高级电力电子论文

分数: ___________

任课教师签字：___________ 华北电力大学研究生结课作业

学年学期：2016-2017

课程名称：电力电子技术

学生姓名：韩思聪

学号：2162213007

提交时间：2017年1月9日

LCC-HVDC无源滤波及无功补偿研究

摘要

高压直流输电技术因其输电灵活，损耗小，便于快速控制等优点，已成为目前解决大容量、高电压、远距离输电和电网互联问题的重要手段。在基于电网换相的传统直流输电(LCC-HVDC)技术中，直流输电运行时需要从交流系统中吸收大量无功，同时换流装置在运行时会在直流和交流侧产生大量谐波，恶化电能质量，故需要从滤波和无功补偿的角度采取措施解决此问题。本文在LCC-HVDC 系统换流站的交流侧加入无源滤波装置，研究了谐波滤除及无功补偿措施对交流电能质量的改良效果，并对滤波器之间的无功容量分配方案进行了研究。最后通过simulink仿真，对研究结果进行了验证。

关键词：LCC-HVDC；谐波滤除；无功补偿；无功分配

0引言

与交流输电相比，直流输电以其传输容量大，线路损耗小，功率调节快速可靠，不存在功角稳定问题等特点，使得高压直流输电（High V oltage Direct Current, HVDC）技术得到快速发展。我国不仅是陆地大国，其沿海孤岛数量也比较多，并且一次能源和负荷需求分布极为不平衡。直流输电技术在远距离大容量输电和电力系统的互联上能缓解能量供求不平衡和实现资源优化配置。目前我国已成为世界上直流输送容量最大，电压等级最高，输电距离最长的国家之一。

传统高压直流输电（Line Commutate Converter Based HVDC, LCC-HVDC）采用晶闸管换流阀，是基于电网换相的电流源型直流输电技术。在直流输电系统运行中，实现交直流转换的换流装置由于晶闸管的交替开断，拓补结构不断发生改变，会在直流侧和交流侧产生大量谐波；同时换流器无论是在整流还是在逆变状态下运行，都会从交流系统中吸收大量无功，该无功比重约占直流输送有功功率的40%-50%，从而给系统造成较大的无功缺额，严重影响电能质量和电网安全。在直流输电系统规划与建设中，无功补偿与交流滤波器的成本占到整个换流站总成本的10%，对直流输电系统的性能和建设成本具有重要影响。所以在高压直流输电技术中，交流滤波和无功补偿措施的研究具有重要的理论意义和实际价值。

本文基于LCC-HVDC系统的基本原理，在直流输电系统逆变装置的交流侧加装无源滤波器，对交流电流进行谐波滤除，同时对系统进行无功补偿，通过比较探究了滤波和无功补偿措施对电能质量的改良效果；进一步对无源滤波器之间的无功容量分配进行了数学分析，寻找最优的无功功率分配方案，并通过仿真验证了该方案的合理性。

1LCC-HVDC运行原理及数学模型

1.1LCC-HVDC的运行原理

LCC-HVDC是以电网换相为基础的，因此整流侧和逆变侧都必须连接三相电源。其换流器以半控型的晶闸管作为换相开关，以三相全波桥式电路为基本模块，即6脉波换流电路，实际工程应用中常用的12脉波换流电路由两个6脉波电路串联而成。本文以6脉波换流电路进行研究，其原理图如下。

图1-1 6脉波换流电路原理图

图中的换流阀分别以VT1-VT6表示，数字代表换流阀的导通顺序。e a、e b、e c为等值交流系统的正弦相电动势；换流器中的开关元件是仅能单向导通的晶闸管。晶闸管只有满足两个条件时才能从关断状态实现导通：一是其两端电压为正，二是其控制极上有触发脉冲。晶闸管触发后，只有满足电流减小到零且保持一定时间，才会转入关断状态。因此晶闸管只有导通受触发脉冲控制而关断不能，这就是由电网来控制换相的LCC-HVDC的名字的由来。因此LCC-HVDC的运行需要两侧的交流系统。

LCC-HVDC根据系统的需求，由控制系统得到所需的触发角大小，并经PWM脉宽调制得到相应的触发脉冲，依次导通晶闸管。一个周期内，换流器输出电压波动6次，每个脉动宽60°，且波形相同。理想情况下，整流侧直流电压的平均值V d可以表示为：

V d=1.35V1cosα(1-1)其中，V1为交流线电压的有效值，α为整流器的触发角。

同理，逆变侧的直流电压平均值V d′为：

V d′=1.35V1cosβ (1-2)在逆变侧控制中，β=π−α为逆变器的逆变角。

1.2 LCC-HVDC数学模型

LCC-HVDC 的等值电路如下所示。

图中整流侧和逆变侧的直流电压和直流电流分别为V dr 、V di 和I dr 、I di ；整流侧和逆变侧的平波电抗器的电感分别为L dr 和L di ；L d 和R d 分别为二分之一直流线路电感值和电阻值；直流线路对地总电容为C dc ；对地电容上的电压值表示为V c ；整流侧和逆变侧的理想空载直流电压分别为V dor 和V doi ；整流侧和逆变侧的等效换相电阻为R cr 和R ci ；X cr 和X ci 分别为整流侧和逆变侧的换流电抗。

由此可得LCC-HVDC 的数学模型为

{ (L dr +L di )dI dr

dt =−R d I dr +V dor cos α−R cr I dr −V c (L di +L di )dI di dt =−R d I di +V doi cos β−R ci I dr +V c C dc dV c dt =I dr −I di (1-3) LCC-HVDC 稳态运行时，C dc 可忽略，此时有I dr =I di =I d ，此时系统的直流电流为：

I d =V dor cos α−V doi cos β

2R d +R cr −R ci (1-4)

整流侧的传输功率为： P dr =V dr I dr (1-5)

逆变侧的传输功率为： P di =V di I di =P dr −2R d I d 2 (1-6)

2 谐波滤除及无功补偿原理

2.1 谐波分析

为了正确估计谐波所引起的不良影响，研究相应的滤波策略，必须首先对直流输电系统中的谐波进行分析。实际换流站工作中，由于换流器的接线方式产生的谐波称为特征谐波，除了特征谐波外，还存在较少量的非特征谐波。这里提到的特征谐波和非特征谐波定义为：一个脉动为p 的换流器，它的直流侧将主要产生n=kp 次的电压谐波，而它的交流侧主要产生n=kp+1次的交流谐波，其中k 为任意整数。由于非特征谐波一般远小于特征谐波，这里不做讨论。

图1-2 LCC-HVDC 等值电路