（电气工程专业论文）新型直流输电动模系统滤波装置的综合设计.pdf

硕士学位论文 摘要 谐波抑制与无功功率补偿一直以来都是电力行业普遍关注的问题，这在采用 大功率电力电子变换技术的直流输电系统中尤为明显。由于大容量非线性负荷的 作用，直流输电系统交直流侧存在大量的谐波与无功功率，这就需要进行谐波的 抑制与滞后无功的校正。 本文在概述当前直流输电技术及相关谐波抑制技术的现状与发展基础上，提 出了一种新的利用变压器固有的安匝平衡作潜在滤波机理的感应滤波方式，其根 据变压器零阻抗设计及祸合绕组抽头处滤波装置的全调谐设计来达到使谐波在靠 近谐波源处就近抑制的目的。 本文详细阐述了新型换流变压器及其感应滤波技术的工作机理，技术实现所 需要的变压器阻抗条件及配套滤波装置设计时所要注意的调谐条件，并分析了新 型滤波方式所具有的自耦作用、无功补偿、谐波屏蔽等技术特点、技术优势及潜 在的应用前景。在此基础上，综合考虑换相过程对谐波特性的影响，对新型直流 输电动模系统的谐波特性进行了详细的分析与计算，得到了具体的新系统谐波分 布情况，为滤波装置的综合设计提供了必要的先决条件。 围绕整流侧采用感应滤波技术的新型换流变压器配套滤波装置设计特点，以 及逆变侧采用无源滤波方式时滤波装置的设计特点本文比较了两种不同滤波方 式下滤波装置设计的调谐程度与难易程度，提出了以安全系数为偏调谐依据的传 统无源滤波装置偏调谐设计方法，对不同型式滤波装置的工作机理与阻抗频率特 性进行了详细分析，并对新型直流输电动模系统不同用途的滤波装置进行了综合 设计。 最后，运用m a t l a b s i m u l i n k p s b 建立了新型直流输电模拟系统的稳态仿真模 型，对新系统进行了详细的稳态仿真与分析，得到了新型换流变压器与传统换流 变压器各自网侧与阀侧的线电压、相电流仿真结果及其傅立叶分析结果，通过对 各种结果数据进行整理与分析，表明新型感应滤波技术较之传统无源滤波方式所 具有的良好的谐波屏蔽效果，并且能改善阀侧线电压波形这有利于换流桥的正 常换相与可靠运行，从而可增强直流输电系统运行的稳定性。 关键词：谐波抑制，无功补偿，感应滤波，直流输电，综合设计 塑型皇堡塑皇垫堡垂篁鎏竺兰塞竺堡窒堡生 a b s t r a c t h a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na r et h em a i np r o b l e m si n p o w e rs y s t e m ，t h i si sv e r yc l e a rf o rd i r e c tc u r r e n t ( d ot r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c h a d o p t sl a r g ep o w e r e l e c t r i cp o w e rc o n v e n e rt e c h n i q u ef o rt h ee f f e c to fh i g h - c a p a c i t y n o n l i n el o a d ，t h ea ca n dd cs i d eo ft h ed ct r a n s m i s s i o ne x s i s tal a r g eo fh a r m o n i c a n dr e a c t i v ep o w e r , i t sn e c e s s a r yt oc a r r yo u th a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n b a s e do nt h en o v e ld ct r a n s m i s s i o na n dc o r r e s p o n d i n gh a r m o n i cs u p p r e s s i o n s p r e s e n ta n di m p r o v e m e n t ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan o v e li n d u c t i v ef i l t e r i n gm e t h o d ， w h i c hu s e st h et r a n s f o r m e r sa m p e r - t u mb a l a n c ea st h ef i l t e r i n gm e c h a n i s i m t h i s m e t h o dr e a l i z e sh a r m o n i cs h i e l d i n ga c c o r d i n gt ot r a n s f o r m e r sz e r oi m p e d e n c ed e s i g n a n dt h et a p p i n gf i l t e r s f u l lt u r n e dd e s i g n t h i sp a p e rd e t a i l e de x p o u n d e st h en