CN103795061B - 一种高压直流输电系统二次谐波滤波器及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流输电系统二次谐波滤波器及其参数设计方法，它包括电力电容器、电力电抗器和阻尼电阻器；直流输电系统换流器的一输出端连接电力电容器一端，电力电容器的另一端与电力电抗器一端串联，构成二次谐波串联谐振电路；电力电抗器另一端连接直流输电系统换流器另一输出端并接地；在电力电抗器的两端还并联设置电阻参数可调的阻尼电阻器；电力电容器一端及电力电抗器另一端分别连接交流电网，将直流输电系统换流器产生的非线性高频特征谐波滤除后输入交流电网。本发明能够有效滤除高压直流输电系统中的二次谐波，适用于高压直流输电线路二次谐波滤波领域。

Description

一种高压直流输电系统二次谐波滤波器及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流输电系统设备及其参数设计方法，特别是关于一种高压直流输电系统二次谐波滤波器及其参数设计方法。

背景技术

换流站用交流滤波器主要作用是滤除高压直流输电系统换流器产生的非线性高频特征谐波，将注入交流电网的谐波控制在标准要求之内，保证交流电网的电能质量。直流输电工程一般要求所连接的交流电网有一定的谐波承受能力，在设计时仅考虑有限的交流电网背景谐波影响。

随着我国国民经济和电网建设的高速发展，直流输电工程的建设往往会超过其所连接交流系统的建设速度。当交流系统网络还不够健全，不足以吸纳某些特殊工况下产生的低次谐波时，交流系统产生的谐波会反过来流入换流站，严重情况下会导致直流系统保护动作，直流系统停止运行。如图1所示，常规换流站用传统低次谐波交流滤波器包括电力电容器11、低压电容器12、电力电抗器13和阻尼电阻器14。为减小基波损耗，利用一个低压电容器12与电力电抗器13串联形成基波阻尼回路。但该阻尼电阻器14也对二次谐波产生明显的阻尼效果，因此这种传统形式的低次滤波器阻碍了二次谐波的滤除效果，从而引起直流系统二次谐波保护误动作。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效滤除高压直流输电系统中的二次谐波的高压直流输电系统二次谐波滤波器及其参数设计方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高压直流输电系统二次谐波滤波器，其特征在于：它包括电力电容器、电力电抗器和阻尼电阻器；直流输电系统换流器的一输出端连接所述电力电容器一端，所述电力电容器的另一端与所述电力电抗器一端串联，构成二次谐波串联谐振电路；所述电力电抗器另一端连接所述直流输电系统换流器另一输出端并接地；在所述电力电抗器的两端还并联设置电阻参数可调的所述阻尼电阻器；所述电力电容器一端及所述电力电抗器另一端分别连接交流电网，将所述直流输电系统换流器产生的非线性高频特征谐波滤除后输入所述交流电网。

一种实现上述高压直流输电系统二次谐波滤波器的参数设计方法，其包括以下步骤：（1）在与直流输电系统换流器相连的各个变电站进行变压器充电试验，记录直流输电系统换流器母线测量到的二次谐波电压，取其最大值并取10%的裕度，作为二次谐波滤波器的输入源，记为二次谐波电压U_2in；（2）确定电力电容器的电容值C、电力电抗器的电感值L和阻尼电阻器的电阻值R，进而得到二次谐波滤波器的阻抗Z_2f为：

$Z_{2f}=\frac{1}{j2\mathrm{\πnfC}}+\frac{\mathrm{jR}2\mathrm{\πnfL}}{R+j2\mathrm{\πnfL}},$

式中，n=2，f为基波频率；（3）根据步骤（1）、（2）得到的二次谐波滤波器的输入源U_2in、阻抗Z_2f以及交流电网中的二次谐波阻抗Z_2N，建立包含二次谐波滤波器的输入源、交流系统和二次谐波滤波器的电路模型，进而求得经二次谐波滤波器滤波后的直流输电系统换流器的母线电压U_2d；（4）根据步骤（3）得到的母线电压U_2d判断投入高压直流输电系统二次谐波滤波器后直流侧的二次谐波水平，若母线电压U_2d不超过直流控制保护系统的启动定值，则换流站内控制保护系统不会触发保护动作，从而确定电力电容器的电容值C、电力电抗器的电感值L和阻尼电阻器的电阻值R；反之，返回步骤（2）调整阻尼电阻器的电阻值R的大小，直到经步骤（3）计算得到的母线电压U_2d不超过直流控制保护系统的启动定值，以确定电力电容器的电容值C、电力电抗器的电感值L和阻尼电阻器的电阻值R。

