（电力系统及其自动化专业论文）三脉动模型在高压直流滤波器设计中的应用.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 第一章 绪论 ， . ， 引言 自 二十世纪 5 0年代中期世界上第一条工业性的高压直流输电线路投运以来， 随着能源开发、电能传输以及电力系统规模的不断扩大，高电压、大容量的电力电 子开关元件制造水平的提高以及控制理论和技术的发展，加之高压直流输电具有: 本身无稳定性;利用其迅速而准确的调节性能可以提高与之并联的交流线路的稳定 性和传输容量;将其作为大区电网间的联络线能提高互联系统运行可靠性和灵活性 等主要技术特点，高压直流输电技术越来越受到人们的重视。1 9 7 5 年，全世界投运 的直流输电工程只有 1 1 项，输电容量为 5 g w;而到了 1 9 9 6 年猛增到 5 6 项，输电 容量达 5 4 . 1 6 6 g w,增长了近 1 1 倍 u 。我国的葛洲坝一上海直流输电工程于 1 9 8 9 年投入运行，之后天广、三常直流输电工程相继投入运行，建设中的还有三右、三 峡一广州、贵州一广州等直流输电工程。 由于直流输电系统中换流器的非线性特性，在交流系统和直流系统中将出现谐 波电压和电流。换流器在交流电网基波电压的一个周期内发生不同时换相的次数称 为它的脉动数， 一个脉动数为p 的换流器， 在它的直流侧将主要产生n = k p ( k 是自 然数)次的谐波，而在它的交流侧将主要产生。 = k p 士 1 ( k 为自 然数)次的谐波。 这些谐波被称为换流器的特征谐波，而除此之外的所有其他各次谐波统称为非特征 谐波。 如果进入交流电网和直流输电线路的谐波分量过大，就会产生一系列不良影 响。当注入交流系统的谐波超标时，电网中的发电机和电容器由于谐波的附加损耗 而过热; 谐波使换流器的控制不稳定; 谐波有时会引起电网中发生局部谐振过电压; 谐波对通讯设备产生干扰，使邻近电话线路产生杂音; 。通常音频通道的工作频率 范围约为2 0 。 一3 5 0 0 赫兹2 1 ，而直流输电换流器产生的最严重的谐波就在此频率范 围之内，这些谐波电压和谐波电流对它们邻近的电话线路产生静电感应和电磁感应 的影响，从而产生电话杂音。 因此，必须采取措施，限制换流器输出的谐波。减小换流器谐波输出的主要方 法有增加换流器的脉动数以及装设滤波器。对于高压直流输电换流器，普遍认为增 加脉动数到 1 2以上不经济，更适宜采用安装滤波器。在换流器的交流侧几乎都用 滤波器来限制 谐波， 滤波器同时 也用来供给换流器所需的 无功功率。 在换流器的 直 流侧总是用平波电抗器来限制直流电压和直流电流的谐波值。对于和电缆直流输电 线路相连接的换流器，它的直流侧除了平波电抗器外一般不需要另外的滤波装置; 但是对于架空的直流输电线路，还必须装设直流滤波器。 对于直流滤波器， 以往的直流输电工程都采用无源滤波器。 无源滤波器由电容、 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 电感和电阻元件适当组合而成，在某些频率下，电容和电感元件发生谐振，使无源 滤波器呈现低阻抗，从而达到滤波的目的。无源滤波器它分为单调谐滤波器、高通 滤波器、双调谐滤波及三调谐滤波器等儿种类型 3 。近年来，由于高电压、大电流 的开关元件的发展使有源滤波器的采用成为可能。 直流侧谐波干扰的大小是以下两方面因素的函数:直流线路的运行参数;直流 线路和己有的或计划建设的通信线路之间的距离。直流滤波器的设计，应保证在直 流输电系统的各种运行方式下，都能把谐波减小到可以接受的水平。这些运行方式 包括直流输电系统双极运行方式或单极运行方式。 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”值作为限制直流谐波水平的标准4 。对直流滤波器或 滤波器设计的滤波性能的考核应以等效干扰电流的计算值为基础。由于以上提到的 直流侧谐波的影响和线路的参数以及它与通信线路之间的距离有关，所以在不同的 地方对通信所造成的干扰是很不同的，因此设计分析只能对一个个具体的直流输电 工程进行研究。 对于等效干扰电流的计算，如何准确地计算线路谐波显得尤为重要。而线路谐 波计算的准确来源于对换流器模型的精确表达。在传统的换流器模型中，换流器被 等效成一个电压源和一个阻抗的二端钮电路， 其中， 理想电压源包括直流电压和1 2 k ( k 为自然数)次的谐波电压;阻抗经常近似成一个电感，其值近似为换流变压器 的漏抗值。这种模型中没有地和两个端钮的电流通路 5 1 。从过去的直流输电工程的 测量中发现有值得注意的3 k ( k 为奇数)次谐波 5 ，说明在换流器端钮和地之间有 电流的通路。本文分析中用三脉动模型来模拟换流器，它采用新的谐波电压源，将 一标准的 1 2脉动换流器表示为4个串联的3 脉动桥，并且采用附加电容来模拟换 流变压器杂散电容的影响，从而更准确地反映了直流线路中3 k ( k 为奇数)次谐波 的传输特性，取得了良好的计算效果。 1 . 2 本文的主要工作 本文以葛洲坝一上海直流输电工程为原型，成功地完成了对其直流侧谐波干扰 以及直流滤波器的性能和定值的仿真计算。