Chap.4高压直流输电的谐波抑制及无功补偿最终版本

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1、Chap.4-Chap.4-高压直流输电的高压直流输电的谐波抑制及无功补偿谐波抑制及无功补偿( (最最终版本终版本) )chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿课程安排课程安排第四章第四章 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念4.2 换流器特征谐波换流器特征谐波4.3 换流器非特征谐波换流器非特征谐波4.4 换流站谐波抑制措施换流站谐波抑制措施4.5 交流滤波器设计交流滤波器设计4.6 直流滤波器设计直流滤波器设计4.7 换流站无功补偿换流站无功补偿2024/8/52chap.4 高压直流输电

2、的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿3 1、谐波畸变、谐波畸变 波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的，流过非线性设备的电流和加在其上的电压不的，流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系。下图给出了在一个简单的非线性电成比例关系。下图给出了在一个简单的非线性电阻上施加正弦电压的例子，非线性电阻上电压和阻上施加正弦电压的例子，非线性电阻上电压和电流的关系随所给出的特性曲线变化。虽然该电电流的关系随所给出的特性曲线变化。虽然该电阻上所加电压是理想正弦波，但流过其中的电流阻上所加电压是理想正弦波，但流过其中的电流却是非正弦的，即出现了谐

3、波畸变问题。当电压却是非正弦的，即出现了谐波畸变问题。当电压有较小增加时，电流可能成倍增加，并且其波形有较小增加时，电流可能成倍增加，并且其波形也将发生变化。也将发生变化。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4 非线性电阻引起的电流畸变非线性电阻4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿5 任任何何周周期期性性的的畸畸变变波波形形都都可可用用正正弦弦波波形形的的和和表表示示，如如右右图图所所示示。也也就就是是说说，当当畸畸变变波波形形的的每每个个

4、周周期期都都相相同同时时，则则该该波波形形可可用用一一系系列列频频率率为为基基波波频频率率整整数数倍倍的的理理想想正正弦弦波波形形的的和和来来表表示示。其其中中，频频率率为为基基波波频频率率整整数数倍倍的的分分量量称称为为谐谐波波，而而一一系系列列正正弦弦波波形形的的和称为傅里叶级数。和称为傅里叶级数。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念+.50Hz（h=1）150Hz（h =3）250Hz（h =5）350Hz（h =7）450Hz（h =9）550Hz（h =11）650Hz（h =13） 畸变波形的Fourier级数表示+chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑

5、制与无功补偿2024/8/56谐波分析方法谐波分析方法：傅立叶级数法：傅立叶级数法傅立叶级数：傅立叶级数： 一个非正弦周期性函数一个非正弦周期性函数 f (x)，当其满足狄里克，当其满足狄里克雷（雷（Dirichlet）条件时，它可以用傅立叶级数表）条件时，它可以用傅立叶级数表示为：示为：直角坐标表达式直角坐标表达式4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿2024/8/57其中其中直流分量直流分量/恒定分量：恒定分量：式中式中 余弦项系数余弦项系数： 正正弦项系数弦项系数：4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4

6、 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿2024/8/58傅立叶级数的极坐标表达式傅立叶级数的极坐标表达式其中其中式中式中 第第h次谐波幅值次谐波幅值： 第第h次谐波初相位次谐波初相位：4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿92、谐波的基本概念与定义、谐波的基本概念与定义 国际上公认的谐波定义为：国际上公认的谐波定义为：“ 谐波是一个谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍频率的整数倍”。l谐波次数必须为正整数谐波次数必须为正整数 如我

7、国电力系统的标称频率如我国电力系统的标称频率f（也称为工业频率，也称为工业频率，简称工频）为简称工频）为50Hz，则基波为则基波为50Hz，二次谐波为二次谐波为100Hz，三次谐波为三次谐波为150Hz等。等。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿10 谐谐波波被被定定义义为为与与系系统统频频率率相相关关的的量量，其其频频率率为为基基波波频频率率的的整整数数倍倍(该该倍倍数数称称为为谐谐波波次次数数n或或h)(如如下下图图)。谐谐波波次次数数也也就就表表明明了了谐谐波波的的频频率率：如如，基基频频为为50Hz或或者者6

8、0Hz时时，二二次次谐谐波波的的频频率率是是基基频频的的两两倍，即为倍，即为100Hz或者或者120Hz，依此类推。，依此类推。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿11。图图 基频为基频为50Hz的正弦波及其谐波：的正弦波及其谐波：(a)2次次(100Hz)；(b)3次次(150Hz)；(c)4次次(200Hz)；(d)5次次(250Hz)4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿12l间谐波间谐波 在一定的供电系统条件下，有些用电在一定的供电系

