统的谐波以及滤波装置的构成方法进行了分析比 较，并在以往工程设计方法的基础上，将平波电抗器、直流滤波器和中性点冲击电 容器作为一个整体的滤波系统，提出了 运用多目 标规划方法进行优化设计的具体方 法。将滤波装置的投资费用和年运行费用作为目标函数，以等效千扰电流达到要求 及其它附加条件作为约束条件对滤波装置进行优化设计。最后，针对三常直流输电 工程进行了直流侧滤波装置的优化设计，并将优化设计的结果与三常直流输电工程 华北电力大学硕士学位论文 流输电工程通常在直流侧采用两组双调谐滤波器就可以满足要求。 通过上述方法可初步确定滤波器的参数， 此外还需考虑失谐对滤波器性能的影 响，并通过计算各元件可能承受的稳态最大电压来确定其额定电压，最后还需要校 核暂态情况 h 各元件所能承受的最大电压和电流。由此最终确定滤波器的元件参数 及额定值。 采用上述设计方法得到的直流侧滤波器能够满足滤波的技术性能要求， 而经济 性却不一定理想。对于换流站来说，滤波装置在换流站的投资和占地面积中均山有 相当大的比重，滤波装置 交流侧滤波器、直流侧平波电抗器及直流滤波器及其辅 助设备等)费用可以占到 h v d c总投资的 1 0 ,-1 5 %。因此，在保证滤波性能达 到标准要求的基础上对滤波装置进行优化设计，对包括平波电抗器、直流滤波器、 中性点冲击电容器等各部分的参数进行统筹考虑，使得其投资费用及年运行费用 ( 主要考虑有功损耗费用)最小。这样做不仅具有重要的工程实用价值，而且还能 提高高压直流输电系统的竞争能力。 近年来一些学者对直流侧滤波装置的优化设计方法进行了研究，将平波电抗 器、滤波器作为一个平波滤波网络来进行整体的优化设计，使两者的滤波能力得到 充分的利用和配合以 提高滤波性能并降 低投资费用， 如文献 1 2 f 口 文献 2 7 中进行的 研究。以往的研究采用的优化设计方法有非线性单目 标规划方法、非线性多目 标规 划方法，根据这些方法建立优化设计模型，最后利用遗传算法或非线性规划数值解 法来求解以获得优化结果。既有研究通常将滤波装置的投资费用作为目 标函数，并 没有考虑滤波装置的损耗对经济性的影响。本文在前人研究的基础土，首先系统地 分析了影响滤波装置性能的各种因素，并将平波电抗器、滤波器、中性点滤波支路 作为一 个滤波装置整休来进行优化设计，更加全面地考虑了影响经济性的元素，除 投资费用外还加入了年运行费用 ( 主要是滤波装置的有功功率损耗费用)作为目标 函数，建立了更加详细完善的优化设计模型，并根据三常直流输电工程的实际参数 给出了算例，最后通过谐波分析程序 ( h a p )对优化结果进行了校核，给出经济、 技术性均优良的设计方案。 1 .2本文的主要工作 本文首先对高压直流输电系统的谐波以及滤波装置的构成方法进行了分析比 较，并在以往工程设计方法的基础上，将平波电抗器、直流滤波器和中性点冲击电 容器作为一个整体的滤波系统，提出了 运用多目 标规划方法进行优化设计的具体方 法。将滤波装置的投资费用和年运行费用作为目标函数，以等效千扰电流达到要求 及其它附加条件作为约束条件对滤波装置进行优化设计。最后，针对三常直流输电 工程进行了直流侧滤波装置的优化设计，并将优化设计的结果与三常直流输电工程 华北电力大学硕士学位论文 实际采用的直流滤波装置进行了分析比较。 