CN102074951A

CN102074951A - 一种高压直流输电工程直流滤波器设计方法

Info

Publication number: CN102074951A
Application number: CN 201110025139
Authority: CN
Inventors: 徐政; 薛英林; 王峰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2031-01-24
Also published as: CN102074951B

Abstract

本发明公开了一种高压直流输电工程直流滤波器的设计方法，包括(1)根据系统条件，确定滤波器的主电容值和调谐次数；(2)通过将三调谐滤波器等效成3个单调谐滤波器，以三调谐滤波器的主电容值和调谐次数为限制条件，计算各个单调谐滤波器参数；(3)根据导纳一致原则，将单调谐滤波器参数经过等效公式得到三调谐滤波器的参数；(4)对所配置的滤波器进行性能计算，如不满足要求，则调整各个单调谐主电容或调谐次数，然后重复上述步骤直到满足要求为止。本发明的设计方法物理概念清晰，在进行参数调整时十分方便，可以大大提高直流滤波器的设计效率，具有很好的工程应用价值。

Description

一种高压直流输电工程直流滤波器设计方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电工程技术领域，尤其涉及一种高压直流输电工程直流滤波器的设计方法。

背景技术

由于高压直流输电系统换流器的非线性特性，在其实现交、直流转换的同时会在交、直流两侧产生谐波。在直流侧谐波会注入到直流极线和直流接地极线路中，干扰沿线的通讯系统。因此，对于架空线形式的直流输电工程直流侧需装设直流滤波器以滤除这些谐波。直流滤波器一般位于极母线和极中性母线之间。考虑到同一换流站两极的对称性，两极通常配置相同的直流滤波器。目前，三调谐滤波器在高压直流工程中得到了广泛的应用，如云广、向上、糯扎渡、溪洛渡等工程的直流滤波器均采用了该型式。相对于单调谐滤波器，三调谐滤波器可以同时消除3个不同频率的谐波，而且其中只有一个谐振回路需要承受全部的冲击电压，因而与同样功能的3个单调谐滤波器相比，投资小，损耗低，占地面积小，经济性好。

直流滤波器设计是一项繁杂的工作，通常需不断反复的调整参数，应综合考虑技术、经济因素，保证直流滤波器在各种运行方式下都可以将直流线路的谐波电流降低到可以接受的水平，使得谐波电流在邻近的通信线路上产生的噪音干扰电压不超过国家的规定值。直流输电系统的运行方式包括功率输送方向、运行接线方式、直流电压水平、直流电阻高低以及两端交流系统电压水平。在实际工程中直流滤波器性能计算如下进行，以功率扫描的方式检验直流系统所有可能的运行工况，直流负荷水平从最小值以某一步长逐渐递增到某一水平值，通常负荷最小值为0.1pu，步长为0.05pu，直流全压时需计算到1.25pu，80％降压时需计算到0.9pu，70％降压时需计算到0.8pu。

直流滤波器设计包括性能计算和定值计算。性能计算的目的在于考核滤波器加入系统后能否将等效干扰电流水平限制在允许范围，它的前提工作是滤波器选型以及参数确定。定值计算是在性能计算的基础上进行，计算各个元件上可能出现的电压和电流的最大值，它考核的目的是所设计出来的滤波器参数能否在实际工艺中制造出来，同时具有良好的经济性。目前，高压直流输电工程普遍采用“等效干扰电流”限值作为设计直流滤波器的评价标准(具体定义计算可参见：‘高压直流输电直流侧谐波电流计算’，王峰，朱广友，游光增，等，高电压技术，2009，35(9)：2275-2279)。

传统三调谐滤波器设计方法，采用基于调谐点滤波器阻抗Z＝0所推导的三调谐滤波器参数计算公式，但根据该公式滤波器参数调节比较困难，而实际设计过程中，滤波器参数需不断调整。由于直流输电系统的运行方式众多，计算量很大，因而在实际工程中工程人员很需要一种合适而又高效的直流滤波器设计方法。