9、统条件下，有些用电负荷会出现非整数倍的周期性电流的波动，负荷会出现非整数倍的周期性电流的波动，根据该电流周期分解出的傅里叶级数，可根据该电流周期分解出的傅里叶级数，可能得出不是基波整数倍频率的分数谐波能得出不是基波整数倍频率的分数谐波(fractional-harmonics)称为称为间谐波间谐波(inter-harmonics)。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿13l谐波和暂态现象谐波和暂态现象 在许多电能质量问题中常把在许多电能质量问题中常把暂态现象暂态现象误认为是谐波畸变。暂态过程的实测波形误认为是谐波畸变

10、。暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸变波形，虽是一个带有明显高频分量的畸变波形，虽然暂态过程中含有高频分量，但是暂态和然暂态过程中含有高频分量，但是暂态和谐波却是两个完全不同的现象，它们的分谐波却是两个完全不同的现象，它们的分析方法也是不同的。电力系统仅在受到突析方法也是不同的。电力系统仅在受到突然扰动之后，其暂态波形呈现出高频特性，然扰动之后，其暂态波形呈现出高频特性，但这些频率并不是谐波，但这些频率并不是谐波，与系统的基波频与系统的基波频率无关。率无关。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿14l 短时间

11、谐波短时间谐波 对于短时间的冲击电流，例如，变压器对于短时间的冲击电流，例如，变压器空载合闸的励磁涌流，按周期函数分解，将空载合闸的励磁涌流，按周期函数分解，将包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流，应与电间的谐波电流或快速变化谐波电流，应与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来。力系统稳态和准稳态谐波区别开来。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿15l陷波陷波 换流装置在换相时，会导致电压波形出换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷波或称换相缺口。这种畸

12、变是电压瞬现陷波或称换相缺口。这种畸变是电压瞬时值的突然变化，虽然也是周期性的，但时值的突然变化，虽然也是周期性的，但不属于谐波范畴。不属于谐波范畴。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿161、非正弦量均方根值和总谐波畸变率、非正弦量均方根值和总谐波畸变率l有效值（均方根值）有效值（均方根值） 在频域分析中，将畸变的周期性电压和电流分解成傅里叶级数：4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(非正弦量衡量指标与功率因数非正弦量衡量指标与功率因数)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿

13、17M=50 （或（或25）的原因：）的原因：现行国标谐波电流仅限定到现行国标谐波电流仅限定到25次，修订国标次，修订国标限定到限定到50次；次；通常，谐波电流越高，幅值越小；通常，谐波电流越高，幅值越小；很多用户只关心很多用户只关心20（或（或19）次以内的谐波；）次以内的谐波；HVDC通常也只考虑到通常也只考虑到49次谐波。次谐波。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(非正弦量衡量指标与功率因数非正弦量衡量指标与功率因数)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿18以电流为例， 的有效值根据定义可表示为 即非正弦周期量的有效值等于其各次谐波分量有效值的

14、即非正弦周期量的有效值等于其各次谐波分量有效值的平方和的平方根值，与各分量的初相角无关。虽然各次平方和的平方根值，与各分量的初相角无关。虽然各次谐波分量有效值与其峰值之间存在着比例关系，但是谐波分量有效值与其峰值之间存在着比例关系，但是 的峰值与它的有效值的峰值与它的有效值 之间却不存在这样简单的比例关之间却不存在这样简单的比例关系。系。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(非正弦量衡量指标与功率因数非正弦量衡量指标与功率因数)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿19l总谐波畸变率4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(非正弦量衡量指标与功率因数非正弦量

15、衡量指标与功率因数)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿20 非正弦周期量的均方根值等于其各次谐波分量均方根值的平方和的平方非正弦周期量的均方根值等于其各次谐波分量均方根值的平方和的平方根值，与各分量的初相角无关。虽然各次谐波分量均方根值与其峰值之间存根值，与各分量的初相角无关。虽然各次谐波分量均方根值与其峰值之间存在固定的比例关系，但是合成波形的峰值与它的均方根值之间却不存在这样在固定的比例关系，但是合成波形的峰值与它的均方根值之间却不存在这样简单的比例关系。如下图所示的两个畸变电流波形，它们都只含有基波和三简单的比例关系。如下图所示的两个畸变电流波

16、形，它们都只含有基波和三次谐波两个分量，且其幅值分别相等，因而其均方根值也相等。但由于三次次谐波两个分量，且其幅值分别相等，因而其均方根值也相等。但由于三次谐波分量的初相角不同，故畸变电流波形明显不同，其峰值也不相同。谐波分量的初相角不同，故畸变电流波形明显不同，其峰值也不相同。 l谐波相位与峰值4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(非正弦量衡量指标与功率因数非正弦量衡量指标与功率因数)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿212、非正弦条件下的无功功率与功率因数、非正弦条件下的无功功率与功率因数l假定电源电压波形以正弦函数变化（这同实际情况假定电源电压