在直流滤波装置的优化设计过程中，本文主要完成了以下几项工作: 1 、根据高压直流输电工程的实践经验及设备的特性，初步选择滤波装置的接 线方式和结构型式; 2 、利用谐波分析程序 ( h a p )计算得出直流输电工程单极大地回路运行方式 卜 最为严重的谐波电压源: 3 、建立直流输电系统的等效电路模型; 4 、确定优化设计的投资费用和年运行费用这两个目标函数及约束条件，建立 多日标规划设计模型; 5 、采用 ma t l a b软件编写目标、约束函数的程序; 6 、运用权和法将多目标规划问题转化为单目标优化问题，并采用 ma t l a b 中的f mi n c o n函数求解该问题; 7 、运用谐波分析程序 ( h a p ) 对优化设计得到的滤波装置进行性能校核。 华北电力大学硕十学位论文 第二章直流侧谐波分析 换流器直流侧的谐波包括特征谐波和非特征谐波。 这些谐波会对直流系统本身 及外界环境造成危害。 2 . ，直流侧谐波的危害 换流器由于换相过程而产生的直流侧谐波会产生如下的危害151: 、对直流输电线路邻近的通信设备产生干扰。 直流侧最严重谐波( 如1 2 , 2 4 , 3 6 等) 的频率正好处于音频范围内， 路走廊附近的明线电话线路产生干扰 其最大的危害是对直流输电极线路和接地极线 ，使电话出现杂音，破坏通话质量。 2 、对直流系统本身产生危害。直流侧除滤波器外的所有设备中流过谐波电流 时，都会产生附加发热，这将增加设备的额定值要求和运行费用。当谐波水平达到 一定值时，理论上可能引起直流系统的保护系统误动作，可能产生严重的后果。 3 、通过换流器转移到交流系统。直流侧的谐波电流可以通过换流器转移到交 流系统。如果直流输电系统直流侧的滤波太弱的话，将使得直流侧的谐波电流只能 由两侧的换流变压器阻抗来限制，流入到两侧交流系统的谐波将十分显著，这可能 造成系统运行性能的显著下降。 由于存在上述危害， 尤其是第1 方面的危害， 因此一般具有架空线路的高压直 流输电工程都在直流侧配置直流滤波器。对于背靠背工程和全电缆线路的工程可不 必装设直流滤波器。 2 . 2直流侧特征谐波 真流侧特征谐波， 即在理想条件下单纯由于换相过程而产生的谐波。 这些理想 条 件 是 rs i 1 、交流母线电压为理想的三相对称正弦波; 2 、直流线路上的电流为无脉动的直流电流; 3 、忽略不计换流变压器的激磁电抗; 4 ,换流变压器三相漏抗平衡; 5 、换流器的控制产生绝对等距离的触发脉冲。 正常情况下， 高压直流输电系统运行在接近理想条件下 ， 特征谐波在直流侧谐 波中的比重最大。 对于1 2 脉动换流器， 其在直流侧产生的特征谐波次数为n = 1 2 k ( k = 1 , 2 , 3) ， 即 1 2的整数倍。各次谐波电压的幅值和相位与谐波次数、触发角 ( 。) 、换相重叠 华北电力大学硕十学位论文 第二章直流侧谐波分析 换流器直流侧的谐波包括特征谐波和非特征谐波。 这些谐波会对直流系统本身 及外界环境造成危害。 2 . ，直流侧谐波的危害 换流器由于换相过程而产生的直流侧谐波会产生如下的危害151: 、对直流输电线路邻近的通信设备产生干扰。 直流侧最严重谐波( 如1 2 , 2 4 , 3 6 等) 的频率正好处于音频范围内， 路走廊附近的明线电话线路产生干扰 其最大的危害是对直流输电极线路和接地极线 ，使电话出现杂音，破坏通话质量。 2 、对直流系统本身产生危害。直流侧除滤波器外的所有设备中流过谐波电流 时，都会产生附加发热，这将增加设备的额定值要求和运行费用。当谐波水平达到 一定值时，理论上可能引起直流系统的保护系统误动作，可能产生严重的后果。 3 、通过换流器转移到交流系统。直流侧的谐波电流可以通过换流器转移到交 流系统。如果直流输电系统直流侧的滤波太弱的话，将使得直流侧的谐波电流只能 由两侧的换流变压器阻抗来限制，流入到两侧交流系统的谐波将十分显著，这可能 造成系统运行性能的显著下降。 