谐波及其抑制forHVDC

1、高压直流输电技术1Chap.3 谐波及其抑制刘晋华北电力大学 电气与电子工程学院 柔性电力技术研究所2第三章 主要内容3.1 引言3.2 换流器的特征谐波3.3 换流器的非特征谐波3.4 HVDC系统的谐波抑制措施3.5 滤波器HVDC系统图33.1 引 言（1）第h次谐波频率基波频率 谐波次数：一、定义 谐波：非正弦周期性电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍。4二、谐波的危害 1. 使电机、电容器等设备由于附加损耗增加而过热，缩短寿命； 2. 产生谐波放大甚至谐振，危及设备安全； 3. 引起电机机械振动； 4. 对电信设备产生干扰； 5. 使保护、控制设备误动作； 6. 降低测量精度

2、。5三、特征谐波分析的假设条件 1）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； 3）不计交流系统中各元件的电阻及换流变压器的激磁导纳； 4）平波电抗器的电感为无穷大； 5）晶闸管具有理想的开关特性； 6）等间隔触发6四、谐波分析方法 -傅里叶级数法傅里叶级数： 一个非正弦周期性函数 ，当其满足狄里克雷（Dirichlet）条件时，它可以用傅里叶级数表示为：（2）直角坐标表达式7傅里叶级数系数其中（3）恒定分量直流分量式中余弦项系数正弦项系数8傅里叶级数-极坐标表达式（4）式中（5）其中第h次谐波幅值第h次谐波初相位9傅里叶级数-复数表达式辐角模（6）（7）或103.2 换

3、流器的特征谐波特征谐波： 在假设条件下，换流器交流侧的各相电流和直流侧的整流电压中所包含的谐波。内容： 3.2.1 换流器AC侧的特征谐波 3.2.2 换流器DC侧的特征谐波 113.2.1 换流器AC侧的特征谐波内容：一、不计换相角; 二、工况2-3一、换流变阀侧电流的特征谐波( ） 、 具有相同的相电流波形换流器AC侧的相电流包含： 换流变阀侧电流/单桥网侧电流 换流变网侧电流 电源侧电流HVDC系统图12换流变阀侧电流的特征谐波（8）HVDC系统 换流变阀侧电流波形 13换流变阀侧电流的特征谐波（9）HVDC系统 换流变阀侧电流波形 14换流变阀侧电流的特征谐波（10）HVDC系统 换流

4、变阀侧电流波形 15换流变阀侧电流特征谐波的特性（ ）（11） 1、谐波次数 式中其中呈负序呈正序HVDC系统 换流变阀侧电流波形 16换流变阀侧电流特征谐波的特性（ ） 2、谐波电流的数值 基波电流有效值：（12） 谐波电流有效值：（13）阀侧电流方程17换流变阀侧电流特征谐波的特性（ ） （全波电流）有效值：阀侧电流方程（14）（15）注：上述特性适用于整流器和逆变器运行下， 时换流变压器阀侧的各相电流。18二、换流变网侧电流特征谐波（ ）（16）（17）HVDC系统 换流变网侧电流波形 19三、电源侧电流特征谐波（ ）HVDC系统 电源侧电流波形（18）20电源侧电流特征谐波（ ）HVD

5、C系统 电源侧电流波形（19）21电源侧电流特征谐波（ ）HVDC系统 电源侧电流波形（20）22电源侧电流特征谐波的特性（ ）HVDC系统 网侧电流方程 电源侧电流方程（21） 1、谐波次数 式中其中呈负序 呈正序换流器阀侧的以下特征谐波 （ ）在换流变绕组中环流，不进入交流系统。23电源侧电流特征谐波的特性（ ） 2、谐波数值 基波电流有效值： 谐波电流有效值：（22）（23）电源侧电流方程24电源侧电流特征谐波的特性（ ）电源侧电流方程 （全波电流）有效值：（24）（25）注：上述特性适用于整流器和逆变器运行下， 时电源侧的各相电流。25 换流器AC侧的特征谐波-正常工况HVDC系统 正

6、常运行方式下，换流器AC侧电流特征谐波的定性分析： 1. 脉动数不变，所含谐波的次数不变； 2. 波形更接近正弦波，谐波分量的幅值减少。26换流器AC侧特征谐波的特性-正常工况 1、谐波次数 其中呈负序呈正序（26）式中脉动数电流波形 27换流器AC侧特征谐波的特性-正常工况 2、谐波电流的数值 谐波电流有效值表达式1电源侧电流方程（27-1）空载时基波电流有效值（28）28谐波电流系数其中（29）29 谐波电流的数值 谐波电流有效值表达式2空载时基波电流有效值（27-2）30换流器AC侧特征谐波的特性-正常工况 3、影响谐波电流数值的因素 对谐波电流的影响故（30） 减少，则 增加 5次 7