17、波形以正弦函数变化（这同实际情况比较接近，则假设是合理的），可推导出：比较接近，则假设是合理的），可推导出：4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(非正弦量衡量指标与功率因数非正弦量衡量指标与功率因数)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿22l根据传统定义，有根据传统定义，有 定义相移功率因数为定义相移功率因数为 因此功率因数为因此功率因数为 由由此此可可以以看看出出，功功率率因因数数受受到到两两方方面面影影响响：相相移移功功率率因因数数 ，即即基基频频电电压压电电流流的的相相位位差差；电电流流的的基基波分量所占比例波分量所占比例 ，即电流畸变程度。，即

18、电流畸变程度。结论：功率因数大小由两方面因素决定：结论：功率因数大小由两方面因素决定：相移功率因数相移功率因数 ，即基频电压与电流之间的相位，即基频电压与电流之间的相位差；差；电流的基波分量所占比例，即电流畸变程度电流的基波分量所占比例，即电流畸变程度 。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(非正弦量衡量指标与功率因数非正弦量衡量指标与功率因数)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿23三相电路中的谐波三相电路中的谐波在对称三相电路中，各相电压（电流）变化规律相同，但在时间上依次相差1/3周期（ ）。设A相电压可表示为 则B、C相电压分别为 4.1 谐波

19、的基本概念谐波的基本概念(三相电路中的谐波)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿24三相对称非正弦电压也符合这种关系。设A相电压所含第次谐波为 考虑到 ，则B、C相第次谐波电压分别为4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(三相电路中的谐波)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿25 当 （ k =0，1，2，,）时，三相电压谐波的相序都与基波的相序相同。即第1、4、7、10等次谐波都为正序性谐波正序性谐波。 当 时，三相电压谐波的相序都与基波的相序相反。即第2、5、8、11等次谐波都为负序性谐波。 当 时，三相电压

20、谐波都有相同的相位。即第3、6、9、12等次谐波都为零序性谐波。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(三相电路中的谐波)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿26 与与电电压压情情况况相相同同，电电流流的的各各次次谐谐波波同同样样具具有有不不同同的的相相序特性。序特性。 不不对对称称三三相相系系统统各各次次谐谐波波的的相相序序特特性性和和对对称称时时不不同同，各各次次谐谐波波都都可可能能不不对对称称，可可用用对对称称分分量量法法将将它它们们分分解解为为零零序、正序和负序三个对称分量系统进行研究。序、正序和负序三个对称分量系统进行研究。 注意：3次谐波并非

21、均为零序性谐波。4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念(三相电路中的谐波)chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿谐波国家标准与谐波影响（另附幻灯片）谐波国家标准与谐波影响（另附幻灯片）电容器与电容器与谐波谐波放大（另附幻灯片）放大（另附幻灯片）4.1 谐波的基本概念谐波的基本概念2024/8/527chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2 换流器特征谐波换流器特征谐波 特征谐波：特征谐波： 在假设条件下，换流器交流侧的各相电流和直在假设条件下，换流器交流侧的各相电流和直流侧的整流电压中所包含的谐波。流侧的整流电压

22、中所包含的谐波。换流器交流侧特征谐波换流器交流侧特征谐波换流器直流侧特征谐波换流器直流侧特征谐波双极HVDC原理图， 2024/8/528chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2 换流器特征谐波换流器特征谐波 特征谐波分析的假设条件特征谐波分析的假设条件 1) 交流电源为对称的正弦波；交流电源为对称的正弦波； 2) 交流输电系统及换流变压器阻抗对称；交流输电系统及换流变压器阻抗对称； 3) 不计交流系统中各元件的电阻及换流变压器不计交流系统中各元件的电阻及换流变压器的激磁导纳；的激磁导纳； 4) 平波电抗器的电感为无穷大；平波电抗器的电感为无穷大；

23、5) 晶闸管具有理想的开关特性；晶闸管具有理想的开关特性； 6) 等间隔触发等间隔触发2024/8/529chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.1 换流器交流侧特征谐波换流器交流侧特征谐波 12脉动换流器相电流波形脉动换流器相电流波形2024/8/530chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.1 换流器交流侧特征谐波换流器交流侧特征谐波n特征谐波次数特征谐波次数式中式中脉动数脉动数双极HVDC原理图， 电流波形6脉动换流器脉动换流器:即即12脉动换流器脉动换流器:即即2024/8/531chap.4

24、高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.1 换流器交流侧特征谐波换流器交流侧特征谐波 换流变阀侧谐波电流有效值换流变阀侧谐波电流有效值空载时基波电流有效值：空载时基波电流有效值：双极HVDC原理图， 电流波形2024/8/532chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.1 换流器交流侧特征谐波换流器交流侧特征谐波 其中，谐波电流系数：其中，谐波电流系数：2024/8/533chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.1 换流器交流侧特征谐波换流器交流侧特征谐波 影响谐波电流数值

