《高压直流输电》高压直流输电的谐波抑制与无功补偿

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4.7 换流站无功补偿
无功分组容量确定
➢ 为适应直流功率的改变，同时满足换流站交流母线电 压变化的需要，无功补偿装置必须实行分组投切。
➢ 通常将无功补偿装置分成2～4个无功大组，每一大组 中包括2～4组无功补偿装置，称为无功小组或交流滤 波器小组；
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4.7 换流站无功补偿
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4.1 高压直流输电谐波的基本问题
方均根值和总谐波畸变率
电流方均根值 I 1 T i 2 (t)dt T0
M
I12
I
2 h
h2
h次谐波电流的含有 率
HRIh
Ih I1
1 0 0%
电流总谐波畸变率 T H D I
M
I
2 h
h2
1 0 0%
I1
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4.1 高压直流输电谐波的基本问题
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双极HVDC原理图， 假设条件
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4.3 换流器非特征谐波
非特征谐波
换流器交、直流侧的电流和电压中，除特征谐波 之外的谐波分量。
产生直流侧非特征谐波的因素：
➢ 交流母线电压中含有谐波电压； ➢ 构成12脉波换流器的两个6脉波换流器的换流变压器的
漏抗不相等和电压比不相等；
➢ 构成一个换流站两极换流器的任何运行参数不相等； ➢ 换流变压器三相漏抗不平衡；
✓ 早期直流工程中常用的一种阻尼滤波器，但 目 前的应用逐渐减少；
✓ 被称为为C型阻尼滤波器，适宜于低次大容量 谐波的滤除，在直流工程中也有应用投资省。
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4.5 交流滤波器设计
滤波效果计算与校验
➢ 滤波器与系统之间以及滤波器组内谐振的校验； ➢ 滤波电容器过电压、过电流与过负荷的校验； ➢ 若滤波效果或上述校验不满足要求，则可从滤波方案、
➢ 常用带通型双调谐滤波电路，对于12脉波换流器，当 采用双调谐滤波器时，常用12/24次及12/36次的滤波 器组合。
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DCF配置
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4.6直流滤波器设计
直流有源滤波器的意义 直流滤波器造价与等效干扰电流水平关系
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4.7 换流站无功补偿
换流器吸收无功功率
➢30%～50%Pd (整流器） ➢40%～60%Pd (逆变器)
4.5 交流滤波器设计
三调谐滤波器特点
➢与3个单调谐滤波器比较，1个三调谐滤波器 投 资更省，但失谐的几率更大；
➢近来直流工程开始采用。
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单调谐, 双调谐, 三调谐
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4.5交流滤波器设计
二阶高通滤波器
✓ 电感回路中串接入一个电容器，与电感产生 基 波串联谐振，可使基波电流几乎不从电阻 中流 过，从而降低滤波器的基波损耗；
✓常规无源交流滤波器
✓有源交流滤波器
✓连续可调交流滤波器
➢ 平波电抗器：与直流滤波器一起构成高压直流换流站
直流侧的直流谐波滤波回路
➢ 中性点冲击电容器：装设在换流站的中性点与大地之
间起滤波作用的电容器
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4.5 交流滤波器设计
无源滤波器类型
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(a) 单调谐滤波器；(b) 双调谐滤波器；(c) 三调谐滤波器； (d) 二阶高通滤波器；(e) 三阶高通滤波器；(f) C型阻尼滤波器
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4.9 无功功率控制
➢ 静止无功补偿器 晶闸管控制SVC的主要结构形式：
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4.9 无功功率控制
SVC主要功能：
✓ 调节系统电压，保持系统稳定； ✓ 控制无功潮流，增加输送能力，减小线损； ✓ 为AC-DC换流器提供连续可调的无功功率； ✓ 提高系统的静态和暂态的稳定性，加快直流功率恢
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4.5 交流滤波器设计
1、单调谐滤波器
Z() R2 (L 1 )2 C
单 滤调 波谐 器低
通
（a）电路图
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（b）阻抗-频率特性曲线
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4.5 交流滤波器设计
2、双调谐滤波器
（a）电路图