7、次 11次 13次 17次 19次 23次 25次31换相角对谐波电流的影响 每次谐波在 （ ） 附近时， 下降到极小值， 然后再略有增加。随着 的增加，每次谐波有多个极值点，但总趋势为下降。5次 7次 11次 13次 17次 19次 23次 25次32 触发角对谐波电流的影响增加，则 减少，但是， 的变化对 的影响很小。 5次 7次 11次 13次 17次 19次 23次 25次 动画33 谐波次数对谐波电流的影响 越高，则 越小； 越高，则 随 的增加而下降的趋势越快。 5次 7次 11次 13次 17次 19次 23次 25次 Ih方程343.2.2 换流器DC侧的特征谐波内容：一、不计

8、换相角；二、工况2-3一、单桥整流电压中的特征谐波( ）HVDC系统换流器DC侧的整流电压包含： 单桥整流电压 双桥整流电压 表达式1：35单桥整流电压中的特征谐波整流电压平均值（31）其中，（32）（33）36单桥整流电压中的特征谐波空载时，第h次谐波电压有效值 表达式2：（34）空载时，第h次谐波电压相位37二、单桥整流电压的特征谐波-工况2-3（35）整流电压平均值 表达式1：单桥工况2-3波形38谐波电压的系数（36）（37）39单桥整流电压的特征谐波-工况2-3 表达式2：第h次谐波电压有效值第h次谐波电压相位整流电压平均值（38）40单桥整流电压中特征谐波的特性 1、谐波次数 （3

9、9）式中HVDC系统 2、谐波电压的数值 谐波电压有效值（ ）（40）41单桥整流电压中特征谐波的特性 谐波电压有效值（工况2-3）（41）其中（42）42单桥整流电压中特征谐波的特性 3、影响谐波电压数值的因素 对谐波电压的影响:6次 12次 18次 24次 随着 的增加，每次谐波有多个极值点，但总趋势为上升。43 触发角对谐波电压的影响 越高，则 越小 增加，则 增加 h对谐波电压的影响6次 12次 18次 24次 动画44三、双桥整流电压的特征谐波-工况4-5整流电压平均值 （43）第h次谐波电压有效值第h次谐波电压相位HVDC系统 双桥电压波形45双桥整流电压中特征谐波的特性-正常运行

10、 1、谐波次数 （44）式中HVDC系统 网侧电流方程 电源侧电流方程其中，每个单桥的以下特征谐波 （ ）由于大小相等、方向相反而在双桥中抵消。46双桥整流电压中特征谐波的特性-正常运行 2、谐波电压有效值其中HVDC系统47四、双桥直流电流的特征谐波-工况4-5HVDC系统原因：存在谐波电压换流器等效电感平波电抗器电感（45）换流器等效负载阻抗换流器等效电阻483.3 换流器的非特征谐波非特征谐波： 换流器交、直流侧的电流和电压中，除特征谐波之外的谐波分量。出现的原因：假设条件不完全满足49非特征谐波产生的原因 交流电源电压畸变、不对称； 换流变压器阻抗不对称； 换流变压器杂散电容的影响；

11、不等间隔触发主要原因有：HVDC系统50交流电压畸变时的非特征谐波HVDC系统 DC侧耦合谐波次数：（46） AC侧耦合谐波次数：（47）AC电压中的背景谐波次数脉动数51交流电压畸变时的非特征谐波-举例HVDC系统52常见的非特征谐波 AC侧：HVDC系统 DC侧：53五、直流谐波技术指标各谐波电压或电流折算到800Hz频率时，在电话线上的等效感应电势。 噪声电势/横向感应电势：噪声电势 国 标 北美 标准 CCITT (推荐) 单线电话 30mV 0.62mV 0.5mV双线电话4.5mV(设增音站)10mV(未设增音站)HVDC系统54HVDC工程直流谐波技术指标将电力线上所有谐波的组合

