（电力电子与电力传动专业论文）vschvdc与平行架设交流线路电磁感应分析及抑制策略研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t m 7 21 3 u d c ：6 2 1 3 i i i ir l il i l ti l li rillf 17 9 7 2 6 2 d i s s e r t a t i o nf o rt h ed o c t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g a n a l y s i so fe l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n ge f f e c t sf o rv s c h v d cw i t hp a r a l l e l e da ct r a n s m i s s i o ns y s t e m a n di t sm i t i g a t i o nm e a s u r e s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e n c e ： d i n gh u i p r o f x i a ox i a n g n i n g p r o f h a nm i nx i a o d o c t o ro f e n g i n e e r i n g p o w e re l e c t r o n i c sa n dd 打v e s s c h o o lo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c l 三n g n n e e n n g j u n e ，2 0 1 0 d e g r e e - - c o n f e r r i n g - i n s t i t u t i o n ： n o r t h c h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y 华北电力人学博+ 学位论文 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文v s c h v d c 与平行架设交流线路电 磁感应分析及抑制策略研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：珲日期：叫 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：詈卑 日飙叫 导师签名： 华北电力大学博十学位论文 中文摘要 架设新的输电线路由于环境及生态等原因越来越困难。而随着大功率全控电力 电子器件的发展及电压源型直流输电的工程应用，可在输电走廊资源有限的情况 下，将现有双回交流输电线路的一回改造为电压源型直流输电，充分利用交流输电 的网络功能及直流输电灵活可控的优势，提高已有系统的传输能力，增强系统的稳 定性。对于这种即将出现的电压源型输电线路与已有的交流输电线路平行架设情 况，必须深入分析电磁耦合感应电压电流对直流输电的影响，防止耦合分量对直流 输电运行造成的危害。本论文对这种类型的交直流基频耦合进行深入的分析。 1 )交直流平行架设多导体分布式频变参数及端口理论 考虑了多导体单位长度原始参数的影响因素，包括平行架设交直流线路接近距 离、导体分裂数、架空地线雷电保护角、大地电阻率、多导体线路参数等。通过波 过程理论及均匀传输线波动方程，求解频域下多导体均匀传输线线路两端电压电 流，并展开不同换位方式下平行架设交直流传输线端口电压电流关系研究，为电压 源型直流线路与平行架设交流线路基频感应电压电流参数分析提供理论指导。 2 )交直流平行架设系统电磁感应边界条件分析 基于开关函数及调制理论，推导电压源型直流输电换流器直流侧基频等值电路，将 其作为分布式参数传输线方程的求解边界条件，与分布式参数多导体传输线方程联立求 解，准确计算直流线路两端基频电磁感应电压电流。并指出了电压源型与电流源型换流 器直流侧基频等值阻抗的不同，为交流线路转换成电压源型直流输电线路( v s c h v d c ) 或电流源型直流输电线路( l c c h v d c ) 提供工程指导。 3 )交直流平行架设系统电磁感应参数分析 通过分布式传输线方程与边界条件方程联立求解，讨论了平行架设交直流传输 线基频电磁感应与传输线参数、直流系统参数及接入交流系统参数的关系。对影响 平行架设交直流传输线基频感应电压电流以及因此而造成的直流偏磁进行频域参 数分析，指出交直流线路接近距离及线路换位方式是直流偏磁的最大影响因素，并 给出了换流器调制比与直流偏磁的关系。 4 )交直流平行架设系统直流偏磁抑制策略 根据电压源型换流器的灵活可控特点，着重分析了直流换流器抑制交直流基频 电磁耦合分量的调制策略。