畢業(yè)設計（論文）題目：特高壓直流輸電原理及設計所屬院（系）電子信息工程學院2012年5月28日畢業(yè)設計（論文）任務書學院（直屬系）：電子信息工程學院時間：2012年4月17日學生姓名指導教師設計（論文）題目特高壓直流輸電原理與設計主要研究內容本課題著重研究特高壓直流輸電系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)特高壓直流輸電。在設計中研究通過換流站以實現(xiàn)將交流變直流，直流變交流，利用平波電抗器抑制紋波，研究交、直流濾波器，及兩換流站無功補償方案。研究方法從理論和仿真角度研究直流輸電可行性及關鍵技術主要技術指標(或研究目標)根據(jù)設計的任務，系統(tǒng)實現(xiàn)將交流低電壓升為交流高壓，經過整流變?yōu)橹绷鞲邏海闷讲娍蛊魇怪绷鹘咏硐耄瑐鬏敽蠼涍^逆變成為交流高壓，再經變壓器輸出交流低電壓，在兩換流站間建立無功補償，提高功率因數(shù)，降低線路損耗。教研室意見教研室主任（專業(yè)負責人）簽字：年月日說明：一式兩份，一份裝訂入學生畢業(yè)設計（論文）內，一份交學院（直屬系）。目錄摘要 IIIABSTRACT IV第一章引言 -1-1.1研究背景 -1-1.2國內外研究現(xiàn)狀 -2-1.3本文主要內容 -3-第二章系統(tǒng)總體設計 4第三章?lián)Q流站工作原理 63.1換流站基本介紹 63.2換流站接線原理 63.3換流站工作原理 8第四章?lián)Q流站無功補償裝置 94.1換流站無功補償原理 94.1.1換流站無功因數(shù) 94.1.2換流器消耗無功功率分析 94.2無功補償裝置類型 124.2.1容性無功補償裝置容量確定 124.2.2感性無功補償裝置容量確定 134.2.3無功補償與交流濾波器的協(xié)調 134.2.4靜止無功補償裝置 144.3無功補償裝置分組 144.3.1無功小組容量估算 154.3.2無功大組容量確定 154.4無功功率控制 164.4.1不平衡無功控制 174.4.2交流電壓控制 184.4.3可投切高壓電抗器控制 194.4.4交流系統(tǒng)其他無功補償設備投切控制 194.4.5連續(xù)調節(jié)無功補償裝置 19第五章濾波器設計 215.1PLCI產生的原因及其抑制方法 215.1.1PLCI產生的原因 215.1.2PLCI的抑制方法 215.2RI產生的原因及其抑制方法 225.2.1RI產生的原因 225.2.2RI的抑制方法 235.3換流站交流側濾波 235.3.1濾波系統(tǒng)分類 235.4換流站直流側濾波器 27第六章基于MATLAB/Simulink的直流輸電仿真 296.1軟件介紹 296.1.1MATLAB語言的特點 296.1.2MATLAB在電力系統(tǒng)中的應用 306.2直流輸電仿真 316.2.1模塊設計 316.2.2仿真結果 33參考文獻 35致謝 36摘要特高壓直流輸電系統(tǒng)存在很多優(yōu)勢，它的發(fā)展也越來越得到重視,目前直流輸電技術逐漸被廣泛應用在實際工程中。特高壓直流輸電在運行過程中，換流站需要消耗大量的無功功率。為保證換流站以及交流系統(tǒng)安全可靠運行，需要對換流站無功補償進行研究。換流站交直流側會產生大量干擾，必須在換流站裝設高頻濾波器加以抑制。本文闡述了高壓直流輸電工程系統(tǒng)設計，對其系統(tǒng)設計所涉及的一些問題進行了全面探討，包括換流站如何選擇，結合高壓直流輸電換流站無功消耗及無功控制理論及濾波器的設計，在MATLAB/Simulink環(huán)境下，利用電力系統(tǒng)模塊建立仿真模型，進行系統(tǒng)仿真，得出相應的仿真圖形。通過對直流輸電系統(tǒng)的整體設計及其仿真波形，我們明白的看到直流系統(tǒng)在輸電時的優(yōu)勢,特別是它的穩(wěn)定性是很高的。