本文主要做了以下工作: 1针对葛上直流输电工程，对直流滤波器的选型进行了分析研究，提出了较为 合理的直流滤波器配置方案。 2深入学习和理解三脉动模型理论，并应用该模型对葛上直流输电工程的直流 谐波进行了分析计算。 3利用 a b b公司的h a p平台编译模型程序进行葛上直流输电工程直流滤波器 的校核工作，对各种运行方式下的直流滤波器的性能和定值进行了分析计 算。 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 分析、研究了葛上直流输电工程直流侧 1 8 次谐波放大问题以及解决措施。 对葛上直流输电线路直流滤波器和平波电抗器的接线方式进行比较分析。 6对葛上直流输电线路直流滤波器之间的组合问题进行研究。 华北电力人学 ( 北京)硕士学位论文 第二章 直流滤波器的设计准则 2 . 1直流滤波器的设计准则 直流滤波器的设计准则为:在满足可以接受的谐波水平前提下，使直流滤波器 的投资费用最少。 2 . 1 . 1谐波对通信系统的干扰 直流输电系统中直流架空线上谐波电流的主要危害是其对线路附近通讯电话 线路的噪声干扰。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， 其主要频率在音频范围内。 由谐波电压通过容性藕合和由谐波电流通过感性和阻 性祸合会使电信线路中的音频电话回路产生杂音，降低了通话质量，即产生所谓的 电信千扰。 衡量通信线路的传输质量通常采用 “ 信噪比” 。由于电力线路和通信线路的相 对传输功率水平相差悬殊，前者以兆瓦计，而后者以毫瓦计。电力网中不大的不平 衡音频分量，祸合到金属通信线路上，就容易产生相当大的噪音电压。 通信线路上的谐波噪音干扰是由以下三个因素综合起来产生的:首先是电力线 路谐波电流或电压的大小;再就是电力线路和通信线路的藕合途径;还有就是通信 回路对谐波干扰的敏感度，它取决于回路及附属器件的特性，也包括人的听觉对不 同频率的灵敏度。 电力线路谐波电流和谐波电压的存在以及相对大小通过后面章节的计算可以 得到。 通信线路上谐波干扰传入的途径主要是:电力线路对通信线路的电磁感应祸 合;电力线路对通信线路的静电感应祸合;电力线路对通信线路的传导祸合。 电磁感应祸合是指由于电力线路中电流产生交变的磁场，在邻近的电话线路上 将感应出一个纵向电势，其大小和电力线路上残余电流 ( 不平衡电流)以及电力线 路和电话线路间的互阻抗有关。 纵向静电感应是指在导线之间以及导线对地间产生的静电感应，这主要和电力 线路的对地电压 ( 残余电压)以及电力线路和通信线路对地祸合电容有关。 传导祸合是由电力系统在不平衡运行状态下，残余电流流入大地而形成的。 对于直流输电系统，在双极平衡运行方式下，通过接地极、中性母线接地电容 以及杂散电容流入大地的不平衡电流小，因而对通信线路的干扰较小;在双极不平 衡方式以及单极方式下，这些地模式电流增大，在接地处的局部范围内引起大地电 位升高，通过上述的藕合对通信线路产生千扰。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 . 1 . 2谐波干扰水平的标准 谐波的干扰水平用杂音电势，即由各谐波电压或电流折算到 8 0 o h z 时合成的电 话线上等效感应电势来衡量。杂音电势又叫横向感应电势，我国允许的杂音电势的 标准是: 单线电话不应超过3 0 m v ， 双线电话不应超过4 .5 m v( 设有增音站) 和 1 0 m v ( 未设增音站) 1 3 1 。 北美的相应标准是上述情况下感应电势均不超过0 . 6 2 m v ， 国际 电报电话咨询委员会 c c i t t )推荐 0 .5 m v 3 1 ，相比 之下国外标准要严得多。上述 标准给出的是通讯线路上感应电势的限值， 电力部门在设计、 规划时应用并不方便， 须将其转变成对输电线路上产生谐波量值的限值。一般来说，好的干扰标准具有两 个特点，一是有明确的物理含义且其数值能很好地反映干扰表现的程度;二是能进 行现场测试以检验按此标准进行的工程设计是否与现场运行实际相符。 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”值作为限制直流谐波水平的标准 13 1等效干扰电流的定义如下:线路上的所有频率的谐波电流对邻近平行或交叉的 通讯线路所产生的综合干扰作用与某单个频率 ( 8 0 0 h z )的谐波电流所产生的干扰 作用相同，这个单频率谐波电流就称作等效干扰电流。其表达式为 1 ,q = 、 艺h 子 月 zp i ,;2 ( 2 一 1 ) 其中 ， i e 。 为i 点 等 效 干 扰电 流， 单 位 为m a . h ， 为” 次 谐 波 频 率 下 开 放 裸 导 线 的 祸 合 系数，只为n 次 谐波频率下的 视听加权系数，i 。 为n 次谐波电 流，n 为 谐波次 数。 等效干扰电流 与电话线路感应杂音电势的关系为: u二 k _ 。 、 艺鲜p z h一 k z * i e4 ( 2 一 2 ) 式中u为 直流 线 路中i 点 谐 波电 压对电 话 线路 产生的 干 扰电 压， 单 位为m v , k : 为 直流传输线与电话线间的祸合阻抗。 