o v e lc o n v e t e rt r a n s f o r m e ra n dc o r r e s p o n d i n g i n d u c t i v ef i l t e r i n gt e c h n i q u e sw o r k i n gm e c h n i s i m ，t r a n s f o r m e r si m p e d e n c ec o n d i t i o n a n di t sf i l t e r s t u r n e dc o n d i t i o n a n di ta n a l y s e st h en o v e lf i l t e r i n gm e t h o d st e c h n i q u e c h a r a c t e r i s t i ca n dd o m i n a n c e ，s u c ha sc o u p l i n ga c t i o n ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a n dh a r m o n i cs h i e l d i n g ，e t cb a s e do nt h i s ，t h i sp a p e rd e t a i l e d l ya n a l y z e sa n d c a l c u l a t e st h en o v e ld ct r a n s m i s s i o na n a l o g u es y s t e m sh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c ， w h i c hc o n s i d e r st h ec o m m u n a t i o nc o u r s e ，a n do b t a i n st h ed e t a i l e dh a r m o n i c d i s t r i b u t i o nc o n d i t i o n ，w h i c hi st h ep r e c o n d i t i o no ff i l t e r s s y s n t h c s i sd e s i g n a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d u c t i v ef i l t e r i n ga n dp a s s i v e f i l t e r i n gm e t h o d ，t h i sp a p e rc o m p a r e st h ed i f f e n c ef i l t e r i n gm e t h o d st u r n e dd e g r e ea n d d e s i g n sd i f f i c u l td e g r e e ，t h e np r e s e n t sad r i f t t u r n e dd e s i g nm e t h o dt ot h et r a d i t i o n a l p a s s i v e f i l t e r s d e s i g n a l s o ，t h ed i f f e n c ef i l t e r s w o r k i n gm e c h a n i s ma n d i m p e n d e n c e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e d ，a n dc a r r yo u tt h ed ct r a n s m i s s i o n s y s t e mf i l t e r s s y s n t h e s i sd e s i g n f i n a l l y , t h i sp a p e re s t a b l i s h st h ed ct r a n s m i s s i o na n a l o g u es y s t e m ss t e a d y - s t a t e s i m u l a t i o nm o d e lu s i n gm a t l a b s i m u l i n k p s b ，a n dc a r r i e so u td e t a i l e ds t e a d y s t a t e s i m u l a t i o na n da n a l y s i st h ew eo b t a i nt h en o v e j a n dt r a d i t i o n a lc o n v e r t e r t r a n s f o r m e r sl i n e v o l t a g ea n dp h a s e c u r r e n tr e s p e c t i v e l y , a l s oc o n t a i n st h e i rf f t r e s u l t st