HVDC系統的諧波及其抑制

摘 要:通過多方資料調查與研究，對HVDC系統的諧波在暫態、交流電勢畸變、降壓運行情況下進行了分析，并提出了諧波抑制的方法。

關鍵詞:直流輸電系統 諧波 非正常運行 諧波抑制

中圖分類號:TM73文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)12(b)-0072-01

隨著高壓直流輸電(HVDC)在能源開發、電能傳輸、電力系統不斷擴大中的運用，尤其是在與新能源開發利用、風力發電、微網結合方面，直流輸電的優越性及必要性日益凸顯，直流輸電的發展與壯大將是毋庸置疑的必然趨勢。

直流輸電具有其獨特的優越性:(1)經濟性(2)互連性(3)控制性

直流輸電所具有的優勢使得直流輸電越來越受到重視，但是直流輸電本身也存在一些缺點。如諧波及其抑制就是其中還未攻克的技術性問題。

1 HVDC諧波

換流變在交、直流兩側都會產生諧波電壓和諧波電流。HVDC諧波的污染與危害主要表現在對電力與信號的干擾影響方面。

1.1 對電力危害

(1)旋轉電動機等的附加諧波損耗與發熱，縮短適用壽命;

(2)諧波諧振過電壓，造成電器元器件及設備的故障與損壞;

(3)電能計量錯誤。

1.2 對信號干擾方面

(1)對通信系統產生電場干擾，使電信質量下降;

(2)使重要的和敏感的自動控制、保護裝置誤動作;

(3)危害到功率處理器自身的正常運行。

對于HVDC系統所產生的諧波特性研究，在兩端交流系統基頻相同及交流系統三相電勢和參數都對稱的條件下，已分析得相當清楚。基本的結論是:

交流系統的諧波電流次數為:n=kp(1)

其中 p為換流器的脈動數，k為正整數。習慣上稱以上兩式所表示的諧波次數分別為交直流系統的特征諧波次數。

但是，在各種非正常情況下的諧波則不符合上述公式。

1.3 暫態過程中的諧波分析

初始化基于以下條件:

(1)兩端交流系統換流母線電壓(幅值與相位);(2)直流線路電流;(3)逆變側熄弧角在數據仿真分析，用FFT采用窗函數處理后，結果表明:在交流不對稱故障時，直流系統中不僅有特征諧波，還有大量的非特征諧波，尤其是2次諧波含量較高，這對HVDC系統的安全運行是不利的。在HVDC系統的規劃設計和實際運行中，必須對直流側參數進行2次諧振校驗。

1.4 交流電勢畸變下的諧波分析

在前輩研究結果的基礎上，對忽略換相過程情況下直流輸電系統所產生的諧波特性進行嚴格的分析，再找出在這種情況下的一般性結果，最后用數學仿真的方法，考察上述結果在考慮換相過程后應作哪些修正。研究采用的模型假定了兩端的交流系統頻率相同，這樣，可使研究只簡化在一側。

在這樣的研究方法下，由一系列的推導說明可得到結論:

(1)交流電勢畸變時，直流輸電系統在直流側產生的非特征諧波電壓次數為即kp±m，其中p為換流器的脈動數，m為交流諧波電勢次數，對應正序m取正值，對應負序m取負值。k為使非特征諧波電壓次數為非負的整數。

(2)交流電勢畸變時，直流輸電系統在交流側產生的非特征諧波電流次數為kp±m次和次，其中k，p，m的意義同上對應kp+m次諧波，其相序為正序，對kp-m次諧波，其相序為負序，對應次諧波。其相序剛好與諧波電勢相序相反。

1.5 降壓運行的諧波分析

設計直流降壓運行功能的目的是當直流線路絕緣子污穢，在額定電壓下發生閃絡時，可以降低電壓繼續運行。降壓試驗在直流側恒定輸送功率600MW下進行，降壓至400kV～350kV兩個電壓等級下進行。研究采用了數據統計的方式，將各種不同情況下不同特征諧波的大小分別進行了測量與統計，實驗次數為50次，得到的數據結果可以得到:

(1)降壓運行會產生較大的諧波分量，電壓下降越多，諧波總畸變率也越大;(2)單極降壓70%運行時，諧波總畸變率都會超出性能要求;(3)雙極運行時，諧波總畸變率都會超標;(4)雙極同時降壓80%運行時諧波總畸變率已超標，而雙極降壓水平不一致時畸變率會更大，故不提倡雙極同時降壓運行。

2 諧波的抑制

目前，抑制HVDC系統中諧波的措施可分為三類:

(1)作用于諧波源的措施(2)裝設濾波器;(3)改變HVDC線路的常數，以達到加大直流線路中諧波電壓、電流的衰減。

2.1 增加換流器的脈動數

由(1)特征諧波的次數為pk，即:選用6脈動換流器，特征諧波次數為6k，包含5、7、11、13、17等次諧波。而選用12脈動換流器，特征諧波次數則變成了12k，只包含11、13、23、25等次諧波，一方面諧波種類大大減少，使得諧波的影響程度不再那么復雜，也易于控制，另一方面，諧波的大小與諧波的次數成反比，增加了換流器的脈動數，使特征諧波里的一些低次諧波不再存在，在很大程度上，減小了總的諧波量，降低了諧波畸變率。

因此，采用增加換流器脈動數，可有效抑制諧波。但是，脈動數太多，為了得到相應的換相電壓，換流變壓器的結構和接線將非常復雜，對于高壓大容量的換流裝置來說，不但困難，而且增大了投資，與采用濾波裝置進行諧波抑制相比，通常是不經濟的。

2.2 裝設濾波器

2.2.1 交流濾波器對諧波的抑制

交流濾波器的主要目的之一是為了濾除換流器產生的諧波電流，從而使交流母線電壓畸變和通信干擾滿足要求。目前常用的濾波器有單調諧、雙調諧與高通濾波器。

現實中，設備參數的平衡不是絕對的，不平衡因素使換流器交流側產生非特征諧波電流。以6脈動系統為例，若只取其中一條支路線，則為單調諧濾波器，設計時假設想要濾去k次諧波，則在這個系統中的L、C參數的設置為:kwl=1/kwc。同理，雙調諧系統則意味著能消去兩種諧波，同樣采用諧振原理。高通濾波器，如下圖最右側支路所示，則主要是為了濾去產生的所有高次諧波。

2.2.2 直流濾波器

直流側諧波電流會對直流系統本身產生危害、對線路鄰近的通信系統產生影響以及通過換流器對交流系統進行滲透從而產生影響。直流濾波器主要是針對明線通信干擾這種危害進行規范和設計的，所考慮的頻率范圍通常從基波到100次諧波。

3 結語

HVDC的世界廣袤無邊，有待開發的未知引領未來。必然趨勢的存在使我們愈發認識到現有問題的嚴重性。HVDC的諧波對系統及周邊環境的影響不容忽視，我們應在分析其基礎原理后提出有效的解決方案，為HVDC的擴展鋪平道路。

參考文獻

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