CN109494705B - 用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法及系统，其特征在于，包括以下内容：1)构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在工程各个工况下产生的最大谐波值；2)构建直流工程的直流系统谐波计算模型；3)确定直流滤波器的调谐点；4)合成直流工程送受端的换流阀分别产生的各次谐波，得到直流工程各点的各次谐波；5)根据直流系统谐波计算模型、直流滤波器的调谐点和直流工程各点的各次谐波，以得到整流站和逆变站直流极线出站处的最低总电压峰值为目标，确定直流滤波器的拓扑结构，本发明可广泛用于高压直流输电系统设计领域中。

Description

用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法及系统，属于高压直流输电系统设计领域。

背景技术

高压直流输电系统运行时，在输电线路上产生的谐波会对临近的通信线路产生干扰，早期通信线路多采用明线，极易受到干扰，因此，直流侧直流滤波器的选定目标主要是抑制流过直流极线和接地极线的等效干扰谐波电流。等效干扰谐波电流若满足通信干扰限值，则能同时将直流侧的整体谐波水平抑制在一定水平下，并能抑制谐振。这种直流滤波器的选定方法有较大地设计裕度，直流滤波器往往设计有多条支路，并有较大主电容，占地大投资多。

目前，通信网络中光纤已经成为主要通信介质，抗干扰能力大幅提高，因此完全可以放开对等效干扰谐波电流的限制，通过改造沿线受干扰通信明线来降低通信干扰。但是，同时需保证直流侧谐波水平不会过大影响到极线设备的绝缘水平。此时，传统方法的选定目标不再符合工程需要，明显过于保守且经济性非常差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种符合工程需要且经济性强的用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法，其特征在于，包括以下内容：1)构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在直流工程各个工况下产生的最大谐波值；2)构建直流工程的直流系统谐波计算模型；3)采用平方和方式，合成直流工程送受端的换流阀分别产生的各次谐波，得到直流工程内换流站和极线各点在不投入直流滤波器时的各次谐波；4)根据不投入直流滤波器时直流极线出站口的各次谐波以及直流系统谐波计算模型，以得到整流站和逆变站直流极线出站处的最低总电压峰值为目标，选定直流滤波器的拓扑结构。

进一步，所述步骤1)中采用经典公式计算和随机插值的方法，构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在工程各个工况下产生的最大谐波值。

进一步，所述直流系统谐波计算模型包括串联等效换相电抗的3脉动谐波电压源、平波电抗器、阻断滤波器、直流滤波器、直流极线和接地极线路的等效模型。

进一步，所述步骤4)的具体过程为：4.1)根据直流工程极线避雷器残压和极线设备绝缘水平的要求，预先设定整流站和逆变站直流极线出站处总电压峰值的目标限值；4.2)根据该目标限值和直流工程的最大极线直流电压值，计算得到直流极线出站处的总谐波电压最大限值；4.3)根据直流极线出站处不投入直流滤波器时的谐波电压分布和总谐波电压最大限值，将直流滤波器调谐点设定在对直流侧谐波影响最大的谐波次数上，并选择一直流滤波器的拓扑结构，将该直流滤波器带入加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型中；4.4)设定直流滤波器的主电容值，调节直流系统谐波计算模型中直流滤波器的调谐点和电阻值，求解直流系统谐波计算模型，得到整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值；4.5)将该总电压峰值与预设的目标限值进行对比，若该总电压峰值低于目标限值，则确定直流滤波器的拓扑结构；若该总电压峰值不低于目标限值，则重复步骤4.4)，依次增加直流滤波器的主电容值，直至整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值低于预设的目标限值，确定直流滤波器的拓扑结构。

进一步，所述整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值为：

其中，U_max是直流极线出站处的总电压峰值；U_hmax是直流极线出站处的总谐波电压值；U_dmax是最大极线直流电压值。

进一步，所述对直流侧谐波影响最大的谐波次数为12次低频谐波或在直流侧引起谐振的低频谐波。

一种用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定系统，其特征在于，包括：换流阀最大谐波值求解模块，用于构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在直流工程各个工况下产生的最大谐波值；直流系统谐波计算模型构建模块，用于根据直流工程的拓扑结构和参数，构建直流系统谐波计算模型；谐波获取模块，用于采用平方和方式，合成直流工程送受端的换流阀分别产生的各次谐波，得到直流工程内换流站和极线各点在投入和不投入直流滤波器时的各次谐波；直流滤波器选定模块，用于根据不投入直流滤波器时直流极线出站口的各次谐波以及加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型，以得到整流站和逆变站直流极线出站处的最低总电压峰值为目标，选定直流滤波器的拓扑结构。

