CN110380402A - 一种直流输电系统中滤波器的选定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流输电系统中滤波器的选定方法及系统，其特征在于，包括以下内容：1)选定直流滤波器和高频滤波器，并将选定的滤波器加入直流输电系统的宽频仿真模型中；2)仿真获得加入和不加入滤波器时宽频仿真模型中的每一换流阀在开通与关断过程中各桥臂两端的电压时域波形，以及换流阀交直流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形；3)分别得到加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中桥臂两端的电压频域波形以及换流阀交直流进出线侧的终端频域负载；4)计算加入和不加入选定的滤波器时各频率下直流输电系统中空间电磁场的值；5)选定直流输电系统中的滤波器，本发明可广泛用于高压直流输电技术领域中。

Description

一种直流输电系统中滤波器的选定方法及系统
技术领域
本发明是关于一种直流输电系统中滤波器的选定方法及系统，属于高压直流输电技术领域。
背景技术
特高压直流输电系统为双极运行，每极各建立一个换流站，换流站包括高压阀厅、低压阀厅和其他设备。换流站是高压直流输电的核心以及交直流电能转换的中心。换流站是由各种不同的电气设备相互连接组成的复杂电网络，其运行状况直接影响整个直流输电系统的安全性和稳定性。换流阀设备在一个工频周期中导通与关断12次，这种快速且持续的电磁骚扰是换流站电磁骚扰环境中最主要的骚扰源。由于换流阀的散射体全部为金属线或金属面导体，采用三维矩量法对换流阀系统产生的电磁辐射进行计算是一种简单且可行的方法。
直流输电系统中的直流滤波器和高频滤波器是针对直流系统的电磁骚扰设置的滤波设备，目前，对滤波器的优化主要采用电路的计算方法，通过解析算法理论计算直流线路上的等效干扰电流和直流系统内的谐波分布，从而对滤波器进行拓扑改进、参数优化，达到最优。然而,这种方法并不直观，且理论计算往往也包含着很多近似。实际系统中往往变量过多，导致解析算法难以覆盖，且这些变量多为时变量，难以准确计算。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种直观且计算准确的直流输电系统中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：一种直流输电系统中滤波器的选定方法，其特征在于，包括以下内容：1)选定直流滤波器和高频滤波器，并将选定的滤波器加入直流输电系统的宽频仿真模型中；2)分别仿真获得加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中的每一换流阀在开通与关断过程中各桥臂两端的电压时域波形，以及换流阀交直流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形；3)采用傅里叶变换，将获得的所有电压时域波形和电流时域波形均变换到频域，分别得到加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中桥臂两端的电压频域波形以及换流阀交直流进出线侧的终端频域负载；4)采用三维矩量法，在换流阀三维有限元模型中，以所有桥臂两端的电压频域波形为激励，加入换流阀交直流进出线侧的终端负载，计算得到加入和不加入选定的滤波器时各频率下直流输电系统中空间电磁场的值；5)比较加入和不加入选定的滤波器时相同频率下空间电磁场的值，若加入选定的滤波器后任一频率下空间电磁场的值均不低于相应不加入选定的滤波器时空间电磁场的值，则进入步骤1)，重新选定一直流滤波器和高频滤波器；反之，则该直流滤波器和高频滤波器为优选的滤波器，完成直流输电系统中滤波器的选定。
