直流輸電第3章

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1、 3.1 引 言 3.2 高 壓 直 流 輸 電 系 統(tǒng) 的 諧 波 3.3 諧 波 抑 制 裝 置 的 選 擇 諧 波 及 其 抑 制 是 高 壓 直 流 輸 電 中 的 重 要 技術(shù) 問 題 之 一 。 出 于 換 流 器 的 非 線 性 特 性 ， 在 交流 系 統(tǒng) 和 直 流 系 統(tǒng) 中 將 出 現(xiàn) 諧 波 電 壓 和 電 流 ，它 們 對 系 統(tǒng) 本 身 和 用 戶 都 會 造 成 影 響 和 危 害 。為 了 抑 制 諧 波 ， 通 常 不 得 不 裝 設(shè) 濾 波 裝 置 。 這樣 在 換 流 站 的 投 資 和 占 地 面 積 中 ， 這 些 濾 波 裝置 就 占 有 相 當(dāng) 大

2、 的 比 重 。 因 此 ， 對 諧 波 進(jìn) 行 準(zhǔn)確 分 析 計(jì) 算 并 合 理 地 配 置 濾 波 裝 置 ， 對 于 高 壓直 流 輸 電 的 設(shè) 計(jì) 和 運(yùn) 行 都 具 有 十 分 重 要 的 意 義 。 3.2.1理 想 化 的 假 設(shè) 條 件1) 換 流 變 壓 器 交 流 側(cè) (指 換 流 變 壓 器 與 交 流 系 統(tǒng)或 發(fā) 電 機(jī) 相 連 接 的 一 側(cè) )提 供 的 換 相 電 壓 為 三相 對 稱 的 基 波 正 序 電 壓 ， 不 含 任 何 諧 波 分 量 ；2) 換 流 變 壓 器 的 三 相 結(jié) 構(gòu) 對 稱 ， 各 相 參 數(shù) 相 同 ；3) 在 同 一 換 流

3、站 中 ， 各 換 流 閥 以 等 時 間 間 隔 的觸 發(fā) 脈 沖 依 次 觸 發(fā) ， 且 觸 發(fā) 角 保 持 恒 定 ；4) 換 流 器 直 流 側(cè) 的 電 流 為 不 含 任 何 諧 波 分 量 的恒 定 直 流 電 流 。 這 相 當(dāng) 于 假 定 平 波 電 抗 器 的電 感 量 為 無 窮 大 。 在 這 些 假 設(shè) 條 件 下 ， 換 流 站 交 流 側(cè) 的 三相 電 流 和 直 流 側(cè) 電 壓 中 的 諧 波 ， 其 次 數(shù) 和 特性 比 較 有 規(guī) 律 ， 它 們 統(tǒng) 稱 為 特 征 諧 波 。 脈 波數(shù) 為 p的 換 流 器 在 直 流 電 壓 僅 僅 產(chǎn) 生 pn次 的 特

4、征 諧 波 電 壓 ， 而 在 交 流 電 流 中 產(chǎn) 生 pn土 1次 的特 征 諧 波 電 流 ， 其 中 n是 任 意 正 整 數(shù) 。 脈 波 數(shù) （ p） 直 流 側(cè) （ n=kp） 交 流 側(cè) （ n=kp 1）6 6， 12， 18， 24， 5， 7， 11， 13， 12 12， 24， 36， 11， 13， 23，25， 特 征 諧 波 分 量 的 幅 值 隨 次 數(shù) n的 增 高 而 減 小 。 實(shí) 際 上 ， 用 于 計(jì) 算 特 征 諧 波 的 理 想 條 件 是不 存 在 的 ， 總 是 存 在 比 較 小 量 的 非 特 征 諧 波 。關(guān) 于 交 流 電 流 諧 波

5、 ， 術(shù) 語 “ 非 特 征 ” 表 示 由 表達(dá) 式 pn土 1確 定 的 以 外 的 諧 波 次 數(shù) 。 非 特 征 諧 波 產(chǎn) 生 的 原 因 ： 3相 電 壓 不 完 全對 稱 ； 換 流 閥 的 觸 發(fā) 脈 沖 間 隔 不 完 全 相 等 ； 換流 器 諧 波 流 入 交 流 系 統(tǒng) ， 產(chǎn) 生 諧 波 電 壓 分 布 ，造 成 電 壓 畸 變 。 3.2.2 換 流 站 交 流 側(cè) 特 征 諧 波 由 于 平 波 電 抗 器 的 電 抗 值 比 換 相 電 抗 大 很多 ， 所 以 對 交 流 系 統(tǒng) ， 換 流 器 與 直 流 系 統(tǒng) 可 視 為諧 波 電 流 源 （ 高 內(nèi) 阻