等效干扰电 流 算式中 的 祸合系数h f 随 直 流输电 线与附 近各电 话 线的 平行 或 交 叉线段长度、距离及大地电阻率不同而不同，可以具体反映出某一段特定直流输电 线对其附近各条通讯线的干扰程度。 视听加权系数p是c c i t t 规定的反映频率与听 力敏感程度关系的系列数值。国内外近期建设的直流工程均采用此参数作为衡量谐 波水平的标准，按照对谐波水平高低的要求，等效千扰电流可以分为三档，即高水 平:1 0 0 - 3 0 0 m a ，中等水平:3 0 0 - 1 0 0 0 m a ，低水平:大于 1 0 0 0 m a 1 3 1 e 不同的直流输电工程，由于各种参数的不同，谐波水平的标准只能分别研究。 葛上直流输电工程谐波水平的标准是:在沿直流线路走廊的任意位置和两端接 地极引线走廊的任意点，等效干扰电流值不得超过下述要求: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 双极 运行方 式: i e4 5 单极大地回路运行方式: 5 0 0 ma 1 eq 1 0 0 0 m a 2 .2直流滤波器 在换流器的直流侧主要是利用串联的平波电抗器来减小直流谐波。如果直流输 电线路是电缆线路，则在换流器的直流线路侧不需要加装滤波装置。这是因为电缆 的外皮对直流谐波在通信线路中所感应的杂音起着良好的屏蔽作用。但是对于架空 的直流输电线路就需要另外加滤波器装置。直流滤波器分为无源滤波器和有源滤波 器两种 。 2 . 2 . 1无源滤波器 无源滤波器也称为 l c滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而 成的滤波装置t6 ) 。直流无源滤波器通常又分为单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调 谐滤波器和高通滤波器等几种，实际应用中通常将几组滤波器组合使用。 1单调谐滤波器 图2 -1 ( a )所示为单调谐滤波器的电路原理图。滤波器对n 次谐波的阻抗为; z , = r + j ( n t o , l 一 1 / n o o , c ) ( 2 - 3 ) 式中， ( o , 为 额定工 频角频率。由 上式画出 滤 波器阻 抗随 频率变 化的 关系曲 线 如图2 一 l b 所示。 谐 振次 数n 。 为 n 。 一 1/ 码 寸 王 万( 2 - 4 ) 在谐 振点 处z = r， 因 为r很小，。 次 谐 波电 流 主要 流入 单调谐滤波器; 而 对 于 其他次 数的 谐波， 因为z 。 很大， 滤波器分 流很少。 简单 地说， 只要将滤波器的 谐 振次 数n 。 设 定 为 与需 要 滤除 的 谐 波次 数。 一 样， 则 该次的 谐 波将 大 部 分 流 入 滤 波 器， 从而 起 到滤除该次谐波的日的。 一 耐1一1 一 一 一 一 二一 卜 ( a ) ( b ) 图2 -1单调谐滤波器电路及阻抗频率特性 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 单调谐滤波器的优点是参数配置简单，如滤波器有故障时可分别退出故障滤波 器， 系统和其余滤波器仍能照常运行。 缺点是当谐波标准较严时， 滤波器组数较多， 占地面积大，成本较高。 2双调谐滤波器 双调谐滤波器电路如图2 -2 ( a )所示。它有两个谐振频率，同时吸收两个频率的 谐波，其作用相当于两个并联的单调谐滤波器。 对于双调谐滤波器的串联主回路，其回 路阻抗为: z , = r , + j ( m, 一 1 / 0 ) c , ) ( 2 -5 ) 串联回路具有单调谐的性质，谐振频率为: f o , = 1 / 2 )r 扛, c , ( 2 - 6 ) 对于并联回路谐振频率，由于电容和电抗的内阻较小，所以 几 : = 1 / 2 7 r v l 2 c 2 如果选定了 双调谐滤波器的两个谐振频率为丸 和几 ( 2 一7 ) ， 那么串联回路的谐振频率一般 落 在f 和f 2 之 间 ， 可 以 取 f o i = 召 而丁 ， 而 且 并 联 回 路 的 f o e 一 f o i 0 图2 -2 ( b )示出了双调谐滤波器的阻抗频率特性。 iz l( q ) / / 一 ciliri f ( hz ) ( a )( b ) 图2 -2双调谐滤波器电 路及阻抗频率特性 双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比， 其基波损耗小，且只有一个电抗器 ( 即串 联回路电抗器) 而不是两个电抗器承受全部的冲击电压。 对于大多数的直流输电工程来 说， 双调谐滤波器的滤波效率高， 运行操作灵活， 一组滤波器故障时另一组仍可以投入 并保持直流系统的正常运行。 3三调谐滤波器 图2 -3 为三调谐滤波器的电路图。 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 hv dc 母 线 气与 q-q 中 性 母 线 1 2 / 2 4 / 3 6 w 图2 -3 调谐滤波器电路 对于三调谐滤波器，其特点是集多次滤波为一体，效率更高，占地小， 但是这种滤 波器结构比较复杂，调谐困难。 