h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp a s s i v ef i l t e r i n g m e t h o d ，t h en o v e li n d u c t i v ef i l t e r i n gm e t h o dh a sab e t t e r e f f e c t n e s so fh a r m o n i c s h i e l d i n g ，a n di m p r o v e st h ev a l v el i n e v o l t a g e ，w h i c hi sg o o df o rc o n v e r t e r sn o r m a l c o m m u t a t i o na n dr e l i a b i l i t yi tc a r le n h a n c e st h ed ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ss t a b i l i t y k e y w o r d s ：h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，i n d u c t i v e f i l t e r i n g ，d ct r a n s m i s s i o n ，s y n t h e s i sd e s i g n m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：耋降 日期：御年7 月2 日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全都或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：重绎 导师签名： 1 日期：五刀年7 月二日 日期：w 7 年7 月2 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 直流输电技术的现状与发展概况 电力技术的发展是从直流电开始的，早期的直流输电是不需要经过换流的直 流输电，即发电、输电和用电均为直流电。如1 8 8 2 年在德国建成的5 7 k m 向慕尼黑 国际展览会送电的直流输电线路( 2 k v ，1 5 k w ) ；1 8 8 9 年在法国用直流发电机串 联而得到高电压，从毛梯埃斯( m o u t i e r s ) 到里昂( l y o n ) 的2 3 0 k m 直流输电线路 ( 1 2 5 k v 。2 0 m w ) 等，均为此种类型。随着三相交流发电机，感应电动机和变压 器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代。同时变压器又可方便地改 变交流电压，从而使交流输电和交流电网得到迅速的发展，并很快占据了统治地 位l i 一1 。但在输电领域直流具有交流输电所不能取代之处，如远距离海底电缆或地 下电缆输电。不同频率电网之间的联网或送电等。 直流输电的发展与换流技术( 特别是高电压、大功率换流设备) 的发展有密 切的关系。 汞弧阀换流时期1 9 0 1 年发明的汞弧整流管只能用于整流。1 9 2 8 年具有栅极控 制能力的汞弧阀研制成功。它不但可用于整流，同时也解决了逆变问题。因此可 以说大功率汞弧阀使直流输电成为现实。从1 9 5 4 年世界上第一个工业性直流输电 工程( 哥特兰岛直流工程) 在瑞典投入运行以后。到1 9 7 7 年最后一个采用汞弧阀 换流的直流输电工程( 纳尔逊河l 期工程) 建成，世界上共有1 2 项汞弧阀换流的直 流工程投入运行，其中最大的输送容量为1 4 4 0 m w ( 美国太平洋联络线l 期工程) ， 最高输电电压为4 - 4 5 0 k v ( 纳尔逊河l 期工程) ，最长输电距离为1 3 6 2 k m ( 太平洋 联络线) 。这一时期可以称为汞弧阀换流时期。由于汞弧阀制造技术复杂、价格 昴贵、逆弧故障率高、可靠性较差、运行维护不便等因素，使直流输电的应用和 发展受到限制。 晶闸管阀换流时期2 0 世纪7 0 年代以后，电力电子和微电子技术的迅速发展， 高压大功率晶闸管的出现，晶闸管换流阀和计算机控制在直流输电工程中的应用， 有效地改善了直流输电的运行性能和可靠性，促进了直流输电技术的发展。晶闸 管换流阀没有逆弧故障，而且制造、试验、运行、维护和检修都比汞弧阀简单而 方便。1 9 7 0 年瑞典首先在哥特兰岛直流输电工程原有的汞弧阀换流器上，扩建了 直流电压为5 0 k v ，输送功率为l o m w 的晶闸管换流阀试验工程。1 9 7 2 年世界上第 项全部采用晶闸管换流的伊尔河直流背靠背工程在加拿大投入运行。从此以后 世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。与此同时，原来采用汞弧阀换 流的直流工程也逐步被晶闸管换流阀所替代。从7 0 年代起开始了直流输电技术的 新犁直流输电动模系统滤波装置的综合设计 晶闸管换流时期。在此期间，微机控制和保护、光电控制、水冷技术、氧化锌避 雷器等新技术在直流输电工程中也得到了广泛的应用。 