进一步，所述直流滤波器选定模块，包括：目标限值设定单元，用于根据直流工程极线避雷器残压和极线设备绝缘水平的要求，预先设定整流站和逆变站直流极线出站处总电压峰值的目标限值；总谐波电压最大限值计算单元，用于根据该目标限值和直流工程的最大极线直流电压值，计算得到直流极线出站处的总谐波电压最大限值；直流滤波器选择单元，用于根据直流极线出站处不投入直流滤波器时的谐波电压分布和总谐波电压最大限值，将直流滤波器调谐点设定在对直流侧谐波影响最大的谐波次数上，并选择一直流滤波器的拓扑结构，将该直流滤波器带入加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型中；直流系统谐波计算模型求解单元，用于设定直流滤波器的主电容值，调节直流系统谐波计算模型中直流滤波器的调谐点和电阻值，求解直流系统谐波计算模型，得到整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值；直流滤波器选定模单元，将该总电压峰值与预设的目标限值进行对比，选定直流滤波器的拓扑结构。

进一步，所述直流系统谐波计算模型包括串联等效换相电抗的3脉动谐波电压源、平波电抗器、阻断滤波器、直流滤波器、直流极线和接地极线路的等效模型。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明放开对等效干扰电流的控制，将直流滤波器的选定目标仅保留在抑制直流侧谐波和抑制谐振上，并将直流工程的整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值作为直流滤波器的考核指标，使得选定的直流滤波器能够将总电压峰值抑制到某一目标限值下，采用较少的主电容值就能够实现对直流侧谐波的控制。直流滤波器的选定不再考虑通信干扰，因此不需再设置高频谐振点。减少的主电容值和支路数能够大大减少直流滤波器的造价和占地，提升工程的经济性，符合目前通信网络发展和光纤大范围铺设的实际情况，且与传统直流滤波器的选定方法相比，本发明的目标单一，直流滤波器的结构简单，能够满足绝缘水平控制和谐振抑制，可以广泛应用于高压直流输电系统设计领域中。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是现有技术中换流阀三脉动电压源模型的结构示意图，其中，L_3P为等效换相电感，R为换流阀的等效电阻；

图3是本发明中直流系统谐波计算模型的拓扑图，其中，R_ds为平波电抗器的等效损耗电阻，L_dc为平波电抗器；

图4是本发明实施例中±1100kV特高压直流工程中直流滤波器的拓扑结构，其中，C₁为直流滤波器高压电容器，C₂为直流滤波器低压电容器，L₁为直流滤波器高压电抗器，L₂为直流滤波器低压电抗器，R₁为直流滤波器高压电阻器，R₂为直流滤波器抵押电阻器。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法，包括以下步骤：

1)构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在直流工程各个工况下产生的最大谐波值，其中，构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型可以采用现有技术公开的方法，在此不多做赘述，具体为：

换流阀在直流侧可以认为是电压源，在模型中采用经典3脉动电压源模型表示，如图2所示，每相换流变的换相电感L取时间平均值等效为L_3P，并与谐波源串联。采用经典公式计算和随机插值的方法，求解直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，得到直流工程在各个可能工况下以及各种参数下(例如换流变短路阻抗偏差、控制系统误差和测量系统误差等各种偏差的随机排列组合)，每一3脉动换流阀可能产生的各次谐波的非同时不一致的最大谐波值，并将该最大谐波值作为谐波源，其中，经典公式计算和随机插值的方法为现有技术公开的方法，在此不多做赘述。

2)如图3所示，根据直流工程的拓扑结构和参数，构建直流系统谐波计算模型，其中，计算低于10kHz的谐波时，直流系统谐波计算模型包括串联等效换相电抗的3脉动谐波电压源、平波电抗器、阻断滤波器、直流滤波器、直流极线和接地极线路等的等效模型，构建直流系统谐波计算模型可以采用现有技术公开的方法，在此不多做赘述。