通过理论分析，指出换流器幅值调制及单频角度调制的 关系。使用电磁暂态仿真程序p s c a d e m t d c ，针对直流换流器通过变压器馈入系 统及直接馈入负荷两种方式，对本文提出的直流分量反馈调制策略及有源滤波调制 策略进行仿真验证。 关键词：电压源型高压直流输电，基频电磁耦合，直流偏磁，调制策略 华北电力大学博士学位论文 a b s t r a c t s i t i n go fn e w t r a n s m i s s i o nc o r r i d o r sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yd i f f i c u l td u et oe c o n o m i c a l ， e n v i r o n m e n t a la n de c o l o g i c a lr e a s o n s a st h ed e v e l o p m e n to fh i 曲p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s a n dt h ea v a i l a b i l i t yo fv o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r s ( v s c ) a th i g h e rv o l t a g ea n dp o w e rr a t i n g s ， c o n v e r t i n go n ea l t e r n a t i n gc u r r e n t ( a c ) l i n et od i r e c tc u r r e n t ( d c ) l i n ef o rt w oc i r c u i t s t r a n s m i s s i o nl i n e s ，c a ns a t i s f yt h ei n c r e a s i n gl o a dg r o w t ha n di m p r o v et h eo v e r a l ls y s t e m r e l i a b i l i t yu s i n ga ne x i s t i n gf i g h to fw a y , a l s oc a r lm a k ef u l lu s eo f t h ea cn e t w o r ka d v a n t a g e h o w e v e r , m a n yi s s u e so fa t d el i n ec o n v e r s i o nn e e dt ob ea d d r e s s e da n di n v e s t i g a t e d c a r e f u l l y o n es u c ha s p e c ti st h a t 谢n ls u c hc o n v e r s i o n s ，t h e r ei sah i g hl i k e l i h o o do fa ca n d d cl i n e ss h a r i n gac o m m o nr i g h to fw a y t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sc o m p r e h e n s i v e l yi n s i g h ti n t o t h ei n d u c e dv o l t a g ea n dc u r r e n tf o ri n t e r a c t i o n sr e s u l t i n gf r o ma ca n dd ct r a n s m i s s i o nl i n e si n t h es a m ec o r r i d o r 1 ) f r e q u e n c yd e p e n d e n tp a r a m e t e r so fp e r - u n i t l e n g t ha n dt w op o r tt h e o r yf o ra e d c l i n e s t h ef r e q u e n c yd e p e n d e n tp e r - u n i t l e n g t ho u 1 ) p a r a m e t e rm a t r i c e so fr e s i s t a n c e , i n d u c t a n c e ，c o n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c ea r ed e t e r m i n e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha st h eg r o u n d r e s i s t i v i t y , l i g h t i n gp r o t e c t i o na n g l e ，t h en u m b e ro fs u b - c o n d u c t o r s ，t h ep a r a m e t e r so f c o n d u c t o r s ，s e p a r a t i o nd i s t a n c e ，p a r a l l e l e dl e n g t hb e t w e e nt h ea ca n dd cc i r c u i t sa n ds oo n s o l v i n gt h es e to fd i s t r i b u t e dt r a n s m i s s i o nl i n ee q u a t i o n sw i t hb o u n d a r yc o n d i t i o n sc a ng i v e a ni n s i g h t a n a l y s i sf o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n ga n dt h e t r a n s m i s s i o nl i n ep a r a m e t e r s 2 ) b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n a l y s i so fp a r a l l e l e dt r a n s m i s s i o nl i n e s u s i n gt h ea p p r o a c ho fs w i t c h i n gf u n c t i o na n dm o d u l a t i o nt h e o r y , t h ee q u i v a l e n t a d m i t t a n c ec i r c u i to ft h ev s c h v d cc o n v e r t e ra sv i e w e df r o mt h ed es i d ei sd e d u c e d s o l v i n gt h es e to fd i s t r i b u t e dt r a n s m i s s i o nl i n ee q u a t i o n sw i t ht h ee q u i v a l e n tc i r c u i te q u a t i o n s ， t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gb e t w e e na c d cl i n e sc a nb ed e t e r m i n e dp r e c i s e l y t h o u g h c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e np a r a l l e l e dh v d c a cs y s t e m sw i t hv s c b a s e da n dl i n e c o m m u t a t e dc o n v e r t e r s ( l c c ) ，au s e f u lc o n c l u s i o ni sg i v e nf o rt h ea c d cc o n v e r s i o n 3 ) p a r a m e t r i cs t u d i e sf o rd eb i a so fp a r a l l e l e da c d cs y s t e m t h r o u g hs o l v i n gt h es e to fd i s t r i b u t e dt r a n s m i s s i o nl i n ee q u a t i o n sw i t hv s c h v d c e q u i v a l e n tc i r c u i te q u a t i o n s ，t h ep a r a m e t r i cs t u d i e sf o rd eb i a so fp a r a l l e l e da c d cs y s t e ma r e c o n d u c t e d ，i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so ft r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h ev s cc o n v e r t e r s a n dt h ea cs y s t e m r e s u l t ss h o wt h