在工程上采用两组三调谐滤波器费用很高，只采用一组 三调谐滤波器的时候，一旦滤波器出现故障，没有备用，所以应用很少。 4高通滤波器 高通滤波器也称为减幅滤波器， 其结构简图及阻抗频率特性如图2 - 4 。 二阶高通滤 波器的阻抗为: z = 1 l j n o j , c + ( 1 i r + 1l j n . , l ) - ( 2 - 8 ) 由高通滤波器的阻抗频率特性曲线可以看到， 该曲线在很宽的频带范围内呈现为低 阻抗，形成对次数较高谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高通滤波器。 高通滤波器一般和单调谐滤波器或者双调谐滤波器配合使用。 lz l( g2 ) 、.、 f ( hz ) ( a ) ( b ) 图2 -4二阶高通滤波器电路及阻抗频率特性。 5中性母线滤波器 中性母线滤波器的设置是为了给三脉动电压源产生的通过杂散电容的谐波提供在 日 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 站内的回流路径。 这个滤波装置就是给一个较宽的频率范围内的谐波提供一个低阻抗的 路径。由于中性母线的电压水平相对较低， 所以最经济的办法就是在中性母线和地之间 接上一个大电 容， 通常这个电容的 取值在 1 0 u f 和5 0 # f 之间。 在考虑直流滤波器的 性 能的时候，这也是必须要注意的一个环节。 2 . 2 . 2有源滤波器 有源滤波器的发展最早可以追溯到二十世纪6 0 年代末，1 9 6 9 年b . m. b i r d 和j . f . ma r s h发表的论文中描述了通过向交流电网注入三次谐波来减少电源电流中的谐波成 分，从而改善电源电流波形的新方法，是有源电力滤波器基本思想的萌芽。1 9 7 1年， h . s a s a k i 和t . ma c h i d a 发表的论文中，首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理。 但是由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流， 其损耗大， 成本高，因而只在实验 室研究， 没有在工业上应用。1 9 7 6 年， l . g y u g y i 等人提出了采用p wm控制变流器构 成的有源滤波器， 确立了有源电力滤波器的概念， 但是由于当时电力电子技术的发展水 平还不高，全控型器件功率小、频率低，因而也只是局限于实验研究。进入 8 0年代， 随着电力电 子技术以 及p wm控制技术的发展， 对有源滤波器的研究逐渐活跃起来7 l 应用在高压直流输电工程上的直流有源滤波器通常和无源滤波器配合使用， 它的原 理为:换流器产生的谐波电流首先由平波电抗器限制， 然后再由调谐无源滤波器谐振短 路限制谐波电流，但是由于调谐滤波器的调谐频率有限， 滤波器存在失谐， 仍然有一部 分谐波电流流入直流线路;有源滤波器在直流线路上通过传感器检测到谐波电流信号， 这个信号传输到控制单元，由控制单元控制，通过p wm环节和高频变压器，产生谐波 电压源， 这个电压源产生的谐波电流通过无源滤波器和旁路开关进入直流线路，由于有 源滤波器产生的谐波电流相位和换流器产生的谐波电流的相位相反， 所以线路上的谐波 电流得到了补偿。 1 9 9 1 年在丹麦和瑞典之间的直流输电工程采用了直流有源滤波器， 其电路简图如图 2 一 5 8 1 所示。 有源滤波器的优点是滤波效果显著， 其滤波效果不受系统频率变化和设备参数的影 响，占地面积也小。 但是对于大功率、高电压的直流输电系统， 有源滤波器的绝缘要求 高，投资较大，其技术在实际工程中应用较少。 直流无源滤波器和有源滤波器随直流线路谐波等效干扰电流的投资关系曲线如图2 -6所示，由图可以看出，对等效千扰电流的要求越高，有源滤波器的投资就比无源滤 波器的投资要低。这是由于对于严格的等效干扰电流的要求，需要更多的无源滤波器， 它的投资上升就很快。 但是仅仅由有源滤波器来承担滤波任务的话， 将导致有源滤波器 的容量加大，损耗增加。所以一般采用两种滤波器混合使用的滤波方案。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 h曰丽健们佑 c u妞旧们1 t h 1 1 t r a p ; 浏 . 的 里 dc 七白 . 钧n ， l 的e 。 ， ， 竹 _ _ 1 h v oc 口 j 勺 v. e l e c tr o d e l i n e 图2 -5直流有源滤波器电路简图 f i l l e r cost 户 a s s i v e 1 9 如r 钾 . 钾 一一-， 一八 div e f il t e ral l o wa b l e i n t e rf e r e n c e 一le v e l 图2 -6有源、无源滤波器投资额与允许等效干扰电流的关系 2 . 