有效抑制高压直流输电系统谐波的方法：加装滤波器

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：在换流站的交流侧和直流侧加装一定数量的滤波器，是对高压直流输电系统所产生的谐波进行抑制的有效方法。因而，单靠平波电抗器还不足以满足系统谐波抑制的要求，还需加装一定的滤波器装置。图4-20 典型无源滤波器的拓扑结构图4-20a所示的无源滤波器，称为单调谐滤波器，由电容、电感与电阻串联而成。如果加装滤波器处的系统谐波阻抗呈感性，则考虑到等值频率偏差等因素，在进行滤波器调谐点选择时，应将其适当进行预偏调。

在换流站的交流侧和直流侧加装一定数量的滤波器，是对高压直流输电系统所产生的谐波进行抑制的有效方法。在换流站的交流侧，大多将滤波装置并联在换流变压器交流侧的母线上。只有少数直流输电工程中将滤波装置连接到换流变压器的第三绕组。这些滤波装置，一般由若干个无源滤波器并联而成。在换流站的直流侧，虽然有平波电抗器能对谐波起到一定的抑制作用，但是由于平波电抗器的电感量通常是根据直流线路发生故障或逆变器发生颠覆时限制电流上升率以及保证在小电流下直流系统能正常运行等要求来决定的。因而，单靠平波电抗器还不足以满足系统谐波抑制的要求，还需加装一定的滤波器装置。这些滤波器装置一般都串联在电路中，由若干个无源滤波器并联而成，每个滤波器在一个或两个谐波频率附近或者在某一频带内呈现低阻抗，从而吸收相应的谐波电流，使流入交流系统的谐波电流减少。滤波器可以分为无源滤波器、有源滤波器和混合有源滤波器。以下将就交流侧和直流侧滤波器分别给予介绍。

1.交流滤波器设计

并联交流滤波器有无源交流滤波器、有源交流滤波器和连续可调交流滤波器三种型式。现在已投运的直流输电工程，交流滤波器大部分采用常规无源交流滤波器。根据高压直流换流站常用无源滤波器的类型，按其频率阻抗特性可以分为三种类型：①调谐滤波器，通常调谐至1个或2个频率，最多为3个频率；②高通滤波器，在较宽的频率范围内具有相当低的阻抗；③调谐滤波器与高通滤波器的组合构成多重调谐高通滤波器。相应的拓扑结构如图4-20所示。

图4-20 典型无源滤波器的拓扑结构

图4-20a所示的无源滤波器，称为单调谐滤波器，由电容、电感与电阻串联而成。它具有与特定低次谐波频率一致的谐振频率，可用来消除某一特定低次谐波。图4-20b所示是双调谐滤波器，对应于两个谐振频率，滤波器呈现低阻抗。图4-20c所示为高通滤波器，主要用来滤除某谐波及该次频率以上的谐波。

（1）单调谐滤波器

单调谐滤波器通常以调谐频率为出发点进行设计。令基波频率为f₁（对应角频率为ω₁），对应于谐振频率，有

式中，n为谐波次数。

发生谐振的频率为

后消除的谐波的次数为

对于任意n次谐波，滤波器的阻抗为

由式（4-40）可以得出滤波器阻抗随频率变化的关系曲线，如图4-21所示。其阻抗幅值在调谐频率下为一纯电阻R，滤波器呈纯阻性。频率低于调谐频率时，滤波器呈现容性；频率高于调谐频率时，滤波器则呈现感性。另外，如0所示，滤波器的通频带FB是以频率为界限而定义的，Δf=FB=f_B2-f_B1。在频率f_B1和f_B2下，滤波器的电抗和电阻是相等的，即阻抗角为45°，其幅值为R。此时，滤波器的品质因素Q=f₁/（f_B2-f_B1）。Q值越大。

图4-21 单调谐滤波器阻抗频率特性

在理想调谐情况下，调谐频次的谐波电流将主要通过低阻电阻R来分流，而很少流入交流系统中，因而系统中的该次谐波电压大为降低。但实际上，滤波器在运行过程中往往会产生失谐问题，从而影响其滤波效果。失谐问题主要由系统频率偏差Δω、电感值偏差ΔL和电容值偏差ΔC引起。若令