a tt h es e p a r a t i o nd i s t a n c ea n dt r a n s p o s i t i o na r et h et w o 英文摘要 m a i nf a c t o r so fd cb i a s a l s ot h em o d u l a t i o ni n d e xo fv s c h v d cc o n v e r t e rh a sas u r p r i s i n g i n f l u e n c et ot h ed cb i a s 4 ) m i t i g a t i o nm e a s u r e so f d eb i a sf o rp a r a l l e l e da c d cs y s t e m u s i n gt h ec o n t r o l l a b i l i t ya n df l e x i b i l i t ya f f o r d e db yv s c h v d cc o n v e r t e r s ，c o n t r o l s t r a t e g i e sa r ed e v e l o p e dt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fa c d cc o u p l i n g t h e o r ya n a l y s i si n d i c a t e s t h a tt h em a g n i t u d em o d u l a t i o na n dt h es i n g l ef r e q u e n c ya n g l em o d u l a t i o nm e t h o d sa r et h e s a m e b o t ho ft h e ma r eu s i n gd ca n dh a r m o n i cm o d u l a t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s 1 1 1 e e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ep s c a d 王岍d cs h o w st h ee f f e c t i v e n e s so f t h e c o n t r o l s t r a t e g i e s f o rt w od i f f e r e n ts c h e m es y s t e m sw h i c hi i l f e e di n t oa cs y s t e m 、聃t l l t r a n s f o r m e r sa n di n f e e di n t oi o a dw i t h o u tt r a n s f o r m e r s k e yw o r d s ：v s c - h v d c ，f u n d a m e n t a lf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g d c b i a s ， m o d u l a t i o nc o n t r 0 1s t r a t e g i e s 华北电力大学博十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1帚一早jii i 1 1 本文的研究目的及意义l 1 2 课题研究背景及现状2 1 2 1 平行架设线路电磁感应分析2 1 2 2 基频电磁感应电压电流对v s c h v d c 系统的影响4 1 2 3 国内外研究现状5 i 2 3 i 平行架设线路电磁感应问题由来6 i 2 3 2 平行架设交流线路电磁感应相关研究7 i 2 3 3 平行架设交直流线路电磁感应相关研究8 1 2 3 4 基频电磁感应电压电流抑制措施相关研究1 0 1 3 本文主要内容1 l 第二章交直流平行架设多导体传输线参数及端口理论1 3 2 1 交直流平行架设多导体传输线参数1 3 2 1 1 分布式传输线波动方程1 3 2 1 2 多导体传输线参数计算1 4 2 1 3 多导体传输线参数计算验证1 9 2 2 传输线二端口理论2 2 2 2 1 不换位多导体传输线端口网络方程2 2 2 2 2 考虑线路换位方式的端口电压电流求解2 4 2 3 小结2 8 第三章交直流平行架设系统电磁感应边界条件分析2 9 3 1 交直流平行架设系统电磁感应边界条件2 9 3 2v s c - h v d c 系统边界条件分析3 0 3 2 1v s c h v d c 换流器开关函数调制理论3 0 3 2 2v s c - h v d c 换流器直流侧基频阻抗等值电路3 l 3 3v s c h v d c 及l c c h