3)采用平方和方式，合成直流工程送受端的换流阀分别产生的各次谐波，得到直流工程内换流站和极线各点在投入和不投入直流滤波器时的各次谐波，具体为：

直流系统整流侧和逆变侧的换流阀接入送受端非同步交流电网，作为谐波源在直流侧各点产生的谐波并没有一定的相角关系，是完全独立的。参考工程经验，采用平方和方式合成两端换流阀各自产生的谐波，得到直流系统各点各次谐波，由于换流阀谐波源的计算中各次谐波采用非同时不一致的最大谐波值，因此，设计裕度是可以保证的。

4)根据不投入直流滤波器时直流极线出站口的各次谐波以及直流系统谐波计算模型，以得到整流站和逆变站直流极线出站处的最低总电压峰值为目标，选定直流滤波器的拓扑结构，完成用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定，具体为：

根据工程实地调研，目前中国的直流工程可以放开对通信干扰的限制，不再考核其线路等效干扰谐波电流。直流滤波器的设计目标转变为抑制直流侧的谐波水平以及抑制直流侧谐振，保证极线设备的绝缘水平低于一定值。因此，需要以直流工程的整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值作为直流滤波器的考核指标，使得所选直流滤波器能够将总电压峰值抑制到某一目标限值下。

如图3中的A1、A2、B1和B2所示，以直流极线出站处的总电压峰值表示直流侧的总体谐波水平，通过最大程度地抑制直流极线出站处的总电压峰值，并与绝缘配合方案相互配合调整，保证直流极线避雷器有足够的能力限制极线设备的绝缘水平。最终，直流滤波器能够将直流极线出站处的总电压峰值抑制到某一目标限值下，该直流极线出站处的总电压峰值作为极线避雷器的正常运行电压，如果能在避雷器残压不变的前提下使避雷器在运行时不因运行电压过高而过热，则可认为直流滤波器的设计合理。

直流极线出站处的总电压峰值为：

其中，U_max是直流极线出站处的总电压峰值；U_hmax是直流极线出站处的总谐波电压值；U_dmax是最大极线直流电压值。

因此：

4.1)根据直流工程极线避雷器残压和极线设备绝缘水平的要求，预先设定整流站和逆变站直流极线出站处总电压峰值的目标限值。

4.2)根据该目标限值和直流工程的最大极线直流电压值，计算得到直流极线出站处的总谐波电压最大限值。

4.3)根据直流极线出站处不投入直流滤波器时的谐波电压分布和总谐波电压最大限值，将直流滤波器的调谐点设定在对直流侧谐波影响最大的谐波次数上，并选择一直流滤波器的拓扑结构，将该直流滤波器带入加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型中。

一般来说，在某个具体直流工程中，对直流侧谐波影响最大的除了12次低频谐波，还有某次可能在直流侧引起谐振的低频谐波，例如2次或6次等。此时，直流滤波器一般设置单支路的双调谐滤波器，调谐点设置在12次和某个小于12次的低次，如图4所示。由此，能够较传统的直流滤波器省去一到二个支路。

4.4)设定直流滤波器的主电容值(例如取一个适当的较小值，可以根据实际情况进行设定)，调节直流系统谐波计算模型中直流滤波器的调谐点和电阻值，求解直流系统谐波计算模型，得到整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值。

4.5)将该总电压峰值与预设的目标限值进行对比，若该总电压峰值低于目标限值，则确定直流滤波器的拓扑结构；若该总电压峰值不低于目标限值，则重复步骤4.4)，依次增加直流滤波器的主电容值(例如增加0.1uF)，直至整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值低于预设的目标限值，得到满足主电容值最低、极线避雷器残压不变且极线设备绝缘水平不变的要求的直流滤波器的拓扑结构。

下面以一±1100kV特高压直流工程为具体实施例详细说明本发明的用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法：

已知±1100kV特高压直流工程送端Udio(理想空载直流电压)为319kV，送端感性压降为10％，受端Udio为308kV，受端感性压降为11％，采用双十二脉动换流阀结构，极线与中性线分别设置150mH平波电抗器，±1100kV直流工程直流滤波器的选定方法包括以下步骤：

1)构建±1100kV特高压直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在工程各个工况下产生的最大谐波值：

以三脉动谐波源模型为例，如图2所示，表示换流阀，根据换相电抗公式，送端每相换流变的等效换相电抗ωL_3P为17.67mH，受端每相换流变的等效换相电抗ωL_3P为18.31mH。