3葛上直流输电工程直流滤波器的选择 山以上的直流滤波器的种类和特点可以看出， 单调谐无源滤波器的结构简单， 滤波 器之间互相影响小，但是需要采用的滤波器较多，投资大，占地面积大;三调谐滤波器 结构复杂， 实现调谐困难， 而且在出现故障后没有后备; 高通滤波器适合滤除高次谐波， 需要与其它形式的滤波器配合使用; 而双调谐滤波器调谐性能好， 操作灵活，采用两组 使用时能够互为备用;对于有源滤波器的使用，由于现代的通讯设备抗干扰能力加强， 对直流线路谐波等效干扰电流水平的要求也相应下降， 从上面的葛上直流输电工程的谐 波水平的标准可以看出它处在低水平的谐波标准范围内， 所以采用有源滤波器的投资将 比无源滤波器的投资要大。 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 通过分析， 葛上直流输电工程宜采用两组双调谐滤波器的较为合适， 一般采用一组 1 2 / 2 4滤波器和一组 1 2 / 3 6 滤波器组合。 滤波器组加上平波电 抗器和中性母线接地电容 构成了直流侧的滤波系统，其接线方式见下图: 1 2 / 2 4 滤波器1 2 / 3 6 滤波器 l d代 一 1 ， 二l d l/ ci 一 别一 t l2t - -工- 0 c 图2 - 7葛上直流输电工程直流滤波系统示意图 图中，l d = 0 . 1 5 m h ， 为平波电 抗器， c o = 6 u f ，为中胜 母线接地电 容。 滤波器参数如 下 表: 滤波频率 1 2 / 2 4 1 2 / 3 6 表 2 一1葛上直流输电工程直流滤波器参数 面微 法 ) c 2 ( 微 法 ) i l l ( 毫 亨 ) i l 2 ( 毫 亨 ) 3 旦 .9 3 7 7 . 8 6 1 9 . 2 2 1 0 2 . 9 5 r l ( 欧姆) 5 0 0 华北电力人学 ( 北京)硕十学位论文 第三章 三脉动模型原理 3 . ，换流站模型的发展 换流站是高压直流输电系统的谐波源， 对于高压直流输电系统的仿真很重要的一部 分就是建立一个精确的换流站模型，由其来模拟换流站所产生的谐波电压， 从而进一步 分析线路上谐波的分布情况。 直流滤波器性能计算中传统的方法是将 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。1 2 脉动模型的原理图见下图: 图3 一1 1 2 脉动模型 对高压直流输电工程 ( 例如i p p 直流输电工程)谐波的实际测量发现，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 为整数)谐波电流，而传统方 法 计算的 则主 要为1 2 k 次( k 为自 然数) 谐 波电 流 s 1 。 这 表明 传统 模型 忽略了3 ( 2 k + 1 ) 次 ( k 为整数)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 华北电 力大学 ( 北京) 硕十学位论文 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。 3 . 2三脉动模型 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祸合电容，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。 兰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19 1 。三脉动模型的结构图如下: 仙 % p i l l 州 u y t t - r / t l u m ( 卜粉拉 ; .、t t . vi z ; 曰 肠( i - i 明x ) n、t t = n u l 图3 -2由三脉动模型组成的 1 2 脉动换流桥模型 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， 其值为每个换流桥换相阻抗的平 均值，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。 洲 图3 一3由3 脉动模型组成的6 脉动换流桥模型 其中 “ 。 .、( ，) 一 u= 0 (c o s a + c o s (5 ) + 恤 4 4 艺( 一 ) k ( a 3 k c o s 3 k o x + b 3 k s in 3 k cax ) ( 3 一1 ) 式中 u d 为 理 想空 载 直流电 压，a 为 触 发角，8 = a + ,u , ,u 为 换 相 角。 华北电力大学 北京)硕士学位论文 = c o s a ( 1 + 3 k ) + c o s 8 (1 + 3 k ) + c o s a ( 1 一 3 k ) + c o s 8 ( 1 一 3 k ) ( 3 一 2 ) 1 +3 k b , ; 二 业a ( 1 + 3 k )匕s in 8 ( 1 + 3 k ) 十 1 +3 k 1 一3 k s i n a ( 1 一 3 k ) + s i n 8 ( 1 一 3 k ) ( 3 一3 ) 1 一3 k 每个6 脉动桥电压波形和相应的三脉动电压波形如图3 -4 : 舍 u 蓄 u 台 3 v ， 口 口 图3 -4 6 脉动桥电压波形和相应的三脉动电压波形图 在此， 把每个电压源产生的谐波称为特征谐波。 