进一步，所述直流输电系统的宽频仿真模型的构建过程为：根据换流阀高频寄生参数，采用由电容电阻电抗元件串并联的物理电路模型表示直流输电系统中换流阀各组成部分的宽频模型，其中，换流阀高频寄生参数包括饱和电抗器等效并联电容、阻尼电容损耗等效电阻和阻尼电阻等效并联电容；根据换流阀元件的宽频模型，结合直流输电系统的参数，构建整个直流输电系统的宽频仿真模型。
进一步，所述直流输电系统中换流阀各组成部分包括晶闸管元件、阻尼电容和电抗器。
进一步，所述直流输电系统的参数包括接入交流电网参数、换流变压器电气参数、换流站拓扑参数和换流阀结构参数。
进一步，所述步骤4)中的换流阀三维有限元模型为采用空间电磁场仿真方法建立的包括晶闸管元件、导线和阀塔金属平面的换流阀三维有限元模型。
一种直流输电系统中滤波器的选定系统，其特征在于，包括：滤波器初选模块，用于选定直流滤波器和高频滤波器，并将选定的滤波器加入直流输电系统的宽频仿真模型中；时域波形仿真模块，用于分别仿真获得加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中的每一换流阀在开通与关断过程中各桥臂两端的电压时域波形，以及换流阀交直流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形；频域变换模块，用于采用傅里叶变换，将获得的所有电压时域波形和电流时域波形均变换到频域，分别得到加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中桥臂两端的电压频域波形以及换流阀交直流进出线侧的终端频域负载；计算模块，用于采用三维矩量法，在换流阀三维有限元模型中，以所有桥臂两端的电压频域波形为激励，加入换流阀交直流进出线侧的终端负载，计算得到加入和不加入选定的滤波器时各频率下直流输电系统中空间电磁场的值；滤波器选定模块，用于根据加入和不加入选定的滤波器时相同频率下空间电磁场的值，选定直流输电系统中的滤波器。
进一步，该选定系统还包括仿真模型构建模块，所述仿真模型构建模块包括：宽频模型表示单元，用于根据换流阀高频寄生参数，采用由电容电阻电抗元件串并联的物理电路模型表示直流输电系统中换流阀各组成部分的宽频模型，其中，换流阀高频寄生参数包括饱和电抗器等效并联电容、阻尼电容损耗等效电阻和阻尼电阻等效并联电容；宽频仿真模型构建单元，用于根据换流阀元件的宽频模型，结合直流输电系统的参数，构建整个直流输电系统的宽频仿真模型。
进一步，所述直流输电系统中换流阀各组成部分包括晶闸管元件、阻尼电容和电抗器。
进一步，所述直流输电系统的参数包括接入交流电网参数、换流变压器电气参数、换流站拓扑参数和换流阀结构参数。
进一步，所述计算模块中的换流阀三维有限元模型为采用空间电磁场仿真方法建立的包括晶闸管元件、导线和阀塔金属平面的换流阀三维有限元模型。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过采用不同仿真方法，得到较为准确的空间电磁场的值，以直接校核滤波器的滤波效果。2、本发明采用空间电磁场仿真方法，搭建换流阀的三维有限元模型，通过计算直流输电系统中空间电磁场的值考核滤波器，具有方法简单、直观和计算准确的优点，可以广泛应用于高压直流输电技术领域中。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明实施例中换流阀各组成部分的一种常用宽频模型示意图，其中，图2(a)为换流阀中晶闸管的宽频模型示意图，图2(b)为换流阀中饱和电抗器的宽频模型示意图，图2(c)为换流阀中阻尼电容的宽频模型示意图，图2(d)为换流阀中阻尼电阻的宽频模型示意图；
图3是本发明实施例中宽频仿真模型的示意图；
图4是本发明实施例中换流阀直流高压侧的电压和电流的时域波形、频域波形和终端负载示意图，其中，图4(a)为换流阀直流高压侧的电压时域波形示意图，图4(b)为换流阀直流高压侧的电压频域波形示意图，图4(c)为换流阀直流高压侧的电流时域波形示意图，图4(d)为换流阀直流高压侧的电流频域波形示意图，图4(e)为换流阀直流高压侧的终端负载示意图；