關鍵詞：高壓直流輸電，無功補償，濾波器ABSTRACTUltraHighVoltageDirecttransmissionsystemshasmanyadvantages,itsdevelopmentgetmoreandmoreattention.Nowthistechnologyiswidelyusedinpracticalengineering.InUltraHighVoltageDirecttransmissionsystems,bothrectifierandinverterconsumeagreatdealofreactivepower.Toensurethestabilityofbothconverterstationandacsystem,itisessentialtoresearchconverterstation’sreactionpowercompensation.AgreatdealofhighOrderharmonicsatthebothsidesofconverterstationsmustberestrainedbyhighfrequencyfilter.Inthispaper,thedesignofHighVoltageDirecttransmissionsystemisgiven.Someproblemsconcernedinsystemdesignarecomprehensivelyresearched.Itincludethathowtochoosebothrectifierandinverter.WiththeclassicreactivetheoryoftraditionalUltraDirectCurrentandhighfrequencyfiltersthesimulationmodelsoftheHighVoltageDirectCurrentanditscontrollerarebuiltindetailbySystemBlockinMATLAB/Simulink.Withthismodel,thesystemreflectssteadystate.Simulationresultsshowthemodel.BasedontheHighVoltageDirecttransmissionsystemdesignandsimulationwaveforms,weclearlyfindtheadvantagesofHighVoltageDirecttransmissionsysteminpowertransmission.Especiallyitsstabilityisveryhigh.Keywords:UltraHighVoltageDirectCurrent,reactivepowercompensation,filters.第一章引言1.1研究背景隨著經濟的發(fā)展，各種用電量也在加速增長，而高壓直流輸電對于輸送大容量的電具有絕對的優(yōu)勢，如超大容量、超遠距離、低損耗的送電特點，使得輸電系統(tǒng)對特高壓直流輸電技術的要求也越來越高。高壓直流(HighVoltageDirectCurrent，HVDC)輸電技術是電力電子技術在電力系統(tǒng)輸電領域中應用最早同時也是較為成熟的技術。目前，我國已經建設了多個高壓直流輸電工程。直流輸電相對交流輸電的優(yōu)點:（1）直流輸電架空線路只需正負兩級導線、桿塔結構簡單、線路造價的低、損耗小。（2）直流電纜線路輸送容量大、造價低、損耗小、不易老化、壽命長，且輸送距離不受限制。（3）直流輸電不存在交流輸電的穩(wěn)定問題，有利于遠距離大容量送電。（4）采用直流輸電實現(xiàn)電力系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)網，被聯(lián)電網可以是額定頻率不同的電網，也可以是額定頻率相同但非同步運行的電網；被聯(lián)電網可保持自己的電能質量而獨立運行，不受聯(lián)網的影響；被聯(lián)電網之間交換的功率可快速方便的進行控制，有利于運行和管理。（5）直流輸電輸送的有功功率和換流器消耗的無功功率均可由控制系統(tǒng)進行控制，可利用這種快速可控性來改善交流系統(tǒng)的運行性能。（6）在直流電的作用下，只有電阻起作用，電感和電容均不起作用，直流輸電采用大地為回路，直流電流則向電阻率很低的大地深層流去，可很好的利用大地這個良導體。