这里指的特征谐波不是经典理论所 说的1 2 脉动换流桥所产生的1 2 k ( k 为自 然数)的谐波， 而是指代表三脉动模型产生的 “ 特征谐波” 。这些特征谐波是在下列假设条件的前提下计算的，即:交流电压严格相 差基波周期的三分之 一 ;直流电流没有波动 ( 即平波电抗器为无穷大) ;触发角间隔相 等;三相的换相阻抗相等。 四个三脉动电压源串联等效为一个 1 2 脉动的电压源， 只产生理想的1 2 k ( k 为自 然 数)次谐波，其他谐波，例如3 , 6 , 9 , 1 5 等由于相移的关系而相互抵消。 模型中电抗的计算公式如下: l = x l , ( 3 -4 ) d x = 3 c o l , i d ,1 9 l u a ,_ 6 脉动换流桥的换相电感 ( 3 一5 ) l , 为每一个 ，/ a n 为 额定 直流电 流，u e io n 为6 脉动 换流桥 的额定理想空载直流电压，d x 为等值换相电阻，数值为百分数。 特征谐波是在上述假设条件下得到的， 实际中这些理想情况很难完全达到，于是出 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 现了特征谐波以外的其他次数的谐波， 这些次数的谐波通常比特征谐波要小得多， 称为 非特征谐波。 非特征谐波主要由以下因素引起: 换流变压器相间阻抗不平衡;换流变压 器变比不同;触发角不对称;交流电压的不平衡和畸变。 换流变压器相间阻抗的不平衡通常会引起偶次谐波的增加; 换流变压器变比的不同 对于谐波电压的产生影响较小; 触发角的不对称将引起各次谐波的增加;交流电压的不 平衡通常是指它含有负序电压分量， 会影响触发角和换相角的大小， 对于一个p 脉动的 换流桥， 它会在直流侧产生如n = k p 1 2 , k = 0 ,1 , 2 , 次的谐波， 例如对于1 2 脉动换流桥， 在直流侧会产生2 , 1 0 , 1 4 , 2 2 , 2 6 等次的谐波。 这些非特征谐波的计算还是在假设交流侧电压是正弦波的情况下进行的， 对于实际 情况中， 交流侧提供的电压是有畸变的，由于交流侧滤波器的限制， 这些畸变就变得小 了。但是，在直流侧的谐波水平被限制到一个较小的水平，例如等效干扰电流小于 2 0 0 m a , 那么这些由于交流侧电压畸变所产生的直流侧的谐波就显得相对大起来了。 交 流侧的h波通过换流站转化到直流侧， 有着这样的变化， 例如一个负序的交流侧5 次谐 波将在直流侧产生6 次谐波， 而交流侧正序的7 次谐波也将在直流侧产生6 次谐波。 通 常情况下， 只有交流侧的谐波有足够大的电压幅值才能对直流侧谐波产生大的影响， 而 5 次和7 次是通常要考虑的。所以通常考虑把这种交流侧电压畸变对直流侧谐波的影响 主要计算成6 次谐波，其峰值最大约为理想空载直流电压的1 %。直流侧非特征谐波电 压用下 式计算: 非特征谐波电 压次数为k p 士 ( m - 1 ) ( 3 - 6 ) 幅 值 为 (石 e m 1 6 )r ) x ( p 1 ! p k 干 1!) ( 3 - 7 ) 其中p 为换流器的脉动数，m 为交流谐波电 压次数。 对应正序谐波，m 取正值， 对 应负 序谐波， m 取负 值，e ， 为 交流谐波电 压幅 值， k 为 使非 特征谐波电 压次 数为非负的 整数。 在谐波计算中，三脉动模型产生的谐波应该包括特征谐波和非特征谐波。 3 . 3三脉动模型中谐波电流的流动 直流输电 运行方式不同三脉动模型中谐波电流的流动方式也不一样， 对通信造成的 影响随之不一样。 3 . 3 . 1双极平衡方式 双极平衡运行方式下，每个三脉动模型的谐波电压间的相位关系如图 3 -5所示。 各谐波电 压可以 分为四 类19 1 ( 1 )奇次谐波:3 , 1 5 , 3 7 . . . . . . . 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 ( 2 )奇次谐波:9 , 2 1 , ( 3 )偶次谐波: ，6 , 1 8 , ( 4 )偶次谐波:1 2 , 2 4 , 3 3 , ” 二 . 3 0 , 3 6 , 、. (40 丫. (30 、j. 份0 、. 00 807090 ，走2 扫 9 0 0 态 2 7 0 0 1 8 0 , 1 8 0 0 9 0 2 7 0 0 1 8 0 0 d 0 扫 曰 2 7 0 0 9 0 0 1 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 8 0 0 1 8 0 0 0 0 0 图3 -5双极平衡运行方式下各三脉动模型中谐波电压间相位关系 从上图的相位关系我们可以分析出双极平衡运行方式下谐波流动的特性: ( 1 )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 ( 见图3 -6 ) 。这种方式的谐波电流对通信的影响是轻微的。 