25、的因素影响谐波电流数值的因素换相角换相角 ： 随着随着 的增加，每次谐波有多个极的增加，每次谐波有多个极值点，但总趋势为下降。值点，但总趋势为下降。触发角触发角： 增加增加，各次谐波数值，各次谐波数值减小，但影减小，但影响小。响小。谐波次数谐波次数h ： h 增加增加，各次谐波数值，各次谐波数值减小减小5次电流，11次电流，25次电流2024/8/534chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.1 换流器交流侧特征谐波换流器交流侧特征谐波 换流器变压器网侧的换流器变压器网侧的以下特征谐波以下特征谐波双极HVDC原理图， 电流波形， 电流谐波谐波次数

26、（ ）在换流变绕组中在换流变绕组中环流环流，不进入交流系统不进入交流系统。环环流流2024/8/535chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.2 换流器直流侧特征谐波换流器直流侧特征谐波 12脉动换流器整流电压波形脉动换流器整流电压波形2024/8/536chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.2 换流器直流侧特征谐波换流器直流侧特征谐波 特征谐波次数特征谐波次数式中式中脉动数脉动数12脉动换流器脉动换流器:即即双极HVDC原理图， 电压波形6脉动换流器脉动换流器:即即2024/8/537chap.4

27、高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.2 换流器直流侧特征谐波换流器直流侧特征谐波 6脉动换流器谐波电压有效值脉动换流器谐波电压有效值其中其中理想空载直流电压：理想空载直流电压：当当 =0时时2024/8/538chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.2.2 换流器直流侧特征谐波换流器直流侧特征谐波 影响谐波电压数值的因素影响谐波电压数值的因素换相角换相角 ： 随着随着 的增加，每次谐波有多个极的增加，每次谐波有多个极值点，但总趋势为上升。值点，但总趋势为上升。触发角触发角： 增加增加，各次谐波数值，各次谐波数值增大。

28、增大。谐波次数谐波次数h ： h 增加增加，各次谐波数值，各次谐波数值减小减小6次电压，24次电压2024/8/539chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.3 换流器非特征谐波换流器非特征谐波 非特征谐波非特征谐波 换流器交、直流侧的电流和电压中，除特征换流器交、直流侧的电流和电压中，除特征谐波之外的谐波分量。谐波之外的谐波分量。交流侧非特征谐波出现的原因交流侧非特征谐波出现的原因： 直流电流中存在纹波；直流电流中存在纹波； 交流电压中存在谐波；交流电压中存在谐波； 交流基波电压不对称，即存在负序电压；交流基波电压不对称，即存在负序电压；换流变压器阻

29、抗相间差异；换流变压器阻抗相间差异；双极HVDC原理图， 假设条件2024/8/540chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.3 换流器非特征谐波换流器非特征谐波 Y，y组换流器和组换流器和Y, d组换流器触发角差异；组换流器触发角差异；由于换流变压器电压变比不同造成由于换流变压器电压变比不同造成Y，y组换流器和组换流器和Y, d组换流器换相电压不同；组换流器换相电压不同；Y，y组换流变压器和组换流变压器和Y, d组换流变压器组换流变压器阻抗差异；阻抗差异； 触发脉冲不完全等距。触发脉冲不完全等距。上述上述8种原因产生的非特征谐波在发生的位置（相别）、

30、种原因产生的非特征谐波在发生的位置（相别）、次数、幅值和相位上有各种组合，在理论分析和工程实际次数、幅值和相位上有各种组合，在理论分析和工程实际中都只能采用逐项分析的办法进行。即分别考虑上述各项中都只能采用逐项分析的办法进行。即分别考虑上述各项因素单独存在，而假定其他所有因素都是理想的。因素单独存在，而假定其他所有因素都是理想的。双极HVDC原理图， 假设条件2024/8/541chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.3 换流器非特征谐波换流器非特征谐波 直流侧非特征谐波出现的原因直流侧非特征谐波出现的原因： 交流母线电压中含有谐波电压，直流侧将产交流

31、母线电压中含有谐波电压，直流侧将产生非特征谐波电压。生非特征谐波电压。 对于构成对于构成12脉动换流器的两个脉动换流器的两个6脉动换流器脉动换流器的换流变压器的漏抗不相等和电压比不相等。的换流变压器的漏抗不相等和电压比不相等。 对于构成一个换流站两极换流器的任何运行对于构成一个换流站两极换流器的任何运行参数不相等，要根据实际情况进行计算，充分参数不相等，要根据实际情况进行计算，充分考虑各次谐波幅值和相位的差异。考虑各次谐波幅值和相位的差异。 换流变压器三相漏抗不平衡也将使直流电压换流变压器三相漏抗不平衡也将使直流电压中产生非特征谐波。中产生非特征谐波。2024/8/542chap.4 高压直流

