直流輸電系統(tǒng)的諧波及其抑制

1、直流輸電換流器的交流側(cè)與直流側(cè)的電流與電壓中所存在的頻率為換相電 壓基波頻率整數(shù)倍的各正弦分量。換流器對交流系統(tǒng)來說它還是一個諧波電流 源，而對直流線路來說它還是一個諧波電壓源。諧波與基波的頻率之比稱為諧波 次數(shù)。諧波的大小和相位可以從波形的傅立葉分析得到。直流輸電系統(tǒng)的諧波有 特征諧波和非特征諧波。這些諧波對交、直流系統(tǒng)中的設(shè)備及鄰近的通信系統(tǒng)都 有不良影響和危害。往往需要采取措施加以疏導(dǎo)和抑制，使諧波分量能符合有關(guān) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。在以下理想條件下，換流器產(chǎn)生的諧波稱為特征諧波。換相電壓為三相對 稱的正弦基波電壓；換流各相的換相電抗相等；換流閥的觸發(fā)脈沖等距； 換流器直流側(cè)電流為一恒定的直

2、流電流。對換流器交、直流側(cè)的電流和電壓波形進(jìn)行傅立葉分析可知，一個脈動數(shù)為 P的換流器，在理想條件下，交流側(cè)的諧波次數(shù)為n=kp1次，k為正整數(shù)，其 中kp+1次為正序，kp-1次為負(fù)序；直流側(cè)的諧波次數(shù)為n=kp次。對6脈動和 12脈動換流器，交流側(cè)分別產(chǎn)生5，7，11，13.次和11，13，23，25.次 的特征諧波；直流側(cè)分別產(chǎn)生6, 12, 18次和12, 24, 36次的特征諧波。 交流側(cè)諧波電流的大小與觸發(fā)角a（或關(guān)斷角&）和換相角m有關(guān)，并且諧波次數(shù) 愈高其有效值愈小。當(dāng)換相角為零時（電流波形為寬120電角度的矩形波），n 次諧波電流的有效值為基波電流有效值的1/n。諧波電流隨換

3、相角的加大或觸發(fā) 角（或關(guān)斷角）的減小而減小。直流側(cè)特征諧波電壓的大小隨觸發(fā)角a （或關(guān)斷 角g）的加大而增大并與換相角m有關(guān)，而換相角m又與直流電流、換相電抗 以及a （或g）角有關(guān)。因此，12脈動換流器比6脈動換流器的諧波特性有很大的改善，這也是目 前換流站只采用12脈動換流器作基本換流單元的主要原因。12脈動換流器是由 換相電壓的相位相差30的兩個6脈動換流器串聯(lián)而成，通常30的相位差是由 換流變壓器閥側(cè)線圈采用Y和接線來實(shí)現(xiàn)。換流站交流側(cè)諧波電流，按交流電網(wǎng)諧波阻抗的分布情況，流入交流電網(wǎng)， 產(chǎn)生諧波電壓，畸變交流電壓波形；直流側(cè)的諧波電壓加在平波電抗器，直流濾 波器和直流輸電線路組成

4、的直流網(wǎng)絡(luò)上，產(chǎn)生諧波電流。為了計算這些諧波電壓 和電流的分布，通常是將換流站交流側(cè)各次諧波電流視為諧波電流源，應(yīng)用交流 系統(tǒng)對應(yīng)的各次諧波阻抗等值網(wǎng)絡(luò)分別求解；而將直流側(cè)各次諧波電壓視為諧波 電壓源，應(yīng)用直流網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的各次諧波的等值網(wǎng)絡(luò)分別求解。也可以采用統(tǒng)一計 算交、直流系統(tǒng)中特征諧波潮流的方法來進(jìn)行分析。在各種非理想條件下，換流器交、直流側(cè)所產(chǎn)生的，除特征諧波以外的其它 各次諧波，均稱為非特征諧波。常見的非特征諧波有交流系統(tǒng)中的3次諧波以及 由此而產(chǎn)生的換流器交、直流側(cè)的非特征諧波，直流側(cè)的9次和18次諧波等。 非特征諧波的計算分析比較復(fù)雜。通常是對各種因素分別單獨(dú)考慮，經(jīng)簡化處理， 得

5、出交流側(cè)和直流側(cè)的非特征諧波電流和電壓，把它們視為諧波電流和電壓源， 來計算交、直流網(wǎng)絡(luò)中的非特征諧波電流和電壓的分布。直流輸電系統(tǒng)的特征諧波和非特征諧波也可以用EMTP（電磁暫態(tài)程序）和 FFT（快速付立葉轉(zhuǎn)換）程序進(jìn)行計算分析，結(jié)果較為精確，交流系統(tǒng)部分可適當(dāng) 的簡化以節(jié)省機(jī)時。直流輸電系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波對交流系統(tǒng)和換流器本身的運(yùn)行以及鄰近的通 信系統(tǒng)都將產(chǎn)生影響或危害。電力系統(tǒng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，電動機(jī)，電容器，電抗 器等電器設(shè)備，在諧波的作用下，將產(chǎn)生附加損耗，發(fā)熱和振動。也可能在某一 諧波頻率下，發(fā)生局部的諧波諧振，使某些設(shè)備受到過電壓，過熱或損壞。直流 線路和有關(guān)交流線路的諧波電流和電壓

6、，通過電磁和靜電感應(yīng)，對鄰近和并行的 通信系統(tǒng)產(chǎn)生諧波噪聲干擾。此外，諧波對繼電保護(hù)和自動裝置的性能和動作， 對測量儀表的準(zhǔn)確度也可能產(chǎn)生影響。為了減少諧波的影響和危害，許多國家都制訂了自己的諧波標(biāo)準(zhǔn)，以限制電 力系統(tǒng)中所允許的諧波含量。中國于1993年也制訂了“電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧 波”的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 1454993），對電力系統(tǒng)中各點(diǎn)的諧波電壓畸變率以及用 戶注入電力系統(tǒng)的各次諧波電流有效值均有規(guī)定。在進(jìn)行直流輸電換流站交、直 流濾波裝置設(shè)計時，一般按IEC919- 1所推薦的“高壓直流輸電系統(tǒng)的性能”第 一部分“穩(wěn)態(tài)條件”中關(guān)于交、直流濾波器的設(shè)計準(zhǔn)則來考慮。為使諧波電壓和電流滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，往往需要對諧波進(jìn)行抑制以 減少諧波含量。從理論上說，增加換流器的脈動數(shù)，可以提高特征諧波的次數(shù)， 從而有效地降低特征諧波分量。例如可以采用十八及以上脈動數(shù)的換流器，以進(jìn) 一步減小諧波。但由于換流變壓器繞組接線和絕緣都比較復(fù)雜，制造費(fèi)用以及備 品都要增多，因此實(shí)際工程中還沒有采用過。目前，在換流器交流側(cè)抑制諧波的 主要措施是裝設(shè)換流站交流