图5是本发明实施例中的换流阀三维有限元模型示意图；
图6是本发明实施例中不加入滤波器的宽频仿真模型和加入滤波器的宽频仿真模型中换流阀相同位置的电磁干扰特性示意图，其中，图6(a)为不加入滤波器的宽频仿真模型中换流阀相同位置电磁干扰特性示意图，图6(b)为加入滤波器的宽频仿真模型中换流阀相同位置作为谐波源的电磁干扰特性示意图。
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。
换流阀开通与关断过程中，电压均会发生突变，这些突变中包含了大量的高频分量，而这些高频分量会通过换流阀阀体本身的宽频电路引起电压振荡。换流阀开通与关断过程产生的一系列暂态电磁骚扰将沿电路传播，通过直接或耦合电气连接进入敏感设备例如控制电路板中等，就产生了电磁骚扰现象。为此，在直流输电系统中加入直流滤波器和高频滤波器设备，对换流阀开通和关断过程中产生的谐波有很好的抑制效果。
因此，如图1所示，本发明提供的直流输电系统中滤波器的选定方法，包括以下步骤：
1)考虑换流阀高频寄生参数，采用由电容电阻电抗元件串并联的物理电路模型表示直流输电系统中换流阀各组成部分(例如晶闸管元件、阻尼电容、电抗器等)的宽频模型，其中，换流阀高频寄生参数包括饱和电抗器等效并联电容、阻尼电容损耗等效电阻和阻尼电阻等效并联电容等参数，电容电阻电抗元件参数采用阻抗分析仪或网络分析仪测量换流阀各组成部分获取，并通过优化算法进行优化，优化算法不具有唯一性，只要能够使建立的宽频模型的阻抗特性与实测的元件阻抗特性拟合度高的优化算法均可使用。
2)根据换流阀元件的宽频模型，结合直流输电系统的参数，构建整个直流输电系统的宽频仿真模型，其中，直流输电系统的参数包括接入交流电网参数、换流变压器电气参数、换流站拓扑参数和换流阀结构参数等，建立直流输电系统宽频仿真模型可以采用PSCAD、MATLAB/SIMULINK、PSPICE或EMTP/ATP等仿真软件。
3)选定某一直流滤波器和高频滤波器，并将选定的滤波器加入构建的宽频仿真模型中。
4)分别仿真获得加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中的每一换流阀在开通与关断过程中各桥臂两端的电压时域波形，以及换流阀交直流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形。
设定宽频仿真模型中第k条桥臂两端的电压时域波形为uk(t)，换流阀交流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形分别为ULac(t)和iLac(t),换流阀直流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形分别为ULdc(t)和iLdc(t)。
5)采用傅里叶变换，将步骤4)中获得的所有电压时域波形和电流时域波形均变换到频域，分别得到加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中桥臂两端的电压频域波形以及换流阀交直流进出线侧的终端频域负载，其中，桥臂两端的电压频域波形为uk(f)，换流阀交流进出线侧的电压频域波形和电流频域波形分别为ULac(f)和iLac(f)，换流阀直流进出线侧的电压频域波形和电流频域波形分别为ULdc(f)和iLdc(f)，电压频域波形ULdc(f)、ULac(f)和对应的电流频域波形iLdc(f)、iLac(f)相除得到换流阀交流进出线侧的终端负载ZLac(f)和换流阀直流进出线侧的终端负载ZLdc(f)。
6)采用空间电磁场仿真方法，建立包括晶闸管元件、导线和阀塔金属平面的换流阀三维有限元模型，其中，空间电磁场仿真方法为现有技术公开的方法，具体过程在此不多做赘述。
