諧波及其抑制forHVDC

1、高壓直流輸電技術(shù)1Chap.3 諧波及其抑制劉晉華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 柔性電力技術(shù)研究所2第三章 主要內(nèi)容3.1 引言3.2 換流器的特征諧波3.3 換流器的非特征諧波3.4 HVDC系統(tǒng)的諧波抑制措施3.5 濾波器HVDC系統(tǒng)圖33.1 引 言（1）第h次諧波頻率基波頻率 諧波次數(shù)：一、定義 諧波：非正弦周期性電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。4二、諧波的危害 1. 使電機、電容器等設(shè)備由于附加損耗增加而過熱，縮短壽命； 2. 產(chǎn)生諧波放大甚至諧振，危及設(shè)備安全； 3. 引起電機機械振動； 4. 對電信設(shè)備產(chǎn)生干擾； 5. 使保護、控制設(shè)備誤動作； 6. 降低測量精度

2、。5三、特征諧波分析的假設(shè)條件 1）交流電源為對稱的正弦波； 2）交流輸電系統(tǒng)及換流變壓器阻抗對稱； 3）不計交流系統(tǒng)中各元件的電阻及換流變壓器的激磁導(dǎo)納； 4）平波電抗器的電感為無窮大； 5）晶閘管具有理想的開關(guān)特性； 6）等間隔觸發(fā)6四、諧波分析方法 -傅里葉級數(shù)法傅里葉級數(shù)： 一個非正弦周期性函數(shù) ，當(dāng)其滿足狄里克雷（Dirichlet）條件時，它可以用傅里葉級數(shù)表示為：（2）直角坐標(biāo)表達式7傅里葉級數(shù)系數(shù)其中（3）恒定分量直流分量式中余弦項系數(shù)正弦項系數(shù)8傅里葉級數(shù)-極坐標(biāo)表達式（4）式中（5）其中第h次諧波幅值第h次諧波初相位9傅里葉級數(shù)-復(fù)數(shù)表達式輻角模（6）（7）或103.2 換

3、流器的特征諧波特征諧波： 在假設(shè)條件下，換流器交流側(cè)的各相電流和直流側(cè)的整流電壓中所包含的諧波。內(nèi)容： 3.2.1 換流器AC側(cè)的特征諧波 3.2.2 換流器DC側(cè)的特征諧波 113.2.1 換流器AC側(cè)的特征諧波內(nèi)容：一、不計換相角; 二、工況2-3一、換流變閥側(cè)電流的特征諧波( ） 、 具有相同的相電流波形換流器AC側(cè)的相電流包含： 換流變閥側(cè)電流/單橋網(wǎng)側(cè)電流 換流變網(wǎng)側(cè)電流 電源側(cè)電流HVDC系統(tǒng)圖12換流變閥側(cè)電流的特征諧波（8）HVDC系統(tǒng) 換流變閥側(cè)電流波形 13換流變閥側(cè)電流的特征諧波（9）HVDC系統(tǒng) 換流變閥側(cè)電流波形 14換流變閥側(cè)電流的特征諧波（10）HVDC系統(tǒng) 換流

4、變閥側(cè)電流波形 15換流變閥側(cè)電流特征諧波的特性（ ）（11） 1、諧波次數(shù) 式中其中呈負序呈正序HVDC系統(tǒng) 換流變閥側(cè)電流波形 16換流變閥側(cè)電流特征諧波的特性（ ） 2、諧波電流的數(shù)值 基波電流有效值：（12） 諧波電流有效值：（13）閥側(cè)電流方程17換流變閥側(cè)電流特征諧波的特性（ ） （全波電流）有效值：閥側(cè)電流方程（14）（15）注：上述特性適用于整流器和逆變器運行下， 時換流變壓器閥側(cè)的各相電流。18二、換流變網(wǎng)側(cè)電流特征諧波（ ）（16）（17）HVDC系統(tǒng) 換流變網(wǎng)側(cè)電流波形 19三、電源側(cè)電流特征諧波（ ）HVDC系統(tǒng) 電源側(cè)電流波形（18）20電源側(cè)電流特征諧波（ ）HVD