从1 9 5 4 年到1 9 9 8 年世界上己投入运行的直流输电工程有5 7 项，其中架空线路 1 5 项，电缆线路l o 项，架空线和电缆混合线路9 项，背靠背直流工程2 3 项。考虑到 正在建设的直流工程，目前已运行和正在建设的直流工程共6 6 项，其中架空线路 2 0 项( 占3 03 ) ，电缆线路l o 项( 占1 52 ) ，架空线和电缆混合线路1 l 项( 占 1 66 ) ，背靠背直流工程2 5 项( 占3 79 ) 。这些工程的总输送容量为6 3 6 7 4 m w ， 其中架空线路单项工程的最大容量为6 0 0 0 m w ( 已运行的为3 1 5 0 m w ) ，最高电压 为7 5 0 k v ( 已运行的为6 0 0 k v ) ，最长输电距离为2 4 1 4 k m ( 己运行的为1 7 0 0 k m ) 。 单项直流电缆工程的最大容量为2 8 0 0 m w ( 已运行的为1 0 0 0 m w ) ，最高电压为 5 0 0 k v ( 己运行的为4 5 0 k v ) ，最长输电距离为6 7 0k m ( 己运行的为2 5 0k m ) 。单 项背靠背工程最大容量为1 0 6 5 m w 。 在这个时期直流输电在远距离大容量送电，电网互联和电缆送电( 特别是海 底电缆送电) 等方面均发挥了重大的作用。直流工程输送容量的年平均增长率， 在1 9 6 0 1 9 7 5 年为4 6 0 m w 年，1 9 7 6 1 9 8 0 年为1 5 0 0 m w 年，1 9 8 1 - 1 9 9 8 年为2 0 9 6 m w 年。 新型半导体换流设备的应用进入9 0 年代以后，新型金属氧化物半导体器件 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 首先在工业驱动装置上得到广泛的应用。1 9 9 7 年3 月 世界上第一个采用i g b t 构成电压源换流器的直流输电工业性试验工程，在瑞典 中部投入运行，其输送功率和电压为3 m w 和1 0 k v ，输送距离1 0 k m 。由于这种 换流器的功能强，体积小，可以减少换流站的滤波装置，省去换流变压器，简化 换流站结构，而称之为轻型直流输电( h v d cl i g h t ) 采用i g b t 的电压源换流 器，具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制( p w m ) 技术进行无源逆变，解决 了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。在瑞典、澳大利亚和爱沙尼亚 已有四项轻型直流输电工程与制造厂签订了合同，计划1 9 9 9 年和2 0 0 0 年建成。 但i g b t 损耗大，不利于大型直流工程的采用。今后集成门极换相晶闸管( i g c t ) 和碳化硅等新型半导体器件的开发，给直流输电技术的发展将创造更好的条件。 1 2 直流输电系统的基本组成 直流输电系统主要是由整流站、直流线路和逆变站三个部分组成，如图1 1 所 示。它是由发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流输送至受端，然后再用逆 变站变换成交流电送至用户使用【2 l 【。 一2 一 硕士学位论文 = 二二) m - r i 厂广 & * 2 - 耻p = = = 二卜 图1 1 直流输电系统接线示意图 图中送电端交流系统和受电端交流系统用直流输电系统相连。交流系统是提 供换流器正常工作必需的交流电源，该电源可以是复杂的交流系统，也可以是同 步发电机。直流输电系统的工作原理是：由送电端交流系统送出交流功率给整流 站的交流母线，经换流变压器送到整流器，整流器把交流功率变换成了直流功率， 然后经直流线路把直流功率输送给逆变站内的逆变器，逆变器又将直流功率变换 成交流功率，再经换流变压器把交流功率送入受电端交流系统。 整流站与逆变站统称为换流站。在换流站内的主要设备包括换流器、换流变 压器、平波电抗器、交流滤波器、无功补偿装置、直流避雷器及控制保护设备等。 换流器又称换流阀是换流站的关键设备，在整流站内为整流器，在逆变站内 为逆变器，其功能是实现整流和逆变。目前换流器多数采用晶闸管可控硅整流管1 组成三相桥式整流作为基本单元，称为换流桥。一般由两个或多个换流桥组成换 流系统，实现交流变直流直流变交流的功能。 换流器在整流和逆变过程中将要产生5 ，7 、l l 、1 3 、1 7 、1 9 等多次谐波。为 了减少各次谐波进入交流系统在换流站交流母线上要装设滤波器。它由电抗线圈、 电容器和小电阻3 种设备串联组成通过调谐的参数配合可滤掉多次谐波。一般在换 流站的交流侧母线装有5 ，7 ，l ，1 3 次谐波滤波器组。 直流输电可以用单极或者双极运行。单极又分为一线一地和单极两线的方式。 直流输电一般采用双极线路，当换流器有一极退出运行时，直流系统可按单极两 线运行，但箱送功率要减少一半。 l _ 3 电力系统中谐波污染问题概述 谐波是由于变流器的使用和非线性负荷所引起的。早在2 0 世纪3 0 年代，人们 就注意到静止汞弧变流器的使用造成了电压和电流波形的畸变。