HVDC系统的谐波及其抑制

摘要:通过多方资料调查与研究,对HVDC系统的谐波在暂态、交流电势畸变、降压运行情况下进行了分析,并提出了谐波抑制的方法。

关键词:直流输电系统 谐波 非正常运行 谐波抑制

随着高压直流输电(HVDC)在能源开发、电能传输、电力系统不断扩大中的运用,尤其是在与新能源开发利用、风力发电、微网结合方面,直流输电的优越性及必要性日益凸显,直流输电的发展与壮大将是毋庸置疑的必然趋势。

直流输电具有其独特的优越性:(1)经济性(2)互连性(3)控制性 直流输电所具有的优势使得直流输电越来越受到重视,但是直流输电本身也存在一些缺点。如谐波及其抑制就是其中还未攻克的技术性问题。

1 HVDC谐波

换流变在交、直流两侧都会产生谐波电压和谐波电流。HVDC谐波的污染与危害主要表现在对电力与信号的干扰影响方面。

1.1 对电力危害

(1)旋转电动机等的附加谐波损耗与发热,缩短适用寿命; (2)谐波谐振过电压,造成电器元器件及设备的故障与损坏;

(3)电能计量错误。 1.2 对信号干扰方面

(1)对通信系统产生电场干扰,使电信质量下降; (2)使重要的和敏感的自动控制、保护装置误动作; (3)危害到功率处理器自身的正常运行。

对于HVDC系统所产生的谐波特性研究,在两端交流系统基频相同及交流系统三相电势和参数都对称的条件下,已分析得相当清楚。基本的结论是:

交流系统的谐波电流次数为:n=kp(1)

其中 p为换流器的脉动数,k为正整数。习惯上称以上两式所表示的谐波次数分别为交直流系统的特征谐波次数。

但是,在各种非正常情况下的谐波则不符合上述公式。 1.3 暂态过程中的谐波分析 初始化基于以下条件:

(1)两端交流系统换流母线电压(幅值与相位);(2)直流线路电流;(3)逆变侧熄弧角在数据仿真分析,用FFT采用窗函数处理后,结果表明:在交流不对称故障时,直流系统中不仅有特征谐波,还有大量的非特征

谐波,尤其是2次谐波含量较高,这对HVDC系统的安全运行是不利的。在HVDC系统的规划设计和实际运行中,必须对直流侧参数进行2次谐振校验。

1.4 交流电势畸变下的谐波分析

在前辈研究结果的基础上,对忽略换相过程情况下直流输电系统所产生的谐波特性进行严格的分析,再找出在这种情况下的一般性结果,最后用数学仿真的方法,考察上述结果在考虑换相过程后应作哪些修正。研究采用的模型假定了两端的交流系统频率相同,这样,可使研究只简化在一侧。

在这样的研究方法下,由一系列的推导说明可得到结论: (1)交流电势畸变时,直流输电系统在直流侧产生的非特征谐波电压次数为即kp±m,其中p为换流器的脉动数,m为交流谐波电势次数,对应正序m取正值,对应负序m取负值。k为使非特征谐波电压次数为非负的整数。

(2)交流电势畸变时,直流输电系统在交流侧产生的非特征谐波电流次数为kp±m次和次,其中k,p,m的意义同上对应kp+m次谐波,其相序为正序,对kp-m次谐波,其相序为负序,对应次谐波。其相序刚好与谐波电势相序相反。

1.5 降压运行的谐波分析

设计直流降压运行功能的目的是当直流线路绝缘子污秽,在额定电压下发生闪络时,可以降低电压继续运行。降压试验在直流侧恒定输送功率600MW下进行,降压至400kV～350kV两个电压等级下进行。研究采用了数据统计的方式,将各种不同情况下不同特征谐波的大小分别进行了测量与统计,实验次数为50次,得到的数据结果可以得到:

(1)降压运行会产生较大的谐波分量,电压下降越多,谐波总畸变率也越大;(2)单极降压70%运行时,谐波总畸变率都会超出性能要求;(3)双极运行时,谐波总畸变率都会超标;(4)双极同时降压80%运行时谐波总畸变率已超标,而双极降压水平不一致时畸变率会更大,故不提倡双极同时降压运行。

2 谐波的抑制

目前,抑制HVDC系统中谐波的措施可分为三类:

(1)作用于谐波源的措施(2)装设滤波器;(3)改变HVDC线路的常数,以达到加大直流线路中谐波电压、电流的衰减。

2.1 增加换流器的脉动数

由(1)特征谐波的次数为pk,即:选用6脉动换流器,特征谐波次数为6k,包含5、7、11、13、17等次谐波。而选用12脉动换流器,特征

谐波次数则变成了12k,只包含11、13、23、25等次谐波,一方面谐波种类大大减少,使得谐波的影响程度不再那么复杂,也易于控制,另一方面,谐波的大小与谐波的次数成反比,增加了换流器的脉动数,使特征谐波里的一些低次谐波不再存在,在很大程度上,减小了总的谐波量,降低了谐波畸变率。

因此,采用增加换流器脉动数,可有效抑制谐波。但是,脉动数太多,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,对于高压大容量的换流装置来说,不但困难,而且增大了投资,与采用滤波装置进行谐波抑制相比,通常是不经济的。

2.2 装设滤波器

2.2.1 交流滤波器对谐波的抑制

交流滤波器的主要目的之一是为了滤除换流器产生的谐波电流,从而使交流母线电压畸变和通信干扰满足要求。目前常用的滤波器有单调谐、双调谐与高通滤波器。

现实中,设备参数的平衡不是绝对的,不平衡因素使换流器交流侧产生非特征谐波电流。以6脉动系统为例,若只取其中一条支路线,则为单调谐滤波器,设计时假设想要滤去k次谐波,则在这个系统中的L、C参数的设置为:kwl=1/kwc。同理,双调谐系统则意味着能消去两种谐波,同样采用谐振原理。高通滤波器,如下图最右侧支路所示,则主要是为了滤去产生的所有高次谐波。

2.2.2 直流滤波器

直流侧谐波电流会对直流系统本身产生危害、对线路邻近的通信系统产生影响以及通过换流器对交流系统进行渗透从而产生影响。直流滤波器主要是针对明线通信干扰这种危害进行规范和设计的,所考虑的频率范围通常从基波到100次谐波。

3 结语

HVDC的世界广袤无边,有待开发的未知引领未来。必然趋势的存在使我们愈发认识到现有问题的严重性。HVDC的谐波对系统及周边环境的影响不容忽视,我们应在分析其基础原理后提出有效的解决方案,为HVDC的扩展铺平道路。

参考文献

[1]韩明晓,文俊,徐永海编著.高压直流输电原理与运行.北京:机械工业出版社,2008,9.

[2]林永生,胡良珍,严朗威编.高压直流输电.上海:科学技术出版社,1982.

[3]李庚银,陈志业,杨以涵.直流输电系统暂态谐波分析.华北电力学院电力工程系,1992.