发明内容

本发明提供了一种基于等效原则的高压直流输电工程直流滤波器设计方法，该方法将三调谐滤波器设计转换为三个单调谐滤波器设计，物理概念清晰，可方便地调整滤波器参数，且可以保证在调整的过程中保持主电容值和调谐次数不变，大大提高了直流滤波器设计的效率，十分适用工程实际。

一种高压直流输电工程直流滤波器的设计方法，包括：

(1)根据系统条件，确定滤波器的主电容值C₁和调谐次数N₁、N₂、N₃；

直流滤波器的滤波能力基本上与高压电容器电容值的大小成正比；同时，对于额定电压相同的电容器，其成本也基本上与其电容值成正比，因而，在滤波性能满足要求的情况下，高压电容器的电容值越小越经济。因此，在调节滤波器参数的过程中，通常保持该主电容值不变，除非多次调节其他参数仍不能满足性能要求，可增大该主电容值。

初步计算不投入滤波器时，各种运行方式下的各个负荷水平直流极线沿线的等效干扰电流；或者依据以往工程经验进行滤波器调谐次数选取。通常基于不同次数的等效干扰电流大小，选择调谐次数分别为N₁、N₂、N₃。

参考以往工程直流滤波器的参数，并结合经济性，确定滤波器的主电容值和所要采用的滤波器形式，基于三调谐滤波器的优点，近年来的高压直流工程大多都采用该形式，如云广、向上、糯扎渡、溪洛渡工程。

(2)根据等效原则，将三调谐滤波器等效成3个单调谐滤波器，以三调谐滤波器的主电容值和调谐次数为限制条件，计算各个单调谐滤波器参数；

附图1为阻尼式三调谐滤波器的通用结构，电阻根据系统条件进行配置。不同于交流滤波器为减少系统阻抗频率变化引起谐振而多采用阻尼式滤波器，直流滤波器因换流器的阻抗频率特性随系统运行方式变化不大，通常采用无阻尼三调谐滤波器，如附图2所示，以增强其滤波效果。

忽略电阻影响，以无阻尼滤波器为例，将其等效为3个单调谐滤波器，附图3所示，单调谐滤波器的电容电感分别为C_a、C_b、C_c、L_a、L_b、L_c。

由于三调谐滤波器的主电容已经确定，首先确定等效单调谐滤波器的主电容，其选择应满足下面约束：

(1)式可以简单理解为不考虑电感，滤波器等价于电容，这样三调谐滤波器等效3个单调谐滤波器类似于一个大电容等效分为3个小电容并联形式。

然后，根据三调谐滤波器的调谐次数N₁、N₂、N₃，分别确定等效的单调谐滤波器电感参数：

其中ω₀为基波角频率。

(3)根据导纳一致原则，将三个单调谐滤波器参数C_a、C_b、C_c、L_a、L_b、L_c经过等效公式得到三调谐滤波器的参数C₁、C₂、C₃、L₁、L₂、L₃；

三调谐滤波器的导纳为：

并联的三个单调谐滤波器的导纳为

其中j为虚数单位，ω为基波角频率。

令

通过整理可得以下式(7)～(12)(事实上，考虑C₁已经确定，式(7)写在此处是为了保持形式的统一，下同)，按照等式的阶次升序排列，且等式左边为待求量，右边为已知量。

联立式(7)～(12)，可以求解出三调谐滤波器的参数

式中H₁、H₂、H₃、H₄是为了避免公式过于复杂而增加的中间变量。

(21)

(4)对所配置的滤波器进行性能计算，如果不满足要求，则通过调整主电容或调谐次数，然后重复上述步骤直到满足要求为止。

在初步选定了直流滤波器的型式、主电容值以及调谐次数，确定一组滤波器元件参数，然后计算各种运行方式下的各个负荷水平的滤波器性能，通常只需校验直流极线沿线的等效干扰电流，因接地极线较短，对应的等效干扰电流也较小。若某负荷水平的等效干扰电流超标，则计算对应负荷水平加权的最大10次谐波电流，查看主要由哪次谐波引起的性能超标，然后调整直流滤波器元件参数，使对应次的谐波阻抗减小。