6、 ） ； 對 直 流 端 ， 換 流 器 與 交 流 系 統(tǒng) 可 視 為 諧波 電 壓 源 （ 低 內(nèi) 阻 ） 。 1、 忽 略 換 相 過 程 影 響 的 特 征 諧 波 在 忽 略 換相 過 程 影 響 的 情 況 下 ， 線 電 流 波 形 如 圖 中 實(shí) 線所 示 矩 形 波 的 寬 度 為 2 3， 正 、 負(fù) 脈 沖 間的 相 位 差 為 。 此 電 流 可 以 表 達(dá) 成 傅 立 葉 級 數(shù) 。 2 3 1 1 1 1(cos cos5 cos7 cos11 cos13 )5 7 11 13di I t t t t t 對 于 具 有 YY變 壓 器 連 結(jié) 的 6脈 波 換 流

7、 橋 而言 ， 交 流 電 流 的 傅 立 葉 展 開 式 如 下 ：n次 諧 波 分 量 有 效 值 為 ：t 120t 120t (1) 2 3 6 0.782d d dII I I ( ) 6 0.78n d dI I In n 把 換 成 與 即 可 得 ib與 ic；如 前 所 述 ， 諧 波 中 僅 含 6k 1次 ；基 波 分 量 有 效 值 為 ： 對 于 Y變 壓 器 連 接 ， 此 電 流 為 ：2 3 1 1 1 1(cos cos5 cos7 cos11 cos13 )5 7 11 13di I t t t t t 三 次 諧 波 和 所 有 的 偶 次 諧 波 末 出

8、 現(xiàn) 在 上 式 ，原 因 是 每 周 期 有 兩 個 大 小 相 等 、 方 向 相 反 的 電 流脈 沖 。 由 于 電 流 脈 沖 寬 度 是 三 分 之 一 周 期 ， 故 三次 及 三 的 整 數(shù) 倍 次 諧 波 分 量 也 不 存 在 ， 其 余 的 諧波 分 量 次 數(shù) 為 6n土 1， 這 里 n為 任 意 正 整 數(shù) 。 余 下 12土 l次 （ 如 11， 13， 23， 25， 等 等 )諧波 注 入 交 流 系 統(tǒng) ， 它 們 的 幅 值 隨 著 諧 波 次 數(shù) 的 增加 而 衰 減 ， 第 h次 諧 波 的 幅 值 是 基 波 的 1/h。 2 3 1 1 1 12

9、(cos cos11 cos13 cos23 cos25 )11 13 23 25di I t t t t t 在 12脈 波 換 流 橋 中 ， 有 兩 個 6脈 波 橋 ， 它 們分 別 帶 有 一 個 變 壓 器 ， 一 個 YY連 結(jié) ， 另 一 個Y 連 結(jié) 。 因 為 n的 奇 數(shù) 倍 次 諧 波 相 消 ， 故 2、 計(jì) 及 換 相 過 程 影 響 的 特 征 諧 波 當(dāng) 考 慮 換 相 電抗 的 影 響 時 ， 換 相 期 間 的 疊 弧 角 圓 滑 了 線 電 流 波形 的 矩 形 邊 緣 ， 如 圖 中 的 虛 線 所 示 。 這 就 削 減 了諧 波 分 量 的 幅 值

10、。 電 流 諧 波 分 量 的 衰 減 因 子 為 2 2 2 cos(2 )cos cos( )hho A B ABii 其 中 ， ih為 諧 波 電 流 ， iho為 無 疊 弧 的 諧 波 電 流 ，h為 諧 波 次 數(shù) ， A sin(h十 1) 2 (h十 1)， Bsin(h一 1) 2 (h一 1)。 顯 然 ， 作 用 于 交 流 系 統(tǒng) 的 諧 波 是 運(yùn) 行 條 件 的函 數(shù) 。 隨 著 增 加 ， 諧 波 分 量 減 少 ， 并 且 這 種 減少 隨 著 諧 波 次 數(shù) 的 增 加 而 更 趨 明 顯 。 3.2.3 換 流 站 直 流 側(cè) 特 征 諧 波 理 想 的

