（电路与系统专业论文）两种双调谐滤波器设计与保护[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士论文两种双调谐滤波器设计与保护 摘要 高压直流输电( h v d c ) 以其在远距离、大容量输电中所独具的优越性受到电力工程 界的重视，但随着换流器这一大功率、非线性电力电子元件的引入而在系统中产生了大 量的谐波。电力系统中对谐波的抑制多采用单调谐和高通滤波器，而在h v d c 系统中， 采用双调谐滤波器是较好的选择。本文从双调谐滤波器的结构和保护两方面出发，在传 统双调谐滤波器基础上，提出了另外两种结构的双调谐滤波器，即双电感并联型双调谐 滤波器和双电容并联型双调谐滤波器。这两种双调谐滤波器有两个谐振频率，同时可以 吸收两个频率的谐波，所以越来越多地被实际工程所采用。 文中对双调谐滤波器的特性和参数进行了分析计算，用等效设计法和参数法设计了 该两种结构双调谐滤波器的参数，用p s c a d 软件对其滤波效果进行了仿真，并分析了 滤波器元件的暂态性能。在此基础上，研究了该两种双调谐滤波器的直流保护方案，其 中高压电容器不平衡保护和电抗器匝间短路保护是滤波器保护研究的重点。本文用 c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机对直流双调谐滤波器的故障进行检测，并对故障状态发出警告信息。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的c i p 5 1 核采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比，指令执行速 度有很大的提高。滤波器保护程序主要有信号采样、故障计算程序和液晶显示三个部分， 其中显示部分的作用是将直流滤波器的运行情况反映于人机交互界面，提醒工作人员进 行相应的处理。 关键词：双调谐滤波器；p s c a d ；直流滤波器保护；c 8 0 51 f 0 0 5 单片机 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t h v d cs y s t e mr e c e i v e sg r e a ti m p o r t a n c eo ft h ep o w e re n g i n e e r i n gs e c t o r , b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e so fl o n gd i s t a n c ea n dh i 啦一c a p a c i t yt r a n s m i s s i o n b u tw i mt h ei n t r o d u c t i o no f n o n - l i n e a rp o w e re l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ，i tg e n e r a t e dal a r g en u m b e ro f h a r r n o n i c s u s u a l l yi t m o s t l yu s e ds i n g l e - t u n e df i l t e ra n dh i g h - p a s sf i l t e rt os u p p r e s st h ep o w e rs y s t e mh a r m o n i c s ， b u ti nt h eh v d cs y s t e m ，u s i n gd o u b l e - t u n e df i l t e ri sab e t t e rc h o i c e i nt h i sp a p e r , i t p r o p o s e dt w o t y p es t r u c t u r e so fd o u b l e - t u n e df i l t e rb a s e do nt r a d i t i o n a ld o u b l e t u n e df i l t e r f r o mt h es t r u c t u r ea n dp r o t e c t i o n ，t h e ya r et w o - i n d u c t o rp a r a l l e lt y p eo fd o u b l e t u n e df i l t e r a n dt w o c a p a c i t o rp a r a l l e lt y p eo fd o u b l e t u n e df i l t e r t h e r ea r et w or e s o n a n tf r e q u e n c i e so f d o u b l e - t u n e df i l t e r , w h i c hc a na b s o r bt w of r e q u e n c i