12、干扰效应用一个单一频率（800Hz）的电流来表示,这个电流就是等效干扰电流。 等效干扰电流：（46）h次谐波噪声加权系数x点处第h次谐波电流有效值第h次谐波电线耦合系数HVDC系统55噪声电势与等效干扰电流的关系 直流线路等效干扰电流：（47）整流器产生的等效干扰电流逆变器产生的等效干扰电流噪声电势与等效干扰电流的关系：（48）噪声电势电线与电话线间耦合阻抗HVDC系统56HVDC工程直流谐波标准 HVDC工程标准（统计结果） 葛上工程设计值：HVDC系统57六、换流器直流谐波模型 经典换流器直流谐波模型-12脉动直流谐波模型 修正的换流器直流谐波模型-3脉动直流谐波模型L图a) 12脉动直流

13、谐波模型 Um -12脉动谐波电压源 L -12脉动换流器内电感图b）3脉动直流侧谐波模型LLLL1CsCsL1L1L1HVDC系统583.4 HVDC系统的谐波抑制措施常用措施：1. 增加换流器的脉动（波）数； 2. 装设滤波器项目 方法1（增加脉动数） 方法2（装设滤波器）优点1、 减少注入AC、DC系统的谐波成分；2、提高注入AC、DC系统的最低次特征谐波次数。1、降低注入AC、DC系统的谐波量；2、可兼作无功补偿设备。缺点脉动数过大（p12）时，换流站投资太大1、投资大2、占地大现状典型设计方案：双极双桥h=11,13次加HP滤波器HVDC系统593.5 滤波器一、滤波器分类 按用途分

14、类：交流滤波器、直流滤波器； 按连接方式分类：串联滤波器、并联滤波器； 按电源特性分类：有源滤波器、无源滤波器 按滤波的实现方式（按阻抗特性）分类： 单调谐滤波器、双调谐滤波器、 三调谐滤波器、高通滤波器HVDC系统60二、滤波器的阻抗特性 单调谐滤波器 （48）（a）电路图（b）Z-f 特性曲线|Z()|HVDC系统61单调谐滤波器的特点 谐振阻抗最小 (49) 谐振角频率：单调谐zf特性(50) 品质因素：通常62单调谐滤波器的目的单调谐zf特性单调谐滤波器的主要目的： 滤除换流器产生的某一次的、较低次的特征谐波。 又称为：单调谐低通滤波器(51) 失谐度：通常：63双调谐滤波器 双调谐滤

15、波器 （a）电路图（b）Z-f 特性曲线HVDC系统64双调谐滤波器的特点 谐振阻抗最小 (50) 串联谐振角频率：（51）（52） 并联谐振角频率：双调谐zf特性65双调谐滤波器的特点基频下的功耗小；只有一个电感器承受全部冲击电压；投资省。HVDC系统 与2个单调谐滤波器比较，1个双调谐滤波器具有如下优点：双调谐滤波器的主要目的： 滤除换流器产生的某两次的、较低次的特征谐波。 又称为：双调谐低通滤波器66三调谐滤波器 三调谐滤波器 67高通滤波器 二阶高通滤波器 （b）Z-f 特性曲线（a）电路图（53）HVDC系统68二阶高通滤波器的特点 时，转化为单调谐滤波器；HVDC系统 HPzf特性

16、 在很宽的频带范围内具有低阻特性； 滤波器的阻抗为 所限制。高通滤波器的主要目的： 抑制换流器产生的所有高次谐波。69我国HVDC工程滤波器-ACF工程名称整流站逆变站葛上11/13（HP型）、23/25（HP型）(Q1 =67Mvar)11/13（HP型）、23/25（HP型）(Q1 =87Mvar)天广 11/13（HP型）、23/25（HP型）三常11/13（HP型）、24/36（HP型）、3 （HP型）12/24（HP型）舟山5、7、11、13、HP5、7、11、13、HP嵊泗5、7、11、13、HP3、5、7、11、13、HP三常ACF HVDC系统70我国HVDC工程滤波器-DCF

17、工程名称整流站逆变站葛上12/24（HP型）、12/36天广 12/24（HP型）、APF三常1*12/24（HP型）、1* 12/36舟山无嵊泗无葛上DCF 三常DCF HVDC系统 最优DCF性能指标71问题72谐波的危害有哪些？ 1. 使电机、电容器等设备由于附加损耗增加而过热，缩短寿命； 2. 产生谐波放大甚至谐振，危及设备安全； 3. 引起电机机械振动； 4. 对电信设备产生干扰； 5. 使保护、控制设备误动作； 6. 降低测量精度。73HVDC系统的谐波抑制措施常用措施：1. 增加换流器的脉动（波）数； 2. 装设滤波器74滤波器分类 按用途分类：交流滤波器、直流滤波器； 按连接方