所述步骤（2）中，所述电力电容器的电容值C通过下式计算得到：

$Q=\frac{U^2}{2\mathrm{\πfC}},$

式中，Q为二次谐波滤波器的容量，该值根据直流输电系统换流器设计的无功需求和二次谐波滤波器分组情况获得；U为交流母线电压；f为基波频率。

所述步骤（2）中，所述电力电抗器的电感值L通过下式计算得到：

$2\mathrm{\πnfL}=\frac{1}{2\mathrm{\πnfC}},$

式中，n=2；f为基波频率。

所述步骤（2）中，所述阻尼电阻器的电阻值R根据工程经验给出初步值，为100～1000欧姆。

所述步骤（3）中，所述母线电压U_2d为：

$U_{2d}=\frac{Z_{2f}{U}_{2\mathrm{in}}}{Z_{2N}+Z_{2f}},$

式中，Z_2f是二次谐波滤波器阻抗，Z_2N是交流系统二次谐波阻抗，二次谐波阻抗Z_2N为交流电网中的固有参数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于电力电容器与电力电抗器串联，同时在电力电抗器支路并联一个阻尼电阻器，滤除由于交流系统变压器充电时产生的大量二次谐波，有效消除二次谐波对换流站的冲击；2、本发明能够进行无功补偿，并且减少换流站的无功补偿装置的数量，从而有效降低换流站建设成本。本发明适用于高压直流输电线路二次谐波滤波领域。

附图说明

图1是传统低次谐波交流滤波器结构示意图

图2是本发明整体结构示意图

图3是本发明包含二次谐波源、交流系统和二次谐波滤波器的电路模型示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，本发明的高压直流输电系统低次谐波滤波器包括电力电容器2、电力电抗器3和阻尼电阻器4。现有技术中的直流输电系统换流器5的一输出端连接电力电容器2一端，电力电容器2的另一端与电力电抗器3一端串联，构成二次谐波串联谐振电路，以滤除二次谐波。电力电抗器3另一端连接直流输电系统换流器5另一输出端并接地。在电力电抗器3的两端还并联设置电阻参数可调的阻尼电阻器4，通过调整阻尼电阻器4的电阻参数来实现调节二次谐波串联谐振电路的滤波效果。电力电容器2一端及电力电抗器3另一端分别连接交流电网6，将直流输电系统换流器5产生的非线性高频特征谐波滤除后输入交流电网6，并将输入交流电网6的谐波控制在标准要求之内，保证交流电网6的电能质量。

本发明的高压直流输电系统二次谐波滤波器的参数设计方法包括以下步骤：

（1）在与直流输电系统换流器5相连的各个变电站进行变压器充电试验，记录直流输电系统换流器5母线测量到的二次谐波电压，取其最大值并取10%的裕度，作为二次谐波滤波器的输入源，记为二次谐波电压U_2in。

（2）确定电力电容器2的电容值C、电力电抗器3的电感值L和阻尼电阻器4的电阻值R，进而得到二次谐波滤波器的阻抗Z_2f。

其中，电力电容器2的电容值C通过下式计算得到：

$Q=\frac{U^2}{2\mathrm{\πfC}},---\left(1\right)$

式中，Q为二次谐波滤波器的容量，该值可以根据直流输电系统换流器5设计的无功需求和二次谐波滤波器分组情况获得；U为交流母线电压，为已知量；f为基波频率。

电力电抗器3的电感值L通过下式计算得到：

$2\mathrm{\πnfL}=\frac{1}{2\mathrm{\πnfC}},---\left(2\right)$

式中，n=2；f为基波频率。

阻尼电阻器4的电阻值R根据工程经验给出初步值，为100～1000欧姆，则根据公式（1）、（2）可以得到二次谐波滤波器的阻抗Z_2f为：

$Z_{2f}=\frac{1}{j2\mathrm{\πnfC}}+\frac{\mathrm{jR}2\mathrm{\πnfL}}{R+j2\mathrm{\πnfL}},---\left(3\right)$

式中，n=2。

（3）根据步骤（1）、（2）得到的二次谐波滤波器的输入源U_2in、阻抗Z_2f以及交流电网6中的二次谐波阻抗Z_2N，建立包含二次谐波滤波器的输入源、交流系统和二次谐波滤波器的电路模型（如图3所示），进而求得经二次谐波滤波器滤波后的直流输电系统换流器5的母线电压U_2d。

