高压直流输电与柔性交流输电第五章

第五章谐波和滤波器动力与电气工程系王斌2020/6/4Freetemplatefrom谐波及其抑制是高压直流输电中的重要技术问题之一。由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。5.1概述2020/6/4Freetemplatefrom概述谐波的定义在电力系统中理想的交流电压与交流电流是呈正弦波形的，当正弦电压施加在线性无源元件（电阻、电感和电容）上时，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。对这些非正弦电量进行傅立叶级数分解，除得到与电网基波频率相同的分量外，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分分量就称为谐波。2020/6/4Freetemplatefrom概述谐波对电力系统设备的影响：（1）在电力设备上叠加谐波电压，引起电气应力的增加；（2）发电机和变压器由于谐波的附加损耗而过热；（3）对通讯设备产生干扰，特别是对邻近的电话线路产生杂音；流过电力线路大的谐波电流可能在邻近的弱信号线路上产生感应电势，从而造成人员伤亡或设备损坏；（4）引起控制保护设备的误动作和不稳定；（5）引起电网中发生局部的谐振过电压。2020/6/4Freetemplatefrom概述减少换流器谐波的主要方法有：采用增加脉波数；装设滤波器。滤波器中的电容器可以提供换流器所需的部分无功功率。在换流器的直流侧，用平波电抗器限制直流电压和电流中的谐波。直流电缆线路，直流侧除平波电抗器外，一般不再装设滤波装置。直流架空线路，需要装设直流滤波器。2020/6/4Freetemplatefrom概述滤波器的分类：按用途分：交流滤波器和直流滤波器。按连接方式分：串联滤波器和并联滤波器。按阻抗特性分：单调谐、双调谐、三调谐和高通滤波器。并联比串联滤波器的优点：滤波效果好；串联滤波器必须通过主电路中的全部电流，并对地采用全绝缘；而并联滤波器的一端接地，通过的电流只是由它所滤除的谐波电流和一个比主电路中小得多的基波电流，绝缘要求也低；在交流情况下，并联滤波器除滤波外，其中的电容器还要同时向换流器提供无功功率。因此，高压直流系统中一般都采用并联滤波器。2020/6/4Freetemplatefrom换流装置交流侧的特征谐波在分析换流器的特征谐波时，假设换流器处于理想的换流状态，即：交流母线电压为恒定频率的理想正弦波。换流变压器各相的阻抗和变比完全相等。同一个12脉动换流器的Y，y和Y，d换流变压器组的阻抗和变比完全相等。每周期的12个脉冲严格按电角度30度等距触发。直流回路的电流为理想的直流。2020/6/4Freetemplatefrom换流装置交流侧的特征谐波一个脉波数为p的换流器，在它的直流侧产生的特征谐波次数为kp次，在交流侧产生的特征谐波次数为kp±1，其中k是任意正整数。脉波数直流侧谐波次数交流侧谐波次数pn=kpn=kp±166，12，18……5，7，11……1212，24，36……11，13，23……2020/6/4Freetemplatefrom脉波情况（y，y或d，d且变比为1：1）当不计换流器的换相角μ（即μ＝0o）时，单桥换流装置交流侧线电流的波形为一系列等时间间隔、且轮流出现的正的和负的矩形脉冲。dI33232302020/6/4Freetemplatefrom()(cossin)2nnnAFtAntBnt2001()AFtdt201()cosnAFtntdt201()sinnBFtntdt2020/6/4Freetemplatefrom谐波矢量nnnnCAjBarctannnnBAcos,sinnnnnnnACBC2020/6/4Freetemplatefrom换流装置交流侧的特征谐波由于线电流波形纵轴对称，是一偶函数，所以，同时，在一个周期内，横轴上方的面积和下方的面积相等，所以直流分量。傅立叶级数只有余弦项dI33232300nB00A2020/6/4Freetemplatefrom()cos[cos(cos)][sin|sin|]22[sinsin]33ndddAFtntdtIntdtntdtIntntnInnnn为任意正整数2020/6/4Freetemplatefrom(coscos5cos75711cos11cos13)1113adiIttttt1231.103mddIII160.78ddIII1/nIIn换流变压器阀侧线电流的表达式：n次谐波有效值2020/6/4Freetemplatefrom脉波情况（换流变压器接成d，y，且变比为）换流变压器交流侧线电流波形：3:1660/3dI2/3dI2020/6/4Freetemplatefrom3033366233233322d23Id2Id23IdI1:1aidI3:1aidI2:1ai23:12020/6/4Freetemplatefrom(coscos55111cos7cos1113cos)71113adiIttttt交流侧线电流波形的傅里叶展开式2020/6/4Freetemplatefrom脉动情况设有两台换流变压器供电且分别接成“y，y”和“d，y”，变比分别为2：1和。线电流波形如下图。23:1/2dI606/23dI2020/6/4Freetemplatefrom(coscos1113cos11131123cos25cos)2325adiIttttt交流侧总电流应为上面两种情况电流之和的一半：上式可看出，交流侧线电流中只含有12k±1次谐波2020/6/4Freetemplatefrom计及换相过程影响时•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。这就削减了谐波分量的幅值。•计算将变得极为复杂，实际计算只须从谐波电流In与基波电流I1的百分数与α和μ的关系曲线中查取就行了。•在三相对称的情况下，交流侧的三相电流中仍只含有基波和6k±1次特征谐波分量；•基波和各次谐波分量的有效值和初相位则与触发角α和换相角μ有关。2020/6/4Freetemplatefrom换流装置直流侧的特征谐波UeVeWet12VV61VV23VV34VV45VV56VV1c3c2c4c5c6c直流输出电压的波形直流端M、N对中性点的波形t6()6在理想的条件下，直流侧的电压波形2020/6/4Freetemplatefrom换流装置直流侧的特征谐波通过傅里叶分析，直流电压各次谐波电压有效值为谐波电压的相位为2212UABarctanBAcos(1)cos(1)()cos(1)cos(1)()[]11nnnnAnnsin(1)sin(1)()sin(1)sin(1)()[]11nnnnBnn2020/6/4Freetemplatefrom换流装置直流侧的特征谐波由两个6脉动换流器组成的双极系统中，换流变压器接成y，y和y，d形式。这样接线使得交流母线上的低次谐波相抵消。在两个桥中，6次、18次、30次等谐波的相位相反，而12次、24次、36次、谐波的相位相同。反相谐波电压在直流线路中产生大地返回式电流，而同相谐波电压产生线对线电流。2020/6/4Freetemplatefrom非特征谐波交流侧非特征谐波产生的原因：直流电流中存在纹波；交流电压中存在谐波；交流基波电压不对称，即存在负序和零序电压；换流变压器相间阻抗不相等；y，y组换流器和y，d换流器触发角不同；换流变压器变比造成的换相电压不同；触发脉冲不完全等间隔；换流变压器饱和。2020/6/4Freetemplatefrom非特征谐波换流变压器流过的实际电流波形和直流电压波形中，除含有特征谐波外，还包含其它次非特征谐波。非特征谐波在发生的位置、次数、幅值和相位上有各种组合，不管采用理论分析还是数字或模拟仿真，都不可能得到清晰的关系。非特征谐波分析采用逐次分析的方法，即分别考虑上述各项因素单独存在，而假定其它因素都是理想的。2020/6/4Freetemplatefrom交流滤波器（一）滤波器性能要求（1）电压畸变率单次谐波畸变率总