800kv特高压直流输电工程换流器谐波的分析与研究

800kv特高压直流输电工程换流器谐波的分析与研究

0换流器产生的谐波在直线输电工程中，直流滤波（cdf）用于降低流经直线输电管的输电压线和地极线的波形电流。直流滤波器一般位于极母线和极中性线之间。考虑到同一换流站两极的对称性,两极应配置相同的直流滤波器。直流滤波器配置应充分考虑各次谐波的幅值及其在等值干扰电流中所占的比重。在理论上,12脉动换流器仅在直流侧产生12n(n=1,2,3,…。)次特征谐波电压,因此,对于换流器是12脉波的直流输电工程来说,直流滤波器一般调谐在12,24,36次。实际上由于存在着各种不对称因素,并且换流变压器对地存在杂散电容等,换流器除了在直流侧产生特征次谐波电压之外,还会在直流侧产生幅值较小的非特征谐波电压。并且,由换流变压器杂散电容而产生的次数较低的非特征谐波进入直流线路的分量较小。另一方面,通信线路受到谐波干扰的频域主要在1000Hz左右,对50Hz交流系统来讲,20次左右的谐波分量危害最严重,要重点消除这部分谐波。±800kV特高压直流输电(UHVDC)工程与±500kV高压直流输电(HVDC)工程相比,换流器在直流侧产生的谐波又有新的特点,在直流滤波器设计过程中需仔细研究。以向家坝-上海±800kVUHVDC工程为例,对特高压直流工程直流滤波器设置方案进行研究。1等效干扰电流±500kV工程每个单极是由一个12P桥构成,而±800kVUHVDC工程每个单极是由两个12P桥串联构成,所以±800kVUHVDC工程直流侧的谐波电压比±500kVHVDC工程直流侧的谐波电压大。因此,在等效干扰电流(Ieq)限制值不变的情况下,相应的±800kVUHVDC工程直流滤波器的高压电容器电容值C1也要增大。而直流滤波器的成本主要取决于直流滤波器的高压电容器,为了降低±800kVUHVDC工程直流滤波器的造价,在现实条件许可的情况下,流入直流极线和地极引线中的等效干扰电流(Ieq)限制值应尽量放宽。图1为±800kVUHVDC工程换流器原理接线及直流滤波器连接方式。在计算等效干扰电流时,可以用4个3P谐波电压源表示一个12P换流桥,模型见图2。图中的电容为换流变压器中性点对地寄生电容。在一个12P换流桥内部,两组换流变压器中性点对地寄生电容可取相同值。对于±800kVUHVDC工程来说,每个极由两个12P换流桥串联组成,两个12P换流桥可用图3所示模型表示。在图3中,上12P换流桥内部两组换流变压器中性点对地寄生电容取相同值,下12P换流桥内部两组换流变压器中性点对地寄生电容取相同值,但是上、下12P换流桥中换流变压器中性点对地寄生电容值一般不同,主要是因为上、下12P换流桥中换流变压器的绝缘水平相差较大,变压器内部绝缘材料及变压器设计会有所不同,因而,换流变中性点对地电容将会有所差别。±800kVUHVDC工程每个单极中两个12P桥在正常运行情况下运行参数基本相同,如:换流变分接头所在档位、触发角(α或γ)、直流电流Id、12p桥直流电压等应基本相同。但在实际运行中,除了直流电流Id完全相同之外,两个12P桥中的其它运行参数会存在微小差别,这主要是因为实际存在着各种测量及控制误差,上、下换流变压器分接头位置可能不一致等。在直流滤波器设计计算中,暂不考虑这些测量及控制误差,认为每个单极中两个12P桥的运行参数完全一致,这样每个极中上、下两个12P桥所产生的各次谐波电压幅值及相位也完全一致。这是一种保守的考虑。除了表示换流桥的3p谐波源数目及高、低压换流变对地寄生电容取值不同之外,±800kV工程直流滤波器等效干扰电流计算方法与±800kV工程基本一致。2等效干扰电流降至高校直流滤波器性能考核指标是直流极线及地极引线上的等效干扰电流水平。降低直流极线和地极引线上等效谐波干扰电流的目的是为了减小流过直流线路的谐波电流对沿线通讯系统的干扰。究竟直流线路上的等效干扰电流降至什么水平较为合理,还需做进一步的研究。有初步研究结果显示,直流线路上的等效干扰电流降至2200mA以下,对沿线的通讯干扰就可以接受。为了降低DCF造价,在可接受的前提下,等效干扰电流(Ieq)限制值应尽量放宽。3直流电滤波器的等效干扰电流的计算确定直流滤波器设置方案是一个反复的过程。