调整参数的原则有三种：一、保证主电容参数不变，通过调整等效分配到三个单调谐滤波器的主电容大小，来改变滤波器的阻抗频率特性。调整的原则是某次谐波仍很大，则相应增大滤除对应的单调谐滤波器主电容，物理概念清晰，便于调节。二、如果多次调整之后仍有负荷水平不能满足性能要求或者最大谐波并非滤波器调谐次数，则可能需要调整调谐次数，重复上述过程。三、如果上述方法仍无法满足要求时，则需要增大主电容，然后再重复上述过程。如果采用阻尼式三调谐，则先忽略电阻，然后按上述步骤计算L、C参数，电阻值需通过实际工程要求和工程经验进行选择。

因此，直流滤波器设计是一个反复而繁琐的过程。本发明方法针对传统设计中存在参数调整困难的问题，通过将三调谐滤波器等效成三个单调谐滤波器，以三调谐滤波器的主电容值和调谐次数为限制条件，先计算各个单调谐滤波器参数，再经过等效公式得到三调谐滤波器的参数，该方法可以方便地通过调整等效单调谐滤波器的电容和调谐次数而改变三调谐滤波器的电容、电感参数，同时能保持三调谐滤波器的主电容值和调谐次数的不变，避免利用传统基于调谐点处阻抗为零的复杂公式进行调节，具有物理概念清晰，参数调整方便的特点，大大提高了直流滤波器设计的效率。

附图说明

图1阻尼式三调谐滤波器通用结构图。

图2无阻尼三调谐滤波器。

图3等效并联的3个单调谐滤波器。

图4等效的3个单调谐滤波器和原三调谐滤波器的阻抗频率特性曲线对比。

图5额定负荷滤波器不投时加权最大10次谐波电流。

图6额定负荷滤波器全投时加权最大10次谐波电流。

具体实施方式

一种高压直流输电工程直流滤波器的设计方法，包括：

(2)根据等效原则，将三调谐滤波器等效成对应3个单调谐滤波器，以三调谐滤波器的主电容值和调谐次数为限制条件，计算各个单调谐滤波器参数C_a、C_b、C_c、L_a、L_b、L_c；

(3)根据导纳一致原则，将单调谐滤波器参数经过等效公式得到三调谐滤波器的参数C₁、C₂、C₃、L₁、L₂、L₃；

(4)对所配置的滤波器进行性能计算，如果不满足要求，则调整各个单调谐主电容或调谐次数，然后重复上述步骤直到满足要求为止。

实施例1

本实施例通过比较给定三调谐滤波器和所等效的三个单调谐滤波器的阻抗频率特性曲线，验证上述等效方法的正确性。

假设需要设计的三调谐滤波器型式为TT12/24/36(调谐次数分别为N₁＝12，N₂＝24，N₃＝36)，其主电容选择为C₁＝1.2e-6F。

令C₀＝C₁＝C₂＝C₁/3，则根据式(2)～(4)确定单调谐滤波器的参数为(考虑基波频率为50Hz)：

C_a＝C_b＝C_c＝0.4e-6F

L_a＝0.1759H，L_b＝0.04398H，L_c＝0.01954H

然后根据式(13)～(18)，确定三调谐滤波器参数：

C₂＝4.40e-6F，C₃＝5.28e-6F

L₁＝0.01256H，L₂＝0.01167H，L₃＝0.00237H

三调谐滤波器和3个等效单调谐滤波器的阻抗频率特性如附图4所示，两条特性曲线几乎完全重合，从而验证等效算法的正确性。

实施例2

本实施例以国内某±800kV双十二脉动串联形式的直流工程为例，其初步的相关参数如表1所示，平波电抗器分开布置，分别装设在直流极母线和中性母线上，各为150mH。其性能要求是双极运行时，等效干扰电流Ieq≤2000mA。以功率正送、双极、直流全压、直流高阻和两侧交流电压取额定值为条件，计算功率输送水平从0.1pu开始，以0.05pu为步长，到1.25pu的所有负荷水平的等效干扰电流。