18、式分类：串联滤波器、并联滤波器； 按电源特性分类：有源滤波器、无源滤波器 按滤波的实现方式（按阻抗特性）分类： 单调谐滤波器、双调谐滤波器、 三调谐滤波器、高通滤波器75滤波器参数工程计算意大利本土至撤丁岛直流输电工程在意大利本土一侧换流站中交流滤波器滤波器支路分别是几次滤波器？76滤波器参数工程计算 这组交流滤波器包括5、 7、11及13次谐波的四个单调谐支路和一个截止频率为14次谐波的高通滤波支路，它们都直接接在220kV的交流母线上。 为了使滤波器适应直流输电线各种可能的运行方式，它的设计是按照换流器以单桥、150、200。、单极的方式远行为条件的，这时直流侧的输出为100kV、1000

19、A。滤波器的无功容量必须满足换流器本身消耗的无功功率。 滤波效果应使换流站中各个谐波电压不大于基波电压的1，电压的最大理论偏差不超过5 按照设计时应依据的远行条件，换流器的功率因数77滤波器参数工程计算 为了保证滤波器既满足滤波效果，又比较经济，根据电网阻抗的频率特性，经过试凑，采用5、 7、11、13次谐波的调谐支路和高通滤波支路的电容器容量分配为13.7、7.9、8.65、5.75以及14兆乏的方案。 按照这些电容器容量分配，可算出如图534所尔的各滤波支路的元件参数。例如： 对5次谐波的调谐支路，由于：787980电容电压(V) 105001050010500滤波次数2.94.866.8

20、3单边总补偿容量(kVAr)420069004200单相总补偿容量(kVAr)140023001400单个电容容量(kVAr)200200200单相电容个数711.57额定电容电压(V)8082.96928.26928.2额定电流值(A)173.205331.976202.073单个电容值(uF)9.74413.26313.263单相电容值(uF)68.209152.52392.840单相电感值(mH)17.6632.8122.339电抗器电流(A)173.205331.976202.073Q值444444电感感抗(欧姆)5.5460.8830.735电抗器电压-818.108-268.006

21、-132.800容抗(欧姆)46.66720.87034.286电容工作电压(V)-6880.2855-6330.18335-6194.97791电阻707.6870399188.8467831220.762324线电流-147.435-303.321-180.687基波电容电流(A)-147.435-303.321-180.687谐波电流90.90111134.924290.47427工作千乏-2678.15-5509.83-3282.18滤波器参数工程计算81作业谐波的危害有哪些？治理谐波的方法有哪些？12脉动整流器交流侧和直流侧的特征谐波分别有哪些？8283 HVDC系统原理图-双极双桥

22、葛洲坝南 桥209kVIdId500kV500kV500kV198kV220kV84HVDC系统图换流母线交流系统 I无功补偿设备交 流滤波器直流线路Vd I 换流站I平波电抗器直流滤波器桥I换流母线换流变压器断路器桥II换流站II 交流系统 I I无功补偿设备交 流滤波器换流变压器Vd II 断路器85单桥整流器波形（ ）eaceabebaebcecbeca26C1C3C5C1C3C2C6C4C2C1C2iaibicHVDC系统图86单桥整流器波形（工况2-3）eaceabebaebcecbecaeaceabebaebcecbecaC3C5C1C1C3C5C2C4C6C2C4C6iaibic

23、HVDC系统87单桥换流器电流波形单桥整流器和逆变器（ ）单桥整流器单桥逆变器HVDC系统88双桥换流器电流波形（ ）iA1t/34/3o-/32/3-/23/2t/27/6o-/2/65 /6-/63/2iA2t3/2o2/3-/2iA桥2Y,dY,y桥1桥1桥2Y,yY,d89iv12iv42p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61C22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeabp22p12p32p62p52p42p

24、62p12p62iv11iv41iv31iv61iv61iv21iv51iv21iv51iv32iv62iv62iv52iv52iv22双桥换流变阀侧电流波形（理想情况）90p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61C22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeabp22p12p32p62p52p42p62p12p62iv11iv41iv31iv61iv61iv21iv51iv21iv51双桥换流变网侧电流波形（理想情况）91p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61C22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeabp22p12p32p62p52p42p62p12p62双桥电源侧电流波形（理