由于存在上述危害， 尤其是第1 方面的危害， 因此一般具有架空线路的高压直 流输电工程都在直流侧配置直流滤波器。对于背靠背工程和全电缆线路的工程可不 必装设直流滤波器。 2 . 2直流侧特征谐波 真流侧特征谐波， 即在理想条件下单纯由于换相过程而产生的谐波。 这些理想 条 件 是 rs i 1 、交流母线电压为理想的三相对称正弦波; 2 、直流线路上的电流为无脉动的直流电流; 3 、忽略不计换流变压器的激磁电抗; 4 ,换流变压器三相漏抗平衡; 5 、换流器的控制产生绝对等距离的触发脉冲。 正常情况下， 高压直流输电系统运行在接近理想条件下 ， 特征谐波在直流侧谐 波中的比重最大。 对于1 2 脉动换流器， 其在直流侧产生的特征谐波次数为n = 1 2 k ( k = 1 , 2 , 3) ， 即 1 2的整数倍。各次谐波电压的幅值和相位与谐波次数、触发角 ( 。) 、换相重叠 华北电力大学硕士学位论文 角 ( p) 及理想空载直流电 压 ( u a o ) 等参数有关 6 1 2 . 3直流侧非特征谐波 非特征谐波是指除特征谐波外的所有各次谐波。 其产生的根本原因是高压直流 输电系统运行的理想条件不能同时满足。导致产生非特征谐波的不理想因素包括以 h 几个方面: 1 、交流系统三相电动势含有谐波、三相电动势或参数不对称 2 9 1 交流系统的背景谐波可通过换流器藕合至直流侧， 使直流电压中产生非特征谐 波。 设p为换流器的脉动数， 。为交流系统谐波电动势次数 ( 对应正序谐波。取11 值， 对应负 序谐波m取负 值) ， e m 为交流系 统谐波电 动 势幅值，u a 。 为由 交流系统 电动势含有的谐波所引起的直流侧非特征谐波电压的幅值，k 为使 。取非负值的整 数，则忽略换相过程时，由交流系统谐波电动势引起的直流侧非特征谐波电压次数 为 n = p - k 1 ( 、一 1 ) ( 2 一1 ) 幅值为 u d二 3- e m 、 一 p p k + 1 i ( 2 一2 ) 由式 ( 2 -2 )可知，k 二0时所对应的非特征谐波电压幅值最大，k 二1 时所对 应的 非特征谐波电压幅值只有k = 。 时的i / ( p -t 1 ) 。 对于1 2 脉动换流器， 相应于k 二 i 时所对应的非特征谐波电压幅值比k=0 时所对应的非特征谐波电压幅值小一个数 量级。通常，非特征谐波本身数值就不大，因此一般情况下只要考虑k=0 时所对 应的非特征谐波电压即可，将这个非特征谐波电压定义为主导非特征谐波电压。 根据式 ( 2 -1 ) 和式 ( 2 -2 ) ,当k =0 时，即主导非特征谐波电压的次数和幅 值可表达为 n = 1 ( m一 1 ) ( 2 一3 ) 万 p e , v d a = 一 一 2; r 一 一 ( 2一 4) 由式 ( 2 -3 )可以看出，由交流侧到直流侧的谐波电压变换关系为: 若交流侧 为正序谐波，则传到直流侧谐波次数减 1 ;若交流侧为负序谐波，则传到直流侧谐 波次数加 i .由式 ( 2 -4 )可以看出，直流侧谐波电压幅值不随谐波次数而变化， 但从交流到直流侧谐波电压幅值是放大的，例如对于6 脉动换流器谐波电压幅值放 大1 .6 5 倍，对于 1 2 脉动换流器谐波电压幅值放大3 . 3 倍。 高压直流输电系统正常运行时换流器的换相角一般在2 0 “左右， 考虑换相过程 时，对于主导非特征谐波来说，由交流系统谐波电动势产生的直流侧非特征谐波电 华北电力大学硕士学位论文 角 ( p) 及理想空载直流电 压 ( u a o ) 等参数有关 6 1 2 . 3直流侧非特征谐波 非特征谐波是指除特征谐波外的所有各次谐波。 