5、C系統(tǒng) 電源側(cè)電流波形（19）21電源側(cè)電流特征諧波（ ）HVDC系統(tǒng) 電源側(cè)電流波形（20）22電源側(cè)電流特征諧波的特性（ ）HVDC系統(tǒng) 網(wǎng)側(cè)電流方程 電源側(cè)電流方程（21） 1、諧波次數(shù) 式中其中呈負序 呈正序換流器閥側(cè)的以下特征諧波 （ ）在換流變繞組中環(huán)流，不進入交流系統(tǒng)。23電源側(cè)電流特征諧波的特性（ ） 2、諧波數(shù)值 基波電流有效值： 諧波電流有效值：（22）（23）電源側(cè)電流方程24電源側(cè)電流特征諧波的特性（ ）電源側(cè)電流方程 （全波電流）有效值：（24）（25）注：上述特性適用于整流器和逆變器運行下， 時電源側(cè)的各相電流。25 換流器AC側(cè)的特征諧波-正常工況HVDC系統(tǒng) 正

6、常運行方式下，換流器AC側(cè)電流特征諧波的定性分析： 1. 脈動數(shù)不變，所含諧波的次數(shù)不變； 2. 波形更接近正弦波，諧波分量的幅值減少。26換流器AC側(cè)特征諧波的特性-正常工況 1、諧波次數(shù) 其中呈負序呈正序（26）式中脈動數(shù)電流波形 27換流器AC側(cè)特征諧波的特性-正常工況 2、諧波電流的數(shù)值 諧波電流有效值表達式1電源側(cè)電流方程（27-1）空載時基波電流有效值（28）28諧波電流系數(shù)其中（29）29 諧波電流的數(shù)值 諧波電流有效值表達式2空載時基波電流有效值（27-2）30換流器AC側(cè)特征諧波的特性-正常工況 3、影響諧波電流數(shù)值的因素 對諧波電流的影響故（30） 減少，則 增加 5次 7

7、次 11次 13次 17次 19次 23次 25次31換相角對諧波電流的影響 每次諧波在 （ ） 附近時， 下降到極小值， 然后再略有增加。隨著 的增加，每次諧波有多個極值點，但總趨勢為下降。5次 7次 11次 13次 17次 19次 23次 25次32 觸發(fā)角對諧波電流的影響增加，則 減少，但是， 的變化對 的影響很小。 5次 7次 11次 13次 17次 19次 23次 25次 動畫33 諧波次數(shù)對諧波電流的影響 越高，則 越?。?越高，則 隨 的增加而下降的趨勢越快。 5次 7次 11次 13次 17次 19次 23次 25次 Ih方程343.2.2 換流器DC側(cè)的特征諧波內(nèi)容：一、不計

8、換相角；二、工況2-3一、單橋整流電壓中的特征諧波( ）HVDC系統(tǒng)換流器DC側(cè)的整流電壓包含： 單橋整流電壓 雙橋整流電壓 表達式1：35單橋整流電壓中的特征諧波整流電壓平均值（31）其中，（32）（33）36單橋整流電壓中的特征諧波空載時，第h次諧波電壓有效值 表達式2：（34）空載時，第h次諧波電壓相位37二、單橋整流電壓的特征諧波-工況2-3（35）整流電壓平均值 表達式1：單橋工況2-3波形38諧波電壓的系數(shù)（36）（37）39單橋整流電壓的特征諧波-工況2-3 表達式2：第h次諧波電壓有效值第h次諧波電壓相位整流電壓平均值（38）40單橋整流電壓中特征諧波的特性 1、諧波次數(shù) （3

9、9）式中HVDC系統(tǒng) 2、諧波電壓的數(shù)值 諧波電壓有效值（ ）（40）41單橋整流電壓中特征諧波的特性 諧波電壓有效值（工況2-3）（41）其中（42）42單橋整流電壓中特征諧波的特性 3、影響諧波電壓數(shù)值的因素 對諧波電壓的影響:6次 12次 18次 24次 隨著 的增加，每次諧波有多個極值點，但總趨勢為上升。43 觸發(fā)角對諧波電壓的影響 越高，則 越小 增加，則 增加 h對諧波電壓的影響6次 12次 18次 24次 動畫44三、雙橋整流電壓的特征諧波-工況4-5整流電壓平均值 （43）第h次諧波電壓有效值第h次諧波電壓相位HVDC系統(tǒng) 雙橋電壓波形45雙橋整流電壓中特征諧波的特性-正常運行