δω=Δω/ω₁，δ_L=ΔL/L，δ_C=ΔC/C （4-41）

则可求出在调谐点电抗值的偏差为

定义等值频率偏差

其最大值用δ_m表示。通常系统频率的最大变化范围为±1%，所以令δω=±0.01。而电容值和电感值的偏差与多种因素有关，因而取值应视具体工程情况而定。例如，在某工程中，取δ_L=±0.01、δ_C=±0.02，则通过式（4-43）计算可得δ_m=±0.025。单调谐滤波器一般调谐在5次、7次、11次、13次特征谐波频率上。如果加装滤波器处的系统谐波阻抗呈感性，则考虑到等值频率偏差等因素，在进行滤波器调谐点选择时，应将其适当进行预偏调。通常的调谐点偏移程度可考虑为理想调谐点的95%和98%。单调谐滤波器滤波效果通常应在系统额定频率和最大正、负频偏时进行校验。

滤波器阻抗中的低值电阻R与滤波器的品质因数有关。品质因数Q可表示为在调谐频率处的感抗或容抗与电阻R的比值，表达式为

Q决定了滤波器调谐的敏锐度。Q越大，则R越小，曲线越尖锐，通频带越窄，谐振频率附近的谐波就衰减得越厉害，滤波器的调谐就越敏锐。Q过大，会使被滤除谐波频率的频带过窄，当系统频率或滤波电容器、电抗器参数发生偏差时，容易发生失谐；Q过小，会使滤波器的损耗增大。一般过程中，品质因数的典型取值为30～60，但在直流输电工程中，品质因数取值可达到100及以上。

单调谐滤波器的优点是结构简单，对单一重要谐波的滤除能力强，损耗低，且维护要求低；主要缺点是低负载时的适应性差，抗失谐能力低。由于12脉冲换流器的广泛采用，消除了5次和7次的特征谐波，因而在新的直流输电工程中单调谐滤波器的应用逐渐减少。

（2）双调谐滤波器

双调谐滤波器是调谐到两个串联谐振频率的滤波器，由串联谐振和并联谐振回路串接而成，有图4-22所示的几种型式。考虑元件内阻的基本型式的双调谐滤波器如图4-22b所示。

图4-22 双调谐滤波器结构

图4-22b中，串联回路阻抗

Z_s=R_s+j[ωL₁-1/（ωC₁）] （4-45）

设串联回路调谐频率为ω₀₁，则

图4-22b中，设并联回路调谐频率为ω₀₂，则

因R_L、R_C一般为电感内阻、电容内阻，阻值较小，则

串并联回路的调谐频率可选得接近或相等，即有

ω₀₁=ω₀₂=ω₀ （4-49）

忽略R_L、R_C，则并联回路阻抗为

ω在（0，ω₀）区间时，Z_P∈（0，+j∞），呈感性；ω在（ω₀，∞）区间时，Z_P∈（-j∞，0），呈容性。基波频率时，并联回路阻抗很小，因此并联回路承受的电压较低。

双调谐滤波器的阻频特性如图4-23所示。由图可见，双调谐滤波器的阻频特性类似于两个单调谐滤波器的组合阻频特性。因此，双调谐滤波器可替换两个单调谐滤波器。图中，曲线1、2-2′和3-3′分别为双调谐串联回路、双调谐并联回路与双调谐滤波器的阻频特性。双调谐滤波器有两个串联谐振点、一个并联谐振点，ω_h1、ωh2为双调谐的两串联谐振频率，即双调谐的两调谐频率；ω₀为双调谐并联谐振频率。

图4-23 典型双调谐滤波器的阻频特性

带有并联电阻的双调谐滤波器的阻频特性类似于基本型式的双调谐滤波器的特性。

设双调谐滤波器的并联谐振频次为h₀（ω₀=h₀ω₁），滤波器补偿的基波无功功率为Q_S1，滤波器装设处的母线电压为U。因设计滤波器时，ω_h1和ω_h2已知，则可由下列关系求解ω₀、C₁、L₁、C₂和L₂：