32、输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.3 换流器非特征谐波换流器非特征谐波 常见的非特征谐波常见的非特征谐波换流器交流侧换流器交流侧换流器直流侧换流器直流侧双极HVDC原理图2024/8/543chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.4 换流站谐波抑制措施换流站谐波抑制措施 常用措施：常用措施：增加换流器的脉动（波）数增加换流器的脉动（波）数装设滤波器装设滤波器项目项目 方法方法1（增加脉动数）（增加脉动数） 方法方法2（装设滤波器）（装设滤波器）优点优点1、 减少注入减少注入AC、DC系统系统的谐波成分；的谐波成分；2、提高注入

33、、提高注入AC、DC系统系统的最低次特征谐波次数。的最低次特征谐波次数。1、降低注入降低注入AC、DC系统系统的谐波量；的谐波量；2、可兼作无功补偿设备。、可兼作无功补偿设备。缺点缺点脉动数过大（大于脉动数过大（大于12）时，）时，换流站投资太大换流站投资太大1、投资大、投资大2、占地大、占地大现状现状典型设计方案：双极双桥典型设计方案：双极双桥调谐或调谐高通型滤波器调谐或调谐高通型滤波器双极HVDC原理图2024/8/544chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.5 交流滤波器设计交流滤波器设计 滤波器滤波器抑制换流器产生的注入交、直流系统谐波的设备

34、。抑制换流器产生的注入交、直流系统谐波的设备。类型类型 交流滤波器、直流滤波器交流滤波器、直流滤波器有源滤波器、无源滤波器有源滤波器、无源滤波器无源滤波器：无源滤波器：双极HVDC原理图调谐型调谐型滤波器滤波器高通型高通型滤波器滤波器调谐调谐高通型高通型滤波器滤波器2024/8/545chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.5 交流滤波器设计交流滤波器设计无源滤波器类型无源滤波器类型(a) 单调谐滤波器；单调谐滤波器；(b) 双调谐滤波器；双调谐滤波器；(c) 三调谐滤波器；三调谐滤波器；(d) 二阶高通滤波器；二阶高通滤波器；(e) 三阶高通滤波器；

35、三阶高通滤波器；(f) C型阻尼滤波器型阻尼滤波器2024/8/546chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿47单调谐滤波器基本原理单调谐滤波器基本原理 单调谐滤波器由电感电容串联组成。 阻抗频率特性为： 单调谐滤波器单调谐滤波器 阻抗随频率变化的关系曲线，如下图所示。 谐振频率为： 谐振次数为： 品质因数为： chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿48 不同的品质因数下，单调谐滤波器的频偏不同的品质因数下，单调谐滤波器的频偏阻抗特性曲线如下图所示。阻抗特性曲线如下图所示。品质因数品质因数越大，在理越大，在理想谐振

36、点处，滤波器阻抗越小。想谐振点处，滤波器阻抗越小。品质因数选取品质因数选取单调谐滤波器单调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿49 品质因数决定了滤波器调谐的敏锐度。品质品质因数决定了滤波器调谐的敏锐度。品质因数越大，则电阻越小，滤波器的调谐越敏锐。因数越大，则电阻越小，滤波器的调谐越敏锐。品质因数过大，会使被滤除谐波频率的频带过窄，品质因数过大，会使被滤除谐波频率的频带过窄，当系统频率或滤波电容器、电抗器参数发生偏差当系统频率或滤波电容器、电抗器参数发生偏差时容易发生失谐；品质因数过小，会使滤波器的时容易发生失谐；品质因数过小，会使滤波器的损

37、耗增大。品质因数的典型取值为损耗增大。品质因数的典型取值为30603060。 实际工程中，低压400V系统，一般约为30左右；10kV及以上系统，可达到50及以上。单调谐滤波器单调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿50等值频率偏差（失谐度）概念等值频率偏差（失谐度）概念单调谐滤波器单调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿51单调谐滤波器单调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿52 单调谐滤波器由电容与电单调谐滤波器由电容与电感串联而成，其谐振频

38、率与某感串联而成，其谐振频率与某低次谐波一致，用来消除该低低次谐波一致，用来消除该低次谐波。对应于调谐频率，电次谐波。对应于调谐频率，电容器与电抗器的阻抗匹配，滤容器与电抗器的阻抗匹配，滤波器呈纯阻性。频率低于谐振波器呈纯阻性。频率低于谐振频率时，滤波器呈容性，频率频率时，滤波器呈容性，频率高于谐振频率时，滤波器则呈高于谐振频率时，滤波器则呈现感性。现感性。调谐次数选取调谐次数选取单调谐滤波器单调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿53单调谐滤波器单调谐滤波器 由于系统阻抗往往呈现为感性，单调谐滤波器的调由于系统阻抗往往呈现为感性，单调谐滤波器