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（b）阻抗-频率特性曲线
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4.5 交流滤波器设计
➢双调谐滤波器特点
与2个单调谐滤波器比较，1个双调谐滤波器具 有 如下优点：
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4.9 无功功率控制
分段调节无功补偿设备控制
➢ 无功补偿设备投切控制； ➢ 可投切高压电抗器控制； ➢ 交流系统其他无功补偿设备投切控制
✓ 无功控制模式
✓ 无功电压控制模式
✓ 电压控制模式
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4.9 无功功率控制
连续调节无功补偿设备控制
具有连续可调节能力的无功补偿设备主要有静止无功 补偿器、静止无功发生器和调相机等。通过控制其无功功 率输出，可调节系统电压，改善暂态稳定，减少瞬时过电 压，加快直流功率故障恢复速率，增加系统振荡的阻尼和 次同步扭振阻尼。
非正弦电路的功率和功率因数
有功功率 相移功率因数
P 1 T
T uidt
0
Uh Ih cosh
h
DPF cos1
功率因数
PF I1 DPF I
三相电路中的谐波
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4.2 换流器特征谐波
特征谐波分析的假设条件：
➢1)换流变压器网侧提供的换相电压为三相对称的基波
正序电压，不含任何谐波分量；
✓ 12脉动换流器:
h12k 1 即 h11,13,23,25,
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4.2.2 换流器直流侧特征谐波
6脉动换流器谐波电压有效
U值dh (,
)
Ud 0 2
C2 1
C22
2C1C2
cos(2
)
其中 理想空载直流电压：
Ud
0
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E
1.35E
当 =0时
U dh (, 0)
2Ud 0 h2 1
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4.4 换流站谐波抑制措施
增加脉波数抑制谐波
6脉波换流变压器建议组合方式表
整流变台数 移相角
最小特征谐波次数
2 30 11、13
3 20 17、19
4 15 23、25
5 12 29、31
6 10 35、37
8 7.5 47、49
12脉波换流变压器建议组合方式表
整流变台数 移相角
➢➢ 无无功功小大组组容容量量估估算算：： UU QQ/ /SSdd Qf
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4.8 无功补偿设备
➢机械投切式无功补偿装置
如，机械投切式并联电容器、并联电抗器、交流滤波器 特点：控制速度慢
现状：直流工程最主要的无功补偿设备
➢静止无功补偿装置（SVC）
特点：控制速度快
现状：用于接入弱电网的直流工程
高压直流输电
Chap.4 高压直流输电的 谐波抑制与无功补偿
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课程安排
第四章高压直流输电的谐波抑制与无功补偿
➢4.1 高压直流输电谐波的基本问题
➢4.2 换流器特征谐波
➢4.3 换流器非特征谐波
➢4.4 换流站谐波抑制措施
➢4.5 交流滤波器设计
➢4.6 直流滤波器设计
➢4.7 换流站无功补偿
最小特征谐波次数
2 15 23、25
3 10 35、37
4 7.5 47、49
当6脉波或者12脉波换流变压器按以上方式组合运行时，可以组成相应 的18、24、36、48脉波换流变压器运行，以起到抑制谐波的作用。
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4.4 换流站谐波抑制措施
安装滤波器抑制谐波 谐波抑制设备
➢ 滤波器:抑制换流器产生的注入交、直流系统谐波
无功功率对公用电网的影响
➢增加设备的容量； ➢使设备及线路损耗增加； ➢使线路及变压器的电压降增大。
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并联电容器
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4.7 换流站无功补偿
电网换流无功特性 无功功率消耗计算工程算法 容性无功设备容量确定
Qtotal
Qac Qdc U2
NQsb
感性无功设备容量确定
Q r Q fm in
➢ 换流器交流侧特征谐波 ➢ 换流器直流侧特征谐波
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双极HVDC原理图，
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4.2.1 换流器交流侧特征谐波
6脉波换流器电压电流波形
✓ 6脉动换流器:
h 6k1 即 h 5,7,11,13,17,19,23,25,
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4.2.1 换流器交流侧特征谐波
12脉动换流器相电流波形
Qac Qdc U2
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4.7 换流站无功补偿
功率因数
换流器的功率因数角
tan 1
(
/180) sin cos(2 sin sin(2 )