v d c 换流器基频等值阻抗比较3 5 目录 3 3 1l c c - h v d c 开关函数调制理论3 5 3 3 2l c c h v d c 换流器基频等值阻抗3 7 3 3 3v s c h v d c 及l c c h v d c 换流器基频等值阻抗比较3 8 3 4 仿真验证3 8 3 4 1v s c - h v d c 换流器直流侧基频等值阻抗验证3 8 3 4 2v s c - h v d c 直流线路与交流线路感应电压电流验证4 1 3 4 3l c c h v d c 直流线路与交流线路感应电压电流验证4 4 3 5 小结4 5 第四章交直流平行架设传输线电磁感应参数分析4 7 4 1v s c - h v d c 电磁感应参数分析4 7 4 1 1 交直流平行架设测试系统4 7 4 1 2 换流变压器最大直流偏磁计算4 8 4 2 最大直流偏磁参数分析4 9 4 2 1 大地电阻率对最大直流偏磁的影响4 9 4 2 2 雷电保护角对最大直流偏磁的影响5 1 4 2 3 交直流传输线平行距离对最大直流偏磁的影响5 2 4 2 4 交直流传输线接近距离对最大直流偏磁的影响5 4 4 2 5 交直流传输线换位对最大直流偏磁的影响5 5 4 2 6 换流器直流侧滤波电容对最大直流偏磁的影响5 7 4 2 7 换流器调制比系数对最大直流偏磁的影响5 8 4 3 小结6 0 第五章交直流输电线路基频电磁感应抑制策略6 1 5 1 交直流平行架设系统电磁耦合抑制措施6 1 5 2 直流换流器调制策略6 1 5 2 1 直流换流器幅值调制策略6 2 5 2 2 直流换流器单频角度调制策略6 5 5 2 3 直流换流器幅值调制与角度调制的统一6 8 5 2 4 直流换流器有源滤波调制策略6 8 5 3 直流换流器调制策略仿真验证7 0 5 3 1 换流器直流侧基频感应电流抑制仿真7 0 5 3 2 直流母线电压跟踪幅值调制策略验证7 2 华北电力大学博士学位论文 5 3 3 直流换流器有源滤波调制策略验证7 5 5 3 4 换流器直流偏磁抑制策略验证8 0 5 4 小结8 4 第六章结论与展望8 5 6 1 结论8 5 6 2 展望8 7 参考文献8 9 致谢9 7 附录9 9 a 1 交直流平行架设系统传输线参数9 9 a 2 新型调制策略换流器交流输出电压1 0 1 攻读博士学位期间发表的学术文章10 5 攻读博士学位期间参加的科研工作蠢1 0 7 华北电力人学博士学位论文 1 1 本文的研究目的及意义 第一章引言 随着电力负荷的快速增长及输电走廊的日趋紧张，提高现有传输线的输送能力 成为有效解决问题的途径】。互联电网输送能力一般受热稳定极限、暂态稳定极限、 动态稳定水平等因素限制。因此，采用新型交流架空输电技术、先进的灵活交流输 电技术( f a c t s ) 、电压源型直流输电技术、特高压交直流输电技术以及先进的稳 定控制技术可有效提高互联电网输送能力 5 - 3 4 。 新型交流架空输电技术包括紧凑型输电、同杆并架多回输电、大截面导线输电、 耐热导线输电以及分频输电等多种技术。其中，同杆并架多回输电技术因其电力建 设投资成本低，可充分利用现有的输电通道，节约宝贵的走廊资源，有效提高输电 容量，被国内外广泛应用。现今随着大功率全控电力电子器件的发展，电压源型高 压直流输电( v s c h v d c ) 技术不断成熟，其造价及运行维护费用逐步降低，传输 容量及电压等级逐步提高，世界范围内已经有工程投入运行【3 5 1 。若采用全控电压源 型直流输电转换原有双回交流输电中的一回，不仅可以提高系统可传输能力5 0 至 7 0 ，还可借助直流输电系统的快速可控性及其功率调制进行紧急功率支援，提高 系统稳定运行水平【3 6 l 。此外，为促进我国大规模陆地风力发电、海上风力发电、地 热、潮汐、太阳能等可再生能源的并网，解决大城市负荷中心供电以及远端无源网 络负荷供电等问题，将会越来越多采用v s c h v d c 新型直流输电系统进行远距离 传输，从而形成交直流输电线路同一输电走廊并列运行或同杆并架的情况。本文将 这种同一输电走廊并列运行或同杆并架的输电方式统称为平行架设输电系统。 但是当v s c h v d c 传输线因输电走廊问题而与交流传输线同杆并架或并列运 行时，这种平行架设模式会带来新的问题【3 7 3 9 1 。交流线路与直流线路通过电磁感应 和电容耦合，会在直流线路两端产生基频感应电压与电流。该基频电压与电流经 v s c h v d c 换流器调制后会在换流变压器二次侧产生直流偏磁以及正序二次谐波 分量【4 0 4 2 1 ，从而引起换流变压器饱和及谐波不稳定【4 3 4 7 1 ，危及系统安全运行。已有 的研究都是针对传统式电流源型线路换相直流输电( l c c v h d c ) 及交流线路进行 仿真研究，而对于v s c h v d c 电压源型直流传输线与交流传输线的基频电磁耦合 并没有展开研究，因此有必要对电压源型直流输电线路及交流线路基频电磁耦合进 行分析。 