e s h a r m o n i c s ，s od o u b l e - t u n e df i l t e ri s i n c r e a s i n g l yb e i n gu s e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r , i ta n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dc a l c u l a t e dt h ep a r a m e t e r so fd o u b l e - t u n e d f i l t e r , d e s i g n e dt h ep a r a m e t e r so ft w o - t y p es t r u c t u r e so fd o u b l e t u n e df i l t e r 、) i ，i t ht h e e q u i v a l e n tm e t h o da n dt h ep a r a m e t r i cm e t h o d ，s i m u l a t e db yp s c a ds o f t w a r e ，a n da n a l y z e d f i l t e rc o m p o n e n t s t r a n s i e n tp e r f o r m a n c e o nt h eb a s i co ft h ea b o v e ，i ts t u d i e dt h ep r i n c i p l eo f t w od o u b l e t u n e df i l t e r s d c p r o t e c t i o n , o fw h i c hh i g h - v o l t a g ec a p a c i t o ri m b a l a n c e p r o t e c t i o na n dt h er e a c t o r si n t e r - t u r nf a u l tp r o t e c t i o nw e r et h ef o c u ss t u d yo ft h ef i l t e r s p r o t e c t i o n t h i sp a p e ru s e dc 8 0 5 1f 0 0 5s i n g l e c h i pt od e t e c tt h ed cd o u b l e t u n e df i l t e r sf a u l t ， g i v i n gt h ew a r n i n gi n f o r m a t i o n t h ec i p - 51c o r eo fc 8 0 51f 0 0 5s i n g l e c h i pa d o p t e d p i p e l i n i n gs t r u c t u r e ，c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a l8 0 5 1 s i n g l e c h i p ，c 8 0 51f 0 0 5h a sg r e a t l y i n c r e a s e ds p e e d t h ef i l t e r sp r o t e c t i o nh a st h r e ep a r t s ，t h e r ea r es i g n a ls a m p l i n gp r o c e d u r e ， f a u l tc a l c u l a t i o np r o c e d u r ea n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , a n dt h ed i s p l a yp a r td i s p l a y e dt h e f i l t e r so p e r a t i o ns t a t es ot h a tr e m i n d e ds t a f fo f d e a l i n gw i t hi ta c c o r d i n g l y k e yw o r d s ：d o u b l e - t u n e df i l t e r ；p s c a d ；p r o t e c t i o no fd cf i l t e r ；c 8 0 5 0 f 0 0 5s i n g l e c h i p i i 声明户l 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：篮煎 如刁年占月知日 硕士论文两种双调谐滤波器设计与保护 1 绪论 1 1 选题意义与研究背景 1 1 1 谐波的产生及危害 谐波问题和无功功率问题对电力系统和电力用户都是十分重要的问题，也是近年来 电力电子技术研究的热点之一。谐波和无功功率问题涉及的面都较广。