高压直流输电结课论文

11高压直流输电系统直流滤波器的配置与要求周昕炜（华北电力大学（北京），北京市昌平区，102206）TheallocationandrequisitionofDCFiltersinHVDCTransmissionSystemZhouXinweiNorthChinaElectricPowerUniversity,ChangpingDistrict,Beijing,102206ABSTRACT:DCharmoniccurrentwillbeharmfultotheDCtransmissionsystem.ItinfluentthecommunicationsystemandmakeaninfluencethroughpenetratingtheACsystem.Thus,DCharmoniccurrentsideshouldequipafilter.DCfiltersarethemosteffective、typicalandpopularequipmenttorestraintheharmonicwaveofhigh-voltageDCtransmissionsystem.So,it’svitalofimportanttodiscusstheequipmentschemeoftheprogressofdesigningDCfilterandthequalificationofDCfilter.TherearetwokindsofDCfiler:PassiveDCfilterandActiveDCfilter.PassiveDCfilterhasbeenusedformanyyearsanditstechniqueisexperienced.Ithasbeenadoptedinmajorityofprojects.Thus,wediscussedmoreaboutPassiveDCfilter.EspeciallyintroducingthecapacitorofDCFiltersinHVDC.KEYWORDS:High-VoltageDC;Harmonicwave;Filter;DCFilter;PassiveDCfilter；ThecapacitorofDCFiltersinHVDC;摘要：直流测谐波电流会对直流系统本身造成危害，对线路临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。为此，应在直流侧加装滤波装置。直流滤波器是抑制高压直流输电谐波最有效、最典型的而且应用最为广泛的设施。因此，对直流滤波器常规设计过程中的配置方案和所要求的技术指标的方面进行分析讨论显得尤为重要。直流滤波器分为无源直流滤波器和有源（混合）直流滤波器两种，无源直流滤波器已有多年的运行经验，在大多数工程中采用，因此，主要对无源直流滤波器进行论述。并特别对直流滤波高压电容器进行介绍关键词：高压直流输电；谐波；滤波装置；直流滤波器；无源直流滤波器；直流滤波高压电容器；0引言高压直流输电(HVDC)系统在运行过程中，直流侧不可避免地要产生大量谐波，使直流线路邻近的通信线路受到干扰,故必须通过滤波装置加以抑制。若采用电缆线路或背靠背HVDC系统，则不需装设直流滤波器。目前HVDC工程中使用的直流滤波器大多为无源型滤波器。直流侧滤波装置的设计方法原则上与交流测滤波装置相同，但是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，要保证通信的质量，必须保证一定的信噪比。1直流滤波器分类目前的高压直流输电（HVDC）工程中使用的直流滤波器分为单调滤波器、双调滤波器、三调滤波器和高通滤波器4种形式，这4种形式的无缘滤波器的拓扑结构如图1所示，图(a)所示的无缘滤波器，成为单调谐滤波器，由电容、电感与电阻串联而成。它具有与某低次谐波频率一致的谐振频率，可以用来消除该低次谐波。图(b)所示为双调谐22波滤波器，对应于两个谐振频率，滤波器呈现低阻抗。图(c)所示为高通滤波器，用来消除某高次谐波及该高次谐波以上的谐波。早期HVDC工程采用单调谐配高通滤波器的配置方式,现代HVDC工程多采用双调谐滤波器配高通滤波器的配置方式,今后三调谐滤波器的使用将会有广阔的发展前景。图1典型无源滤波器的拓扑结构Fig.1TopologicalstructureoftypicalPassiveDCfilter2直流滤波系统性能要求直流输电线路对通信线路的干扰与临近段的长度、两线间的距离和夹角等因素有关，计算比较复杂。为简单起见，直流滤波器性能的考核应以等效干扰电流的计算值为基础。等效干扰电流是所有谐波频率的加权残余电流。等效干扰电流的表达式为：𝐼𝑒𝑞(𝑥)=√𝐼𝑒(𝑥)𝑅2+𝐼𝑒(𝑥)𝐼2。（1）式中,Ieq(x)为沿着输电线走廊的任何点,噪声加权至800Hz的等效干扰电流;𝐼𝑒(𝑥)𝑅、𝐼𝑒(𝑥)𝐼分别为由整流器和逆变器谐波产生的沿线各点的等效干扰电流分量幅值;x为沿线路走廊的相对位置。𝐼𝑒(𝑥)按下式计算：𝐼𝑒(𝑥)=√∑(𝐼n(𝑥)𝑃𝑛𝐻𝑓)2𝑁𝑛=1。（2）式中,𝐻𝑓为n次谐波频率下开放裸导线的耦合系数，表明典型明线耦合阻抗和频率的关系，见表1;𝑃𝑛为n次谐波频率下的视听加权系数;𝐼n(𝑥)为线路走廊位置x处的n次谐波残余电流的均方根值;n为谐波次数;N为所计及的最高次谐波次数,通常取50。HVDC工程一般取单极运行时𝐼𝑒𝑞(𝑥)≤1A,双极运行时𝐼𝑒𝑞(𝑥)≤5A。