为了保证平行架设交直流系统安全稳定运行，防止因交直流线路电磁感应而造 成电压源型直流输电系统换流变压器直流偏磁及系统谐波不稳定等问题，本论文从 第一章引言 频域分析了v s c h v d c 传输线与平行架设交流传输线电磁感应机理，指出基频电 磁感应电压电流的影响因素。通过v s c h v d c 的可控性，制定有效的控制策略消 除电磁感应影响，从而保证电压源型交直流平行架设系统的稳定运行，提高系统传 输能力，为我国高速增长的能源需求及新能源的清洁使用提供工程指导。 本课题是在国家留学基金委( c s c ) 、加拿大国家科学工程研究委员会 ( n s e r c ) 、加拿大曼尼托巴大学( u n i v e r s i t yo fm a n i t o b a ) 及加拿大e l e c t r a n i x 咨 询工程公司的资助下完成。 1 2 课题研究背景及现状 根据美国电科院( e p r i ) 2 0 1 0 年研究计划及已有研究成果 4 8 , 4 9 】，在未来几年中， 将展开交流线路改造为直流线路、交直流输电线路同杆并架及交直流输电线路同一 输电走廊研究，以此提高系统传输能力，节约输电走廊。南非新型直流输电工程 c a p r i v il i n k 已经在2 0 0 9 年末调试运行，其采用9 7 0 k m 架空线，3 5 0 k v 直流电压， 输送3 0 0 m w 有功功率，连接g e r u s 及z a m b e z i 两个弱系统，以此缓解非洲南部用 电。因此，v s c h v d c 直流线路与交流线路同杆并架或同一输电走廊并列运行已经 成为可能，这种平行架设输电模式会在经济上、技术上、生态环境上可能会带来一些 新的问题。 1 2 1 平行架设线路电磁感应分析 对于输电线路同杆并架或同一输电走廊并列运行方式，线路之间存在容性耦合及感 性耦合两种电磁感应方式。 图1 1 给出了两根传输线平行架设系统。其中导线a 与交流电压源相连，传输线b 与传输线a 平行架设，传输线a 与传输线b 因为线间存在电容而出现容性耦合。 a 一= 图1 1 两根传输线线间容性耦合 图1 - 2 为其等值电路图，可以看出，传输线b 与传输线a 之间的感应电压不仅与线 间的耦合电容有关，而且与传输线b 对地电容有关。其中， = 瓦c + a b v 昭 ( 1 1 ) 2 华北电力人学博十学位论文 当传输线a b 距离越近，耦合系数越大，传输线b 耦合电压越大。对于传输线平行 架设系统，当传输线b 通过电阻凰接地，如图1 3 所示，传输线b 处容性耦合电压则不 同。因此，为了准确分析平行架设系统容性耦合电压，必须准确考虑传输线系统边界条 件，从而准确评估其对系统稳定运行的影响。 图l - 2 两根传输线线间容性耦合等值电路 r b 交 图1 - 3 考虑边界条件的传输线线问容性耦合等值电路 争， 对于平行架设传输线，当一根传输线带负荷运行时，流经线路的电流会在输电 线路空间产生电磁场，从而与另一根传输线存在感性耦合。图l _ 4 为考虑了系统边 界条件的传输线感性耦合等值电路。 图1 4 考虑边界条件的传输线线间感性耦合等值电路 当传输线a b 间耦合阻抗为z 。b ，传输线b 自阻抗为z b b ，传输线a 传输功率一 定，也即流经传输线a 的电流恒定，则有 厶= 一i 瓦z + a b 十拍i a ( 坨) 第一章引言 可以看出，传输线b 感应电流不仅与线路a b 耦合强度有关，而且与传输线b 自阻抗及边界条件有关。 因此，为了准确分析电压源型直流输电线路与平行架设交流输电线路的电磁感 应关系，必须准确得出输电线路自导纳及互导纳参数，并准确考虑交流输电线路及 直流输电线路系统边界条件，从而进行准确分析。通过理论计算及参数分析，得出 感应电压电流大小的影响因素。 1 2 2 基频电磁感应电压电流对v s c - h v d c 系统的影响 v s c h v d c 传输线路与交流线路平行架设运行方式下，交流线路会在直流正负 极线路产生基频感应电压及电流。因交流传输线三相线路与正负极线路距离不等， 故产生的感应电压也不同，从而导致换流器直流侧正负极母线因电磁感应而存在基 频电压，如图1 5 所示。 图1 5v s c - i - i v d c 直流线路与平行架设交流输电线路基频电磁感应 对于电压源型换流器，逆变侧交流系统电压为直流电压与换流器开关函数基频 分量的乘积。采用开关函数及换流器调制理论，可知： i = u o 虬j m c o s ( w t + 万) 聊c 。s ( w f + 万一詈万) 朋c 。s ( w f + 万+ 詈万) ( 1 3 ) 其中， 眈u ：交流侧三相相电压 ：直流侧直流电压 m：换流器调制比系数 当直流线路与平行架设交流线路同时运行，v s c h v d c 换流器直流侧电压不仅 包括直流成份，而且还包括基频感应电压， u 2 = 木 1 + k 木c o s ( w t + 秒) 】 ( 1 4 ) 其中， 4 华北电力大学博士学位论文 k 护 ：换流器直流母线电压 ：基频感应电压幅值百分比 ：基频感应电压初始相位 此时，换流器交流侧三相电压为： 兰差=乙毛木c，+后木c。