谐波问题包括畸 变波形的分析方法、谐波源分析、谐波的影响及危害、电网谐波潮流计算、谐波测量及 有谐波时各种电流量的测量方法及手段、谐波补偿和抑制、谐波限制标准等问题。无功 功率问题包括无功功率理论及负荷补偿理论、输电系统中稳态及动态无功功率控制理 论、无功功率对供电系统的影响、各种无功补偿装置、无功功率测量及收费、无功功率 的调度和管理等【i 】。本章的重点是谐波的影响及危害、谐波抑制、谐波限制标准、无功 功率定义和计算方法的比较等。 电力系统中的谐波是指频率是工频整数倍的正弦波，由具有非线性伏安特性的设备 造成。电网谐波的产生主要来自两方面【2 3 】： 一是各种非线性电力电子设备，如电弧炉、电力机车、晶闸管整流设备、变频装置、 p c 机、打印机、荧光灯、调速马达驱动、充电器等。这些设备从电路中获取跃变的脉 冲电流而不是平滑的正弦波，结果使含有谐波的畸变电流回流到电力系统中。 二是电力变压器产生谐波。由于变压器铁芯的饱和、磁化曲线的非线性加上变压器 设计时对经济性的考虑，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这就使得磁化电流 呈尖顶波形，从而产生奇次谐波。 谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面【2 ，4 】： ( 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 次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还 会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、 绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振，从而使谐波放大，增加设备的附加损 耗和发热，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪计量不准确。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致 信息丢失，使通信系统无法正常工作。 1 1 2 谐波抑制 消除电网中的谐波对延长电力设备的使用寿命和保证负载的安全经济运行有着非 1 l 绪论硕士论文 常重要的意义。抑制谐波影响的措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，降低谐波 源的谐波含量。电力电子装置是电力系统中最严重、最突出的谐波源，在广泛应用的各 种电力电子装置中，整流装置所含谐波最大。通过多相整流技术、脉宽调制整流技术和 有源功率因素校正器等技术提高整流装置的功率因素，减小整流装置的谐波输出。二是 安装滤波装置。滤波装置可以分为两大类：无源滤波器和有源滤波器t 2 , 4 , 5 】。 ( 1 ) 无源滤波器 无源滤波器种类很多，最常用的是单调谐滤波器和双调谐滤波器，如图1 1 所示。 无源滤波器由于投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，是目前采用 的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参 数的影响，只能对特定次数的谐波进行有效的衰减，对某些次谐波有放大的可能，耗费 多、体积大等。 c 2上2 r 2 a ) 单调谐滤波器b ) 双调谐滤波器 图1 1 单调谐和双调谐滤波器 ( 2 ) 有源滤波器 有源滤波器是随着电力电子技术、p w m 技术的发展和以三相电路瞬时无功功率理 论为基础的谐波和无功电流检测方法的出现，得到了极大的发展，它的基本思想如图 1 2 所示。 图1 2 有源电力滤波器原理图 在图1 2 中，谐波源一般为非线性负载，产生谐波厶，有源电力滤波器表现为电流 控制电流源，它的作用是产生和谐波源的谐波电流乙幅值相同、相位相反的补偿电流一f 来达到滤除谐波的目的，使得流向电网的谐波电流f ，为零。与无源滤波器相比，a p f 具 2 硕士论文两种双调谐滤波器设计与保护 有高度可控性和快速响应性，具有自动适应能力，可自动跟踪补偿变化着的谐波【l 】。 ( 3 ) 自调谐滤波器 自调谐滤波器是近年来出现的一种新型滤波装置，它可以连续调节电感，保持滤波 器在谐振点附近工作，消除了频率偏移时失谐的影响。自调谐滤波器的原理如图1 3 所 示。自调谐滤波器的优点是可根据系统变化，动态调节电感值的大小，使电感、电容总 在某个固定频率点谐振，起到滤除某次谐波的作用，改善无源滤波器的性能，起到无功 补偿作用，提高功率因素，且结构相对简单、成本低、易实现。可见，自动连续调谐滤 波器是种基于评估技术的滤波方案，以解决由电源频率偏差和滤波器元件参数引起的 滤波器失谐而导致的滤波性能的恶化【6 】。 卜 图1 3 自调谐滤波器原理图 1 1 3 谐波对无功功率的影响 在电力系统中，无功功率问题是人们长期关注、研究的重要问题。在正弦系统中， 无功功率的定义是明确的，而在含有谐波时，功率定义比较复杂，传统的概念无法正确 地对其进行解释和描述。 