10、 1、諧波次數(shù) （44）式中HVDC系統(tǒng) 網(wǎng)側(cè)電流方程 電源側(cè)電流方程其中，每個單橋的以下特征諧波 （ ）由于大小相等、方向相反而在雙橋中抵消。46雙橋整流電壓中特征諧波的特性-正常運行 2、諧波電壓有效值其中HVDC系統(tǒng)47四、雙橋直流電流的特征諧波-工況4-5HVDC系統(tǒng)原因：存在諧波電壓換流器等效電感平波電抗器電感（45）換流器等效負載阻抗換流器等效電阻483.3 換流器的非特征諧波非特征諧波： 換流器交、直流側(cè)的電流和電壓中，除特征諧波之外的諧波分量。出現(xiàn)的原因：假設(shè)條件不完全滿足49非特征諧波產(chǎn)生的原因 交流電源電壓畸變、不對稱； 換流變壓器阻抗不對稱； 換流變壓器雜散電容的影響；

11、不等間隔觸發(fā)主要原因有：HVDC系統(tǒng)50交流電壓畸變時的非特征諧波HVDC系統(tǒng) DC側(cè)耦合諧波次數(shù)：（46） AC側(cè)耦合諧波次數(shù)：（47）AC電壓中的背景諧波次數(shù)脈動數(shù)51交流電壓畸變時的非特征諧波-舉例HVDC系統(tǒng)52常見的非特征諧波 AC側(cè)：HVDC系統(tǒng) DC側(cè)：53五、直流諧波技術(shù)指標(biāo)各諧波電壓或電流折算到800Hz頻率時，在電話線上的等效感應(yīng)電勢。 噪聲電勢/橫向感應(yīng)電勢：噪聲電勢 國 標(biāo) 北美 標(biāo)準(zhǔn) CCITT (推薦) 單線電話 30mV 0.62mV 0.5mV雙線電話4.5mV(設(shè)增音站)10mV(未設(shè)增音站)HVDC系統(tǒng)54HVDC工程直流諧波技術(shù)指標(biāo)將電力線上所有諧波的組合

12、干擾效應(yīng)用一個單一頻率（800Hz）的電流來表示,這個電流就是等效干擾電流。 等效干擾電流：（46）h次諧波噪聲加權(quán)系數(shù)x點處第h次諧波電流有效值第h次諧波電線耦合系數(shù)HVDC系統(tǒng)55噪聲電勢與等效干擾電流的關(guān)系 直流線路等效干擾電流：（47）整流器產(chǎn)生的等效干擾電流逆變器產(chǎn)生的等效干擾電流噪聲電勢與等效干擾電流的關(guān)系：（48）噪聲電勢電線與電話線間耦合阻抗HVDC系統(tǒng)56HVDC工程直流諧波標(biāo)準(zhǔn) HVDC工程標(biāo)準(zhǔn)（統(tǒng)計結(jié)果） 葛上工程設(shè)計值：HVDC系統(tǒng)57六、換流器直流諧波模型 經(jīng)典換流器直流諧波模型-12脈動直流諧波模型 修正的換流器直流諧波模型-3脈動直流諧波模型L圖a) 12脈動直流

13、諧波模型 Um -12脈動諧波電壓源 L -12脈動換流器內(nèi)電感圖b）3脈動直流側(cè)諧波模型LLLL1CsCsL1L1L1HVDC系統(tǒng)583.4 HVDC系統(tǒng)的諧波抑制措施常用措施：1. 增加換流器的脈動（波）數(shù)； 2. 裝設(shè)濾波器項目 方法1（增加脈動數(shù)） 方法2（裝設(shè)濾波器）優(yōu)點1、 減少注入AC、DC系統(tǒng)的諧波成分；2、提高注入AC、DC系統(tǒng)的最低次特征諧波次數(shù)。1、降低注入AC、DC系統(tǒng)的諧波量；2、可兼作無功補償設(shè)備。缺點脈動數(shù)過大（p12）時，換流站投資太大1、投資大2、占地大現(xiàn)狀典型設(shè)計方案：雙極雙橋h=11,13次加HP濾波器HVDC系統(tǒng)593.5 濾波器一、濾波器分類 按用途分