2)根据±1100kV特高压直流工程的拓扑结构和具体参数，构建直流系统谐波计算模型。

3)采用平方和方式，合成直流工程送受端的换流阀分别产生的各次谐波，得到直流工程内换流站和极线各点在投入和不投入直流滤波器时的各次谐波。

4)根据不投入直流滤波器时直流极线出站口的各次谐波以及加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型，以得到整流站和逆变站直流极线出站处的最低总电压峰值为目标，选定直流滤波器的拓扑结构，完成抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定：

以整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值为考核指标，确定直流滤波器，使得直流滤波器能够将该总电压峰值抑制到某一目标限值下，采用平方和方式合成两端换流阀各自产生的谐波，以图3中的位置A1、A2和B1、B2的总电压峰值为直流滤波器设计的考核指标。±1100特高压直流工程中最大极线直流电压值为1116kV，±1100kV直流极线设备经济合理的绝缘水平为操作电压1826kV，通过综合考虑±1100kV极线避雷器的制造能力和工程整体绝缘配合方案，直流极线出站处的总电压峰值不应超过目标限值1170kV。因此，根据上述公式(1)计算直流极线的总谐波电压值U_hmax不应该超过38kV。

在直流系统谐波模型中进行计算，直流极线出站处的不加装直流滤波器时谐波电压分布如表1所示，其中含量最大的为2次和12次谐波，因此可将直流滤波器调谐点定在2次和12次。为了将谐波电压抑制到最低水平，在比较后选择如图4所示的直流滤波器的拓扑结构。将直流滤波器的主电容值设置在0.1uF，通过不断调整直流滤波器的调谐点和电阻值，使得直流极线出站处的总电压峰值抑制到最低值，如果该最低值仍高于预先设定的目标限值1170kV，则将直流滤波器的主电容值依次增加0.1uF，直至低于目标限值1170kV。最终得到的直流滤波器的拓扑结构的参数如下表2所示，对应的直流极线出站处的总电压峰值为1167kV：

表1：±1100kV特高压直流工程的极线谐波电压分布

表2：±1100kV特高压直流工程的直流滤波器拓扑结构的参数

滤波器形式	HP2/12
		调谐频率，Hz	200/1200
C1，μF	0.6
		L1，mH	408.4
C2，μF	0.267
		L2，mH	2719.7
R1，Ω	4130
		R2，Ω	9560

基于上述用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法，本发明还提供一种用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定系统，包括：

换流阀最大谐波值求解模块，用于构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在直流工程各个工况下产生的最大谐波值；直流系统谐波计算模型构建模块，用于根据直流工程的拓扑结构和参数，构建直流系统谐波计算模型；谐波获取模块，用于采用平方和方式，合成直流工程送受端的换流阀分别产生的各次谐波，得到直流工程内换流站和极线各点在投入和不投入直流滤波器时的各次谐波；直流滤波器选定模块，用于根据不投入直流滤波器时直流极线出站口的各次谐波以及加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型，以得到整流站和逆变站直流极线出站处的最低总电压峰值为目标，选定直流滤波器的拓扑结构。

在一个优选的实施例中，直流滤波器选定模块，包括：

目标限值设定单元，用于根据直流工程极线避雷器残压和极线设备绝缘水平的要求，预先设定整流站和逆变站直流极线出站处总电压峰值的目标限值；总谐波电压最大限值计算单元，用于根据该目标限值和直流工程的最大极线直流电压值，计算得到直流极线出站处的总谐波电压最大限值；直流滤波器选择单元，用于根据直流极线出站处不投入直流滤波器时的谐波电压分布和总谐波电压最大限值，将直流滤波器调谐点设定在对直流侧谐波影响最大的谐波次数上，并选择一直流滤波器的拓扑结构，将该直流滤波器带入加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型中；直流系统谐波计算模型求解单元，用于设定直流滤波器的主电容值，调节直流系统谐波计算模型中直流滤波器的调谐点和电阻值，求解直流系统谐波计算模型，得到整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值；直流滤波器选定模单元，将该总电压峰值与预设的目标限值进行对比，选定直流滤波器的拓扑结构。

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)

1.一种用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法，其特征在于，包括以下内容：

1)构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在直流工程各个工况下产生的最大谐波值；

2)构建直流工程的直流系统谐波计算模型；

3)采用平方和方式，合成直流工程送受端的换流阀分别产生的各次谐波，得到直流工程内换流站和极线各点在不投入直流滤波器时的各次谐波；

4)根据不投入直流滤波器时直流极线出站口的各次谐波以及直流系统谐波计算模型，以得到整流站和逆变站直流极线出站处的最低总电压峰值为目标，选定直流滤波器的拓扑结构，具体过程为：