在含有谐波的非正弦电路中，无功功率的定义有b u d e a n u 无功定义、f r y z e 无功定 义、l s c z a r n e c k i 无功定义及a k a g i 瞬时无功定义等。b u d e a n u 定义的无功功率是反映 输电线路的额外损耗，不同频率之间谐波电流合成是各次谐波电流的均方根值，所以不 同频率的无功功率不应正负抵消，这是b u d e a n u 无功定义在物理概念上的主要缺陷。 f r y z e 定义的无功功率没有进行傅立叶展开，容易被测量，在实际应用中也容易得到应 用，但它没有如正弦波形下无功功率定义那样明确的物理定义，不能反映负载的情况。 l s c z a m e c k i 定义的无功功率分为4 个分量，这些分量均不是完备函数空间的基底，无 法正确地描述无功功率，从而导致理论上的缺陷性和实践上的局限性。a k a g i 瞬时无功 理论的核心是采用变换矩阵将三相电路中的各相电压和电流瞬时值变换到两相正交的 仅一p 坐标系下推导出瞬时无功理论的一种简洁直观的数学描述，并证明了该理论与传 统无功理论的统一性，在数学和物理上已成功解释了这一理论【7 - 9 1 。 关于非正弦系统中无功功率的计算也有许多种方法，有经典计算方法、利用h i l b e r t 3 1 绪论硕士论文 滤波器计算无功功率、基波移相9 0 0 计算无功功率。经典方法计算无功功率比较简单， 也容易计算，但这种算法存在两个重大的缺点，一是计算出的无功功率不具有方向性； 二是在c o s 0 - - - 1 时，s - p 的差值很小，因此运算误差很大，导致无功功率的计算精度降 低。用h i l b e r t 滤波器计算无功功率，把各次谐波电压分别移相9 0 0 ，求得周期平均功率， 也就是各次谐波无功功率q 的代数总和，即是非正弦系统的真无功功率。基波移相9 0 0 计算无功功率，利用电压实时测量信号移相9 0 0 ，可以计算出瞬时功率的周期平均值， 这种方法得到的无功功率实际上是奇次谐波所产生的无功功率q 。和偶次谐波产生的有 功功率的合成。显然，当偶次谐波较小时，利用这种方法可以得到比较精确的结果，而 且也比较接近于真无功功率，反之，如果偶次谐波较大，则测量误差将随之增大【9 。1 1 1 。 无功功率对供电系统和负载的运行都是非常重要的，无功补偿装置是在电力供电系 统中提供电网的功率因素，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供 电环境。但是谐波的存在对无功补偿装置产生了危害，主要有以下几个方面【l 】： ( 1 ) 熔断器是由于发热而熔断的，因而本质上是均方根值过电流器件，一般使用的 熔断器由几个带状熔片组成，它们对谐波过流集肤效应引起的发热效应很敏感。 ( 2 ) 谐波会对无功补偿电容器引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器过载或 过电压而损坏。 ( 3 ) 在供电系统阻抗作用下，谐波电流产生的谐波电压叠加在工频供电系统的基波 电压上，使供电系统电压畸变，产生电压谐波。 ( 4 ) 静态补偿装置中，继电器的发热动作元件在谐波电流的作用下，会产生比工频 正弦电流更高的温度，使得动作电流值降低，导致正常负荷时误动作或烧毁。 ( 5 ) 在动态补偿装置中，采用晶闸管作为电容器投切的执行元件，在电压过零时投 入，电流过零时切除，以降低电磁干扰和避免涌流，但由于谐波畸变的结果产生一个正 弦周期内多个过零问题，这种多个过零会破坏电子设备的运行。 1 1 4 谐波的表示方法 傅立叶级数是一种研究和分析谐波畸变的有效方法。通过傅立叶分解能够对畸变波 形的各种分量进行分析【1 2 - 1 3 1 。 一般来说，任何周期波形都可以展开为傅立叶级数，即 旦 f ( t ) = a o + a he o s ( h c o o t ) + b hs i n ( h c o o f ) j 1 ( 1 1 ) = a o + 芝：c s i n ( h c o o f + 、| ， ) i 三l 式中们个频率为石的周期函数，其角频率0 2 。= 2 矾，周期 t = 1 兀= 2 7 r c o o ； 4 硕士论文 两种双调谐滤波器设计与保护 c ls i n ( o , o f + 、i ，1 ) 基波分量； c s i n ( h 0 0 0 h - 、l ，| i ，) 第h 次谐波，幅值为g ，频率为确，相位为、l ， 。 1 1 5 国内外研究现状和课题研究的意义 高压直流输电( h v d c ) 以其在远距离、大容量输电中所独具的优越性而受到电力工 程界的重视，但随着换流器这一大功率、非线性电力电子元件的引入，而在系统中产生 了大量的谐波。如何减小电力谐波带来的危害，是电力系统研究的重要问题之一，而解 决这一问题的方法之一是在系统中装设滤波器。电力系统中最常用的是单调谐滤波器和 双调谐滤波器。其中，双调谐滤波器不仅可以同时滤除两个不同频率的谐波，而且其中 一个谐振回路承受电压的强度较低，具有投资少，经济性好的优点【1 9 2 z 。