14、類：交流濾波器、直流濾波器； 按連接方式分類：串聯(lián)濾波器、并聯(lián)濾波器； 按電源特性分類：有源濾波器、無源濾波器 按濾波的實現(xiàn)方式（按阻抗特性）分類： 單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、 三調(diào)諧濾波器、高通濾波器HVDC系統(tǒng)60二、濾波器的阻抗特性 單調(diào)諧濾波器 （48）（a）電路圖（b）Z-f 特性曲線|Z()|HVDC系統(tǒng)61單調(diào)諧濾波器的特點 諧振阻抗最小 (49) 諧振角頻率：單調(diào)諧zf特性(50) 品質(zhì)因素：通常62單調(diào)諧濾波器的目的單調(diào)諧zf特性單調(diào)諧濾波器的主要目的： 濾除換流器產(chǎn)生的某一次的、較低次的特征諧波。 又稱為：單調(diào)諧低通濾波器(51) 失諧度：通常：63雙調(diào)諧濾波器 雙調(diào)諧濾

15、波器 （a）電路圖（b）Z-f 特性曲線HVDC系統(tǒng)64雙調(diào)諧濾波器的特點 諧振阻抗最小 (50) 串聯(lián)諧振角頻率：（51）（52） 并聯(lián)諧振角頻率：雙調(diào)諧zf特性65雙調(diào)諧濾波器的特點基頻下的功耗?。恢挥幸粋€電感器承受全部沖擊電壓；投資省。HVDC系統(tǒng) 與2個單調(diào)諧濾波器比較，1個雙調(diào)諧濾波器具有如下優(yōu)點：雙調(diào)諧濾波器的主要目的： 濾除換流器產(chǎn)生的某兩次的、較低次的特征諧波。 又稱為：雙調(diào)諧低通濾波器66三調(diào)諧濾波器 三調(diào)諧濾波器 67高通濾波器 二階高通濾波器 （b）Z-f 特性曲線（a）電路圖（53）HVDC系統(tǒng)68二階高通濾波器的特點 時，轉(zhuǎn)化為單調(diào)諧濾波器；HVDC系統(tǒng) HPzf特性

16、 在很寬的頻帶范圍內(nèi)具有低阻特性； 濾波器的阻抗為 所限制。高通濾波器的主要目的： 抑制換流器產(chǎn)生的所有高次諧波。69我國HVDC工程濾波器-ACF工程名稱整流站逆變站葛上11/13（HP型）、23/25（HP型）(Q1 =67Mvar)11/13（HP型）、23/25（HP型）(Q1 =87Mvar)天廣 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系統(tǒng)70我國HVDC工程濾波器-DCF

17、工程名稱整流站逆變站葛上12/24（HP型）、12/36天廣 12/24（HP型）、APF三常1*12/24（HP型）、1* 12/36舟山無嵊泗無葛上DCF 三常DCF HVDC系統(tǒng) 最優(yōu)DCF性能指標(biāo)71問題72諧波的危害有哪些？ 1. 使電機、電容器等設(shè)備由于附加損耗增加而過熱，縮短壽命； 2. 產(chǎn)生諧波放大甚至諧振，危及設(shè)備安全； 3. 引起電機機械振動； 4. 對電信設(shè)備產(chǎn)生干擾； 5. 使保護、控制設(shè)備誤動作； 6. 降低測量精度。73HVDC系統(tǒng)的諧波抑制措施常用措施：1. 增加換流器的脈動（波）數(shù)； 2. 裝設(shè)濾波器74濾波器分類 按用途分類：交流濾波器、直流濾波器； 按連接方

18、式分類：串聯(lián)濾波器、并聯(lián)濾波器； 按電源特性分類：有源濾波器、無源濾波器 按濾波的實現(xiàn)方式（按阻抗特性）分類： 單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、 三調(diào)諧濾波器、高通濾波器75濾波器參數(shù)工程計算意大利本土至撤丁島直流輸電工程在意大利本土一側(cè)換流站中交流濾波器濾波器支路分別是幾次濾波器？76濾波器參數(shù)工程計算 這組交流濾波器包括5、 7、11及13次諧波的四個單調(diào)諧支路和一個截止頻率為14次諧波的高通濾波支路，它們都直接接在220kV的交流母線上。 為了使濾波器適應(yīng)直流輸電線各種可能的運行方式，它的設(shè)計是按照換流器以單橋、150、200。、單極的方式遠行為條件的，這時直流側(cè)的輸出為100kV、1000