对谐振频率ω_h1有

对谐振频率ω_h2有

双调谐滤波器中，并联电阻可起到防止过电压、降低并联谐振幅值、降低滤波器间及滤波器与系统间发生谐振的可能性，并可使滤波器获得较好的高通滤波性能。但并联电阻加大了两串联谐振点附近的阻抗，对低次谐波的滤波效果有所影响，增加了谐波有功功耗。并联电阻应根据过电压实验或经验选取阻值，并同时考虑滤波等的要求。

对于高电压、大容量的滤波与无功功率补偿来说，采用双调谐滤波器代替两单调谐或高通滤波器，减少了承受全线冲击电压的电感数目，投资少，总的基波无功容量及其能耗较小，具有技术上和经济上的优越性。近年来，在高压直流输电系统中得到了广泛应用。我国的葛洲坝—上海、天生桥—广州、三峡—常州直流输电工程均采用了双调谐滤波器。

（3）三调谐滤波器

三调谐滤波器是调谐在三个频率的滤波器，目前在直流输电工程中已开始采用，如我国的贵—广直流输电工程。三调谐滤波器的电路结构也有多种形式。图4-24所示为其中的一种。

三调谐滤波器与双调谐滤波器相比，其优点更加突出，缺点也更明显。一个三调谐滤波器可滤除三个甚至更多频次的谐波电流，可减少滤波支路数目，节省投资，具有小负载下无功平衡方便的突出优点；但三调谐滤波器各参数间的相互影响较大，现场调谐困难。三调谐滤波器的具体参数设计方法可见相关文献。

图4-24 三调谐滤波器结构

2.直流滤波器设计

目前，世界上已运行的高压直流输电工程中所采用的并联直流滤波器同交流滤波器一样也分无源和有源（混合）两种型式。无源直流滤波器已有多年的运行经验，在大多数工程中被采用。而有源直流滤波器首次于1991年在康梯—斯堪I高压直流输电工程中投入试运行，后来又相继在斯卡格拉克3和波罗的海海底电缆直流输电工程中被采用。我国的距离架空线路直流输电工程——天—广直流输电工程中也采用了有源直流滤波器。

直流侧谐波电流会对直流系统本身产生危害、对线路邻近的通信系统产生影响。为此，应在直流侧加装滤波装置，直流侧滤波装置的设计方法原则上与交流侧滤波装置相同，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，通常用分贝数表示。

目前，世界上的直流输电过程，通常采用以下直流滤波器配置方案。第1种是在12脉冲换流器低压端的中性母线和地之间连接一台中性点冲击电容器，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，以避免增加投资。第2种是在换流站每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。中心调谐频率应针对谐波幅值较高的特征谐波，并兼顾对等效干扰电流影响较大的谐波，这样可以达到较好的滤波效果。

（1）直流无源滤波器

直流滤波器的电路结构与交流滤波器一样，通常多采用带通型双调谐滤波电路。对于12脉冲换流器，当采用双调谐滤波器时，通常采用12/24及12/36的滤波器组合。由于要向换流站提供工频无功功率，因此在设计交流滤波器时，通常将其无功容量设计成大于滤波特性所要求的无功设置容量，而直流滤波器则无须这方面的要求。

（2）直流有源滤波器

有些直流输电工程会穿越人口相对集中的区域，必须将其限制在很低的等效干扰电流水平。因此，为了满足严格的要求，如双极100mA，单极200mA，如果继续采用常规的滤波系统，就需要并联许多滤波器，导致投资上升和占地面积增加，同时也降低了系统的可靠性和利用率，而采用直流有源滤波器可较好地解决上述问题。

图4-25给出了直流滤波器造价与等效干扰电流水平的关系曲线。其中，曲线1为无源滤波器方案，曲线2为有源滤波器方案。从中可看出，当直流线路穿越人口密集和广泛采用明线通信的地区，需要提高滤波性能并对降低谐波干扰有较高要求时，采用有源滤波器具有较好的经济性。直流输电工程中采用的直流有源滤波器通常都是与无源滤波器串联的混合型有源滤波器，对于这种混合型的有源滤波器，当有源滤波器的有源部分切除运行时，无源部分应能投入并长期连续运行。有源滤波器应具备无源部分带电的情况下可检修的功能。

图4-25 直流滤波器造价与等效干扰电流水平的关系图

有效抑制高压直流输电系统谐波的方法：加装滤波器

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