1 9 9 1 年，双 调谐滤波器在伊泰普工程中得到成功应用，此后日益受到工程界的重视【1 9 1 。我国的葛南 工程和天广工程都采用了双调谐滤波器。本文在研究传统双调谐滤波器基础上提出了另 外两种结构的双调谐滤波器。 直流输电作为一种新型大功率远距离输电技术，已经在我国多条输电线上成功应 用，直流滤波器是换流站的重要设备，它装设在直流高压出线与直流中心点之间，当系 统运行方式改变、滤波器投切或退出运行、系统发生故障、外界环境等都对滤波器产生 影响，甚至会引起爆炸。南瑞继保对传统直流双调谐滤波器的保护进行了研究，并没有 提出另外两种结构双调谐滤波器的保护方案，所以，对两种双调谐滤波器各种保护的研 究具有重要的意义。 1 2 电力系统谐波标准简介 制定谐波标准的目的是： ( 1 ) 限制系统电压、电流的正弦波形畸变程度或谐波分量的大小，以保证电力系统 包括用户的安全、经济运行，特别是容易遭受谐波危害和干扰的设备的正常运行；也要 使其他系统( 如通信系统) 避免受到严重干扰。 ( 2 ) 保证电力系统的电能质量，使系统工频电压源的电压波形保持在合格范围内， 满足各种用电设备的正常供电要求。 谐波作为电流和电压畸变周期波形的分量，它们的频率是基波频率的整数倍。为了 定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小表示谐波 波形畸变指标u 引。 将非正弦周期电压和电流的傅立叶级数表示如下 生一 甜p ) 一u o + 乏：4 2 u hc o s ( h o t + 0 t ) ( 1 2 ) 5 l 绪论硕士论文 酮= 厶+ 2 ， c o s ( h o t + p ) ( 1 3 ) ( 1 ) 谐波含有率h r ( h a r m o n i cr a t i o ) ：周期性交流量中含有的第h 次谐波分量的有 效值与基波分量的有效值之比( 用百分数表示) 。第h 次谐波电压含有率以h r u h 表示； 第h 次谐波电流含有率以h r i h 表示。其表达式如下： h r u h = 鲁1 0 。 ( 1 4 ) 眦= 争1 0 。 ( 1 5 ) 式中 砜、厶第h 次谐波电压和电流有效值( 或取幅值) ； u ，、j ，基波电压和电流有效值( 或取幅值) 。 ( 2 ) 谐波含量( h a r m o n i cc o n t e n t ) ：从周期性交流量中减去基波分量后所得到的量， 即等于交流量有效值的平方减去所含基波分量有效值的平方后，所得差额的平方根。表 示如下 = 扣2 - u ? x 1 0 0 = - u 。2x 1 0 0 ( 1 6 ) vh = 2 厶= ，2 一矸x1 0 0 = 、露x 1 0 0 ( 1 7 ) yh = 2 其中，u 2 = 以+ u ；，j 2 = ，；+ ，；。 ( 3 ) 谐波总畸变率t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) ：周期性交流量中的谐波含量的 有效值与其基波分量的有效值之比。 觋：掣川。 m 8 ， 一宰圳。 9 ， 电网公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不应超过表1 1 中规定值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路时，其谐波电流允许值按下 式换算求出 6 硕士论文 两种双调谐滤波器设计与保护 i h = 鼍i 峰 ih = 等i 唾 式中 瓯。公共连接点的最小短路容量，m v a ； 瓯2 基准短路容量，m v a ； 第h 次谐波电流允许值( 见表1 1 ) ，a 。 表1 1 注入公共连接点的谐波电流允许值 ( 1 1 0 ) 基准电压( k 0 3 861 03 56 61 0 0 基准短路容量 1 0 1 0 0 1 0 0 2 5 0 5 0 07 5 0 ( m v a ) 27 84 32 6 1 5 1 6 1 2 36 23 42 01 21 39 6 43 92 l1 37 78 16 0 56 23 42 01 21 39 6 62 61 48 55 15 44 o 谐 74 42 41 58 89 3 6 8 波 81 9l l6 43 84 13 o 次 92 11 16 84 14 33 2 数 1 0 1 6 8 5 5 13 13 32 4 及 1 12 81 69 35 65 94 3 谐 1 21 37 14 32 62 72 0 波 1 32 41 37 9 4 75 03 7 电 1 41 16 13 72 22 3 1 7 流 1 51 26 84 12 52 61 9 允 1 69 75 33 2 1 92 01 5 许 1 71 81 06 o3 63 8 2 8 值 1 88 64 72 81 71 81 3 a 1 91 69 0 5 43 23 42 5 2 07 84 32 61 51 6 1 2 2 18 94 92 91 81 91 4 2 27 13 9 2 31 41 51 1 2 31 47 44 52 72 82 1 2 46 53 62 11 31 41 o 2 5 1 26 84 12 52 61 9 1 3 直流输电系统概述 高压直流输电( h v d c ) 作为一种新兴的输电技术，目前已经得到广泛的重视和应用。 