图3 -6双极平衡运行方式下偶次谐波电流流动方向 ( 2 )奇次谐波: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 -7 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。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 口钱屏气萍外洋( 图3 -7双极平衡运行方式下奇次谐波电流流动示意图 ( 3 )流过杂散电容的电流会在模型里的电感中产生残余压降。偶次谐波电压对应 于极线模式，奇次谐波电压对应于地模式。 3 . 3 . 2双极不平衡运行方式 当双极不平衡运行时， 两极的谐波电压源就会在幅值和相位上有所差异， 从而改变 三脉动模型里的谐波流动，具体表现为: ( 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 )奇次谐波，在杂散电容中流动的容性电流的幅值和相位有所改变。 因此， 双极不平衡运行方式下的接地谐波电流大于双极平衡运行方式下的接地谐波 电流，对通信线路的干扰也大于后者。 3 . 3 . 3单极运行方式 在单极运行方式下和双极运行方式下的电压源没有什么不同， 但是对于偶次谐波一 极产生的电流没有从另一极返回的回路， 这样通过杂散电容的地模式的电流将包括所有 的3 n ( n 为自 然数)次的谐波，所以在直流输电工程中单极运行方式下谐波对通信的干 扰最大。 单极运行方式又分单极大地回路运行方式和单极金属回路运行方式， 在单极大地回 路运行方式下， 由于中性母线接地电容和接地极可以提供杂散电容中残余电流的回流路 径， 使得一些谐波没有流入极导线上，不会造成极导线对地残余电压的升高。 而对于单 极金属回路运行方式下， 为了固定直流系统中的线路和设备的对地电位， 只有一个换流 站有接地极， 从而流入极导线的残余电流增加， 使得在单极金属回路运行方式下对通信 的干扰比单极大地回路运行方式要大。 华北电力人学 ( 北京)硕 e : 学位论文 第四章 葛上直流输电工程直流滤波器校核计算 由于葛洲坝一上海直流输电工程控制和保护系统进行了改造， 需要对改造以后的直 流滤波器进行校核，以检查直流滤波器的性能和定值是否在规定的范围之内。 在校核计 算中利用三脉动模型来计算换流站产生的谐波。 4 . 1葛上直流输电工程改造项目直流滤波器校核要求 葛上直流输电工程改造项目中直流滤波器校核计算的规范如下1 1 0 1 4 . 1 . 1总的要求 由于高压直流换流器在直流侧产生谐波电压， 导致谐波电流流过高压直流双极线路 和接地极线路， 承包商应为两端换流站提供直流滤波器以限制谐波电流的干扰作用， 保 证高压直流换流站的正常运行。 承包商还应提供滤波器投切和隔离所需的开关，以及相 关的所有控制和保护设备。 直流滤波器性能和定值的计算将以承包商所确定的元件参数、 失谐条件和谐波电压 和电流值为基础。 如果在规范书所规定的条件下，实际制造的设备参数、换流器所产生 的实际谐波电压或者由此导致的谐波电流计算结果超出设计限制， 承包商应采取一切必 要的措施以满足规范要求。 在所有规定的运行方式下， 用于投切滤波器支路的开关应有能力投入或切除直流滤 波器支路而不影响所连接极的功率输送。 对于失谐、 直流滤波器内谐振、直流滤波器臂和高压直流回路、接地极线路之间发 生谐振等任意运行条件的组合，只要换流站阀组仍能持续运行， 直流滤波器元件都不应 过负荷。 4 . 1 . 2直流滤波器性能要求 直流滤波器、 中性母线接地电容器或滤波器设计中对滤波性能的考核应以 等效干扰 电流的计算值为基础。 对于ft 流滤波器的计算， 应采用规定的直流线路和接地极线路的结构、尺寸、导线 参数、土壤电阻率、系统内阻抗 ( 包括杂散电 容) 、影响直流平波电抗器电感值的所有 因素。 有关换流器谐波电动势和直流滤波器失谐量的计算。一 般原则是采用连续稳态运行 期间较特殊的，但实际可能发生的最严重的组合情况，以计算等效干扰电流的最大值。 在等效干扰电流的计算中应考虑所有直到 5 0次的谐波电流，等效干扰电流的计算 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 应以每端换流器谐波电压源的 “ 最严重组”为基础。 这一 “ 最严重组”定义为在任意特定的运行方式下产生的一组谐波电动势，引起持 续时间大于 1 0 分钟的最大的等效干扰电流。 在计算中，要考虑换相电抗的相间不平衡和触发角的不对称、交流母线电压的工频 负序分量、 交流母线电压原有畸变、阀中直流电流的纹波和从并联交流系统感应到直流 极线中的5 0 赫兹电流、流过换流变压器5 0 0 k v交流接地绕组的直流电流、 换流设备的 杂散电容的影响。 直流滤波器的滤波性能在滤波器臂失谐的情况下仍应满足规范要求。 