19、A。濾波器的無功容量必須滿足換流器本身消耗的無功功率。 濾波效果應(yīng)使換流站中各個諧波電壓不大于基波電壓的1，電壓的最大理論偏差不超過5 按照設(shè)計時應(yīng)依據(jù)的遠行條件，換流器的功率因數(shù)77濾波器參數(shù)工程計算 為了保證濾波器既滿足濾波效果，又比較經(jīng)濟，根據(jù)電網(wǎng)阻抗的頻率特性，經(jīng)過試湊，采用5、 7、11、13次諧波的調(diào)諧支路和高通濾波支路的電容器容量分配為13.7、7.9、8.65、5.75以及14兆乏的方案。 按照這些電容器容量分配，可算出如圖534所爾的各濾波支路的元件參數(shù)。例如： 對5次諧波的調(diào)諧支路，由于：787980電容電壓(V) 105001050010500濾波次數(shù)2.94.866.8

20、3單邊總補償容量(kVAr)420069004200單相總補償容量(kVAr)140023001400單個電容容量(kVAr)200200200單相電容個數(shù)711.57額定電容電壓(V)8082.96928.26928.2額定電流值(A)173.205331.976202.073單個電容值(uF)9.74413.26313.263單相電容值(uF)68.209152.52392.840單相電感值(mH)17.6632.8122.339電抗器電流(A)173.205331.976202.073Q值444444電感感抗(歐姆)5.5460.8830.735電抗器電壓-818.108-268.006

21、-132.800容抗(歐姆)46.66720.87034.286電容工作電壓(V)-6880.2855-6330.18335-6194.97791電阻707.6870399188.8467831220.762324線電流-147.435-303.321-180.687基波電容電流(A)-147.435-303.321-180.687諧波電流90.90111134.924290.47427工作千乏-2678.15-5509.83-3282.18濾波器參數(shù)工程計算81作業(yè)諧波的危害有哪些？治理諧波的方法有哪些？12脈動整流器交流側(cè)和直流側(cè)的特征諧波分別有哪些？8283 HVDC系統(tǒng)原理圖-雙極雙橋

22、葛洲壩南 橋209kVIdId500kV500kV500kV198kV220kV84HVDC系統(tǒng)圖換流母線交流系統(tǒng) I無功補償設(shè)備交 流濾波器直流線路Vd I 換流站I平波電抗器直流濾波器橋I換流母線換流變壓器斷路器橋II換流站II 交流系統(tǒng) I I無功補償設(shè)備交 流濾波器換流變壓器Vd II 斷路器85單橋整流器波形（ ）eaceabebaebcecbeca26C1C3C5C1C3C2C6C4C2C1C2iaibicHVDC系統(tǒng)圖86單橋整流器波形（工況2-3）eaceabebaebcecbecaeaceabebaebcecbecaC3C5C1C1C3C5C2C4C6C2C4C6iaibic

23、HVDC系統(tǒng)87單橋換流器電流波形單橋整流器和逆變器（ ）單橋整流器單橋逆變器HVDC系統(tǒng)88雙橋換流器電流波形（ ）iA1t/34/3o-/32/3-/23/2t/27/6o-/2/65 /6-/63/2iA2t3/2o2/3-/2iA橋2Y,dY,y橋1橋1橋2Y,yY,d89iv12iv42p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61C22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeabp22p12p32p62p52p42p

24、62p12p62iv11iv41iv31iv61iv61iv21iv51iv21iv51iv32iv62iv62iv52iv52iv22雙橋換流變閥側(cè)電流波形（理想情況）90p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61C22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeabp22p12p32p62p52p42p62p12p62iv11iv41iv31iv61iv61iv21iv51iv21iv51雙橋換流變網(wǎng)側(cè)電流波形（理想情況）91p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61C22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeabp22p12p32p62p52p42p62p12p62雙橋電源側(cè)電流波形（理