直流输电第3章

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1、第第1 1页页第3章 谐波和滤波器 3.1 引言引言 3.2 高压直流输电系统的谐波高压直流输电系统的谐波 3.3 谐波抑制装置的选择谐波抑制装置的选择 第第2 2页页3.1引言引言 谐波及其抑制是高压直流输电中的重要技术问题之一。出于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，它们对系统本身和用户都会造成影响和危害。为了抑制谐波，通常不得不装设滤波装置。这样在换流站的投资和占地面积中，这些滤波装置就占有相当大的比重。因此，对谐波进行准确分析计算并合理地配置滤波装置，对于高压直流输电的设计和运行都具有十分重要的意义。 第第3 3页页3.2 高压直流输电系统的谐波 3.2.1

2、理想化的假设条件1)换流变压器交流侧(指换流变压器与交流系统或发电机相连接的一侧)提供的换相电压为三相对称的基波正序电压，不含任何谐波分量；2)换流变压器的三相结构对称，各相参数相同；3)在同一换流站中，各换流阀以等时间间隔的触发脉冲依次触发，且触发角保持恒定；4)换流器直流侧的电流为不含任何谐波分量的恒定直流电流。这相当于假定平波电抗器的电感量为无穷大。 第第4 4页页 在这些假设条件下，换流站交流侧的三相电流和直流侧电压中的谐波，其次数和特性比较有规律，它们统称为特征谐波。脉波数为p的换流器在直流电压仅仅产生pn次的特征谐波电压，而在交流电流中产生pn土1次的特征谐波电流，其中n是任意正整

3、数。 脉波数（p）直流侧（n=kp）交流侧（n=kp1）66，12，18，24，5，7，11，13，1212，24，36，11，13，23，25，特征谐波分量的幅值随次数n的增高而减小。 第第5 5页页 实际上，用于计算特征谐波的理想条件是不存在的，总是存在比较小量的非特征谐波。关于交流电流谐波，术语“非特征”表示由表达式pn土1确定的以外的谐波次数。 非特征谐波产生的原因：3相电压不完全对称；换流阀的触发脉冲间隔不完全相等；换流器谐波流入交流系统，产生谐波电压分布，造成电压畸变。 第第6 6页页3.2.2 换流站交流侧特征谐波 由于平波电抗器的电抗值比换相电抗大很多，所以 对交流系统，换流器

4、与直流系统可视为谐波电流源（高内阻）； 对直流端，换流器与交流系统可视为谐波电压源（低内阻）。第第7 7页页 1、忽略换相过程影响的特征谐波 在忽略换相过程影响的情况下，线电流波形如图中实线所示矩形波的宽度为23，正、负脉冲间的相位差为。此电流可以表达成傅立叶级数。 第第8 8页页 对于具有YY变压器连结的6脉波换流桥而言，交流电流的傅立叶展开式如下：n次谐波分量有效值为： 把 换成 与 即可得ib与ic；如前所述，谐波中仅含6k1次；基波分量有效值为：第第9 9页页对于Y变压器连接，此电流为： 三次谐波和所有的偶次谐波末出现在上式，原因是每周期有两个大小相等、方向相反的电流脉冲。由于电流脉冲

5、宽度是三分之一周期，故三次及三的整数倍次谐波分量也不存在，其余的谐波分量次数为6n土1，这里n为任意正整数。 第第1010页页 余下12土l次（如11，13，23，25，等等)谐波注入交流系统，它们的幅值随着谐波次数的增加而衰减，第h次谐波的幅值是基波的1/h。 在12脉波换流桥中，有两个6脉波桥，它们分别带有一个变压器，一个YY连结，另一个Y连结。因为n的奇数倍次谐波相消，故第第1111页页2、计及换相过程影响的特征谐波 当考虑换相电抗的影响时，换相期间的叠弧角圆滑了线电流波形的矩形边缘，如图中的虚线所示。这就削减了谐波分量的幅值。电流谐波分量的衰减因子为 其中，ih为谐波电流，iho为无叠

6、弧的谐波电流，h为谐波次数，Asin(h十1)2(h十1)，Bsin(h一1)2(h一1)。 显然，作用于交流系统的谐波是运行条件的函数。随着增加，谐波分量减少，并且这种减少随着谐波次数的增加而更趋明显。第第1212页页 3.2.3 换流站直流侧特征谐波 理想的6脉波桥式换流器，每60反复切换一次。对这个电压波形的傅立叶分析表明，它含有6n次(即6次、12次、18次等)谐波。有效的谐波电压幅值在的运行范围内广泛地变化，运行于约90时，将比运行于较小值时产生较高幅值的谐波。叠弧角也对谐波的幅值有明显的影响。电压谐波分量的衰减因子为其中第第1313页页 在12脉波桥的情况下，谐波电压的反相分量将在

7、12称波桥内抵消，只有同相分量将在线路中产生谐波电流。团此，由直流端产生的谐波电压主要是12次及其整倍次分量。由于这些特征谐波电压和理想直流空载电压都是每个6脉波换流器相应电压的2倍，因此总特征谐波电压与总理想空载电压的比值与单个6脉波换流器的比值相同。 第第1414页页3.2.4 非特征谐波 各种各样的不对称，如不等间隔的触发脉冲、母线电压不对称和相间换相电抗的不对称，将产生额外的谐波，它们称之为“非特征谐波”。这些谐波同样可由变压器励磁电流产生。 换流器厂家在设计换流端时尽量减少这些谐波。采用现代的等间隔触发脉冲时，非特征谐波的最大来源是母线电压不对称、变压器阻抗不对称以及变压器的励磁电流