承包商应提出两个直流滤波器的设计， 在沿直流线路走廊的任意位置和两端接地极 引线走廊的任意点，等效干扰电流值不得超过下述要求: 设计 a 运行方式允许的最大等效干扰电流 ( m a ) 双极方式 ( 每极从最小功率到6 0 0 mw) 5 0 0 单极大地回路方式 ( 从最小功率到6 0 0 mw) 1 5 0 0 设计 b 运行方式允许的最大等效干扰电流 m a ) 双极方式 ( 每极从最小功率到6 0 0 mw) 1 5 0 单极大地回路方式 ( 从最小功率到6 0 0 mw) 4 5 0 对于所有其它实际可能的运行方式， 承包商应计算最大等值千扰电流并将计算条件 和结果以报告的形式提交给业主。需要考虑的运行方式包括: ( 1 )双极运行，两站中的一个站任意一台直流滤波器退出运行。 ( 2 )单极金属回线运行方式，所有直流滤波器投运或一台滤波器退出运行。 ( 3 )单极大地回路运行，一台滤波器退出运行。 ( 4 )单极大地回路运行，输送直到该极的 2小时过负荷功率，该极所有的直流滤 波器投运。 ( 5 )双极运行，一 极降压或双极降压，所有直流滤波器投运。 ( 6 )双极全压运行，直到2 小时过负荷能力，所有直流滤波器投运。 4 . 1 . 3直流滤波器定值要求 电容器、电抗器和电阻器的额定值中应考虑直流和从基波到5 0 次谐波的应力。 计算直流滤波器元件额定值时应作如下假设; 各极的每次谐波电压分量分别在特定 的运行方式达到其最大值， 由两端谐波电压引起的滤波器元件的电压应按每次谐波分量 的矢量和相加。 在选择直流滤波器元件的额定值时， 应考虑任意一个换流站的任一极中的任意一台 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 直流滤波器退出运行， 直流双极能运行在最小功率直至2 小时过负荷功率范围内的任何 传输功率。 对于所有其它运行模式，当1 台直流滤波器退出并且换流器运行在对应方式 的最小功率到固有的最大功率之间的任一功率水平时， 直流滤波器元件也应有足够的额 定值。 应留有适当的裕度以适应直流滤波器之间谐振而可能引起的电流放大。 在计算直流滤波器元件额定值时，要考虑直流线路和接地极线路长度士1 0 %的误 差。在谐波电压和直流滤波器失谐的计算中， 应考虑规定的交流系统电压和频率变化随 持续时间的函数关系。另外， 在直流滤波器失谐的计算中， 应考虑允许直流滤波器保持 运行的最大电容器单元或元件损坏水平。 4 . 2直流滤波器校核计算参数 ( 1 )交流系统条件 电压变化范围 葛洲坝:正常5 0 0 k v - 5 2 5 k v , 极端4 7 5 k v -5 5 0 k v 南桥:t常2 2 0 k v 2 4 2 k v , 极端2 0 0 k v -2 5 4 k v 频率变化范围 正常 4 9 . 8 h z -5 0 . 2 h z 事故后 4 9 h z - - 5 0 .5 h z 交流电压负序分量 1 . 1 1 交流电压畸变的影响 换流变压器短路阻抗巧% 换流变杂散电容c e l =l o n f c e 2 =1 0 n f 换流 变 抽头 范围葛 南5 2 5 - e %南 桥2 3 0 - ;黔 ( 2 ) 直流系统条件 直流额定功率 1 2 0 o mwi 6 0 o mw ( 双枷 单极) 最小额定功率3 0 0 m w/ 1 5 0 mw 双极/ 单极) 直流电压:额定士 5 0 0 k v ，降压土 3 5 0 k v 额定直流电流:1 2 0 0 a 最小电流:1 2 0 a 过负 荷能 力: 2 小 时l . l p u , 1 0 秒， 1 .2 5 p u 降压运行电压值:士 3 5 0 k v ，电流达额定电流 直流线路导线4 x l g j q - 3 0 0 , 1 0 4 6 k m 直流线路地线g j - 7 0 地极线路导线 ( 两侧)2 x l g j q - 4 0 0 , 3 8 k m 2 0 华北电力人学 ( 北京)硕士学位论文 地极线路地线g j - 5 0 接地极电阻 葛洲坝:0 . 2 5 d 2 ，南桥: 0 . 1 s 2 换流阀，每极一组 1 2 脉动阀组 平波电抗器2 x 1 2 0 m h( 每极) 中性点冲击电 容器， 每极6 u f 最小触发角5 0，最大值5 7 . 1 最小熄弧角 1 8 0，最大值5 7 . 1 0 不对称因素 负序电压分量 1 . 1 1%定值计算时取2 . 2 2% y i d绕组阻抗不平衡 1% 相间阻抗不平衡 i % 触发角误差 0 . 1 y l l 变比不同0 .3 6 对双极运行还应考虑: 极间直流电流不平衡 0 . 5 极间直流电压不平衡 0 .5 yo 极间换流变阻抗不平衡 1 % d x 滤波器失频 电抗器 1 % 电容器 1 . 4 1 % ( 3 )直流系统运行方式 全压双极正向 运行，电 流从o . l p u 到1 .2 2 5 p u 降压双极正向 运行，电 流从0 . 1 2 p u 到0 . 8 3 p u 全压双极反向 运 行， 电 流从o . l p u 到1 .0 7 5 p u 全压单极大地回路正向 运行，电 流从o . l p u 到1 . 2 2 5 p u 降 压单 极大地回 路正向 运行，电 流从0 . 1 2 p u 到0 .8 3 p u 全压单极大地回路反向 运行，电 流从o . l p u 到1 .0 8 4 p u 全压单极金属回路正向 运行，电 流从o . l p u 到1 .2 2 5 p