新型直流輸電系統改善諧波不穩定的機理分析

摘要：將三相不對稱的交流電源用正序和負序電壓表示，用傅里葉分析方法計算了正序和負序電壓傳遞到直流側的諧波電壓的規律，將這一理論應用到基于感應濾波的直流輸電系統，計算在交流系統故障時，直流側電壓諧波的數學表達式，比較在同樣的交流系統故障條件下，基于感應濾波的直流輸電系統在抑制直流側諧波幅值方面優于傳統的直流輸電系統，最后參考實驗室基于感應濾波的直流輸電系統模型，對輸電系統在交流系統故障下的直流電壓諧波進行了動模實驗.結果表明，由于在感應濾波換流變壓器的第三繞組接入2，11，13次LC濾波器，使直流電壓中含量高的低次諧波大大減少，直流輸電系統諧波不穩定得到一定的抑制.

關鍵詞：直流輸電；感應濾波換流變壓器；諧波不穩定；正序負序

中圖分類號： TM721 文獻標識碼：A

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高壓直流輸電系統中，當交流系統不對稱且觸發脈沖相位間隔不相等時，換流器產生的低次非特征諧波電流將流入交流系統，如果交流系統的非特征諧波阻抗較大，有可能通過AC/DC的正反饋作用，造成互補諧振，引起諧波不穩定，使直流側的電壓和電流發生擺動，交流系統電壓畸變，以至于系統不能正常工作.研究高壓直流輸電系統的諧波不穩定的文獻\\[1\\]建立了電磁暫態仿真模型，分析了交流系統與直流線路之間的諧波不穩定，但沒有對發生諧波不穩定的機理進行分析.文獻\\[2\\]分析了諧波不穩定的主要原因是交直流諧振頻率和交流系統短路比，在弱交流系統下，如果交直流系統滿足頻率互補的關系，則極有可能發生諧波不穩定現象.文獻\\[3\\]用開關函數模型計算了當交流系統不對稱時換流器交直流側的等值諧波阻抗，指出諧波阻抗是研究系統諧波不穩定的關鍵因數.對上述文獻進行綜合分析，可以得出交流系統不對稱是引起諧波不穩定的主要起因.交流系統不對稱直接引起換流閥導通時間的偏移，換相角不相等，以及包括換流器、變壓器在內的交直流系統的等值諧波阻抗的大小發生變化，而這些是引起諧波諧振的關鍵因素.目前，抑制非特征諧波不穩定的主要措施是：1)在換流母線上安裝濾除非特征低次諧波的LC濾波器；2)采用基于電壓源換流器的VSCHVDC高壓直流輸電系統.第一種措施不足之處是存在經濟和可靠性的問題.第二種措施不足之處是VSCHVDC本身的局限性，不能應用于大容量的高壓直流輸電系統.本文提出一種基于感應濾波的直流輸電系統拓撲結構，利用這種感應濾波技術的換流變壓器的優點是能降低變壓器的振動和噪聲，提高直流輸電的效率，降低換流變壓器的容量，改善無源濾波器的濾波效果，減少換流變壓器的直流偏磁\\[4-10\\].本文對基于感應濾波的直流輸電系統在交流系統出現單相接地故障時，用傅里葉分析對交流系統的正序電壓，負序電壓在直流側產生的諧波電壓進行了計算和分析.從機理上計算了諧波從交流側傳遞到直流側的規律.最后，利用實驗室的基于感應濾波的直流輸電系統和傳統的直流輸電系統進行了模擬運行.得出基于感應濾波的直流輸電系統比傳統的直流輸電系統在抑制諧波不穩定方面具有優勢.本文的計算方法為進一步研究高壓直流輸電系統的故障特性，交直流輸電系統的無功功率模型，計算直流側的無功功率提供了理論依據.

3 結論

本文采用傅里葉分析方法，計算了當交流電源發生單相接地故障時，基于感應濾波的直流輸電系統整流站直流側的諧波電壓.結果表明：

1)采用正序和負序分別計算交流換相電壓傳遞到直流側的電壓諧波情況，能反映諧波傳遞的機理.正序電壓傳遞到直流側產生的是次數減1的諧波電壓，負序諧波電壓傳遞到直流側產生的是次數加1的諧波電壓.2次諧波，在直流側產生11，13次含量大的特征諧波，基波負序在直流側產生2次諧波；

2)感應濾波換流變壓器代替傳統的換流變壓器，在濾波繞組接入11、13次，2次LC濾波器后，在交流系統故障時，能使換流電壓的跌落值降低，并且經過濾波器的短路作用，使交流側含量大的2次諧波減少80%，避免了低次諧波發生諧波不穩定.

3)直流側電壓的諧波準確計算，對整流電路的無功計算具有指導意義.

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