一个简单的背靠背直流输电系统如图1 4 所示【1 5 。1 6 1 。 7 1 绪论 硕士论文 j l l l 多 。： 11r 厂、厂、 图1 4 简单直流输电系统 图1 4 中包括两个换流站a 和b 及直流输电线路，两个换流站的直流端分别接在 直流线路的两端，而交流端则分别连接两个交流电力系统。换流站中主要设备为换流器， 其作用是实现交流与直流的相互转换。换流器由一个或多个换流桥串联或并联组成，目 前用于直流输电系统的换流桥均采用三相桥式换流电路，每个桥具有6 个桥臂。 直流输电系统常见的接线方式分为两大类：单极线路方式和双极线路方式。其中单 极线路方式又可细分为单线制和双线制，双极线路方式可细分为中性点两端接地方式、 中性点单端接地方式、中性点方式和背靠背方式。 单极单线制接线方式是用一根架空导线或电缆线，以大地或海水作为返回线路组成 直流输电系统，如图1 5 ( a ) 所示。单极两线制方式是将返回线路用一根导线代替的单极 线路方式。单极两线单点接地是将导线任一根在一侧换流站进行单点接地，如图1 5 ( b ) 所示。 交 交 直流线路 ll 蜀压 a ) 系统 统 图1 5 单极线路方式 双极中性点两端接地方式如图1 6 ( a ) 所示，将整流站和逆变站的中性点接地，双极 对地电压分别为+ u 和u ，正常运行时，接地点之间没有电流通过。双极中性点单端接 地方式在整流侧或逆变侧中性点单端接地，正常运行时和中性点两端接地方式相同，但 8 硕士论文两种双调谐滤波器设计与保护 当一线故障时，就不可以继续运行了。将双极两端的中性点用导线直接连接起来，就构 成双极中性线方式，如图1 6 ( b ) 所示。 交流系统 交流系统 交流系统 交流系统 直流线路 多 多 延 直流线路 一、一、 直流线路 l l 蓟压 一 多上 直流线路 交流系统 交流系统 交流系统 交流系统 b ) 图1 6 双极线路方式 高压直流输电系统是一种高度可控的输电系统，直流输电系统换流站的核心是换流 器，而换流器是产生谐波的主要装置，使得电能质量变差，直流线路邻近的通信线路受 到干扰。因此，为了抑制谐波，需要安装直流滤波器来专门降低流入直流线路和接地极 引线中的谐波分量。 1 4 本文研究的主要内容及主要工作 本文从双调谐滤波器结构研究和保护两个方面出发，针对双调谐滤波器不但可以同 时滤除两个不同频率的谐波，而且其中一个谐振回路承受电压的强度较低，所以具有投 资少，经济性好的优点。双调谐滤波器是直流输电系统中的重要设备，它装设在直流高 压出线与直流中心点之间。而实际应用表明直流滤波器故障占整个直流系统故障的比例 很大。可见，对直流滤波器提供完善的保护功能对直流输电系统的安全、稳定、可靠运 行具有非常重要的意义。 论文的主要工作： ( 1 ) 在传统双调谐滤波器基础上，提出另外两种双调谐滤波器的结构，并用参数法 和等效法设计该两种结构双调谐滤波器的参数，在此基础上分析了它们的灵敏度和等值 频率偏差。 9 1 绪论硕士论文 ( 2 ) 用p s c a d 软件对两种结构的双调谐滤波器进行仿真，验证其滤波效果，并分 析滤波器元件的暂态性能。 ( 3 ) 分析了型1 和型2 两种结构直流滤波器的各种保护方案，并对其整定值进行了 计算。 ( 4 ) 研究了基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的滤波器保护的软件设计，用单片机c 语言来设 计程序框架，程序主要包括采样程序、故障计算程序和液晶显示程序等，并在液晶屏上 显示滤波器运行情况。 1 0 硕士论文两种双调谐滤波器设计与保护 2 两种双调谐滤波器的设计 目前抑制谐波最广泛采用的方法是装设滤波器，由于双调谐滤波器在伊泰普工程中 的成功应用，使其受到工程界的重视。双调谐滤波器不仅可以同时消除两个不同频率的 谐波，而且其中一个谐振回路承受电压强度较低，因此与完成同样功能的两个单调谐滤 波器相比，它投入少，经济性好。 2 1 传统双调谐滤波器特性 传统双调谐滤波器主要是由一个串联谐振回路和一个并联谐振回路串联组成，如图 2 1 所示【1 7 】。 图2 1 传统双调谐滤波器结构图 对于电容c l 、电感三l 和电阻r 1 组成的串联谐振回路，它的阻抗为 z 1 ( ) = r 1 + 歹( 厶一专- ) ( 2 1 ) 1 乙， 由式( 2 1 ) 可知串联谐振回路的阻抗特性如图2 2 所示。由于串联回路具有单调谐的 特性，则串联电路调谐频率。= l 瓜。当 0 3 。时，z 。 ) 呈感性【1 8 】。 硕士论文 z 。 ) l o 一 容拦 惑牲 、 l 图2 2 串联回路阻抗特性 对于电感三2 、电容c 2 和电阻r 2 组成的并联谐振回路，它的阻抗为 z z 曲) = 五瓦r 2 百+ j c o 面l 2 西 并联电路发生谐振时，阻抗z 2 趋于无穷大。