其中，母线电压U_2d的计算公式如下：

$U_{2d}=\frac{Z_{2f}{U}_{2\mathrm{in}}}{Z_{2N}+Z_{2f}},---\left(4\right)$

式中，Z_2f是二次谐波滤波器阻抗，Z_2N是交流系统二次谐波阻抗，二次谐波阻抗Z_2N为交流电网6中的固有参数，为已知量。

（4）根据步骤（3）得到的母线电压U_2d判断投入本发明高压直流输电系统二次谐波滤波器后直流侧的二次谐波水平，若母线电压U_2d不超过直流控制保护系统的启动定值，则换流站内控制保护系统不会触发保护动作，从而确定电力电容器2的电容值C、电力电抗器3的电感值L和阻尼电阻器4的电阻值R；反之，返回步骤（2）调整阻尼电阻器4的电阻值R的大小，直到经步骤（3）计算得到的母线电压U_2d不超过直流控制保护系统的启动定值，保证不会触发保护动作，以确定电力电容器2的电容值C、电力电抗器3的电感值L和阻尼电阻器4的电阻值R。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种高压直流输电系统二次谐波滤波器的参数设计方法，其特征在于：所述高压直流输电系统二次谐波滤波器包括电力电容器、电力电抗器和阻尼电阻器；直流输电系统换流器的一输出端连接所述电力电容器一端，所述电力电容器的另一端与所述电力电抗器一端串联，构成二次谐波串联谐振电路；所述电力电抗器另一端连接所述直流输电系统换流器另一输出端并接地；在所述电力电抗器的两端还并联设置电阻参数可调的所述阻尼电阻器；所述电力电容器一端及所述电力电抗器另一端分别连接交流电网，将所述直流输电系统换流器产生的非线性高频特征谐波滤除后输入所述交流电网；

所述参数设计方法包括以下步骤：

(1)在与直流输电系统换流器相连的各个变电站进行变压器充电试验，记录直流输电系统换流器母线测量到的二次谐波电压，取其最大值并取10％的裕度，作为二次谐波滤波器的输入源，记为二次谐波电压U_2in；

(2)确定电力电容器的电容值C、电力电抗器的电感值L和阻尼电阻器的电阻值R，进而得到二次谐波滤波器的阻抗Z_2f为：

$Z_{2f}=\frac{1}{j2\mathrm{\πnfC}}+\frac{\mathrm{jR}2\mathrm{\πnfL}}{R+j2\mathrm{\πnfL}},$

式中，n＝2，f为基波频率；

(3)根据步骤(1)、(2)得到的二次谐波滤波器的输入源U_2in、阻抗Z_2f以及交流电网中的二次谐波阻抗Z_2N，建立包含二次谐波滤波器的输入源、交流系统和二次谐波滤波器的电路模型，进而求得经二次谐波滤波器滤波后的直流输电系统换流器的母线电压U_2d；

(4)根据步骤(3)得到的母线电压U_2d判断投入高压直流输电系统二次谐波滤波器后直流侧的二次谐波水平，若母线电压U_2d不超过直流控制保护系统的启动定值，则换流站内控制保护系统不会触发保护动作，从而确定电力电容器的电容值C、电力电抗器的电感值L和阻尼电阻器的电阻值R；反之，返回步骤(2)调整阻尼电阻器的电阻值R的大小，直到经步骤(3)计算得到的母线电压U_2d不超过直流控制保护系统的启动定值，以确定电力电容器的电容值C、电力电抗器的电感值L和阻尼电阻器的电阻值R。

2.如权利要求1所述的一种高压直流输电系统二次谐波滤波器的参数设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述电力电容器的电容值C通过下式计算得到：

$Q=\frac{U^2}{2\mathrm{\πfC}},$

式中，Q为二次谐波滤波器的容量，二次谐波滤波器的容量根据直流输电系统换流器设计的无功需求和二次谐波滤波器分组情况获得；U为交流母线电压；f为基波频率。

3.如权利要求1所述的一种高压直流输电系统二次谐波滤波器的参数设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述电力电抗器的电感值L通过下式计算得到：

$2\mathrm{\πnfL}=\frac{1}{2\mathrm{\πnfC}},$

式中，n＝2；f为基波频率。

4.如权利要求2所述的一种高压直流输电系统二次谐波滤波器的参数设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述电力电抗器的电感值L通过下式计算得到：

$2\mathrm{\πnfL}=\frac{1}{2\mathrm{\πnfC}},$

式中，n＝2；f为基波频率。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种高压直流输电系统二次谐波滤波器的参数设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述阻尼电阻器的电阻值R根据工程经验给出初步值，为100～1000欧姆。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种高压直流输电系统二次谐波滤波器的参数设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述母线电压U_2d为：

$U_{2d}=\frac{Z_{2f}{U}_{2\mathrm{in}}}{Z_{2N}+Z_{2f}},$

式中，Z_2f是二次谐波滤波器阻抗，Z_2N是交流系统二次谐波阻抗，二次谐波阻抗Z_2N为交流电网中的固有参数。

7.如权利要求5所述的一种高压直流输电系统二次谐波滤波器的参数设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述母线电压U_2d为：

$U_{2d}=\frac{Z_{2f}{U}_{2\mathrm{in}}}{Z_{2N}+Z_{2f}},$

式中，Z_2f是二次谐波滤波器阻抗，Z_2N是交流系统二次谐波阻抗，二次谐波阻抗Z_2N为交流电网中的固有参数。