7)采用三维矩量法，在步骤6)建立的换流阀三维有限元模型中，以所有桥臂两端的电压频域波形uk(f)为激励，加入换流阀交直流进出线侧的终端负载ZLdc(f)和ZLac(f)，计算得到加入和不加入选定的滤波器时各频率下直流输电系统中空间电磁场的值，从而得到各频率下的电磁场分布。
8)比较加入和不加入选定的滤波器时相同频率下空间电磁场的值，若加入选定的滤波器后任一频率下空间电磁场的值均不低于相应不加入选定的滤波器时空间电磁场的值，则进入步骤3)，重新选定一直流滤波器和高频滤波器；若加入选定的滤波器后每一频率下空间电磁场的值均低于相应不加入选定的滤波器时空间电磁场的值，则该直流滤波器和高频滤波器为优选的滤波器，完成直流输电系统中滤波器的选定。
下面以某±800kV/5000A特高压直流输电工程正极高端双十二脉动换流阀为具体实施例详细说明本发明的高压直流换流阀谐波源建模及滤波器选定方法，其中，该±800kV/5000A特高压直流输电工程正极高端双十二脉动换流阀中阀塔采用二重阀结构，仿真工况为换流阀稳态运行工况：
1)通过阻抗分析仪测量得到直流输电系统中换流阀各组成部分：晶闸管元件、阻尼电阻、阻尼电容和电抗器的电容电阻电抗元件参数，经过拟合，采用电容电抗电阻元件串并联的物理电路模型表示直流输电系统中换流阀各组成部分的宽频模型，如图2所示，其中，图2(a)为晶闸管宽频模型，由电容Cthy、电阻Rthy和电感Lthy串联组成；图2(b)为饱和电抗器宽频模型，由并联电阻Rm、并联电感Lm、并联电容Cp、串联电阻Rs和串联电感Llead组成；图2(c)阻尼电容宽频模型，由电容Ccb、电阻Rcb和电感Lcb串联而成；图2(d)为阻尼电阻宽频模型，由串联电感Lrb、串联电阻Rrb和并联电容Crb组成。图2中不同组成部分的宽频模型中的电容电抗电阻元件如Rthy、Rthy、Lm等，其参数如下表1所示：
表1：换流阀各组成部分的宽频模型参数
元件 宽频模型参数
晶闸管 R<sub>thy</sub>＝414.05mΩ、L<sub>thy</sub>＝86.210nH、C<sub>thy</sub>＝61.679nF
阻尼电阻 R<sub>rb</sub>＝45.389Ω、L<sub>rb</sub>＝5.8814uH、C<sub>rb</sub>＝11.2358pF
两柱阻尼电容 R<sub>cb2</sub>＝-6.0602Ω、L<sub>cb2</sub>＝405.88nH、C<sub>cb2</sub>＝4.437uF
三柱阻尼电容12柱 R<sub>cb3</sub>＝-1.3294Ω、L<sub>cb3</sub>＝423.35nH、C<sub>cb3</sub>＝4.743uF
电抗器 L<sub>m</sub>＝0.35mH、R<sub>m</sub>＝354.552Ω、C<sub>p</sub>＝80.185pF、L<sub>lead</sub>＝0.98uH、R<sub>s</sub>＝0.4mΩ
2)根据换流阀元件的宽频模型，结合±800kV/5000A特高压直流输电系统的参数，在PSCAD软件中构建直流输电系统的宽频仿真模型，如图3所示，±800kV/5000A特高压直流输电系统参数如下表2所示：
表2：±800kV/5000A特高压直流输电系统参数
3)选定某一直流滤波器和高频滤波器，并将选定的滤波器加入构建的宽频仿真模型中。
4)分别仿真获得加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中的每一换流阀在开通与关断过程中各桥臂两端的电压时域波形，以及换流阀交直流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形。
5)采用傅里叶变换，将步骤4)中获得的所有电压时域波形和电流时域波形均变换到频域，分别得到加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中桥臂两端的电压频域波形以及换流阀交直流进出线侧的终端频域负载，如图4(a)至4(e)所示。综合上述分析结果，汇总桥臂两端的电压频域波形及换流阀交直流进出线侧的阻抗如下表3所示：