11、6脈 波 橋 式 換 流 器 ， 每 60反 復(fù) 切 換 一 次。 對 這 個 電 壓 波 形 的 傅 立 葉 分 析 表 明 ， 它 含 有 6n次(即 6次 、 12次 、 18次 等 )諧 波 。 有 效 的 諧 波 電 壓 幅值 在 的 運(yùn) 行 范 圍 內(nèi) 廣 泛 地 變 化 ， 運(yùn) 行 于 約 90時， 將 比 運(yùn) 行 于 較 小 值 時 產(chǎn) 生 較 高 幅 值 的 諧 波 。 疊弧 角 也 對 諧 波 的 幅 值 有 明 顯 的 影 響 。 電 壓 諧 波 分量 的 衰 減 因 子 為 2 21 2 cos(2 )2hdoV C D CDV cos( 1) 21hC h cos(

12、1) 21hD h 其 中 在 12脈 波 橋 的 情 況 下 ， 諧 波 電 壓 的 反 相 分量 將 在 12稱 波 橋 內(nèi) 抵 消 ， 只 有 同 相 分 量 將 在 線路 中 產(chǎn) 生 諧 波 電 流 。 團(tuán) 此 ， 由 直 流 端 產(chǎn) 生 的 諧波 電 壓 主 要 是 12次 及 其 整 倍 次 分 量 。 由 于 這 些特 征 諧 波 電 壓 和 理 想 直 流 空 載 電 壓 都 是 每 個 6脈波 換 流 器 相 應(yīng) 電 壓 的 2倍 ， 因 此 總 特 征 諧 波 電 壓與 總 理 想 空 載 電 壓 的 比 值 與 單 個 6脈 波 換 流 器 的比 值 相 同 。 3.2.

13、4 非 特 征 諧 波 各 種 各 樣 的 不 對 稱 ， 如 不 等 間 隔 的 觸 發(fā) 脈 沖、 母 線 電 壓 不 對 稱 和 相 間 換 相 電 抗 的 不 對 稱 ， 將產(chǎn) 生 額 外 的 諧 波 ， 它 們 稱 之 為 “ 非 特 征 諧 波 ” 。這 些 諧 波 同 樣 可 由 變 壓 器 勵 磁 電 流 產(chǎn) 生 。 換 流 器 廠 家 在 設(shè) 計(jì) 換 流 端 時 盡 量 減 少 這 些 諧波 。 采 用 現(xiàn) 代 的 等 間 隔 觸 發(fā) 脈 沖 時 ， 非 特 征 諧 波的 最 大 來 源 是 母 線 電 壓 不 對 稱 、 變 壓 器 阻 抗 不 對稱 以 及 變 壓 器 的

14、勵 磁 電 流 。 正 常 條 件 下 ， 非 特 征諧 波 并 不 明 顯 ， 除 非 在 某 個 特 定 諧 波 頻 率 下 產(chǎn) 生諧 振 。 3.3.1 諧 波 的 危 害 諧 波 電 流 和 諧 波 電 壓 的 出 現(xiàn) ， 對 于 電 力系 統(tǒng) 運(yùn) 行 是 一 種 “ 污 染 ” 。 它 們 降 低 了 系 統(tǒng)電 壓 正 弦 波 形 的 質(zhì) 量 ， 不 但 嚴(yán) 重 的 影 響 電 力系 統(tǒng) ， 而 且 還 危 及 用 戶 和 周 圍 的 通 信 系 統(tǒng) 。1) 當(dāng) 系 統(tǒng) 中 存 在 諧 波 分 量 時 ， 可 能 會 引 起 局 部的 并 聯(lián) 或 串 聯(lián) 諧 振 ， 放 大 了 諧

15、波 分 量 ， 因 此增 加 了 由 于 諧 波 所 產(chǎn) 生 的 附 加 損 耗 和 發(fā) 熱 ，可 能 造 成 設(shè) 備 故 障 ； 2) 由 于 諧 波 的 存 在 ， 增 加 了 系 統(tǒng) 中 元 件 的 附加 諧 波 損 耗 ， 降 低 了 發(fā) 電 、 輸 電 及 用 電 設(shè)備 的 使 用 效 率 ；3) 諧 波 將 使 電 力 設(shè) 備 元 件 加 速 老 化 ， 縮 短 使用 壽 命 ；4) 諧 波 可 能 導(dǎo) 致 某 些 電 力 設(shè) 備 不 正 常 的 工 作 ；5) 干 擾 鄰 近 的 通 信 系 統(tǒng) ， 降 低 通 信 質(zhì) 量 ；6) 與 弱 交 流 系 統(tǒng) 連 接 時 可 能 出