（7）直流輸電可方便的進行分期建設和增容擴建，有利于發(fā)揮投資效益。（8）直流輸電輸送的有功及兩端換流站消耗的無功均可用手動或自動方式進行快速控制，有利于電網的經濟運行和現(xiàn)代化管理。直流輸電的應用范圍取決于直流輸電技術的發(fā)電水平和電力工業(yè)發(fā)展的需要。交流輸電在大多數(shù)情況下投資省，運行靈活方便，技術比較成熟，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用。目前直流輸電技術的發(fā)展水平不高，直流輸電還只是交流輸電的補充。隨著國民經濟的增長，中國用電需求不斷增加，中國的自然條件以及能源和負荷中心的分布特點使得超遠距離、超大容量的電力傳輸成為必然，為減少輸電線路的損耗和節(jié)約寶貴的土地資源，需要一種經濟高效的輸電方式。特高壓直流輸電技術恰好迎合了這一要求。1.2國內外研究現(xiàn)狀20世紀80年代前蘇聯(lián)曾動工建設哈薩克斯坦-中俄羅斯的長距離直流輸電工程，輸送距離為2400km，電壓等級為±750kV，輸電容量為6GW；巴西和巴拉圭兩國共同開發(fā)的伊泰普工程采用了±600kV直流和765kV交流的超高壓輸電技術，第一期工程已于1984年完成，1990年竣工，運行正常；1988至1994年為了開發(fā)亞馬遜河的水力資源，巴西電力研究中心和ABB組織了包括±800kV特高壓直流輸電的研發(fā)工作，后因工程停止而終止了研究工作。我國是能源消耗大國，煤炭消費全球第一，電力消費僅次于美國，居世界第二，提高我國能源的開發(fā)和利用效率十分必要。同時發(fā)電能源和用電負荷的分布又極不均衡。華東、華南沿海地區(qū)經濟發(fā)達，電力市場空間大，能源卻最為匱乏；西部地區(qū)經濟發(fā)展相對落后，用電水平和需求低，而能源資源豐富。根據(jù)我國生產力水平的發(fā)展狀況，能源需求主要來自于東部、中部發(fā)達地區(qū)，而用于發(fā)電的水能、煤炭資源則主要集中在西部、北部地區(qū)。能源的分布和消費不平衡決定了能源必將在全國范圍內實現(xiàn)優(yōu)化配置。而特高壓直流輸電具備超大容量、超遠距離、低損耗的送電特點，適用于大型發(fā)電基地向遠距離負荷中心輸送電力。通過建設特高壓直流輸電網，將電能大規(guī)模、高效地從西部、北部地區(qū)輸送到東部、中部地區(qū)，有利于將這些地區(qū)的資源優(yōu)勢轉化為經濟優(yōu)勢，實現(xiàn)區(qū)域經濟的協(xié)調發(fā)展；并且在西部、北部人口相對較少的地區(qū)發(fā)展大型煤炭和發(fā)電企業(yè)，提高這些高能耗企業(yè)的集約水平，可以提高資源的開發(fā)利用效率，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。對±500kV超高壓直流輸電工程無功功率的研究比較深入。±800kV特高壓直流不僅輸送容量大、損耗小、送電距離遠，而且可以節(jié)約寶貴的輸電走廊資源，提高輸電通道走廊的利用率。特別是對于受端電網，換流站站址、接地極與接地線線路走廊的選擇非常困難，±800kV特高壓直流輸電方案不僅降低了工程實施的難度，而且更重要的是符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。因此特高壓直流輸電技術是我國電力跨區(qū)域大規(guī)模輸送的必然選擇。“十一五”云南至廣東±800kV特高壓直流輸電工程已于2006年12月開工建設，“十一五”至“十三五”期間規(guī)劃建設的特高壓直流輸電工程還有7至9個。目前，特高壓直流輸電技術在全世界都還沒有成熟的應用經驗，在可行性研究階段不僅需要對電磁環(huán)境影響、絕緣配合和外絕緣特性等關鍵技術進行研究，而且還需要結合特高壓的特點對輸電方案擬定、換流站站址及接地極極址選擇、線路路徑選擇以及系統(tǒng)方案比較等主要技術原則進行充分論證，才能為項目業(yè)主和政府主管部門提供可靠的決策依據(jù)。