当r 2 趋于零，q ：= o l r ：很大时，则 并联谐振频率为：1 厨。并联谐振回路阻抗特性如图2 3 所示，当 2 时，z 2 ) 呈容性1 8 1 。 z ： ) 1 0 感性爪 ； 1 0 2 图2 3 并联回路阻抗特性 在基波情况下i z l l i z ，l ，因串联谐振回路承受的电压大大高于并联谐振回路承受的 电压。滤波器的无功功率为两个回路提供无功量之和，由于串联回路中电容器上的电压 比加在并联回路中电容器上的电压大得多，所以无功功率主要由串联回路中的电容器提 供。两个回路有各自的频率阻抗关系和谐振点，但它们串联组合时就构成了新的频率阻 抗关系，产生了不同的两个谐振点。，和。，如图2 4 所裂1 9 之0 1 。 1 2 硕士论文两种双调谐滤波器设计与保护 i z ) l 0 l o 2 图2 4 双调谐滤波器的阻抗特性 由于两个回路的阻抗特性曲线的交点，产生了双调谐滤波器的两个谐振点，只有在 两个回路谐振点频率。和：相等时，得出的复合阻抗频率特性最好。即 二- 氇= 鬲1 = 鬲1 ( 2 3 ) 2 2 双调谐滤波器参数设计方法 2 2 1 直接参数法一按给定基波无功设计 由图2 4 的阻抗特性可以看出，双调谐滤波器有两个串联谐振频率和一个并联谐振 频率。设两个串联谐振频率为 l 、c o 2 ，其中i ，。 式( 2 4 4 ) 中，d o ，j 表示等值频率偏差；d o o 表示系统频率偏差；饵厶表示电抗器 厶参数偏差；d l 2 l 2 表示电抗器三2 参数偏差；d c l c 1 表示电容器c l 参数偏差；d c 2 c 2 表示电容器c 2 参数偏差。 2 4 2 型2 双调谐滤波器灵敏度 型2 双调谐滤波器如图2 6 ( b ) 所示，在忽略电阻的情况下，其阻抗为 砸) ：舭：+ 车掣 ( 2 4 5 ) 二 ( o c 2 + ( l + j o g ) j o c , 、 令z ( c o ) = 0 得 4 厶三2 c l c 2 一2 ( 三2 c i + 2 c 2 + l l c l ) + 1 = 0( 2 4 6 ) 同样设( 厶，l ：，c 1 ，c ：) 是厶、三：、c l 、c 2 的函数，分别对厶、l ：、c l 、c ：求导，得 到以下公式 2 l 2 两种双调谐滤波器的设计 硕士论文 d o 2 c l 一0 3 4 l 2 c l c 2 以1铴3 三l l 2 c 1 c 2 2 ( 三2 c l + 三2 c 2 + 厶c 1 ) d o f o2 ( c l + c 2 ) 一0 34 l l c l c 2 比24 3 三l 上2 c l c 2 2 ( 三2 c l + l 2 c 2 + l l c i ) d o 0 3 2 ( l i + 三2 ) 一4 厶三2 c 2 d c l4 3 三l l 2 c i c 2 2 0 ，( 三2 c 1 + l 2 c 2 + l l c l ) d c o 0 3 2 l 2 0 34 l 1 l 2 c l d c 2铀3 三i l 2 c l c 2 2 c o ( l 2 c l + l 2 c 2 + 厶c 1 ) 由灵敏度公式 s ：d c o d l “ 三 ( t d o ，d c l ) n 一。 ， 。03c 可得型2 双调谐滤波器的灵敏度公式为 c r l l 0 32 c l 一4 l 2 c l c 2 s 尹：1 _ 兰二生兰l 一-034 0 ) 3 l l l 2 c 1 c 2 2 c o ( l 2 c l + l 2 c 2 + l l c l ) s ：生一； 竺1 生旦立丝盘l l 2 f o4 0 3 l l l 2 c i c 2 2 ( 三2 c 1 + l 2 c 2 + 三2 q ) a c l 2 ( 厶+ l 2 ) 一0 3 4 l l l 2 c 2 l 1 4 3 三l 三2 c l c 2 2 ( 三2 c l + l 2 c 2 + 厶c 1 ) a c 2 0 3 2 l 2 一( 0 4 l l l 2 c 1 q 4 c o 3 l l l 2 c 1 c 2 2 c o ( l 2 c l + l 2 c 2 + 上l g ) ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) ( 2 5 0 ) 式( 2 5 0 ) 中赋，咒，s 。o 。，踺分别为型2 双调谐滤波器元件l i 、l 2 、c 1 、c 2 对谐振频 率0 3 的灵敏度。 同样，根据上述的滤波器各元件灵敏度可得到型2 双调谐滤波器的等值频率偏差为 一d o s ：塑+ ! 一一一 f d j c 0 4 03 l l 三2 c l c 2 2 0 0 ( l 2 c l + l 2 c 2 + l l c l ) ( 砒l c i 一3 l i l 2 c i c 2 ) 争+ c o ( c l + c 2 ) 三2 一3 三1 三2 c l c 2 】譬( 2 5 1 ) l 1l 2 + m l + l z ) c l l 1 l 2 c ，c 2 磐+ ( c o l ：c 2o 弘lc ：c 2 ) 磐 l 1l 2 式( 2 5 1 ) 中，洳，。