其产生的根本原因是高压直流 输电系统运行的理想条件不能同时满足。导致产生非特征谐波的不理想因素包括以 h 几个方面: 1 、交流系统三相电动势含有谐波、三相电动势或参数不对称 2 9 1 交流系统的背景谐波可通过换流器藕合至直流侧， 使直流电压中产生非特征谐 波。 设p为换流器的脉动数， 。为交流系统谐波电动势次数 ( 对应正序谐波。取11 值， 对应负 序谐波m取负 值) ， e m 为交流系 统谐波电 动 势幅值，u a 。 为由 交流系统 电动势含有的谐波所引起的直流侧非特征谐波电压的幅值，k 为使 。取非负值的整 数，则忽略换相过程时，由交流系统谐波电动势引起的直流侧非特征谐波电压次数 为 n = p - k 1 ( 、一 1 ) ( 2 一1 ) 幅值为 u d二 3- e m 、 一 p p k + 1 i ( 2 一2 ) 由式 ( 2 -2 )可知，k 二0时所对应的非特征谐波电压幅值最大，k 二1 时所对 应的 非特征谐波电压幅值只有k = 。 时的i / ( p -t 1 ) 。 对于1 2 脉动换流器， 相应于k 二 i 时所对应的非特征谐波电压幅值比k=0 时所对应的非特征谐波电压幅值小一个数 量级。通常，非特征谐波本身数值就不大，因此一般情况下只要考虑k=0 时所对 应的非特征谐波电压即可，将这个非特征谐波电压定义为主导非特征谐波电压。 根据式 ( 2 -1 ) 和式 ( 2 -2 ) ,当k =0 时，即主导非特征谐波电压的次数和幅 值可表达为 n = 1 ( m一 1 ) ( 2 一3 ) 万 p e , v d a = 一 一 2; r 一 一 ( 2一 4) 由式 ( 2 -3 )可以看出，由交流侧到直流侧的谐波电压变换关系为: 若交流侧 为正序谐波，则传到直流侧谐波次数减 1 ;若交流侧为负序谐波，则传到直流侧谐 波次数加 i .由式 ( 2 -4 )可以看出，直流侧谐波电压幅值不随谐波次数而变化， 但从交流到直流侧谐波电压幅值是放大的，例如对于6 脉动换流器谐波电压幅值放 大1 .6 5 倍，对于 1 2 脉动换流器谐波电压幅值放大3 . 3 倍。 高压直流输电系统正常运行时换流器的换相角一般在2 0 “左右， 考虑换相过程 时，对于主导非特征谐波来说，由交流系统谐波电动势产生的直流侧非特征谐波电 华北电力大学硕士学位论文 ) t 次数不变，其幅值比式 ( 2 -4 )计算出的有所下降，但下降并不大 2 , 1 2 脉动换流器连接的两个换流变压器的漏抗不相等和变比不相等1 5 1 由此造成的谐波可以通过分别计算两个6 脉动换流器的直流侧特征谐波，最后 再合成 1 2 脉动情祝下的直流侧谐波。结果表明，这些谐波中6 ( 2 k )次谐波幅值很 小可忽略不计，仅剩下6 ( 2 k +1 )次谐波的差值作为非特征谐波的组成部分。 3 、构成一个换流站两极换流器的任何运行参数的不相等，如触发脉冲不等距 离、丢脉冲等i s 1 由此产生的非特征谐波需要根据实际情况进行计算，需要充分考虑各次谐波相 位 . 的差异。 4 ,换流变压器三相漏抗不平衡i $ 1 由此产生的直流侧最大的各次谐波分量为 u 。 二 d x o s o u d o 2 而 ( 2一 5 ) 其中! d 为直流电流标么值: 9 。 是换流变压器相间阻抗公差的绝对值;u d o 为换 流器理想空载直流电压。 5 、换流变压器的激磁电抗不能忽略( s 1 即换流变压器、套管等的对地杂散电容不能忽略，这些对地杂散电容为3 n ( n 为自 然数)次谐波电流提供了通路。 