到了5 0 、6 0 年代， 由于非线性负荷的迅速增加，如电力机车、工业电炉、电解电镀、高压直流输电 等，谐波问题己愈来愈引起人们的关注。电力科技工作者对其进行了大量的研究， 发表了大量有关电力系统谐波方面的学术论文i 扪。7 0 年代以来，由于电力电子技 术的飞速发展，电力电子器件的应用领域不断扩展，在电力系统、工业、交通及 新雷1 商流输电动模系统滤波装置的综合设计 民用等领域中被广泛采用，谐波给电力系统带来的“污染”日趋严重。 谐波电流和谐波电压的出现，对于电力系统运行是一种“污染”。由于谐波 的存在使得系统电能质量下降。其不但会严重影响电力系统自身的安全运行，而 且还影响输变电设备的正常运行和干扰周围的通信系统。为此，我国于1 9 9 3 年对 电网中的谐波制定了相应的国家标准i “。谐波对电力系统和其他用电设备可能带 来非常严重的影响和危害，主要可归纳为以下几点： 1 对电网的影响m 】 ( 1 ) 由于谐波的存在，增加了系统中各元件的附加损耗，降低了发电、输电及 用电设备的的运行效率。 电力设备中流过谐波电流时，尽管谐波电流占基波电流的比例一般不大，但 是由于谐波电流频率较高，使得载流导体中的集肤效应增大，相应的交流电阻增 大，从而增加谐波所引起的附加铜耗。谐波电流对输电系统的影响主要是增加网 损，其次是在电网中产生谐波电压降，从而降低电压波形质量。 ( 2 ) 谐波将使电力设备元件加速老化，缩短设备的使用寿命。 对于设备的电气绝缘，在频率较高的电场下，其介质老化的物理过程会显著 加剧，从而影响其使用寿命。除了发热和绝缘老化以外，谐波对设备运行还会带 来其它不良的影响。 ( 3 ) 系统中存在谐波分量时，可能会引起局部的并联或串联谐振，造成谐波放 大，不仅增加了附加损耗和发热，而且可能造成设备的故障或损坏。 2 对继保设备和通信线路的影响 ( 1 ) 谐波可能会引起某些继电保护设备( 如继电保护装置，熔断器等) 的误动 作；同时也会导致电气测量仪表计量不准确。 ( 2 ) 谐波通过电磁感应、静电感应及传导耦合等方式对邻近的电子设备和通信 系统产生干扰，严重时会导致它们无法正常工作。 3 对旋转电机和变压器的影响1 9 l 谐波对旋转电机和变压器的影响，主要是增加它们的铜耗和铁心损耗。在高 次谐波下，绕组中的交流电阻因集肤效应和邻近效应，随着谐波电流频率的增大 而增加，而铁心损耗则随着谐波电压频率的提高而增加。因此在旋转电机和变压 器中相同的谐波含有量下，高次谐波分量比低次谐波分量所引起的发热更为明显。 由于谐波污染问题越来越严重，研究各种谐波抑制新方法，已成为电力电子技 术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课题。 1 4 谐波抑制技术的现状与发展概况 在了解谐波对电力系统和其它用电设备可能带来非常严重的影响和危害后， 电力科技工作者们一直以来致力于解决电力电子装置和其他谐波源带来的谐波 一4 一 硕士学位论文 “污染”问题。目前，主要采取的措施有两种，一种是装设谐波补偿装置来补偿 谐波，这对各种谐波源都适用；第二种是对电力电子装置本身进行改造，使其不 产生谐波，且功率因数可控制为l ，即单位功率因数变换器。第一种是在谐波源附 近配置各种类型的滤波器，如l c 无源滤波器( p f ) ，有源电力滤波器( a p f ) ，无源 与有源混合滤波器( p f + a p f ) 等。由谐波源产生的大量谐波经过这些滤波器进行分 流，使得流入电网中的谐波电流尽可能小，从而达到谐波抑制的目的。 电力滤波器按照其采用的电路结构可以分为三大类：无源电力滤波器、有源 电力滤波器和混合型滤波器。 l 无源电力滤波器( p f l 无源电力滤波器( p o w e r f i l t e r ) ，即l c 滤波器，通常采用由电力电容器、电 抗器和电阻器等无源元件构成在某次频率发生谐振的电路。无源电力滤波器一般 并联在电网与地之间，其滤波原理是对某次频率谐波，其呈现为零阻抗，为谐波 提供短路通道，使相应的谐波电流大部分流入无源电力滤波器支路，从而使得谐 波电流与电网隔离开来。 无源滤波方案虽然具有技术成熟、成本低等优点，但其依然存在以下缺陷 1 1 0 - 1 3 l ： ( 1 ) 谐振频率决定于元件参数。在元件参数一定时，所滤除的谐波次数也一定； ( 2 ) 滤波器l c 参数的漂移将使滤波特性发生改变，导致滤波性能不稳定： ( 3 ) 滤波特性依赖于系统阻抗等参数，而系统阻抗随电力系统的结构及运行方 式和工况的改变而改变。另外，谐波频率也可能随时发生变化。因此。根据某一 系统阻抗参数及运行工况所设计的滤波器，难以满足系统动态运行的滤波要求； ( 4 ) 电网参数与l c 可能产生并联谐振，使某次谐波分量放大，影响了电网供 电质量； ( 5 ) 电网中的某次谐波电压可能在l c 中产生很大的谐波电流，使l c 滤波器过 载。 目前，国内外对于无源滤波器的研究工作主要集中于多调谐无源滤波器、无 源滤波器最佳偏调谐设计、无源滤波器的优化设计及连续可调式无源滤波器等方 面 1 4 2 0 j 。 2 有源电力滤波器( a p f ) ( 1 ) 有源电力滤波器的基本工作原理 有源电力滤波器( a c t i v e p o w e r f i l t e r ) 是目前最热门的科学研究课题，是抑制谐 波和无功补偿的先进方法。