三脉动换流器模型谐波分析

三脉动换流器模型谐波分析

1直流线路对通信的干扰计算在直接输电流的交换过程中，产生了波形，这将受到许多方面的影响。对于直流输电线路来说,主要考虑的问题是谐波电流对邻近通信线路的干扰。由于直流输电线路对通信的干扰所涉及的因素相当多,很难直接套用有关的规程和标准。例如,同样的直流输电线路谐波水平,在不同的地方,对通信所造成的干扰可以完全不同。因此通常只能对一个个具体直流工程进行研究。作为干扰计算的基础,如何准确计算线路谐波显得尤为重要。本文介绍了三峡水电厂到广东的直流线路对通信线路的干扰计算。计算采用较为精确的换流器模型——三脉动换流器模型,很好地再现了线路中各次谐波的特性,取得了良好的计算效果。2双极谐波的分类计算中换流器模型采用了三脉动换流器模型。与传统的换流器模型相比,三脉动模型是一种更为精确的模型,如图1所示,它采用了新的谐波电压源,将一标准的12脉动换流桥表示为4个串联的3脉动桥,并且采用附加电容来模拟换流变压器杂散电容的影响,因此它能细致地反映直流线路中3n次谐波的传输特性。三脉动换流器模型的谐波电压源的计算公式如下:U3p(t-T6)、U3p(t-T12)及U3p(t-3T12)可类似由上式推导得出。将图1所示的2个12脉动桥组合便形成双极运行的换流器模型。为了研究方便,将所有3n次谐波分为4类:1)奇数次谐波(3,15,27,等);2)奇数次谐波(9,21,33,等);3)偶数次谐波(6,18,30,等);4)偶数次谐波(12,24,36,等);采用上述分类以后,以图1最顶端谐波电压源的相位为参考相位,可以得到2个极间各电压源之间的相位关系。表1列出了双极运行时各电压源的相位关系。在双极对称理想运行条件下(即如传统换流器模型那样不考虑模型中的杂散电容),由电压源相位关系可以看到,直流线路中只有12n次谐波在流动,又因为12n次谐波在2极中大小相等,流动的方向相反,因此可以认为它们对通信线路的干扰作用相互抵消了。对于其它谐波分量,其所有电压源等效电势为零,因此并没有产生相应的谐波电流。实际系统显然不能达到这种理想运行条件,如交流系统的不平衡、换流变压器杂散电容以及触发角的变化等因素的存在,使得直流系统不再是对称运行。三脉动模型使用附加的对地电容来模拟由杂散电容所引起的系统不平衡量。3杂散电容中谐波电流的形成近期的工程实践都已经证明,直流线路中的3(2n+1)次谐波会对临近通信线路产生明显的干扰。产生这些谐波的因素很多,其中换流变压器的杂散电容的存在是一个主要因素。换流器阀每次导通或关断,都会在杂散电容中引发暂态电流,使系统不平衡,从而在直流侧线路中产生谐波。杂散电容引起的谐波成份主要是3n次。对于通信干扰计算,关心的是流入线路的谐波特性。在双极对称运行情况下,杂散电容产生的3n次谐波可以分为2类:只在极线中流动的谐波电流(极线模式)和在极线及大地中流动的谐波电流(大地模式)。由表1所示三脉动电压源的相位关系可知,对于(32n)次的(6,18,30,等)非特征谐波,在杂散电容中的电流是相互抵消的,没有流入地线的电流,谐波电流只在极线中流动,对电信的干扰很小。对于12n次谐波分量所有电压源都是同相位的,杂散电容的影响也只是增加了一个极线模式的谐波电流成份,它对电信线路的干扰作用同样可以被忽略。图2表示杂散电容中电流相抵消的过程。4个电容中的电流之和IΣ为零,即杂散电容中无谐波电流流过。对于杂散电容产生的3(2n+)1次谐波,由于2极相应的电压源的相位均为反相,因此杂散电容中的3(2n+)1次谐波是一种大地模式谐波电流,加强了对通信线路的干扰作用。图3表示杂散电容中3(2n+1)次谐波的流通情况,电容中的电流为各电容谐波电流之和。检测中性线电流时会发现,IΣ是通过中性线返回换流器的。杂散电容中谐波电流的流通路径如图4所示。图中(a)表示(32n)次谐波电流的通路,(b)表示3(2n+)1次谐波电流的流通情况。因此,在三脉动换流器模型双极对称运行条件下,只须考虑奇数次谐波对通信线路的干扰作用。