scwf+秒， m c o s ( w t + 万) m c o s ( w t + 万一 m c o s ( w t 七6 七 争 争 ( 1 5 ) = u l + 觚+ 耐 其中， ：交流侧直流偏磁 u ：交流侧基频电压 村：交流侧二次谐波电压 ：， v s c h v d c 交流侧不仅包括基频电压，还包括因交直流输电线路平行架设而产 生的直流偏磁及二次谐波电压。 直流偏磁会造成换流变压器铁心饱和，产生大量非特征谐波，对系统运行产生 不利影响，影响系统的稳定运行。同时，直流偏磁还会导致变压器振动，局部过热， 噪声增大，绝缘破坏等严重问题，影响换流变压器的使用寿命。交直流电磁感应而 引起的二次谐波电压，也会因交流系统及直流系统的谐振特性，可能会引起谐波不 稳定。因此，必须采取一定的控制策略，消除因交直流输电线路电磁感应的影响而 引起的相关问题。本文则通过v s c h v d c 换流器的灵活可控性，制定恰当的调制 策略，在不增加系统次设备的情况下，消除直流偏磁及二次谐波的影响，从而维 持系统的稳定运行。 1 2 3 国内外研究现状 国内外对平行架设输电线路的相关研究主要集中在输电线路对通讯线路干扰、 输电线路对铁路及石油天然气输送管道的影响、同杆并架交流线路、同杆并架电流 源型直流线路及交直流同杆并架或同一输电走廊相关问题上。因v s c h v d c 还没 有大规模在电力系统中得到应用，尚未有v s c h v d c 直流线路与交流线路平行架 设的相关研究。但是新型电压源型直流输电线路与平行架设交流线路电磁感应机理 与以往研究有很大的相似，其包括容性感应电压电流及感性感应电压电流。然而电 压源型换流器交直流基频感应电压电流与以往研究有着截然不同的系统边界条件， 因此必须重新进行理论分析与评估。同时，可借助电压源型换流器的二维自由度灵 5 第一章引言 活可控性，制定新的调制策略，抑制基频感应电压电流对系统稳定运行及设备安全 的影响。 1 2 3 1 平行架设线路电磁感应问题由来 平行架设线路电磁感应问题由来已久。早期研究主要集中在输电线路对通讯线 路的干扰问题上【5 0 - 5 4 1 。目前，随着人们对传输线理论的认识进一步深入，使用波过 程理论重新进行电磁干扰影响评估。根据国际通讯组织导则，需要考虑输电线路正 常运行及故障状态下两种情况对通讯线路的影响。 而随着世界经济的快速增长，能源行业迅速发展，煤炭、石油及天然气成为主 要的能源供给方式，铁路、金属输送管道及超高压输电线路成为主要的的能源输送 载体。此时，电力传输线正常负荷电流和短路电流对邻近金属输送管线及铁路运输 的影响受到了人们的高度重视【5 5 舶1 。 同时，伴随着交流输电线路走廊的日趋紧张，以及同杆并架技术的成熟，同塔 双回甚至多回输电线路的使用越来越普遍【6 7 石9 1 。在日本，仅东京电力公司在1 9 8 5 年之前建设的1 6 回5 0 0 k v 电压等级输电线路中，1 4 回采用同杆并架双回输送方式； 澳大利亚在1 1 0 k v 等级中有6 4 的输电线路采用同杆并架双回输送；美国在2 2 0 k v 等级中有4 7 的输电线路采用同杆并架双回路输送，在3 4 5 k v 等级中有5 2 的输电 线路采用同杆并架双回路输送；英国在2 7 5 k v 等级中有9 9 的输电线路采用同杆双 回路输电，在4 0 0 k v 等级中全部采用同塔双回路输叫7 0 】。 交直流输电技术兼有输电和网络功能，交流传输线在输电线路的中间可以落 点，电力的传输、交换、疏散十分灵活，对电源和负荷变化的适应性较强，可以充 分发挥同步电网的功能。而直流输电线路则可发挥其灵活可控等诸多优点，进一步 增强系统的稳定性。为了进一步提高现有输电线路的输送能力，采用成熟的基于晶 闸管的电流源型直流输电技术，利用其远距离大容量低损耗以及灵活控制等诸多优 点，可将交直流输电线路平行架设。2 0 世纪8 0 年代，日本对国内一条双回交流输 电线路进行了改造，将其中一回交流输电线路改造为直流输电线路。在我国，随着 1 0 0 0 k v 特高压交流网络与常规5 0 0 k v 交流系统网络的形成及8 0 0 k v 、6 6 0 k v 、 5 0 0 k v 直流输电的应用，交直流同杆并架及同一输电走廊而引起的交直流耦合问题也逐 渐突出。特别是“十二五初期，特高压交流示范试验工程取得成功后，为配合金 沙江、川西水电送出，四川送出特高压交流通道和金沙江一期特高压直流输电工程 陆续投产，华中、华东、华北将形成大交流同步电网，川渝、华中、华东电网将出 现4 回特高压直流与交流平行架设格局【7 1 ，7 2 1 ，这在经济发达的华东地区尤为突出。 