有源电力滤波器系统主要由两个主要部分组成：1 、指 令电流运算电路；2 、补偿电流发生电路，其中包括电流跟踪控制电路、驱动电路 和主电路三部分构成。它的基本工作原理是检测补偿对象的电流和电压，经过指 令运算电路得到补偿电流的指令信号，将该指令信号改善给补偿电流发生电路， 新型直流输电动模系统滤波装置的综合设计 补偿电流发生电路接收到该指令后，产生一个与谐波电流大小相等而方向相反的 补偿电流，流入到补偿对象中，从而使电网电流只包含有基频分量。因此，有源 电力滤波器的补偿特性不受系统阻抗的影响，且可随时跟踪谐波电流的幅值和频 率，达到动态补偿的效果。 ( 2 ) 有源电力滤波器实现的关键技术 有源电力滤波器的实现有三个关键技术2 眦7 l ：l 、建立瞬时无功功率理论；2 、 谐波电流和无功电流的实时检测；3 、p w m 逆变器的控制。 ( 3 ) 有源电力滤波器的系统分类 根据有源电力滤波器接入电网的方式，将其系统分为两大类：第一类为并联 有源电力滤波器；第二类为串联有源电力滤波器。 与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，特 点如下： a 能够补偿各次谐波，抑制闪变、补偿无功功率； b 滤波性能不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的可能； c 具有自适应功能，自随系统谐波的变化跟踪补偿； 同样，有源电力滤波器也有自身不足之处，其不仅要备有谐波发生源和大功 率晶闸管元器件，还要配有跟踪控制和脉宽调制系统，成本高，且无功补偿容量 有限等。特别是在高压及特高压直流输电系统中，网侧需要补偿大量无功功率。 因此，很大程度上限制了有源电力滤波器在高压直流输电系统中的应用。 3 混合有源电力滤波器 无源滤波器结构简单，成本低，但滤波效果不甚理想；有源滤波器滤波效果 良好，但结构较复杂无功补偿容量受到变流器容量的限制。为了有效地结合两 者各自的优点，有人提出了混合有源滤波器，即无源滤波器加有源滤波器方案。 目前，混合有源电力滤波器主要有：串联a p f 与并联p f 混合型；并联a p f 与并 联p f 混合型；a p f 与p f 串联后与电网并联混合型。 有源电力滤波器技术目前还不够十分完善，在实际应用中还有许多问题需要 进一步研究解决。近年来a p f 技术的研究主要集中在如下几个方面 2 8 - 3 2 i ： ( 1 ) 谐波理论的进一步完善： ( 2 ) 控制系统的简单化和数学化； ( 3 ) 补偿装置的多功能化： ( 4 ) 降低装置容量、提高补偿容量。 1 5 本论文研究的目的与意义 本论文依托湖南大学输变电新技术研究开发平台，结合湖南省“十五”“十一 五”重大科技专项( 0 5 g k l 0 0 2 1 ，0 6 g k l 0 0 3 1 ) “直流输电新型换流变压器的研制”， 硕士学伸论文 针对当前直流输电系统谐波抑制与无功功率补偿方面存在的问题，展开了系统的 研究与分析，其目的是阐述一种有别于传统无源滤波和有源滤波的新的滤波方式， 开发出一种利用变压器耦合绕组的谐波安匝平衡作滤波机理的新型感应滤波技术 3 3 - 3 7 1 ，为直流输电系统中谐波治理工作开创一条新的研究途径。 众所闫知，谐波的综合治理是直流输电系统中必不可少的关键技术。对于直 流输电所产生的特征谐波，前人已经己经做了许多研究工作，在换流站设备参数 完全平衡和交流系统电压完全对称的条件下，脉动数为p 的换流器在直流侧产生 叩次的谐波，在交流侧产生n p 士1 次的谐波，其中n 为任意正整数，这些典型 的谐波称为换流器的特征谐波i u 。而由于阀间触发角的不平衡、交流系统电压不 平衡、掘问换流变短路阻抗的偏差、换流变直流偏磁和背景谐波等因素的影响， 换流器还会产生不同于特征谐波次数的其它各次谐波，统称为非特征谐波。 如果交、直流系统的谐波分量过大，会使系统电压波形发生畸变，降低电能 的质量。谐波电压和谐波电流对电力系统的影响一般有以下几点： ( 1 ) 会在电网中引起局部的并联或串联谐振，加大了谐波分量： ( 2 ) 由谐振导致的局部过电压，加速电力设备绝缘老化，缩短使用寿命，增加 建设投资： ( 3 ) 增加电网中发电机和电容器的附加损耗； ( 4 ) 影响换流器控制的稳定性： ( 5 ) 干扰邻近的通信设备，使电话线路产生杂音，降低通信质量。 可以看出，谐波治理技术和解决方案的有效性与合理性，直接影响到高压直流 输电系统的稳定性与经济性运行。 1 6 本论文的主要研究工作 本论文的研究是基于采用新型换流变压器及其感应滤波系统的直流输电系统 展开的，主要涉及到新型直流输电系统中对于谐波与无功的综合治理与补偿方面， 具体研究内容如下： ( 1 ) 新型换流变压器接线原理研究，感应滤波技术的工作机理分析，新型滤波 方式的实现所必须具备的阻抗条件与调谐条件； ( 2 ) 新型直流输电系统在运行中的谐波特性分析，主要包括交直流系统谐波产 生的机理分析，谐波的主要分布与计算； ( 3 ) 滤波装置的综合设计，包括滤波装置的选型、元件参数的详细分析与计算， 传统无源滤波装置的设计与新型感应滤波装置的设计； ( 4 ) 新型直流输电系统的建模与仿真，主要是建立整流侧采用新型换流变压器 及其感应滤波装置、逆变侧采用传统换流变压器及无源滤波装置的新型直流输电 系统模型，并对其稳态特性进行系统仿真，以比较配置了采用本文方法所设计的 新型赢流输电动模系统滤波装置的综合设计 滤波装置时对谐波的抑制效果； ( 5 ) 对本论文的研究结果进行总结，得出一些比较实用的，对实际工程具有一 定参考价值的结论，并对进一步的研究内容进行展望。 