39、的调谐次数应偏离（小于）所要滤除的主要谐波的次数。谐次数应偏离（小于）所要滤除的主要谐波的次数。确保在所要滤除的主要谐波的次数滤波器与系统阻抗确保在所要滤除的主要谐波的次数滤波器与系统阻抗均为感性，避免在该频次谐波电流的放大。均为感性，避免在该频次谐波电流的放大。 一般情况下，可选取调谐次数为所要滤除的主要谐一般情况下，可选取调谐次数为所要滤除的主要谐波的次数的波的次数的0.960.98倍倍。chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿54 双双调调谐谐滤滤波波器器是是调调谐谐到到两两个个串串联联谐谐振振频频率率的的滤滤波波器器，由由串串联谐振和并联谐振回路串

40、接而成，有如联谐振和并联谐振回路串接而成，有如下下图图所示的几种型式。所示的几种型式。双调谐滤波器双调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿55双调谐滤波器双调谐滤波器 考虑元件考虑元件内阻的基本型式内阻的基本型式的双调谐滤波器的双调谐滤波器如下图所示。如下图所示。 chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿56双调谐滤波器双调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿57 双调谐滤波器的阻频特性 如右图所示。由图可见，双调谐滤波器的阻频特性类似于两个单调谐滤波器组合

41、的阻频特性。因此，双调谐滤波器可替换两个单调谐滤波器。 双调谐滤波器有两个串谐点、一个并谐点。图中， 、 为双调谐的两串联谐振频率，为双调谐的并联谐振频率。 带有并联电阻的双调谐滤波器的阻频特性类似于基本型式的双调谐滤波器的特性。双调谐滤波器双调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿58双调谐滤波器双调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿59 双调谐滤波器中，并联电阻可起到防止过电压、降双调谐滤波器中，并联电阻可起到防止过电压、降低并联谐振幅值、降低滤波器间及滤波器与系统间发低并联谐振幅值、降低滤

42、波器间及滤波器与系统间发生谐振的可能性，并可使滤波器获得较好的高通滤波生谐振的可能性，并可使滤波器获得较好的高通滤波性能等。但并联电阻加大了两串谐点附近的阻抗，对性能等。但并联电阻加大了两串谐点附近的阻抗，对低次谐波的滤波效果有所影响，增加了谐波有功损耗。低次谐波的滤波效果有所影响，增加了谐波有功损耗。并联电阻应根据过电压实验或经验选取阻值，并同时并联电阻应根据过电压实验或经验选取阻值，并同时考虑滤波等的要求。考虑滤波等的要求。 对于高电压、大容量的滤波与无功功率补偿来说，对于高电压、大容量的滤波与无功功率补偿来说，采用双调谐滤波器代替两单调谐或高通滤波器，具有采用双调谐滤波器代替两单调谐或高

43、通滤波器，具有技术上和经济上的优越性。但由于双调谐滤波器构成技术上和经济上的优越性。但由于双调谐滤波器构成复杂、调谐困难，在较低电压时是否应用，应通过相复杂、调谐困难，在较低电压时是否应用，应通过相应的技术经济比较来决定。应的技术经济比较来决定。双调谐滤波器双调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿60三调谐滤波器 (a)电路图电路图 (b)阻阻-频特性曲线频特性曲线图图 典型三调谐滤波器典型三调谐滤波器 三调谐滤波器的特点是可同时对三个频率的谐波进行有效抑制，滤三调谐滤波器的特点是可同时对三个频率的谐波进行有效抑制，滤波效率更高，占地少。但是这

44、种滤波器结构复杂，调谐困难。如果采用波效率更高，占地少。但是这种滤波器结构复杂，调谐困难。如果采用两组三调谐滤波器，则投资费用很高。当只采用一组三调谐滤波器的时两组三调谐滤波器，则投资费用很高。当只采用一组三调谐滤波器的时候，一旦滤波器出现故障而退出运行，直流线路的谐波可能超标。候，一旦滤波器出现故障而退出运行，直流线路的谐波可能超标。 右图为典型三调谐滤波器电路及阻-频特性曲线。三调谐滤波器三调谐滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿61二阶高通滤波器基本原理二阶高通滤波器基本原理 二阶减幅滤波器是在实际工程中最广泛应用二阶减幅滤波器是在实际工程

45、中最广泛应用的高通滤波器，高通滤波器在无限大至截止频率的高通滤波器，高通滤波器在无限大至截止频率范围内，其阻抗是一个与它的电阻同数量级的低范围内，其阻抗是一个与它的电阻同数量级的低阻抗，从而使得高通滤波器对截止频率以上的高阻抗，从而使得高通滤波器对截止频率以上的高次谐波形成一个公共的电流通路，有效滤除这些次谐波形成一个公共的电流通路，有效滤除这些谐波。谐波。二阶高通滤波器二阶高通滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿62 高通滤波器的截止频率为高通滤波器的截止频率为 对应的截止谐波次数为对应的截止谐波次数为 在无限大至截止频率的频率范围内，高通滤波