表示等值频率偏差；d o o 表示系统频率偏差；比。厶表示电抗器 三1 参数偏差；以2 2 表示电抗器2 参数偏差；犯1 c l 表示电容器c 1 参数偏差；d c 2 c 2 表示电容器c ，参数偏差。 通过分析双调谐滤波器元件参数对谐振频率的相对灵敏度，可以看到元件参数变化 对谐振频率变化的方向和大小；分析经推导元件参数变化引起总的等值频率偏差，为实 硕士论文 两种双调谐滤波器设计与保护 际工程设计双调谐滤波器提供了依据。 2 5 本章小结 双调谐滤波器是目前抑制高压直流输电q d c ) 中谐波的最常用的方法之一，双调 谐滤波器不仅可以同时消除两个不同频率的谐波，而且其中一个谐振回路承受的电压强 度较低。本章在研究传统双调谐滤波器结构基础上，提出了两种不同结构的双调谐滤波 器，用参数法和等效法计算了两种结构双调谐滤波器参数，并分析了各自的灵敏度和等 值频率偏差。 3 两种职调谐滤波器仿真和暂悫分析硬士论文 3 两种双调谐滤波器仿真和暂态分析 在第2 章设计了两种结构双调谐滤波器的参数，并分析了元件参数对频率的灵敏 度，而滤波器的滤波性能及其在系统中的暂态水平是非常重要的，因此在本章中主要分 析的是两种结构双调谐滤波器的滤波效果和暂态性能。 3 1 两种双调谐滤波器系统仿真 3 1 1p s c a d 简介 p s c a d ( p o w e r s y s t e m c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 是d e n n i s w o o d f o r d 博士于1 9 7 6 年在 加拿大曼尼托巴水电局开发完成的电力系统电磁暂态计算软件。p s c a d 的成功开发， 使得用户能更方便地使用e m t d c 进行电力系统分析，而且软件可以作为实时数字仿真 器的前置端，可模拟任意大小的交直流系统。 p s c a d 的主要功能有：可以发现系统中断路器操作、故障及雷击时出现的过电压： 可对包含复杂非线性元件( 如直流输电设备) 的太型电力系统进行全三相的精确模拟，其 输入、输出界面非常直观方便；可以进行电力系统时域或频域计算仿真；实现高压直流 输电、f a c t s 控制器设计等捌。 31 2 型1 双调谐滤波器建模与仿真 血 叫墼犀 厂_ 。型生：旦周 图31 型1 一般电感并联型双调谐滤波器模型( 电容单位为“f ，电感单位为m 硕士论文 两种双调谐滤波器设计与保护 该模型采用的是型1 双电感并联型双调谐滤波器作为系统的滤波装置，如图3 1 所 示。在p s c a d 软件建模中，谐波源选用的是高压直流输电工程中的6 脉波换流器，该 换流器是典型的谐波发生装置。变压器电气联接为y 型，换流器交流侧除了基波外， 还含有h = 6 k 1 ( 尼= 1 , 2 ，3 ) 的奇次谐波分量，又称6 脉换流器交流侧的特征谐波，其中 5 次和7 次谐波所含比重最大，工程中采用交流侧配置无源滤波器滤除特征谐波，在该 模型中，双调谐滤波器的参数是针对5 次和7 次谐波来设计的【2 4 】。 首先分析双调谐滤波器未投入使用前的波形，系统侧a 相的电流波形如图3 2 所示。 从仿真结果可以看出系统侧a 相电流中有大量的谐波成分存在，使波形发生了畸变。 采用e f t 分析a 相电流，得到基波电流、5 次谐波电流和7 次谐波电流的含量如图3 3 所示，可以算出5 次和7 次谐波电流各占基波电流的1 8 7 9 和1 0 3 1 ，可见系统中5 次和7 次谐波电流含量较大。 缮? 季芝羁”移 2 。74 0 一 玩7 ，j3 0 ， 彩一2 0 - 舅；1 0 差_ o 糕 脚 一1 o ? 爹7 | 、+ 。2 o ? j3 0 - 耽：一 j r 一 t t r 1 i 魏磊磊瓠嬲q 绷。施批。恩颞吸妒。渤貔施黝舅戮黝巍：黝搋易! 嬲：；巍么如岛2 9 免嘲。也，多2 5 眵磊赫缸璺3 晕黪 图3 2 滤波前系统侧a 相电流 i j 7 ：? 一+ 77 。夕。二c o n t r o l s 。、“，。q i s a l 琵 i s a 5 l i s a 7 ，l i j。旷， 。 篓吩m 。个j ， 厅、7 2 o ， 、1 l a a越 l 2 6 7 9 i 5 嚣，0 5 0 3 4 8 2| | | 0 2 7 6 4 3 2 图3 3 滤波前f f t 分析a 相中基波和主要谐波电流含量 当型1 双调谐滤波器的投切开关指向o f f 时，双调谐滤波器投入使用，此时系统 侧a 相电流波形如图3 4 所示，滤波支路电流i f a 如图3 5 所示，a 相负载侧电流i a 如 图3 6 所示，采用f f t 分析滤波后a 相电流，得到基波、5 次谐波和7 次谐波的含量如 图3 7 所示。 3 两种双调谐滤波器仿真和暂态分析 硕士论文 i 娃：；。4 0 i i s a 系统侧a 相电流) ，ot 。7 。、? j j 。一 。 ，“ 。鬟 l j r“ 麓。一7 卜：一v 3 0 “，2 0 九1 i 、1；葶 ，、n 、” 产、 f 1 1 f f 、