8、。正常条件下，非特征谐波并不明显，除非在某个特定谐波频率下产生谐振。第第1515页页3.3 谐波抑制装置的选择 3.3.1 谐波的危害 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”。它们降低了系统电压正弦波形的质量，不但严重的影响电力系统，而且还危及用户和周围的通信系统。1)当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，放大了谐波分量，因此增加了由于谐波所产生的附加损耗和发热，可能造成设备故障；第第1616页页2)由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率；3)谐波将使电力设备元件加速老化，缩短使用寿命；4)谐波可能导致某些电力设

9、备不正常的工作；5)干扰邻近的通信系统，降低通信质量；6)与弱交流系统连接时可能出现谐波不稳定性。 第第1717页页3.3.2 滤波装置 在换流站的交流侧，大多将滤波装置并联在换流变压器交流侧的母线上，只有少数直流输电工程中将滤波装置连接到换流变压器的第三绕组。滤波装置由若干个无源滤波器并联而成，每个滤波器在一个或两个谐波频率附近或者在某一频带内呈现低阻抗，从而吸收相应的谐波电流，使流入交流系统的谐波电流减小，达到抑制谐波的目的。由于所有滤波器在工频频率下部呈容性阻抗，因此滤波装置除了抑制谐波以外，还可以兼作无功功率补偿的作用。 第第1818页页 在换流站的直流侧，平波电抗器本身可以起抑制谐波

10、的作用，但是由于平波电抗器的电感量的选择，通常根据直流线路发生故障或逆变器发生颠覆时限制电流上升率以及保证在小电流下直流系统能正常运行等要求来决定。当单靠平波电抗器还不足以满足抑制谐波的要求时，便需要装设滤波装置。直流侧滤波装置的结构和原理与交流侧滤波装置基本相同。它常并联在平波电抗器和直流线路之间，或者并联在第一平波电抗器与第二平波电抗器之间，以吸收相应的谐波电流，使流过线路的谐波电流减小。必须指出，由于电缆的铅包和钢铠对电磁场起屏蔽作用，因此当直流线路采用电缆时，无需采用直流滤波装置。第第1919页页 实际上，谐波对交流系统的渗透和谐振条件取决于很难确定的交流网络的谐波阻抗。它经常随着电路

11、的增加或切除以及系统运行条件的改变而改变。在滤波器设计中，相当大的精力投入到包括系统可能的谐振条件在内的各种因素的考虑。 用于无功补偿的部分电容器可由滤波器提供。把用于无功补偿的电容器改造成滤波器，其增加的费用并不是很高。在所需的50的无功补偿中，大约30应以滤波器形式在11次、13次和高通滤波器之间分配。第第2020页页3.3.3 平波电抗器 平波电抗器的磁路由绕组环绕的磁轭和中心气隙组成，因此磁化特性是非线性的。它一般串联在换流站每个极和直流线路之间。 对于设计得较好的系统，由于不对称造成的非特征谐波是很小的。直流侧谐波通过平波电抗器和滤波器被削减。大部分谐波电压降落在平波电抗器上。设计直

12、流滤波器时，将大部分直流谐波电流分流，以保证流进直流线路的谐波电流控制在允许的限制之内。 第第2121页页 下面是影响平波电抗器容量选择的因素：1) 平波电抗器的容量对换流桥电流的纹波有决定性的影响；电抗器容量越大，则纹被电流越小。2) 平波电抗器、滤波器和直流线路共同对直流桥产生的阻抗可能在某些电压谐波引起谐振。3) 平波电抗器的容量对交流电压下降时换相失败及其后续的换相失败的概率有影响。4) 较大容量的平波电抗器限制了整流器附近的故障电流。第第2222页页 对于有直流输电线的系统，平波电抗器的电感值在0.271.5H之间。对于背靠背HVDC系统，该电感值在12200mH之间。3.3.4谐波

13、的抑制方法 1)增加换流器的脉波数 如采用24脉波，要用4个6脉波的单桥换流器串联，并要提供4组相位不同的换相电压。增加换流变压器接线的复杂性和工程投资。 目前一般采用12或6脉波。 第第2323页页2)装设交流或直流滤波器 疏导：串联调谐型和高通型接于主电路与中性点之间，成为疏导谐波电流的低阻通路。 堵塞：并联调谐型和高阻型。串联在主电路中，减少谐波流入电网。 堵塞方式时，串联在电路中的滤波器流过主电路的全部电流，容量大，对地需采用全电压绝缘； 疏导方式时，并联的滤波器一端接地（或中性点接地），无需全电压绝缘，且流过电流为谐波电流和部分基波电流，比全电流小得多。第第2424页页 交流侧谐波具有高内阻电流源性质，堵塞效果不好。对5、7、11、13次谐波，谐波分量大，采用串联调谐型滤波器与主电路并联，分别滤掉特定次数谐波；对14次以上特征谐波和非特征谐波，采用高通滤波器。 直流侧谐波具有低内阻抗的电压源性质，可采用堵塞方式。一般用一个平波电抗器作为低通（高阻）滤波器。3)采用铝芯钢绞线输送直流电4)有源滤波器 第第2525页页思考题1、解释“特征谐波”和“非特征谐波”的概念。2、对p脉波换流器，在交流侧和直流侧产生的特征谐波分别为多少？3、谐波的危害有哪些？4、抑制谐波的方法有哪些？5、“疏导”与“堵塞”的概念是什么？各适用于哪些场合？