2 .43 脉动模型 在长期的运行实践中，人们发现用传统换流器模型6 1 流侧潜波电流得到的谐波数据与实际测量值之间存在差异 ( 如图2 - 1 ( a ) 所示)计 一 算直 ， 主要表现为i : 1 ) 大地 中流过的谐波电流远大于计算值;2 )计算结果中3 n 次谐波没有完整地表示出来， 而实际系统中的3 ( 2 n 十1 ) 次谐波对通信线路的干扰作用十分明显。为此， 近来多 广 一 一 一 一 洲 u ( 1 ) 匆 乌马乙 u 3 p ( r 一 t 1 6 ) u , ( t 一 t / 1 2 ) 与工与 u,-1 2 脉动谐波电 压源 7 , - - 1 2 脉动换流器换相阻抗 c s ， u , p ( t 一 3 t / 1 2 ) ( a ) 1 2 脉动换流器的 传统 1 2 直流侧谐波电压源模型 图 2 一 1 tbk # ) ( b ) 1 2 脉动换流器的3 脉动直流 侧谐波电压源模型 换流器直流侧谐波电压源模型 华北电力大学硕士学位论文 ) t 次数不变，其幅值比式 ( 2 -4 )计算出的有所下降，但下降并不大 2 , 1 2 脉动换流器连接的两个换流变压器的漏抗不相等和变比不相等1 5 1 由此造成的谐波可以通过分别计算两个6 脉动换流器的直流侧特征谐波，最后 再合成 1 2 脉动情祝下的直流侧谐波。结果表明，这些谐波中6 ( 2 k )次谐波幅值很 小可忽略不计，仅剩下6 ( 2 k +1 )次谐波的差值作为非特征谐波的组成部分。 3 、构成一个换流站两极换流器的任何运行参数的不相等，如触发脉冲不等距 离、丢脉冲等i s 1 由此产生的非特征谐波需要根据实际情况进行计算，需要充分考虑各次谐波相 位 . 的差异。 4 ,换流变压器三相漏抗不平衡i $ 1 由此产生的直流侧最大的各次谐波分量为 u 。 二 d x o s o u d o 2 而 ( 2一 5 ) 其中! d 为直流电流标么值: 9 。 是换流变压器相间阻抗公差的绝对值;u d o 为换 流器理想空载直流电压。 5 、换流变压器的激磁电抗不能忽略( s 1 即换流变压器、套管等的对地杂散电容不能忽略，这些对地杂散电容为3 n ( n 为自 然数)次谐波电流提供了通路。 2 .43 脉动模型 在长期的运行实践中，人们发现用传统换流器模型6 1 流侧潜波电流得到的谐波数据与实际测量值之间存在差异 ( 如图2 - 1 ( a ) 所示)计 一 算直 ， 主要表现为i : 1 ) 大地 中流过的谐波电流远大于计算值;2 )计算结果中3 n 次谐波没有完整地表示出来， 而实际系统中的3 ( 2 n 十1 ) 次谐波对通信线路的干扰作用十分明显。为此， 近来多 广 一 一 一 一 洲 u ( 1 ) 匆 乌马乙 u 3 p ( r 一 t 1 6 ) u , ( t 一 t / 1 2 ) 与工与 u,-1 2 脉动谐波电 压源 7 , - - 1 2 脉动换流器换相阻抗 c s ， u , p ( t 一 3 t / 1 2 ) ( a ) 1 2 脉动换流器的 传统 1 2 直流侧谐波电压源模型 图 2 一 1 tbk # ) ( b ) 1 2 脉动换流器的3 脉动直流 侧谐波电压源模型 换流器直流侧谐波电压源模型 华北电 力大学硕士学位论文 采用3 脉动模型来进行谐波电流的分析。采用3 脉动模型的高压直流输电工程单极 大地回路运行方 一 式的等效电路见附录 t o 3脉动模型曰 在换流器的内阻抗中加入了漏电流通路 ( 这是由于换流变压器及 套管与地之间存在杂散电容造成的) ， 并采用了更为精确的换流桥以反映3 r， 次谐波 从而可以精确地表示换流器谐波激励电压。由 3脉动模型构成的 1 2脉动换流器的 模型见图2 - 1 ( b ) . 