具体步骤为:先确定一组滤波器元件参数,然后计算滤波器性能(等效干扰电流Ieq),若性能不满足要求,就重新调整直流滤波器元件参数,进行优化,直到直流滤波器性能满足要求为止。在直流滤波器中,高压电容器所占费用最大,因而,在滤波性能满足要求的情况下,高压电容器的电容值越小越经济。计算DCF性能可分为两步:首先计算换流阀在DC侧产生的谐波电压;在此基础上,计算直流线路沿线上的等效干扰电流。向家坝-上海±800kVUHVDC工程直流滤波器采用无源型式。无源型直流滤波器即可设计为双调谐,又可设计为三调谐。这里对不同直流滤波器设置方案下的等效干扰电流进行计算比较。计算条件:①交、直流系统参数见表1;②平波电抗器及中性母线电容器参数为每站每极直流极母线及中性母线各设有150mH的平波电抗器,每站每极中性母线各设有中性母线电容器,假设每站每极中性母线电容为16μF;③直流线路参数为直流极线全长2071km,直流极导线采用6分裂导线,导线型号为ACSR-720/50,接地极线路长度为向家坝侧105km,上海侧91km,接地极线路暂按两条3分裂导线考虑,导线型号暂设为LGJ-400/50。(1)等效干扰电流上海侧每站每极设置两组双调谐DCF支路,调谐次数分别为12/24、12/36;向家坝侧每站每极设置一组三调谐DCF支路,调谐次数为12/24/36。两换流站直流滤波器参数见表2。依据以上直流滤波器设置方案,对向家坝-上海±800kV直流输电工程直流极线及地极引线上的等效干扰电流水平进行了计算。直流极线上的等效谐波干扰电流随距离的分布见图4,距离零点为向家坝换流站。对于方案1,在直流系统双极额定运行工况下,直流极线上最大等效干扰电流为1.75A,出现在向家坝侧换流站直流极线首端。离开向家坝换流站大约330km后,直流极线上的等效干扰电流降至1000mA以下。上海侧换流站直流极线首端等效干扰电流为1.21mA。双极额定运行工况下,向家坝侧地极引线上的等效干扰电流最大值为0.52A;上海侧地极引线上的等效干扰电流最大值为0.72mA。地极引线上的等效干扰电流随距离变化的曲线略。(2)两方案在各制定函数上的等效干扰电流两侧换流站每极设置两组双调谐DCF支路,调谐次数分别为12/24、12/36,每一DCF支路高压电容器的电容值均为2μF。DCF支路元件参数与方案1中上海侧DCF支路元件参数相同。计算所得的直流极线上等效谐波干扰电流随距离的变化见图5,距离零点为向家坝换流站。对于方案2,在直流系统双极额定运行工况下,直流极线上最大等效干扰电流为1.56A,出现在向家坝侧换流站直流极线首端。离开向家坝换流站距离大约超过250km后,直流极线上的等效干扰电流降至1000mA以下。上海侧换流站直流极线首端等效干扰电流为1.23mA。双极额定运行工况下,向家坝侧地极引线上的等效干扰电流最大值为0.46A,上海侧地极引线上的等效干扰电流最大值为0.55mA。地极引线上的等效干扰电流随距离变化的曲线略。比较方案1和方案2的计算结果可以看出,在两种DCF设置方案中,由于上海侧DCF的设置完全一致(每站每极设置两组双调谐DCF支路,高压电容C1均取2μF,调谐次数分别为12/24、12/36),因此,两种方案下上海侧直流极线首端的等效谐波干扰电流大小基本相等;两种方案中向家坝侧DCF设置方案不同,因而两种方案下向家坝侧直流极线首端的等效谐波干扰电流大小不相等,方案2滤波效果优于方案1。由此可知,在总的直流滤波器高压电容值相同的情况下,两组双调谐直流滤波器的滤波效果明显好于一组三调谐滤波器的滤波效果。对于直流系统其它运行方式,在直流滤波器不同投入组合条件下,直流极线及地极引线上的等效干扰电流还有待于进一步计算。4关于工程直流滤波器(1)±800kVUHVDC工程每个单极由两个12P桥串联构成,因而,与±500kV工程相比,±800kVUHVDC工程换流器在直流侧产生的谐波电压更为严重。(2)在等效干扰电流(Ieq)限制值不变的情况下,±800kVUHVDC工程直流滤波器的高压电容器电容值C1比±500kVHVDC工程直流滤波器的C1大;在额定运行工况下,高压电容器上承受的电压大约是±500kVHVDC工程直流滤波器高压电容器电压的1.6倍。因此,在实际条件许可的情况下,应尽量放宽等效干扰电流(Ieq)限制值,这样可以减小直流滤波器的高压电容,从而降低直流滤波器造价。(3)在总