表3：桥臂两端的电压频域波形及换流阀交直流进出线侧的终端负载
6)采用空间电磁场仿真方法，建立包括晶闸管元件、导线和阀塔金属平面的换流阀三维有限元模型，如图5所示。
7)在步骤6)建立的换流阀三维有限元模型中，以所有桥臂两端的电压频域波形uk(f)为激励，加入换流阀交直流进出线侧的终端负载ZLdc(f)和ZLac(f)，计算得到加入和不加入选定的滤波器时各频率下直流输电系统中空间电磁场的值，从而得到各频率下的电磁场分布。
8)比较加入和不加入选定的滤波器时相同频率下空间电磁场的值，此实施例以换流阀短边中轴方向上在0.5MHz、0.8MHz、1MHz、1.5MHz、2MHz、2.5MHz和3MHz频率下的电磁骚扰强度为例，对比结果如下表4所示，其中，频率为0.5MHz时，加入和不加入选定的滤波器时的空间电磁场强度仿真结果如图6(a)和图6(b)所示。
表4：换流阀短边中轴方向上的空间电磁场强度最大/最小值(单位：dBV/m)
对比上表4可知，加入选定的滤波器后每一频率下空间电磁场的值均低于相应不加入选定的滤波器时空间电磁场的值，说明选定的滤波器参数合理，为优选的滤波器，完成直流输电系统中滤波器的选定。
基于上述直流输电系统中滤波器的选定方法，本发明还提供一种直流输电系统中滤波器的选定系统，包括：
滤波器初选模块，用于选定直流滤波器和高频滤波器，并将选定的滤波器加入宽频仿真模型中；时域波形仿真模块，用于分别仿真获得加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中的每一换流阀在开通与关断过程中各桥臂两端的电压时域波形，以及换流阀交直流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形；频域变换模块，用于采用傅里叶变换，将获得的所有电压时域波形和电流时域波形均变换到频域，分别得到加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中桥臂两端的电压频域波形以及换流阀交直流进出线侧的终端频域负载；计算模块，用于采用三维矩量法，在换流阀三维有限元模型中，以所有桥臂两端的电压频域波形为激励，加入换流阀交直流进出线侧的终端负载，计算得到加入和不加入选定的滤波器时各频率下直流输电系统中空间电磁场的值；滤波器选定模块，用于根据加入和不加入选定的滤波器时相同频率下空间电磁场的值，选定直流输电系统中的滤波器。
在一个优选的实施例中，该选定系统还包括仿真模型构建模块，其中，仿真模型构建模块包括：
宽频模型表示单元，用于根据换流阀高频寄生参数，采用由电容电阻电抗元件串并联的物理电路模型表示直流输电系统中换流阀各组成部分的宽频模型；宽频仿真模型构建单元，用于根据换流阀元件的宽频模型，结合直流输电系统的参数，构建整个直流输电系统的宽频仿真模型。
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 (10)

1.一种直流输电系统中滤波器的选定方法，其特征在于，包括以下内容：
1)选定直流滤波器和高频滤波器，并将选定的滤波器加入直流输电系统的宽频仿真模型中；
2)分别仿真获得加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中的每一换流阀在开通与关断过程中各桥臂两端的电压时域波形，以及换流阀交直流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形；
3)采用傅里叶变换，将获得的所有电压时域波形和电流时域波形均变换到频域，分别得到加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中桥臂两端的电压频域波形以及换流阀交直流进出线侧的终端频域负载；