硕士学位论文 第2 章新型换流变压器的接线原理及相关感应滤波技 术的机理分析 2 1 换流变压器的功能与特点 换流变压器与换流阀一起实现交流电与直流电之间的相互变换。现代高压直 流输电系统一般都采用每极一组1 2 脉动换流器的结构，所以换流变压器还为两个 串联的6 脉动换流器之间提供3 0 度的相角差，从而形成1 2 脉动换流器结构。换 流变压器的阻抗限制了阀臂短路和直流母线上短路的故障电流，使换流阀免遭损 坏【3 引。 由于换流变压器的运行与换流器的换相所造成的非线性密切相关，所以换流 变压器在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压 器有着不同的特点。 l 短路阻抗 换流器在工作过程中，要频繁换相，在换相过程中，退出导通的换流阀与进 入导通的换流阀之间会发生短时间的短路状态，换流阀之间如何换相，会在下文 中详细分析；为了限制当换流阀间短路及直流母线发生故障时的短路电流，以免 损坏换流阀内的可控硅元件，换流变压器应有足够大的短路阻抗。但短路阻抗也 不宜取得太大，否则系统运行过程中增加换流器的无功消耗，需要相应增加无功 补偿设备，并导致换相电压降过大，导致直流侧电压的降低，影响系统的功率传 输。因此，在换流变压器阻抗设计中要兼顾到这两方面的要求，目前广泛应用于 h v d c 的大容量换流变压器的短路阻抗百分数通常设计在1 2 一1 8 e 3 9 ”j 。 2 绝缘 在高压直流输电系统中，由于换流变压器阀侧绕组不仅受到交流电压而且还要 受到直流电压的作用。此外，阀侧绕组中的直流电压的极性还要根据直流输电系 统功率传输方向进行极性反转。因此，换流变压器的绝缘中的电位分布和场强与 普通电力变压器有着明显的差别，必须要采用全绝缘。换流变压器和普通电力变 压器的内绝缘都采用变压器油和绝缘纸板的复合结构，但两者的绝缘纸板与变压 器油的比例不同。在交流电压作用下，绝缘中的电场呈容性分布，与材料的介电 常数成反比，由于绝缘纸板中的介电常数约为变压器油的2 倍，变压器油中的电 场大于绝缘纸板中的电场，大部分电压由变压器油承担；在直流电压作用下，绝 缘中的电场呈阻性分布，与材料的电导率成反比，而材料的电导率受温度，电场 强度及电压加载时间的影响，一般绝缘纸板的电导率与变压器油的电导率之比约 新型直流输电动栏系统滤波装置的综合设计 为l ：1 0 l ：5 0 0 ，变压器油中的电场远小于绝缘纸板中的电场，电压绝大部分由绝 缘纸板承担；在极性反转时，绝缘中的电场基本按容性分布【4 3 1 。因此，在换流 变压器设计中对变压器油和绝缘纸板绝缘电场强度的校核，既要考虑交流电压的 作用，又要考虑直流电压的作用和极性反转时的电气特性，应增加绝缘中绝缘纸 板的比例。 3 谐波 换流变压器在运行中有特征谐波电流和非特征谐波电流流过。变压器漏磁的谐 波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时还可能使某些金属部件和油箱产生局部 过热现象。对于有较强漏磁通过的部件要用非磁性材料或采用磁屏蔽措施。数值 较大的谐波磁通所引起的磁致伸缩噪音。一般处于听觉较为灵敏的频带，必要时 要采取更有效的隔音措施。 4 直流偏磁 在高压直流输电系统中，由于交直流线路的耦合、换流器触发脉冲间隔不相 等、触发角的不平衡、接地极电位的升高以及换流变压器交流网侧存在2 次谐波 等原因将导致换流变压器阀侧及交流网侧绕组的电流中产生直流分量，使得换流 变压器产生直流偏磁现象，导致变压器损耗、温升及噪音都有所增加。但是，直 流偏磁电流相对较小时，一般不会对换流变压器的安全造成影响。我国天生桥广 州、三峡常州等直流输电工程单极大地回路运行时均出现过直流偏磁问题1 4 “6 1 。 太阳磁暴引起的地磁感应电流也会导致换流变压器的直流偏磁4 7 1 。 目前抑制直流偏磁的措施主要有如下几个方法：l 、在变压器中性点串接电容， 串接电容法主要通过堵塞直流电流进入换流变压器的通路，达到抑制直流偏磁的 目的，但有可能使其它中性点的直流电流增大【48 j ；2 、注入反向电流法，该方法仅 用于电流超标的接地处使用的1 ；3 、串接电阻法，该方法通过改变直流电流分布， 从而减少中性点电流的超标程度，并达到抑制直流偏磁的目的，但接地电阻的选 取及接地电阻对其它中性点接地的变压器的影响还有待进一步的研究【如i 。 5 有载调压 由于高压直流输电系统运行过程中，交流网侧电压有时会发生一定的变化，同 时触发角也是在一定的范围内不断调整，为了保证高压直流输电系统运行的安全 性和经济性，要求换流变压器具有有载调压功能，且其有载调压分接开关的调压 范围较大，特别是可能采用直流降压模式时，要求的调压范围高达2 0 3 0 ，每 档的档距较小，一般在l 2 l ”j 。 