46、器的阻在无限大至截止频率的频率范围内，高通滤波器的阻抗是一个与它的电阻同数量级的低阻抗，从而使得高通滤抗是一个与它的电阻同数量级的低阻抗，从而使得高通滤波器对截止频率以上的高次谐波形成一个公共的电流通路，波器对截止频率以上的高次谐波形成一个公共的电流通路，有效滤除这些谐波。有效滤除这些谐波。 二阶高通滤波器二阶高通滤波器为了便于计算，引入参数为了便于计算，引入参数m mm m的取值一般在的取值一般在0.50.52 2之间。之间。 chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿63二阶高通滤波器二阶高通滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输

47、电的谐波抑制与无功补偿64二阶高通滤波器损耗二阶高通滤波器损耗 高通滤波器的主要损耗由电阻产生。以下讨论中假定高通滤波器的主要损耗由电阻产生。以下讨论中假定电容和电感为纯无功元件，仅讨论电阻中损耗。电容和电感为纯无功元件，仅讨论电阻中损耗。 当当h次谐波电流次谐波电流Ih通过高通滤波器时，不难得到电阻通过高通滤波器时，不难得到电阻中的电流中的电流IRh：电阻中的功率损耗电阻中的功率损耗PRh为：为： 二阶高通滤波器二阶高通滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿65 二阶高通滤波器截止谐波次数二阶高通滤波器截止谐波次数h0h0较小时，将使电阻中较小时

48、，将使电阻中谐波功率损耗大大增加。谐波功率损耗大大增加。 需说明，虽然二阶高通滤波器电阻中工频损耗往往不需说明，虽然二阶高通滤波器电阻中工频损耗往往不占主要地位，因为工频电流大部分被电抗器分流占主要地位，因为工频电流大部分被电抗器分流（XL/R=m/h01XL/R=m/h01）, ,但当但当h0h0较小（电阻较小（电阻R R相应较大）时，工相应较大）时，工频损耗可能远大于谐波损耗。频损耗可能远大于谐波损耗。 损耗意味着能量损失（效率下降、投入与使用成本增损耗意味着能量损失（效率下降、投入与使用成本增加）、发热等。加）、发热等。 因此，因此， h0 h0不宜过小。若不宜过小。若h0h0较小，则应

49、采取特殊措施。较小，则应采取特殊措施。二阶高通滤波器二阶高通滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿66 是对二阶高通滤波器的改造，在二阶高通滤波器电抗是对二阶高通滤波器的改造，在二阶高通滤波器电抗器（电感为器（电感为L L）回路中串接一个电容器（）回路中串接一个电容器（CdCd），使得），使得L L与与CdCd在基波频率下谐振，从而使得基波电流几乎全部流经在基波频率下谐振，从而使得基波电流几乎全部流经LLCdCd支路，不通过电阻支路，不通过电阻R R，从而达到降低能耗的目的。，从而达到降低能耗的目的。 C C型高通滤波器其它参数的计算同二阶高通滤波

50、器，其型高通滤波器其它参数的计算同二阶高通滤波器，其滤波性能与二阶高通滤波器相近，但有功功率损耗较低，滤波性能与二阶高通滤波器相近，但有功功率损耗较低， C C型高通滤波器又称为低能耗滤波器，适用于型高通滤波器又称为低能耗滤波器，适用于截止频次截止频次h0h0较低（一般较低（一般7 7次以下）且基波无功补偿容量较大的场合。次以下）且基波无功补偿容量较大的场合。 典型的应用是在钢铁企业。典型的应用是在钢铁企业。C型高通滤波器型高通滤波器chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.5.2 交流滤波器配置交流滤波器配置配置原则配置原则满足换流站各次谐波电流满足换

51、流站各次谐波电流HRI和换流母线和换流母线THDU的设计规范要求；的设计规范要求；类型不宜太多，类型不宜太多，23种为宜；种为宜；宜采用宜采用调谐高通型滤波器调谐高通型滤波器；分组（指大组）尽可能少。分组（指大组）尽可能少。双极HVDC原理图2024/8/567chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.5.2 交流滤波器配置交流滤波器配置我国部分我国部分HVDC工程交流滤波器配置工程交流滤波器配置工程名称工程名称整流站整流站逆变站逆变站葛葛-南南11/13（HP型）、型）、23/25（HP型）型）(Q1 =67Mvar)11/13（HP型）、型）、23/