16、現(xiàn) 諧 波 不 穩(wěn) 定性 。 3.3.2 濾 波 裝 置 在 換 流 站 的 交 流 側(cè) ， 大 多 將 濾 波 裝 置 并聯(lián) 在 換 流 變 壓 器 交 流 側(cè) 的 母 線 上 ， 只 有 少 數(shù)直 流 輸 電 工 程 中 將 濾 波 裝 置 連 接 到 換 流 變 壓器 的 第 三 繞 組 。 濾 波 裝 置 由 若 干 個 無 源 濾 波器 并 聯(lián) 而 成 ， 每 個 濾 波 器 在 一 個 或 兩 個 諧 波頻 率 附 近 或 者 在 某 一 頻 帶 內(nèi) 呈 現(xiàn) 低 阻 抗 ， 從而 吸 收 相 應(yīng) 的 諧 波 電 流 ， 使 流 入 交 流 系 統(tǒng) 的諧 波 電 流 減 小 ， 達(dá)

17、到 抑 制 諧 波 的 目 的 。 由 于所 有 濾 波 器 在 工 頻 頻 率 下 部 呈 容 性 阻 抗 ， 因此 濾 波 裝 置 除 了 抑 制 諧 波 以 外 ， 還 可 以 兼 作無 功 功 率 補(bǔ) 償 的 作 用 。 在 換 流 站 的 直 流 側(cè) ， 平 波 電 抗 器 本 身 可 以起 抑 制 諧 波 的 作 用 ， 但 是 由 于 平 波 電 抗 器 的 電感 量 的 選 擇 ， 通 常 根 據(jù) 直 流 線 路 發(fā) 生 故 障 或 逆變 器 發(fā) 生 顛 覆 時 限 制 電 流 上 升 率 以 及 保 證 在 小電 流 下 直 流 系 統(tǒng) 能 正 常 運(yùn) 行 等 要 求 來 決

18、 定 。 當(dāng)單 靠 平 波 電 抗 器 還 不 足 以 滿 足 抑 制 諧 波 的 要 求時 ， 便 需 要 裝 設(shè) 濾 波 裝 置 。 直 流 側(cè) 濾 波 裝 置 的結(jié) 構(gòu) 和 原 理 與 交 流 側(cè) 濾 波 裝 置 基 本 相 同 。 它 常并 聯(lián) 在 平 波 電 抗 器 和 直 流 線 路 之 間 ， 或 者 并 聯(lián)在 第 一 平 波 電 抗 器 與 第 二 平 波 電 抗 器 之 間 ， 以吸 收 相 應(yīng) 的 諧 波 電 流 ， 使 流 過 線 路 的 諧 波 電 流減 小 。 必 須 指 出 ， 由 于 電 纜 的 鉛 包 和 鋼 鎧 對 電磁 場 起 屏 蔽 作 用 ， 因 此 當(dāng)

19、 直 流 線 路 采 用 電 纜 時 ，無 需 采 用 直 流 濾 波 裝 置 。 實(shí) 際 上 ， 諧 波 對 交 流 系 統(tǒng) 的 滲 透 和 諧 振 條件 取 決 于 很 難 確 定 的 交 流 網(wǎng) 絡(luò) 的 諧 波 阻 抗 。 它經(jīng) 常 隨 著 電 路 的 增 加 或 切 除 以 及 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 條 件的 改 變 而 改 變 。 在 濾 波 器 設(shè) 計(jì) 中 ， 相 當(dāng) 大 的 精力 投 入 到 包 括 系 統(tǒng) 可 能 的 諧 振 條 件 在 內(nèi) 的 各 種因 素 的 考 慮 。 用 于 無 功 補(bǔ) 償 的 部 分 電 容 器 可 由 濾 波 器 提供 。 把 用 于 無 功 補(bǔ) 償 的

20、電 容 器 改 造 成 濾 波 器 ，其 增 加 的 費(fèi) 用 并 不 是 很 高 。 在 所 需 的 50 的 無功 補(bǔ) 償 中 ， 大 約 30 應(yīng) 以 濾 波 器 形 式 在 11次 、13次 和 高 通 濾 波 器 之 間 分 配 。 3.3.3 平 波 電 抗 器 平 波 電 抗 器 的 磁 路 由 繞 組 環(huán) 繞 的 磁 軛 和 中心 氣 隙 組 成 ， 因 此 磁 化 特 性 是 非 線 性 的 。 它 一般 串 聯(lián) 在 換 流 站 每 個 極 和 直 流 線 路 之 間 。 對 于 設(shè) 計(jì) 得 較 好 的 系 統(tǒng) ， 由 于 不 對 稱 造 成的 非 特 征 諧 波 是 很 小