4.1)根据直流工程极线避雷器残压和极线设备绝缘水平的要求，预先设定整流站和逆变站直流极线出站处总电压峰值的目标限值；

4.2)根据该目标限值和直流工程的最大极线直流电压值，计算得到直流极线出站处的总谐波电压最大限值；

4.3)根据直流极线出站处不投入直流滤波器时的谐波电压分布和总谐波电压最大限值，将直流滤波器调谐点设定在对直流侧谐波影响最大的谐波次数上，并选择一直流滤波器的拓扑结构，将该直流滤波器带入加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型中；

4.4)设定直流滤波器的主电容值，调节直流系统谐波计算模型中直流滤波器的调谐点和电阻值，求解直流系统谐波计算模型，得到整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值；

4.5)将该总电压峰值与预设的目标限值进行对比，若该总电压峰值低于目标限值，则确定直流滤波器的拓扑结构；若该总电压峰值不低于目标限值，则重复步骤4.4)，依次增加直流滤波器的主电容值，直至整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值低于预设的目标限值，确定直流滤波器的拓扑结构。

2.如权利要求1所述的用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法，其特征在于，所述步骤1)中采用经典公式计算和随机插值的方法，构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在工程各个工况下产生的最大谐波值。

3.如权利要求1所述的用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法，其特征在于，所述直流系统谐波计算模型包括串联等效换相电抗的3脉动谐波电压源、平波电抗器、阻断滤波器、直流滤波器、直流极线和接地极线路的等效模型。

4.如权利要求1所述的用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法，其特征在于，所述整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值为：

其中，U_max是直流极线出站处的总电压峰值；U_hmax是直流极线出站处的总谐波电压值；U_dmax是最大极线直流电压值。

5.如权利要求1所述的用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定方法，其特征在于，所述对直流侧谐波影响最大的谐波次数为12次低频谐波或在直流侧引起谐振的低频谐波。

6.一种用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定系统，其特征在于，包括：

换流阀最大谐波值求解模块，用于构建直流工程的整流站和逆变站中各个换流阀的谐波源计算模型，并求解得到每一换流阀在直流工程各个工况下产生的最大谐波值；

直流系统谐波计算模型构建模块，用于根据直流工程的拓扑结构和参数，构建直流系统谐波计算模型；

谐波获取模块，用于采用平方和方式，合成直流工程送受端的换流阀分别产生的各次谐波，得到直流工程内换流站和极线各点在投入和不投入直流滤波器时的各次谐波；

直流滤波器选定模块，用于根据不投入直流滤波器时直流极线出站口的各次谐波以及加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型，以得到整流站和逆变站直流极线出站处的最低总电压峰值为目标，选定直流滤波器的拓扑结构，包括：

目标限值设定单元，用于根据直流工程极线避雷器残压和极线设备绝缘水平的要求，预先设定整流站和逆变站直流极线出站处总电压峰值的目标限值；

总谐波电压最大限值计算单元，用于根据该目标限值和直流工程的最大极线直流电压值，计算得到直流极线出站处的总谐波电压最大限值；

直流滤波器选择单元，用于根据直流极线出站处不投入直流滤波器时的谐波电压分布和总谐波电压最大限值，将直流滤波器调谐点设定在对直流侧谐波影响最大的谐波次数上，并选择一直流滤波器的拓扑结构，将该直流滤波器带入加入换流阀模型的直流系统谐波计算模型中；

直流系统谐波计算模型求解单元，用于设定直流滤波器的主电容值，调节直流系统谐波计算模型中直流滤波器的调谐点和电阻值，求解直流系统谐波计算模型，得到整流站和逆变站直流极线出站处的总电压峰值；

直流滤波器选定模单元，将该总电压峰值与预设的目标限值进行对比，选定直流滤波器的拓扑结构。

7.如权利要求6所述的用于抑制直流侧谐波电压的直流滤波器的选定系统，其特征在于，所述直流系统谐波计算模型包括串联等效换相电抗的3脉动谐波电压源、平波电抗器、阻断滤波器、直流滤波器、直流极线和接地极线路的等效模型。

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