表1典型明线网络的耦合系数频率f/Hz耦合系数𝐻𝑓40~5000.706000.80338001.0012001.3018001.7524002.1530002.5536002.8842002.9548002.9850003.003直流滤波器配置原则直流滤波器的配置，应充分考虑各次谐波的幅值及其在等值于干扰电流中所占的比重，即在计算等值干扰电流时各次谐波电流的耦合系数及加权系数。理论上，12脉动换流器仅在直流侧产生12n次（n=1、2、3、…）谐波电压。但是，实际上由于存在这各种不对称因素，包括换流变压器对地杂散电容等，将导致换流器在直流侧产生非特征谐波。其中，由换流变压器杂散电容而产生的次数较低的一些非特征谐波幅值较大，要滤除他们需要较大的滤波器容量。这部分谐波的主要路径是通过换流变压器到换流阀到大地，而进入直流线路的分量较小。另外一方面是通信线路受到谐波干扰的频域只要1000Hz左右，对50Hz的交流系统来说，20次左右的谐波分量危害最严重，要重点消除这部分谐波。考虑到同一换流站两极的对称性，两极应配置相同的直流滤波器。目前，世界上的直流输电工程通常采用以下直流滤波器配置方案。（1）在12脉动换流器低压端的中性母线和地之间连接一台中性点击穿电容器，以滤除流经该处的各低次非特征谐波，一般不装设低次谐波滤波器以节省投资。（2）在换流站每级直流母线和中性母线之间并联两组双协调或三协调无源直流滤波器。中心协调频率应针对谐波幅值较高的特征谐波，并兼顾对等值干扰电流影响较大的高次谐波，这样可以达到较好的滤波效果。4直流滤波器电路类型直流滤波电路通常作为并联滤波器接在直流级母线与换流站（或地）之间，直流滤波的电路结构与交流滤波器类似，也有多种电路结构型式，常用的有具有或不具有高通特征的单调谐、双调谐、和三调谐滤波器。尽管直流滤波器和交流滤波器有许多类似之处，但也存在一些重要差别，其主要差别如下：交流滤波器需向系统提供工频无功功率，通常将无功功率设计得要大于要求的滤波器效果所需的无功功率，而直流滤波器无需考虑无功功率的设计问题。直流滤波器高压电容耐受直流电压，因不像交流滤波器一样有容性电流，可使每个串联的电容器均匀分布，因此需要采用并联电阻来保持电压分布。交流滤波器并联连接的交流系统具有一宽阔的阻抗范围，在特定状况下可能会发生滤波电容与电网电感间谐振，为此需要一定的阻尼。而直流回路的阻抗大部分恒定。所以允许使用准确调谐的直流滤波器。一般情况下，直流滤波器的成本占整个换流站的成本并不是很大。直流滤波器中价44格最高点额元件是高压电容器，这是由于必须将他设计成耐受直流高压的电容器。降低成本的主要手段之一是将滤波器设计成具有公共高压电容器的双协调或多协调滤波电路。通常在换流器的中性点与大地之间装设起滤波作用的电容器，装设该电容器的作用是为直流侧以3的倍次谐波为主要成分的电流提供低阻抗通道。由于换流变压器绕组存在对地杂散电容，为直流谐波特别是低次的直流谐波电流提供了通道，因此针对这种谐波来确定中性点电容器的参数。一般来说，该电容器电容值的选择范围应为十几微法至数毫法，同时还应避免与接地极线路的电感在临界频率上产生并联谐振。直流滤波器的电路结构，通常采用带通型双调谐滤波电路。对于12脉动换流器，当采用双调谐滤波器时，通常采用12/24及12/36的谐波次数组合。目前南方电网采用的直流滤波器配置方案中，如天广直流工程，采用的是每条母线上各接一组，一组为公共备用，每组为12/24的双调谐滤波器。兴安直流工程考虑直流滤波器性能满足的情况下，从经济性考虑选用无源直流滤波器方案，共四组直流滤波器，滤波器原件组成及参数都相同，都为三调谐滤波器，每级母线上均接两组。均为12/24/36的三调谐无源直流滤波器。5直流滤波高压电容器直流滤波元件包括高低压电容器、电抗器等元件，高压电容器是其中主要的元件。直流滤波器的高压电容器主要承受直流电压，交流电压分量极少。直流电压按每个串联电容器单元端部瓷绝缘子的泄漏电阻大小分布在每个电容器单元上。目前，交流高压电容器的平均场强为60~70kV/mm，直流高压电容器的平均场强约为90~110kV/mm。用于直流滤波器的高压电容器所承受的电容应力是直流工作电压，其分布要考虑沿电容器单元端部瓷绝缘套管泄漏电阻分布的不均匀性，另外还要设计谐波电压的影响。用于直流滤波器的高压电容器可以选择外部熔断式保护，内部熔断式保护和无熔断式保护三种中的任意一种，但目前可以采用内部熔断式保护的较多。用于直流滤波器仅用于滤波，没有无功补偿功能，滤波支路总电流一般较交流滤波器较小，所以当技术经济合理时，可以采用性能可靠的，无熔断保护的高压电容器。致谢感谢华北电力大学电气与电子工程学院赵成勇教授和郭春义老师对直流输电课程的悉心授课和讲解参考文献[1]韩民晓，文俊，徐永海.直高压直流输电原理与运行[M].北京：机械工业出版社，2008.9.[2]中国南方电网超高压输电公司.高压直流设备基础[M].中国电力出版社，2011.7.[3]宋蕾．文俊，韩明晓等.高压直流输电系统直流滤波器的设计[J]．高电压技术，2008，34(4)：647~652[4]梁旭明，张平，常勇．高压直流输电技术现状及发展前景[J]．电网技术，2012，36(4)：1-9．[5]余江，周红阳，黄佳胤，等．影响直流100Hz保护的交流系统故障范围分析[J]．电力系统自动化，2008，32(3)：48-51．.[6]张颖，邰能灵，徐斌．高压直流输电系统阀短路保护动作特性分析[J]．电力系统自动化，2011，35(8)：97-102．作者简介：周昕炜(1994—)，男，本科在读，电气工程及其自动化，电力电子方向，E-mail：[e-mail]