)
若换相角 较小，可认为
/2
，可得
则换流器的功率因数近似为 cos cos( / 2)
此外，功率因数还可近似表示为 cos cos cos( / 2)/ 2
✓ 基频下的功耗小； ✓ 只有一个电感器承受全部冲击电压； ✓ 投资省。
➢ 双调谐滤波器的主要目的
滤除换流器产生的某两次的、较低次的特征谐 波。
又称为：双调谐低通滤波器
单调谐, 双调谐
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4.5 交流滤波器设计
3、三调谐滤波器
（a）电路图
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（b）阻抗-频率特性曲线
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➢4.8无功补偿设备
➢4.9无功功率控制
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4.1 高压直流输电谐波的基本问题
谐波的危害
➢引起变压器发热的增加； ➢引起电机的效率下降、发热、振动和高频噪声； ➢ 对通信设备产生干扰； ➢降低电能计量精度； ➢谐波谐振与放大；
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4.1 高压直流输电谐波的基本问题
谐波
➢ 2)换流变压器的三相结构对称，各相参数相同； ➢ 3)在同一换流站中，各换流阀以等时间间隔的触发脉
冲依次触发，且触发角保持恒定； ➢ 4)换流器直流侧的电流为不含任何谐波分量的恒定直
流电流，这相当于假定平波电抗器的电感量为无穷大；
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4.2 换流器特征谐波
特征谐波：
在假设条件下，换流器交流侧的各相电流和直 流侧的整流电压中所包含的谐波。
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6次电压，24次电压 14
4.2.2 换流器直流侧特征谐波
三脉波模型
L (4 2 3A 3 / )Lr
A Lc /(LT Lc )
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4.3 换流器非特征谐波
实际直流输电工程的不理想因素：
➢ 直流电流中存在纹波； ➢ 交流电压中存在谐波 ； ➢ 交流基波电压不对称，即存在负序电压； ➢ 换流变压器阻抗相间差异； ➢ Yy联结换流器和Y,d联结换流器触发延迟角差异； ➢ Yy联结换流器和Yd联结换流器换相电压不同； ➢ Yy联结换流变压器和Yd联结换流变压器阻抗差异； ➢ 触发脉冲不完全等距。
✓ 12脉动换流器: h 12k
即 h 12,24,36, 48,
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双极HVDC原理图， 电压波形
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4.2.2 换流器直流侧特征谐波
影响谐波电压数值的因素 ➢换相角 ： 随着 的增加，每次谐波有多个极
值点，但总趋势为上升。
➢触发角α： α 增加，各次谐波数值增大。 ➢谐波次数h ： h 增加，各次谐波数值减小
cos[(h 1) ]
C1
2 h 1
cos[(h
1)
]
C2
2 h 1
cos2 h2 sin2
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4.2.2 换流器直流侧特征谐波
特征谐波次数
h pk
式中 k N
✓ 6脉动换流器: h 6k
脉动数
即 h 6,12,18,24,30,36, 42,48,
调谐点选择、无功功率补偿容量、电容电抗配置等不 同方面考虑进行修改，并重新进行各方面的计算与校 验，直至满足要求。
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4.6直流滤波器设计
直流输电工程常用的直流滤波器配置方案
➢ 12脉波换流器低压端的中性母线和地之间连极直流母线和中性母线之间并联两组双调 谐或三调谐无源直流滤波器；
非正弦周期性电气量的正弦波分量,其频率为
基 波频率的整数倍。
谐波次数
h fh f1
第h次谐波频率 基波频率
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4.1 高压直流输电谐波的基本问题
间谐波
一定的供电系统条件下，用电负荷出现的非工 频频率整数倍的周期性电流的波动。
次谐波
频率低于工频的间谐波又称为次谐波。
谐波和暂态现象 短时间谐波 陷波
➢ 无功补偿装置分组容量的确定原则：
✓ 综合考虑换流站总无功补偿容量，无功补偿装置的投切影响 ， 交、直流系统允许的无功交换，电压控制能力，交流滤波 要求 及交流滤波器性能以及无功补偿装置的布置位置等因素 ；
✓ 应满足交流系统暂态电压变化率及稳态电压的要求； ✓ 应避免与邻近的同步电机产生谐振； ✓ 任何分组的投切都不应引起逆变器发生换相失败。
➢同步调相机
(a)
(b)
特点：控制速度慢、损耗大、维TCR护型 复TSC杂型
(c) TSR型
(d) TCR/TSC型
(e) TCT型
现状：早期直流工程使用
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4.9 无功功率控制
无功功率控制
包括换流站无功补偿设备的控制、换流站附近 交流系统内无功补偿设备的控制、换流器无功功 率的控制以及所有这些设备的联合控制。