表1直流工程参数

输送额定负荷不投滤波器时的加权最大10次谐波电流如附图5所示。最大的5次加权谐波已在图中标出，因加权系数在45次附近比较大，即使45谐波电流比较小，其加权仍可达到比较大的数值。因此，可考虑设置三调谐滤波器TT 12/36/45即调谐次数N₁＝12、N₂＝36、N₃＝45，主电容值参考云广工程，C₁＝1.2e-6F。

然后根据步骤(2)、(3)计算得到参数如下所示：

C_a＝C_b＝C_c＝0.4e-6F

L_a＝0.1759H，L_b＝0.01954H，L_c＝0.01251H

C2＝3.18e-6F，C3＝1.65e-5F

L₁＝7.3le-3H，L₂＝1.54e-2H，L₃＝3.87e-4H

功率水平从0.1p.u到1.25p.u，滤波器不投和双极全投TT 12/36/45的性能结果如表2所示。滤波器全投指每侧每极均投一组滤波器，整个工程共4组滤波器，计算时考虑滤波器参数的失谐，滤波器全投时的加权最大10次谐波电流如附图6所示。

表2滤波器性能计算结果比较

由表2可看出，滤波器未投时几乎所有负荷水平直流滤波器性能都超标，投入所设计的滤波器之后，所有负荷水平性能都已满足。

本实施例只是计算了直流工程的一个运行方式，在实际工程设计时则需计算很多个运行方式，如背景技术所述，并且还需考虑部分滤波器退出的情况。因此，对于其他运行方式，该组滤波器可能不满足性能要求，则需调整滤波器参数，采用的方法即本发明算法的步骤(4)。

Claims

1.一种高压直流输电工程直流滤波器的设计方法，包括：

(2)根据等效原则，将三调谐滤波器等效成对应3个单调谐滤波器，以三调谐滤波器的主电容值和调谐次数为限制条件，计算各个单调谐滤波器参数；

(3)根据导纳一致原则，将单调谐滤波器参数经过等效公式得到三调谐滤波器的参数；

2.根据权利要求1所述的高压直流输电工程直流滤波器的设计方法，其特征在于，所述的步骤(2)的等效原则为：

根据步骤(1)确定的三调谐滤波器的主电容值C₁，保证等效后的三个单调谐电容C_a、C_b、C_c，满足：

C_a+C_b+C_c＝C₁ (1)

然后根据步骤(1)确定的三调谐滤波器的调谐次数N₁、N₂、N₃，确定三个单调谐滤波器的电感参数：

L_{a} = \frac{1}{{(N_{1} ω_{0})}^{2} C_{a}} - - - (2)

L_{b} = \frac{1}{{(N_{2} ω_{0})}^{2} C_{b}} - - - (3)

L_{c} = \frac{1}{{(N_{3} ω_{0})}^{2} C_{c}} - - - (4)

其中ω₀为基波角频率。

3.根据权利要求2所述的高压直流输电工程直流滤波器的设计方法，其特征在于，所述的C_a、C_b、C_c选择初始的滤波器参数时，令C_a＝C_b＝C_c＝C₁/3。

4.根据权利要求1所述的高压直流输电工程直流滤波器的设计方法，其特征在于所述的的步骤(3)根据导纳一致原则，由单调谐滤波器参数推导出三调谐滤波器参数的等效公式为：

L_{1} = \frac{L_{a} L_{b} L_{c}}{L_{a} L_{b} + L_{b} L_{c} + L_{a} L_{c}} - - - (14)