1.3本文主要內容本課題著重研究特高壓直流輸電系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)特高壓直流輸電。在設計中研究交流電通過換流站以實現(xiàn)將交流變直流，直流變交流，研究交、直流濾波器，及兩換流站無功補償方案。第二章系統(tǒng)總體設計目前電力系統(tǒng)中的發(fā)電和用電的絕大部分均為交流電，要采用直流輸電必須進行換流。在送端需要將交流電變換為直流電，即整流，經直流輸電線路將電能送往受端；而在受端又必須將直流電變換為交流電即逆變，然后才能送到受端的交流系統(tǒng)中去，供用戶使用。以常規(guī)高壓直流輸電系統(tǒng)為例，進行介紹。圖2.1為常規(guī)直流輸電系統(tǒng)構成原理圖。圖2.1常規(guī)直流輸電系統(tǒng)構成原理圖直流輸電工程是以直流電的方式實現(xiàn)電能傳輸?shù)墓こ獭Ｒ捎弥绷鬏旊姳仨氝M行換流，在送端需要將交流電變換為直流電，即整流，經過直流輸電線路將電能送往受端；而在受端又必須將直流電變換為交流電，即逆變，然后才能送往受端的交流系統(tǒng)中去，供用戶使用。直流輸電系統(tǒng)的構成主要有整流站、逆變站和直流輸電三部分。對于可進行功率反送的直流輸電工程，其換流站既可以作為整流站運行，又可以作為逆變站運行。功率正送時的整流站在功率反送時為逆變站，而正送時的逆變站在反送時為整流站。整流站和逆變站的主接線和一次設備基本相同，其主要差別在于控制和保護系統(tǒng)的功能不同。特高壓直流輸電系統(tǒng)原理圖見圖2.2。圖中，晶閘管模塊為一個12脈動換流器。特高壓直流輸電工作原理為：整流站從左邊交流系統(tǒng)吸收有功功率，通過兩組串聯(lián)形式的12脈動換流器將其轉變?yōu)橹绷麟姟Ｖ绷鬏旊娋€路將直流電送至遠方的逆變站，再由2組12脈動換流器串聯(lián)形式的換流器將直流電轉變?yōu)榻涣麟姡腿胗疫吔涣飨到y(tǒng)。其中，直流輸電線路為雙極架空導線。圖2.2特高壓直流輸電原理圖特高壓直流輸電與常規(guī)直流輸電的其中一個很大區(qū)別在于換流器的接線方式不同。常規(guī)直流輸電采用每極一組12脈動換流器接線方式，而特高壓直流輸電的換流器則是每極2組12脈動換流器接線方式。若每極1組換流器，則換流變壓器的容量遠遠超過目前設備制造的最大能力，且換流變壓器尺寸和重量巨大，無法運輸，只能選擇每極2組換流器方案。第三章?lián)Q流站工作原理3.1換流站基本介紹直流輸電換流站由基本換流單元組成，基本換流單元是在換流站內允許獨立運行，進行換流的換流系統(tǒng)，主要包括換流變壓器、換流器、相應的交流濾波器和直流濾波器以及控制保護裝置等。目前工程上所采用的基本換流單元主要是12脈動換流單元，12脈動換流器的優(yōu)點之一是其直流電壓質量好，所含的諧波成分少。接下來主要就12脈動換流單元進行分析。3.2換流站接線原理每極兩組基本換流單元的接線方式，有串聯(lián)和并聯(lián)方式兩種，串聯(lián)方式每組基本換流單元的直流電壓為直流極電壓的，其直流電流為直流極電流；并聯(lián)方式每組基本換流單元的直流電流為直流極電流的，其直流電壓為直流極電壓。每極兩組12脈動換流器的串聯(lián)方式和并聯(lián)方式兩種接線方式，分別如圖2.3和2.4所示。根據(jù)特高壓直流輸電工程的技術條件和目前的制造水平，我國將一律采用每極2組換流器串聯(lián)的接線方式，如圖2.3所示。而圖2.4為并聯(lián)接線方式。圖2.3每極兩組12脈動換流單元串聯(lián)方式原理接線圖圖2.4每極兩組12脈動換流單元并聯(lián)方式原理接線圖12脈動換流單元是由交流側電壓相位相差的6脈動換流單元在直流側串聯(lián)而在交流側并聯(lián)所組成。12脈動換流單元可以采用雙繞組換流變壓器或三繞組換流變壓器。為了得到換流變壓器閥繞組的電壓相位相差，其閥側繞組的接線方式，必須一個為星形接線，另一個為三角形接線。