图2 -1 ( b ) 中3 脉动模型内电 抗l的 值为一个6 脉动换流器内电 感的一半， 内电 感的值 由下式得到 l 一 ( a 十 2 石一 3 e c / ir ) l , ( 2 - 6 ) 其中，a 二 l / ( l t 十 l j; p 为换相角;l ; 二 丈 : 十 l ; l t 为换流变压器漏电 感; t ,。 为交流系统的等值电 感。 图 2 -1 ( b ) 中的电容 c s为等效换流变压器及套管对地杂散电容，其典型值为 1 0 2 0 n f a 从图2 -1 ( b ) ; 7 以 看出， 双极1 2 脉动换流器由4 个3 脉动模型组成。 换流变压 器对地杂散电 容 ( c s ) 置于 上下两 个半桥之间，u ( t ) 及u ,p ( t - t / 6 ) 表示 相应的 两 个 3 脉动模型中的谐波电压源，其间有t 1 6 的相移 ( t为基波频率下的周期) ，另一 极的六脉动桥由两个3 脉动模型构成，相位与上面一极相差t / 1 2 a 3 脉动模型对于一般的直流侧谐波和滤波器的研究来说己经可以达到相当精确 的程度。但3 脉动模型仅比传统模型多体现 3 的倍数次谐波的存在，实际工程中还 存在许多非3 的倍数次的低次非特征谐波，它们的幅值也比较大，对通信线路的干 扰不能忽略。因此，3脉动模型还有其局限性，如何进行进一步的改进，还在研究 之中。 华北电力大学硕十学位论文 第三章直流滤波装置设计的一般方法 3 . 1直流滤波装置的配置原则 直流侧的滤波装置除最主要的直流滤波器外还包括平波电抗器、 中性点冲击电 容器，如图 i 一1 中所示。对于平波电抗器来说，其作用有: 1 、直流输电线路小电流情况下保持电流的连续性; 2 、直流输电线路发生故障时抑制电流的上升速度，防止继发换相失败; 3 . 减少直流侧的谐波脉动分量。 以上三个方面的作用都要求平波电抗器 l d 越大越好，但当 l d 过大时，在电流 迅速变化时平波电抗器上产生的过电压 t l d x t d i/ d t ”就越大， 而且几是 一 个延时 环节，其过大对直流电 流的自 动调节不利1 6 1 。 考虑到控制与调节的重要性， 在满足 前两方面要求的情况下，平波电抗器的电 感应尽量小，而采用其它的措施来保证直 流线路上的谐波达到标准要求。因此在仅以直流输电线路上的等效千扰电流为标准 的滤波装置设计中，平波电抗器电感值仅根据经济性与其它滤波装置进行统筹考 虑， 大小有所调整， 并不将其作为改善滤波装置滤波性能的主要因素。 在此前提下， 滤波器、中性点冲击电容器的设计是滤波装置优化设计中主要考虑的因素。 通常直流滤波器与交流滤波器从原理与电路上来说都是非常相似的，但尽管如 此，它们之间还是存在一些重要的差别。 31 . 1直流滤波器与交流滤波器设计的差别 以下简要列出二者之间的主要差别: 1 .滤波性能指标不同。对于交流滤波器来说，主要考察流入交流系统的交流 电流的单次谐波含有率、总谐波畸变率以及交流母线上的电压总畸变率能否达到要 求。 对于直流滤波器来说， 主要考察直流线路上的等效干扰电流能否达到标准要求。 2 、无功要求不同。交流滤波器在工频时向交流系统提供无功功率，为满足换 流站大量的无功需求，交流滤波器的无功容量是按照换流站无功补偿要求来设计 的，通常大于滤波特性要求的无功设置容量，而且在设计时需要在各组滤波器之间 进行无功容量的分配。而直流滤波器则没有这方面的要求。 3 、调谐准备程度要求不同。与交流滤波器并联连接的交流系统在某 一 频率时 的阻抗变化范围比较大，因此在特定的电网运行方式下，如交