52、25（HP型）型）(Q1 =87Mvar)天天-广广 11/13（HP型）、型）、23/25（HP型）型）三三-常常11/13（HP型）、型）、24/36（HP型）、型）、3 （HP型）型）12/24（HP型）型）舟山舟山5、7、11、13、HP5、7、11、13、HP嵊泗嵊泗5、7、11、13、HP3、5、7、11、13、HP2024/8/568chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.6 直流滤波器设计直流滤波器设计直流滤波器类型直流滤波器类型极线直流滤波器极线直流滤波器调谐型滤波器调谐型滤波器高通型滤波器高通型滤波器调谐高通型滤波器调谐高通型滤波器

53、中性线直流滤波器中性线直流滤波器中性点冲击电容器中性点冲击电容器2024/8/569chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.6 直流滤波器设计直流滤波器设计配置原则配置原则满足直流线路等效干扰电流的设计规范要求；满足直流线路等效干扰电流的设计规范要求；直流电缆线路不装滤波器；直流电缆线路不装滤波器；直流极线宜装设直流极线宜装设2组滤波器；组滤波器；一般为调谐型滤波器。一般为调谐型滤波器。DCF配置2024/8/570chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.6 直流滤波器设计直流滤波器设计我国部分我国部分HVDC

54、工程直流滤波器配置工程直流滤波器配置工程名称工程名称整流站整流站逆变站逆变站葛葛-南南12/24（HP型）、型）、12/36天天-广广 12/24（HP型）、型）、APF三三-常常1*12/24（HP型）、型）、1* 12/36舟山舟山无无嵊泗嵊泗无无2024/8/571chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.7 换流站无功补偿换流站无功补偿 换流器吸收无功功率换流器吸收无功功率 采用普通晶闸管换流阀进行换流的高压采用普通晶闸管换流阀进行换流的高压直流输电换流站，一般均采用电网电源换相控直流输电换流站，一般均采用电网电源换相控制技术，其特点是换流器在运

55、行中要从交流系制技术，其特点是换流器在运行中要从交流系统吸取大量的无功功率。整流侧和逆变侧吸取统吸取大量的无功功率。整流侧和逆变侧吸取的无功功率与换流站和交流系统之间交换的有的无功功率与换流站和交流系统之间交换的有功功率成正比，在额定工况时整流装置所需的功功率成正比，在额定工况时整流装置所需的无功功率约为有功功率的无功功率约为有功功率的30%5030%50，逆变装置逆变装置约为约为40%6040%60。2024/8/572chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.7 换流站无功补偿换流站无功补偿换流器无功特性换流器无功特性 换流器消耗的无功功率可由下式表

56、示换流器消耗的无功功率可由下式表示: （5-1）；P为换流器直流侧功率，为换流器直流侧功率，MW； 为换流器的功率因数为换流器的功率因数角；角；为换相角；为换相角；为整流器触发角。当换流器以逆变为整流器触发角。当换流器以逆变方式运行时，式中的方式运行时，式中的 用用 代替，代替， 为逆变侧关断角。为逆变侧关断角。 在不同的运行控制方式下，换流器吸收的无在不同的运行控制方式下，换流器吸收的无功功率随换流功率的变化将会出现很大差异。功功率随换流功率的变化将会出现很大差异。2024/8/573chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿4.7 换流站无功补偿换流站无

57、功补偿类型类型 机械投切式无功补偿装置机械投切式无功补偿装置静止无功补偿装置（静止无功补偿装置（SVC）同步调相机同步调相机无功补偿配置原则无功补偿配置原则满足换流母线电压偏移的要求；满足换流母线电压偏移的要求；满足换流站与系统无功交换的要求；满足换流站与系统无功交换的要求；尽量采用交流滤波器实现无功补偿。尽量采用交流滤波器实现无功补偿。如，机械投切式并联电容器、并联电抗器、如，机械投切式并联电容器、并联电抗器、交流滤波器交流滤波器2024/8/574Chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿结束结束 2024/8/5chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无

58、功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿双极方式双极方式HVDC原理图原理图双极双桥双极双桥 葛洲坝葛洲坝南南 桥桥209kVIdId500kV500kV500kV198kV220kV2024/8/576chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿6脉动换流器电流波形脉动换流器电流波形单桥整流器和逆变器单桥整流器和逆变器（ ）单桥整流器单桥整流器单桥逆变器单桥逆变器2024/8/577chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿5次谐波电流波形次谐波电流波形I(5) /I（1.0）%2024/8/578chap.4 高压直流输电

59、的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿11次谐波电流波形次谐波电流波形I(11) /I(1.0)%2024/8/579chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿25次谐波电流波形次谐波电流波形I(25) /I(1.0)%2024/8/580chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿6次谐波电压波形次谐波电压波形U(6) / Ud0,%2024/8/581chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿24次谐波电压波形次谐波电压波形U(24) / Ud0,%2024/8/582chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿滤波器滤波器2024/8/583chap.4 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿高压直流输电的谐波抑制与无功补偿无功补偿装置无功补偿装置2024/8/584结束结束