針對每極兩組12脈動換流器串聯(lián)接線方式，兩組12脈動換流器電壓可以從（600+200）kV、（500+300）kV和（400+400）kV（注：前者為低端12脈動換流器兩端電壓，后者為高端12脈動換流器兩端電壓）分配方案中優(yōu)選。（600+200）kV換流器方案中，低壓端600kV換流器所接換流變壓器容量大，超出了運輸條件的限制，因此不能采用該方案。（400+400）kV換流器接線方案，每極高、低端12脈動換流器兩端設計電壓相同，運行方式靈活。綜合比較換流變壓器、換流閥、其他設備參數(shù)以及直流輸電的運行靈活性，（400+400）kV換流器方案較（500+300）kV方案總體占優(yōu)，因此我國±800kV特高壓直流輸電工程中采用（400+400）kV的換流器電壓分配接線方案。在（400+400）kV換流器接線方案中，每一組12脈動換流器均可獨立運行。正常運行時，如果有一個12脈動換流器發(fā)生故障，由控制系統(tǒng)的相關順序控制來操作兩側的直流旁路開關，完成故障換流單元的隔離。同時，在發(fā)生故障的12脈動換流器故障清除后，控制系統(tǒng)的順序控制還應在另一組未發(fā)生故障的12脈動換流器不停運的情況下，將清除故障后的12脈動換流器投入運行。在功率正送和功率反送的情況下，特高壓直流輸電系統(tǒng)一兩組12脈動換流器串聯(lián)的接線可以有如下種類的運行方式：（1）完整雙極運行方式。每極2組換流器均投入運行。（2）雙極運行方式。當某一極的1組換流器故障時，正常組12脈動換流器繼續(xù)維持運行，與另外一極的換流器一起，構成3組12脈動換流器運行，從而保障額定輸出功率的直流功率輸送，提高了特高壓直流輸電的運行靈活性。（3）雙極運行方式。每極投入1組12脈動換流器，雙極共2組12脈動換流器投入運行，為400kV雙極運行方式。（4）完整單極運行方式。可以組成以下4種運行方式：正極金屬回線、負極金屬回線、正極大地回線、負極大地回線運行方式。（5）單極運行方式。只有一個極的一組12脈動換流器投入運行，是一個400kV單極運行方式。（6）開路試驗（OpenLineTest，OLT）。共有8種試驗方式，包含完整單極運行方式4種以及單極運行方式（單換流器帶直流開關場和線路）4種。其中，完整4種單極運行方式OLT試驗分別為正、負極OLT試驗各一種，一極OLT試驗同時另一極OLT正常運行各一種。3.3換流站工作原理常規(guī)高壓直流輸電的換流器（包含整流器和逆變器）由半控型的晶閘管器件組成，故常規(guī)高壓直流輸電的換流器只能采取電網（源）換流方式。換流器是高壓直流輸電系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)。用于高壓直流輸電的換流器都采用三相橋式接線方式。每換流閥由6個橋臂（也稱為換流閥）組成，接于三相交流系統(tǒng)。6個換流閥以基波周期的等相位間隔依次輪流觸發(fā)，稱6脈動換流器。三相橋式電路通過其有規(guī)律的開通與關斷，即電路拓撲結構不斷發(fā)生改變，而實現(xiàn)交流-直流的相互轉變。整流器的換流是借助于換流變壓器閥側繞組的兩相短路電流來實現(xiàn)的。逆變器與整流器極性相反逆變器要求其所接的交流系統(tǒng)提供換相電壓和電流。通常，高壓直流輸電采用雙極方式，即每一換流站由正負極兩組換流器組成。有時每極由兩組換流器在直流側串聯(lián)而成。此時，為了得到脈動更小的直流電壓波形，兩組換流器的交流電源電勢相位差。相應地，閥的觸發(fā)脈沖也相差，形成12脈動換流器。第四章?lián)Q流站無功補償裝置4.1換流站無功補償原理4.1.1換流站無功因數(shù)由于觸發(fā)角和換相角的存在，使得整流器交流側的電流總是滯后其電壓，即整流器在運行中需要吸收無功功率。其中，（1）整流器基波功率因數(shù)為（4-1）可近似認為基波功率因數(shù)角為（4-2）（2）逆變器基波功率因數(shù)為（4-3）越前的基波功率因數(shù)角定義為電流相量越前于負的相電壓相量之間的相位角，則近似為（4-4）以上各式中，為整流器交流側基波功率因數(shù)角；分別為整流器和逆變器的換相角；為熄弧角。由式（4-1）和式（4-3）可見，換流器的功率因數(shù)與觸發(fā)角（或熄弧角）及換相角有關。