目前，随着v s c h v d c 电压源型直流输电技术的日益成熟，越来越多的可再 生能源并网趋于采用全控型输电技术，这种电压源型直流输电与交流输电线路平行 架设成为可能。加拿大e l e c t r a n i x 工程咨询公司及美国电力科学研究院已经制定了 6 华北电力大学博士学位论文 此方面的研究计划【4 8 4 9 1 。 1 2 3 2 平行架设交流线路电磁感应相关研究 以往的研究主要包括同杆并架交流线路电磁感应电压电流仿真计算，同杆并架 交流线路检修开关选择，同杆并架交流线路过电压研究，同杆并架交流线路潜供电 流中性点小电抗接地的选择，同杆并架交流线路继电保护整定及线路故障定位等相 关问题。对这种同杆并架双回感应电压电流，为了分析其产生机理及影响因素，目 前多采用理论计算、数字仿真及现场实测三种方法。 对于同杆并架双回交流线路，在一回线路运行、一回线路检修情况下，运行线 路中流过交流电流时，在其周围将产生一个交变的电磁场，停运线路与其交链耦合， 会在停运线路上感应出一个沿导线方向分布的纵向电势，且根据停运导线对地绝缘 程度的不同而对应于不同的对地电位。而根据静电感应现象可知，当导体置于外电 场中时，该导体会因电容耦合效应而带上一定的电荷，由于停运导线与运行导线之 间存在的电容耦合效应，依靠运行导线电压产生的电场，停运导线上即可感应出一 定的对地电位。这种产生的容性耦合及感性耦合电压，在5 0 0 k v 双回线路上会高达 数十千伏。为保证工作人员的安全作业，避免事故发生，研究停运线路上的感应电 压，对于同塔双回线路的检修和维护十分必要，具有重要的意义【7 3 7 5 】。 空间电场强度及电位的分析计算方法主要有：等效电荷法、有限差分法、有限 元素法、蒙特卡洛法、模拟电荷法、镜象电荷法等。各种方法均有其特点，适用于 不同的场合。磁场的精确计算需要用卡森( c a r s o n ) 公式来估算大地的不良导电效应。 文【7 6 】在假设已经得知同杆并架双回线路各相的自电容和互电容以及各相导线的自 电感及互电感矩阵的情况下，通过分析停运线路两端悬空、一端悬空及两端接地不 同状态下感应电压电流，得出电磁感应电流与运行线路输送的功率、线路长度的关 系。通过在停运线路首末端接地及中间点挂接地线，有效减小停运线路上沿线的感 应电压，同时分析了线路换位对感应电压的影响。文 7 7 ，7 8 采用镜象电荷法分析和 讨论了同杆并架多回输电线在地面附近产生的电场强度和感应电压的大小及其变化规 律，指出输电线路对地高度变化、输电线路相间距离变化以及导线相序排列方式变化的 影响。文 7 9 1 通过求解相序变换后序分量下分布式参数传输线方程，考虑超高压长 线路下分布电容对故障定位的影响，指出在小电流故障中如果不考虑分布电容的影 响，将会严重影响各种计算结果的精度。文 8 0 ，8 1 1 j 嗵过传输线分布参数模型和特征模 量分解方法，分析了同杆并架双回输电线路在不同换位方式下的感应电压和感应电流， 给出了换位方式的建议。文【8 2 建立了同杆并架多回输电线附近工频电磁场的数学模型， 运用计算机辅助分析软件对三相四回输电模型进行了计算，分析比较了线路参数变化 时，电场强度和磁场强度的变化规律。文 8 3 】以卡森( c a r s o n ) 线路模型为基础，推广 到两个电压等级四回输电线及二根避雷线的同杆并架输电线模型，研究该模型未换位输 7 第一章引言 电线序参数及各种不平衡计算。 数字仿真多采用电磁暂态仿真计算程序。文 8 4 1 利用p s c a d e m t d c 电磁暂态 计算程序，对实际同杆并架双回不换位运行输电线路进行仿真模拟，分析了感应电 压和电流在不同线路负荷及线路长度下的变化，得出影响感应电压和电流的因素。 文 8 5 ，8 6 】则通过建立等效电路模型，分析了换位方式对电磁感应的具体影响，并通 过电磁暂态软件a t p e m t p 计算了我国拟建的特高压同塔双回线路不同工况和运行 状态下的感应电压电流，研究了高抗补偿度和中性点小电抗取值对检修线路感应电 压的影响，指出检修线路可能出现较大的感应谐振过电压。文 8 7 通过仿真，分析 了接地线位置及接地电阻、传输线排列、运行线路载荷及投切操作、杆塔接地电阻 等因素对感应电压大小的影响，得出了接地线位置和接地电阻的大小是影响停电线 路上感应电压大小的重要因素的结论，从而确认了电磁感应边界条件的重要性。 文 8 8 】采用电磁暂态仿真软件，模拟各种情况下被感应线路的电磁感应电压、双回 线运行时的循环电流，分析计算了循环电流的大小，探讨了补偿循环电流的方法， 从而减小对传统的继电保护装置造成的影响。文 8 9 】指出了同杆双回线选择接地开关 开合感应电流能力的重要性。文 9 0 1 使用e m t p 程序分析了导线布置方式、线路电压、 线路长度、负荷电流以及停运线路上是否带有并联电抗器等多种因素对同杆并架双回输 电线路感应电压电流的影响，从而得出同杆并架双回线路接地开关的参数要求。文 9 1 ， 9 2 】建立仿真分析模型，指出了相邻线路之间的电磁感应和潜