4)采用三维矩量法，在换流阀三维有限元模型中，以所有桥臂两端的电压频域波形为激励，加入换流阀交直流进出线侧的终端负载，计算得到加入和不加入选定的滤波器时各频率下直流输电系统中空间电磁场的值；
5)比较加入和不加入选定的滤波器时相同频率下空间电磁场的值，若加入选定的滤波器后任一频率下空间电磁场的值均不低于相应不加入选定的滤波器时空间电磁场的值，则进入步骤1)，重新选定一直流滤波器和高频滤波器；反之，则该直流滤波器和高频滤波器为优选的滤波器，完成直流输电系统中滤波器的选定。
2.如权利要求1所述的一种直流输电系统中滤波器的选定方法，其特征在于，所述直流输电系统的宽频仿真模型的构建过程为：
根据换流阀高频寄生参数，采用由电容电阻电抗元件串并联的物理电路模型表示直流输电系统中换流阀各组成部分的宽频模型，其中，换流阀高频寄生参数包括饱和电抗器等效并联电容、阻尼电容损耗等效电阻和阻尼电阻等效并联电容；
根据换流阀元件的宽频模型，结合直流输电系统的参数，构建整个直流输电系统的宽频仿真模型。
3.如权利要求2所述的一种直流输电系统中滤波器的选定方法，其特征在于，所述直流输电系统中换流阀各组成部分包括晶闸管元件、阻尼电容和电抗器。
4.如权利要求2所述的一种直流输电系统中滤波器的选定方法，其特征在于，所述直流输电系统的参数包括接入交流电网参数、换流变压器电气参数、换流站拓扑参数和换流阀结构参数。
5.如权利要求1所述的一种直流输电系统中滤波器的选定方法，其特征在于，所述步骤4)中的换流阀三维有限元模型为采用空间电磁场仿真方法建立的包括晶闸管元件、导线和阀塔金属平面的换流阀三维有限元模型。
6.一种直流输电系统中滤波器的选定系统，其特征在于，包括：
滤波器初选模块，用于选定直流滤波器和高频滤波器，并将选定的滤波器加入直流输电系统的宽频仿真模型中；
时域波形仿真模块，用于分别仿真获得加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中的每一换流阀在开通与关断过程中各桥臂两端的电压时域波形，以及换流阀交直流进出线侧的电压时域波形和电流时域波形；
频域变换模块，用于采用傅里叶变换，将获得的所有电压时域波形和电流时域波形均变换到频域，分别得到加入和不加入选定的滤波器时宽频仿真模型中桥臂两端的电压频域波形以及换流阀交直流进出线侧的终端频域负载；
计算模块，用于采用三维矩量法，在换流阀三维有限元模型中，以所有桥臂两端的电压频域波形为激励，加入换流阀交直流进出线侧的终端负载，计算得到加入和不加入选定的滤波器时各频率下直流输电系统中空间电磁场的值；
滤波器选定模块，用于根据加入和不加入选定的滤波器时相同频率下空间电磁场的值，选定直流输电系统中的滤波器。
7.如权利要求6所述的一种直流输电系统中滤波器的选定系统，其特征在于，该选定系统还包括仿真模型构建模块，所述仿真模型构建模块包括：
宽频模型表示单元，用于根据换流阀高频寄生参数，采用由电容电阻电抗元件串并联的物理电路模型表示直流输电系统中换流阀各组成部分的宽频模型，其中，换流阀高频寄生参数包括饱和电抗器等效并联电容、阻尼电容损耗等效电阻和阻尼电阻等效并联电容；
宽频仿真模型构建单元，用于根据换流阀元件的宽频模型，结合直流输电系统的参数，构建整个直流输电系统的宽频仿真模型。
8.如权利要求6所述的一种直流输电系统中滤波器的选定系统，其特征在于，所述直流输电系统中换流阀各组成部分包括晶闸管元件、阻尼电容和电抗器。
9.如权利要求6所述的一种直流输电系统中滤波器的选定系统，其特征在于，所述直流输电系统的参数包括接入交流电网参数、换流变压器电气参数、换流站拓扑参数和换流阀结构参数。
10.如权利要求6所述的一种直流输电系统中滤波器的选定系统，其特征在于，所述计算模块中的换流阀三维有限元模型为采用空间电磁场仿真方法建立的包括晶闸管元件、导线和阀塔金属平面的换流阀三维有限元模型。
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