6 试验 换流变压器除了要进行与普通电力变压器一样的型式试验和例行试验之外，还 要进行直流方面的试验，如直流电压试验、直流电压局部放电试验及直流电流极 性反转试验等i j 。 硕士学位论文 2 _ 2 传统换流变压器及网侧无源滤波装置的接线方案 现代高压直流输电系统广泛采用每极一组1 2 脉动换流器的结构，换流变压器 除了配合换流阀一起实现交直流之间的相互变换外，还需要为两个串联的6 脉动 抉流器之间提供3 0 。的相角差，从而形成1 2 脉动换流器结构p 8 i 。 掣谢斟劂 图2 1 传统换流变压器的结构型式 ( a 三相三绕组：b 三相双绕组：c 单相三绕组：d 单相五绕组) 图2l 给出了目前传统换流变压器常见的结构型式示意图。由图可知，传统 换流变压器的总体结构可以是三相三绕组式、三相双绕组式、单相双绕组式和单 相三绕组式四种。采用何种结构型式的换流变压器，应根据换流变压器交流侧及 直流侧的系统电压要求、变压器的容量、运输条件以及换流站布置等因素进行全 面考虑确定。对于中等额定容量和电压的换流变压器，可选用图2 1 ( a ) 、( b ) 所示 三相变压器型式，其阀侧绕组为y a 接线，以确保输出电压彼此保持3 0 。的相角 差；对于容量较大的换流变压器，可采用图2l ( c ) 、( d ) 所示单相变压器组型式。 图2 2 给出了一类与图2 1 ( a ) 、( c ) 相似的传统换流变压器及其网侧无源滤波装 置具体接线原理图及相应的电压矢量图。图中，网侧绕组由a 、b 、c 三相绕组组 成，采用星形接法，中性点引出接地，我国规定3 5 k v 电压等级以上的变压器中 性点必须引出接地；阀侧绕组由两套绕组共同组成，一套绕组采用星形接法；另 外一套绕组采用三角形接法。 设传统换流变压器网侧三相绕组的匝数均为。在阀侧绕组中，采用星形接 法的三相绕组的匝数均为；采用三角形接法的三相绕组均为鹏。网侧绕组与 阀侧绕组之间的匝比要视直流输电系统设计参数要求而定，在此定义i t 为阀侧星 形接法绕组与网侧绕组之间的匝比：定义t 2 为阀侧三角形接法绕组与网侧绕组之 间的匝比：阀侧星接法绕组线电压与阀侧三角形接法绕组匝比为l ，3 ，以保证阀 侧换相线电压相同；则： 新型直流输电动横系统滤波装置的综合设计 ( a ) ( b ) 图2 2 传统换流变压器及网侧滤波装置接线方案 ( - 原理接线图；b 电压矢量图) 丘：堕 形 缸：堕 彬 觑1 = 一 也3 ( 21 ) 由于受换流变压器运输重量的限制，目前高压大容量直流输电系统普遍采用 图2l ( d ) 示单相双绕组变压器组型式，如我国的葛南、天广及三常直流输电工程均 采用了该种结构型式。尽管这种型式的换流变压器在实际工程中得到普遍应用， 但选择该种型式主要是从运输质量上考虑的，事实上，将换流变压器结合到直流 输电系统中进行深入研究不难发现其存在的种种不和谐因素。 ( 1 ) 短路阻抗的偏差难以控制。短路阻抗是与直流输电系统运行特性密切相关 的换流变压器特性参数。直接影响到换流器所消耗的无功功率以及阀短路所要求 的承受短路电流的能力。传统换流变压器阀侧绕组采用y a 联结方式，为保证y 按绕组与接绕组的短路阻抗一致，在理想情况下，其有效匝比应为3 ：1 ，但在 实际工程中，由于i 不是整数，很难达到理想状态下的匝比关系，因此，短路阻 抗必然会存在一定程度的偏差，这是影响换流阀产生非特征谐波和直流分量的重 要因素。工程实践中通常是把这种偏差尽可能地控制到最小，但得到控制并不能 从根本上解决问题，这是由传统换流变压器结构的不对称性这个根本因素所决定 的，阀侧绕组采用y 接与接两种不同结构的联结方式，这直接导致换流变压器 在实际制造时其短路阻抗的偏差无法消除。 硕士学竹论文 ( 2 ) 谐波与无功电流在阀侧与网侧绕组中始终存在。由于换流桥的非线性特 性，在换相过程中会产生大量的谐波与无功，对换流单桥而言，其所含的特征谐 波次数为6 k + l ( k = l ，2 ，3 ，) ，所产生的滞后无功占直流侧功率的4 0 6 0 。当采 用图2l ( d ) 示单相双绕组结构型式时，换流变压器必然承受所有的谐波分量与无功 分量。变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时还可能使某些金 属部件和油箱产生局部过热现象；对于有较强漏磁通过的部件要用非线性材料或 采用磁屏蔽技术；数值较大的谐波磁通所引起的磁致伸缩噪音，一般处于听觉较 为灵敏的频带，需采取更有效的隔音措施，如三峡一上海直流输电工程使用了整 体封装的“b o x i n ”降噪技术【 】。 2 3 变压器感应滤波技术的机理分析 现以图23 所示中间引出抽头接单调谐滤波器的单相三绕组变压器为例，阐 述利用变压器耦合绕组的安匝平衡作滤波机理的新型滤波方式。图中，l 表示一 次绕组，2 表示二次延边绕组，3 表示二次公共绕组，i h 表示谐波电流源。箭头所 示为谐波电流在变压器中的流通路径。 图2 3 单相三绕组变压器谐波流通路径 分析可知：在延边绕组2 通过谐波电流影响下，公共绕组2 和一次绕组1 要 感生相应的谐波电流，满足以下磁势平衡关系： ：= 1 , o + “ ( 22 ) 式中，吖表示一次绕组的匝数：表