C_{2} = \frac{H_{4} (H_{3} - H_{4})}{H_{2} H_{3} H_{4} - H_{1} H_{4}} - - - (15)

L_{2} = \frac{H_{2} H_{3} H_{4} - H_{1} H_{4}}{H_{3} - H_{4}} - - - (16)

C_{3} = \frac{H_{3} (H_{3} - H_{4})}{H_{1} H_{3} - H_{2} H_{3} H_{4}} - - - (17)

L_{3} = \frac{H_{1} H_{3} - H_{2} H_{3} H_{4}}{H_{3} - H_{4}} - - - (18)

其中：

\begin{matrix} H_{1} = \frac{C_{a} {L_{a}}^{2} L_{b} + C_{b} {L_{b}}^{2} L_{c} + L_{c} {L_{c}}^{2} L_{a}}{(C_{a} + C_{b} + C_{c}) (L_{a} L_{b} + L_{b} L_{c} + L_{a} L_{c})} - \frac{L_{a} L_{b} L_{c}}{L_{a} L_{b} + L_{b} L_{c} + L_{a} L_{c}} - \\ \frac{C_{a} (C_{b} L_{b} + C_{c} L_{c}) + C_{b} (C_{a} L_{a} + C_{c} L_{c}) + C_{c} (C_{b} L_{b} + C_{a} L_{a})}{{(C_{a} + C_{b} + C_{c})}^{2}} \end{matrix} - - - (19)

H_{2} = \frac{C_{a} C_{b} {L_{a}}^{2} {L_{b}}^{2} + C_{a} C_{b} {L_{a}}^{2} {L_{c}}^{2} + C_{b} C_{c} {L_{b}}^{2} {L_{c}}^{2}}{C_{a} C_{b} C_{c} {(L_{a} L_{b} + L_{b} L_{c} + L_{a} L_{c})}^{2}} - \frac{1}{C_{a} + C_{b} + C_{c}} - - - (20)

H_{3} = \frac{C_{a} (C_{b} L_{b} + C_{c} L_{c}) + C_{b} (C_{a} L_{a} + C_{c} L_{c}) + C_{c} (C_{a} L_{a} + C_{b} L_{b})}{2 (C_{a} + C_{b} + C_{c})} +

{{[\frac{C_{a} (C_{a} L_{a} + C_{c} L_{c}) + C_{b} (C_{a} L_{a} + C_{c} L_{c}) + C_{c} (C_{a} L_{a} + C_{b} L_{b})}{2 (C_{a} + C_{b} + C_{c})}]}^{2} - \frac{C_{a} C_{b} C_{c} \cdot (L_{a} L_{b} + L_{b} L_{c} + L_{a} L_{c})}{C_{a} + C_{b} + C_{c}}}^{\frac{1}{2}} - - - (21)

H_{4} = \frac{C_{a} (C_{b} L_{b} + C_{c} L_{c}) + C_{b} (C_{a} L_{a} + C_{c} L_{c}) + C_{c} (C_{a} L_{a} + C_{b} L_{b})}{2 (C_{a} + C_{b} + C_{c})} -

{{[\frac{C_{a} (C_{b} L_{b} + C_{c} L_{c}) + C_{b} (C_{a} L_{a} + C_{c} L_{c}) + C_{c} (C_{a} L_{a} + C_{b} L_{b})}{2 (C_{a} + C_{b} + C_{c})}]}^{2} - \frac{C_{a} C_{b} C_{c} \cdot (L_{a} L_{b} + L_{b} L_{c} + L_{a} L_{c})}{C_{a} + C_{b} + C_{c}}}^{\frac{1}{2}} - - - (22)

其中：C₁、C₂、C₃、L₁、L₂、L₃为三调谐滤波器参数，C_a、C_b、C_c、L_a、L_b、L_c为3个等效的单调谐滤波器参数，H₁、H₂、H₃、H₄为中间变量。