在系统不对称情况下,由于电压源相位与对称情况下的不同,所有3n次谐波都有可能产生大地模式的电流,从而影响通信线路。单极运行时对通信线路的干扰计算必须考虑所有3n的谐波电流的影响。4逆变侧阀换相角及谐波电压源的设置及叠加原理计算谐波电流时考虑如下运行方式:3000MW,±500kV直流输电系统采用双极两线一地对称运行,每个极的换流器模型均为由4个三脉动模型组成的12脉动换流器。直流线路2端交流系统的短路比SCR均取5.0;2端换流变压器短路阻抗均取15%;平波电抗器的值为270mH;换流变压器的杂散电容用一20nF的电容器模拟;系统直流侧滤波器参数如表2所示。整流侧阀触发角α取为15o,逆变侧阀关断越前角γ为18o*。换相电抗Xγ及换相角u的值由式(2)(3)求得。式中XT为换流变压器漏抗;sQ和Ue分别为换流变压器网侧母线上的短路容量和母线额定电压;Id为直流电流;E为交流电源线电势的有效值。进行逆变侧阀换相角计算时,只需将式(3)中触发角α替换为关断越前角γ。在本文考虑的运行方式下计算得到整流侧换相电抗Xr=115mH,整流侧阀换相角u=18.2o;逆变侧换相电抗Xr=116mH,逆变侧阀换相角u=16.8o。按照文献提供的方法可以方便地计算出三脉动换流器模型各电压源。对应各次谐波的电压源的有效值如表3所示。在直流输电接线中,大地是作为导线来使用的。在计算谐波时,必须考虑音频范围内各种频率的交流电流流过大地时的情况,因此必须按照不同的地理位置设置相应的大地电阻率。用于实际计算的导线模型如图5所示(由于资料不齐,线路参数及杆塔采用龙-政线数据)。将直流输电系统近似看作一线性系统,采用叠加原理进行计算。对应于第n次谐波频率fn,任一极的谐波电流皆可看作分别由整流侧和逆变侧对应于谐波频率fn的谐波电压源单独作用产生的谐波电压组成,每一极中的谐波电流为该2部分的叠加。因为分别来自整流侧及逆变侧的谐波电流分量的相位未知,此处的电流分量的叠加采用将2个分量进行先取平方和再开方的运算。为了得到各次谐波电流的沿线分布情况,在直流线路上设置9个电流测试点,分别取得9个电流测试点谐波电流的有效值,将来自整流器和逆变器的谐波分量叠加,就可得到直流线路上各次谐波的近似分布。图6列出了3(2n+)1次谐波的近似沿线分布,其中图(a)、(b)、(c)和(d)分别表示直流线路中3、9、15及21次谐波的分布情况。采用同样三脉动模型,可以计算系统单极运行时直流侧的谐波。5等效干扰电流20世纪70年代末以来,直流工程普遍采用“等效干扰电流”值作为限制直流谐波水平的标准,其含义是将电力线上所有谐波的总的组合干扰效应应用一个单一频率(800Hz)的电流来表示。其计算公式为式中Ieq为等效干扰电流;h为谐波次数;m为计及干扰的最高谐波次数;Hf为h次谐波频率下开放裸导线的耦合系数;Ph为h次谐波频率下的视听加权系数;Ih为h次谐波电流。耦合系数与电话线的布置及大地电阻率有关,近似计算时可以取Hf=f/800。视听加权系数是CCITT规定的反映频率与听力敏感程度的关系的数值。由于各次谐波噪声加权系数不同,各次谐波产生的干扰程度也不一样。对被干扰的电信线来说,感应在双线电话回路上的噪声频率范围为50~1050Hz。对通信线路的干扰而言,在双极对称运行方式下,3(2n+)1次谐波起主导作用,而单极运行时干扰计算要计及所有谐波的作用。基于上述计算方法,得到在双极两线一地运行方式下的三广线等效干扰电流Ieq沿线分布如图7所示。单极大地运行方式下等效干扰电流Ieq沿线分布如图8所示。可见在线路两端即两侧换流器附近,等效干扰电流取得最大值,因此可以以此处的干扰电流值作为判断标准。在双极运行条件下,该等效干扰电流最大值Ieqmax≈700mA;单极运行时Ieqmax≈1050mA。6等效干扰电流换流变压器的杂散电容会在系统直流侧引起3n次谐波。当在双极运行方式下时,其中的3(2n+1)次谐波会引发大地模式的电流,从而对临近通信线路产生干扰。三脉动换流器模型通过一个附加电容能较好地模拟杂散电容的影响。等效干扰电流的标准应