高压直流输电技术中的谐波及其抑制

高压直流输电技术中的谐波及其抑制周泊宇（华北电力大学，北京市昌平区）TheHarmonicWavesinHVDCandtheControlofHarmonicWavesZHOUBo-yu(NorthChinaElectricPowerUniversity,Changpingdistrict,Beijing)ABSTRACT:WhenweusethetechnologyofHVDC,thepowerelectronicdevicesinconverterstationswillgeneratedifferentkindsofharmonicwaves.WemustsolvetheseproblemsinordertouseHVDCmoreextensive.Inthispaper,Iwillanalysisdifferentkindsofharmonicwaves,themeasurementoftheharmonicwavesandthecontroloftheharmonicwaves.KEYWORDS：HVDC,harmonicwaves,inverter,filter摘要：高压直流输电技术在应用中，换流站的电力电子器件会产生不同次数谐波，只有解决好谐波的问题，才能更好的利用高压直流输电技术。在本文中，作者将针对谐波的种类、谐波的测量以及谐波的抑制进行分析。关键词：高压直流输电技术，谐波，换流器，滤波器0引言高压直流输电系统在建设中会建设大量的换流站，由于换流站中大量的电力电子器件的应用，会产生一定次数的谐波，这些谐波对系统的安全稳定运行以及通讯设备的正常使用都会产生严重的影响，比如，引起局部的串并联谐振，放大谐波分量，产生附加损耗和发热；对电机、变压器、电容器、电缆等设备造成振动、过热、绝缘老化,严重影响设备的使用寿命甚至直接造成设备损坏；干扰邻近通讯系统，影响通讯质量。在低压配电网中这些谐波污染问题显得尤为突出,严重影响到各种大型厂矿的正常生产,如钢铁、煤矿、化工、纺织等企业,以及IT和大规模微电子集成电路企业,造成产品报废、生产线停产、生产设备的寿命骤减甚至损坏。因此，对谐波的研究以及对其抑制的技术的研究，是高压直流输电技术中的重要技术问题之一。1谐波的产生及谐波的次数国际上公认的谐波定义是：“谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍”。根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量,周期为T=2π/ω的非正弦电压uωt可分解为:式中频率为nω(n=2,3⋯)的项即为谐波项,通常也称之为高次谐波。谐波分为偶次与奇次,第3、5、7、9等次的为奇次谐波,而2、4、6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为100Hz,3次谐波则是150Hz。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。在高压直流输电中，由于换流器分为6脉动和12脉动两种，不同换流器在交流侧产生的特征谐波次数也不同，所以对于实际谐波次数的分析要根据换流器的脉动数而定。1.16脉动换流器的特征谐波电流假设换流器交流侧电感为零，忽略换相过程影响时各相电流波形由正、负相间的矩形波组成。以a相电流为例，适当选取坐标进行傅里叶分析可知，换流器交流侧电流中只含有6k±1次的谐波。对于直流侧的谐波分析，假定直流电流为不含纹波的直流电流，因此只分析直流侧电压中的谐波分量。通过傅里叶分析，可得到结论，对于6脉波换流器，h=6k。1.212脉动换流器的特征谐波电流12脉动换流器由两个6脉动换流器通过分别采用Yy（或Dd）和Yd11联结的换流变压器组合而成，桥侧电源电压移相π/6，根据分析发现5、7、17、19等次谐波在电网侧的总电流中将相互抵消，而只含有12k±1次的谐波。对于12脉动换流器直流侧的特征谐波，其分析方式于6脉动相同，结论为h=12k。2谐波电流的测量准确检测谐波信号是滤除各次谐波的前提，也是保证电力有源逆变器有效补偿的关键，目前电力系统应用的监视测量表计基本上都是按工频正弦量设计，输入信号含有谐波时，测量误差较大。传统的带铁心环形绕组互感器工作于铁心磁化曲线的线性区，可用来测量交流谐波，但它在直流电流作用下会因磁通偏移而产生饱和，故不能用来测量直流谐波。而目前还有一种利用Rogowski线圈电流传感器来测量谐波电流，Rogowski线圈电流传感器不含铁心、无磁饱和、频带宽，从根本上解决了传统谐波测量问题，且体积小、造价低，特别适用于HVDC谐波电流。但要实际应用于高压直流输电工程中，尚需一些改进。根据实际情况，相对直流而言，各次HVDC谐波电流一般不大，次数较高的仅几A，线圈所感应出的电压信号较小。因而为保证准确有效的测量谐波，要求Rogowski线圈除具有一般线圈的特点外，还必须采取措施加大感应信号以提高信噪比。因Rogowski线圈无铁芯，互感M很小，故有效提高M是提高系统准确度的关键，也是该线圈设计的特殊要求。可采取以下措施提高M：（1）增加线圈匝疏密度n用细导线可使线圈均匀密绕，提高n，从而提高M。但导线不能太细，以免绕制时断线。（2）增加骨架高度h增加h则增大M，但也增大了加工难度，影像测量准确度，故h一般取10-30mm。（3）骨架加大外径b或降低内径ab/a也与M成正函数。但其后果与增加h的类似，内外径相差过大，均匀密绕很难实现。（4）线圈多层绕制多层绕制线圈的M提高很多，且自感增加，但杂散电容也随之增大，对传感器的频带宽度有一定影响，同时多层绕制很难保证绕圈均匀密绕。