21、的 。 直 流 側(cè) 諧 波 通 過 平 波電 抗 器 和 濾 波 器 被 削 減 。 大 部 分 諧 波 電 壓 降 落在 平 波 電 抗 器 上 。 設(shè) 計(jì) 直 流 濾 波 器 時 ， 將 大 部分 直 流 諧 波 電 流 分 流 ， 以 保 證 流 進(jìn) 直 流 線 路 的諧 波 電 流 控 制 在 允 許 的 限 制 之 內(nèi) 。 下 面 是 影 響 平 波 電 抗 器 容 量 選 擇 的 因 素 ：1) 平 波 電 抗 器 的 容 量 對 換 流 橋 電 流 的 紋 波 有決 定 性 的 影 響 ； 電 抗 器 容 量 越 大 ， 則 紋 被 電流 越 小 。2) 平 波 電 抗 器 、

22、濾 波 器 和 直 流 線 路 共 同 對 直流 橋 產(chǎn) 生 的 阻 抗 可 能 在 某 些 電 壓 諧 波 引 起 諧振 。3) 平 波 電 抗 器 的 容 量 對 交 流 電 壓 下 降 時 換 相失 敗 及 其 后 續(xù) 的 換 相 失 敗 的 概 率 有 影 響 。4) 較 大 容 量 的 平 波 電 抗 器 限 制 了 整 流 器 附 近的 故 障 電 流 。 對 于 有 直 流 輸 電 線 的 系 統(tǒng) ， 平 波 電 抗 器 的電 感 值 在 0.27 1.5H之 間 。 對 于 背 靠 背 HVDC系統(tǒng) ， 該 電 感 值 在 12 200mH之 間 。3.3.4諧 波 的 抑 制

23、 方 法 1) 增 加 換 流 器 的 脈 波 數(shù) 如 采 用 24脈 波 ， 要 用 4個 6脈 波 的 單 橋 換流 器 串 聯(lián) ， 并 要 提 供 4組 相 位 不 同 的 換 相 電壓 。 增 加 換 流 變 壓 器 接 線 的 復(fù) 雜 性 和 工 程 投資 。 目 前 一 般 采 用 12或 6脈 波 。 2)裝 設(shè) 交 流 或 直 流 濾 波 器 疏 導(dǎo) ： 串 聯(lián) 調(diào) 諧 型 和 高 通 型 接 于 主 電 路 與 中性 點(diǎn) 之 間 ， 成 為 疏 導(dǎo) 諧 波 電 流 的 低 阻 通 路 。 堵 塞 ： 并 聯(lián) 調(diào) 諧 型 和 高 阻 型 。 串 聯(lián) 在 主 電 路中 ， 減 少

24、 諧 波 流 入 電 網(wǎng) 。 堵 塞 方 式 時 ， 串 聯(lián) 在 電 路 中 的 濾 波 器 流 過 主電 路 的 全 部 電 流 ， 容 量 大 ， 對 地 需 采 用 全 電 壓 絕緣 ； 疏 導(dǎo) 方 式 時 ， 并 聯(lián) 的 濾 波 器 一 端 接 地 （ 或 中性 點(diǎn) 接 地 ） ， 無 需 全 電 壓 絕 緣 ， 且 流 過 電 流 為 諧波 電 流 和 部 分 基 波 電 流 ， 比 全 電 流 小 得 多 。 交 流 側(cè) 諧 波 具 有 高 內(nèi) 阻 電 流 源 性 質(zhì) ， 堵 塞效 果 不 好 。 對 5、 7、 11、 13次 諧 波 ， 諧 波 分量 大 ， 采 用 串 聯(lián) 調(diào)

25、 諧 型 濾 波 器 與 主 電 路 并 聯(lián)， 分 別 濾 掉 特 定 次 數(shù) 諧 波 ； 對 14次 以 上 特 征諧 波 和 非 特 征 諧 波 ， 采 用 高 通 濾 波 器 。 直 流 側(cè) 諧 波 具 有 低 內(nèi) 阻 抗 的 電 壓 源 性 質(zhì) ，可 采 用 堵 塞 方 式 。 一 般 用 一 個 平 波 電 抗 器 作為 低 通 （ 高 阻 ） 濾 波 器 。3)采 用 鋁 芯 鋼 絞 線 輸 送 直 流 電4)有 源 濾 波 器 1、 解 釋 “ 特 征 諧 波 ” 和 “ 非 特 征 諧 波 ” 的 概念 。2、 對 p脈 波 換 流 器 ， 在 交 流 側(cè) 和 直 流 側(cè) 產(chǎn) 生的 特 征 諧 波 分 別 為 多 少 ？3、 諧 波 的 危 害 有 哪 些 ？4、 抑 制 諧 波 的 方 法 有 哪 些 ？5、 “ 疏 導(dǎo) ” 與 “ 堵 塞 ” 的 概 念 是 什 么 ？ 各 適用 于 哪 些 場 合 ？