（5）多个线圈叠加将多个骨架尺寸相同的线圈串联叠加，则随着线圈数量增加，分布电容减小，串联电感增加，这样线圈的频带理论上不受影响。但实际中线圈间会产生一定的分布电容，其频带宽度略有下降，同时传感头体积会相应增大。以改进后的Rogowski线圈为核心制成的HVDC谐波电流测量系统还应配以检测元件，制成互感器。该互感器分为测量、供电系统两部分，供电系统采用全新的光供电方式，稳定可靠，不受电网影响。3谐波的抑制为保证供电质量、净化电网,防止谐波对电网及各种电力设备的危害,除要对发、供、用电系统加强管理外,还必须采取必要的措施来抑制谐波。换流器直流侧的谐波电压将在直流线路上产生谐波电压、谐波电流分布，使邻近的通信线路受到干扰。特别是高压直流输电系统穿越人口相对集中的区域，对由谐波引起的污染受到社会的高度关注，因此，必须采取有效措施抑制谐波电压和谐波电流造成的危害。3.1增加换流装置的脉动数通过增加换流器的脉动数可以减小特征谐波的组成成分，提高最低此特征谐波的次数，从而达到抑制谐波的目的。对于变流变压器台数较多的企业，建议根据换流变压器的脉动数以及移相角的关系，对6脉动和12脉动变流变压器进行适当的组合，以有效抑制谐波。目前多采用12脉动，更高的脉动数为了得到相应的换相电压，换流变压器的结构和接线将非常复杂，不但增加了制造困难也增大了投资，不经济。3.2合理配置滤波器对于高压直流输电所产生的谐波有效地抑制方法是采用滤波器和平波电抗器。滤波器又分为有源滤波器和无源滤波器。有源滤波装置实在无源滤波的基础上发展起来的，当直流输电线路穿越人口密集和广泛采用明线通信的地区时，为防止谐波对通信线路的干扰，采用直流有源滤波器具有较好的经济性能。将直流有源滤波器串联或并联在主回路中，产生一个与系统谐波电压幅值相等但相位相反的电压，以抵消谐波电压，从而起到减小谐波危害的作用。有源滤波器有以下优点:(1)对目前不可预见的交流系统扰动所产生的直流侧谐波,有源滤波器可以提供更好的滤波性能;(2)若一组直流滤波器故障停运,投入备用有源滤波器分组,对等值干扰电流无影响,提高了运行的可靠性,而无源滤波器则无法满足要求。(3)使用有源滤波器技术,等值干扰电流保证值可期望达到250/500mA。近年来由于有源滤波装置的性价比不高，天广直流工程使用有源滤波器在我国尚属首次,但采用有源滤波并不是一项新开发的技术,它已广泛应用于冶金、电力拖动等领域,由于有源直流滤波器在性能指标、可靠性明显优于无源滤波器,因而,采用有源直流滤波器是现代直流输电工程的发展方向。在实际工程中多采用无源滤波装置。无源滤波器由电容器、电抗器和电阻元件组成。目前，在高压直流输电系统中采用双调滤波器和三调滤波器。如下图：双调滤波器具有抗失谐能力强、较好的高通滤波性能、降低并联谐振幅值和良好的经济效应，同时可起到防止过电压等优点。近年来，在高压直流输电工程中，双调滤波器等到了广泛的应用。3.3采用中性点冲击电容器抑制非特征谐波在换流器的中性点与大地之间装设中性点冲击电容器，其目的是为直流侧以3的倍次谐波为主要成分的电流提供阻抗通道。使用该种电容器不仅对降低整个直流系统的谐波水平有较明显的作用，还能缓解接地极引线落雷时的过电压。一般来说，该电容器电容值的选择范围应为十几微法至毫法，同时还应避免与接地极线路的电感在临界频率上产生并联谐振。4结束语随着能源开发、电能传输以及电力系统的规模不断扩大,采用直流输电的必要性日益被人们认识。直流输电不仅是一种节省能源损耗的输电方式,而且在开发利用边远地区的能源和开发新能源、新发电方式等方面,直流输电技术更是一种有效的手段,必将越来越广泛地得到采。与交流输电系统相比,直流输电系统有许多优点:线路造价低、适合远距离输电、没有系统稳定问题、调节快速、运行可靠等。随着高压直流输电技术的广泛应用，直流输电系统存在的谐波对系统本身及周边环境的影响不容忽视,我们应该对其产生的原因、危害、计算分析以及抑制措施进行研究和探讨,为今后抑制谐波的工作提供更有效、更合理的途径。只有有效处理谐波对供电系统、用户和周围电气环境造成的危害，才能保证高压直流输电系统的正常运行。参考文献[1]殷培峰，马应魁，马莉。基于直流输电换流器谐波的分析与处理[J]。电力系统及其自动化，2014.[2]郑劲，张小武，孙中明，李书芳。特高压直流输电工程的谐波限制标准及滤波器设计[J].电网技术，2007.[3]罗隆福，李勇，许加柱，等。新型换流变压器配套滤波装置的设计优化[J].电网技术，2007。[4]李锡正。浅谈高压直流输电谐波的危害及抑制[J].工程管理及科学技术。2011。[5]温世斌。高压直流输电系统谐波的抑制[6]韩民晓，文俊，徐永海。高压直流输电原理与运行[M].北京：机械工业出版社，2009.[7]王兆安，刘进军。电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2011。[8]GoleAM,MeisingsetM.CapacitorCommutatedConvertersforlong-cableHVDCTransmission[J].PowerEngineeringJournal,2002.[9]JosArrilaga.HighVoltageDirectCurrentTransmission[M].England:SrortRunpresLltd,1998.[8]M.Takeda,K.Ikeda,andY.Tominaga,HarmonicCurrentCompensationwithanActiveFilter,inConf.Rec.ofIEEE-IAS,1987,pp.808~815.