隨著觸發(fā)角（或熄弧角）的增加，功率因數(shù)變小，換流器需要吸收更多的無功功率。4.1.2換流器消耗無功功率分析采用電網換相的換流器不管處于整流還是逆變運行狀態(tài)，都需要從系統(tǒng)吸收無功，即換流器對于交流系統(tǒng)而言總是一種無功負荷。根據(jù)換流原理可知，換流器消耗的無功功率可由下式表示（4-5）其中（4-6）（4-7）式中，為換流器理想空載直流電壓，kV，V；P為換流器直流側功率，MW；為換流器無功消耗，Mvar；為換流器的功率因數(shù)角，°；為換相角，；為每相的換相電抗，；為直流運行電流，kA；為整流器觸發(fā)角，；為換流變壓器閥側繞組空載線電壓有效值，kV；為極直流電壓，kV。當換流器以逆變方式運行時，式中的用代替，為逆變側熄弧角，。從上述計算公式可以看出，換流器吸收的無功功率除受有功功率影響外，還與其他很多運行參數(shù)相關，其中最為靈敏的是觸發(fā)角和熄弧角。本節(jié)重點結合直流輸電工程的實際需要，重點介紹換流器的無功功率運行軌跡和在直流輸電工程設計中對換流器無功功率控制這兩方面的問題。換流器無功功率運行軌跡是指換流器吸收的無功功率隨換流器功率的變化曲線。不同的運行方式有不同的無功功率軌跡，如逆變器定熄弧角控制、整流器定觸發(fā)角控制、換流器定電流控制和定電壓控制時的無功功率軌跡等。在實際利用無功功率軌跡時要考慮兩方面的問題，第一是設備額定值和運行參數(shù)的限制，主要考慮換流變壓器受絕緣配合限制的最大理想空載運行電壓，受換流變壓器分接頭范圍限制而可能達到的最小理想空載運行電壓；由于晶閘管元件觸發(fā)一致性的要求而允許的最小觸發(fā)角限制；由于換流閥冷卻要求而允許的最大長期穩(wěn)態(tài)運行觸發(fā)角限制；由于防止逆變器換相失敗而要求的最小穩(wěn)態(tài)熄弧角限制；受換流閥和其他主回路設備限制而允許的最大穩(wěn)態(tài)運行電流限制等。第二是參變量的改變，主要是交流母線電壓的變化和換流變壓器分接頭的改變等。圖4.1所示為換流器理論上可能的無功功率軌跡。這一軌跡圖表明，換流器的無功消耗可以相差很大，這就為合理利用換流器參與無功電壓控制提供了理論依據(jù)。圖4.1換流器各種運行方式的無功功率軌跡P-換流器傳輸?shù)挠泄β剩籕-換流器吸收的無功功率；1-整流器最小觸發(fā)角控制；2-逆變器定熄弧角控制；3-換流器定直流電流控制；4-換流器定無功功率控制；5-換流器定有功功率控制；6-換流器定最小直流電流控制；7-整流器定最大觸發(fā)角控制；8-換流器定直流電壓控制在實際運行中，人們經常是從兩個方面來利用換流器的無功功率軌跡。一方面，對于正常的運行區(qū)域，尤其是換流功率接近額定直流功率的區(qū)域，需要采用各種可能的控制方式，使得換流器消耗的無功功率最小。對于逆變器，采用定熄弧角控制方式可以最容易達到這一目的。當采用定整流側直流電壓時，一般需要配備合理的換流變壓器分接頭控制，為了既保證整流器不輕易失去定電流控制的能力，又盡可能地減少無功消耗，需配備換流變壓器分接頭控制，使整流器觸發(fā)角盡可能小。另一方面，當換流器運行功率遠小于額定功率時，為了濾波器的要求，需要投入一定的濾波器，使得換流站無功過剩，因而需要換流器多吸收無功；或者當交流系統(tǒng)較弱，對換流站不平衡無功特別敏感時，需要利用換流器進行無功功率控制。此時最大觸發(fā)角常常是主要的限制因素。特高壓換流站無功補償容量應按直流系統(tǒng)正向、全壓、雙極額定運行方式確定，并應計算交流系統(tǒng)的無功能力；功率反送運行方式不作為計算長距離直流輸電工程換流站無功補償容量的校核方式。4.2無功補償裝置類型由于換流器的運行總是伴隨著無功功率的消耗，因此每一個換流站都必須裝設無功補償裝置。換流站無功補償裝置是指用于補償換流器消耗的無功功率而需要安裝的無功設備。由于這些無功補償裝置的特性各異，每個直流輸電工程設置何種類型的無功補償裝置是由交直流系統(tǒng)無功平衡及功率特性共同決定的。目前世界上已有換流站的無功補償裝置主要有三大類：第一類，機械投切式電容器和電抗器。其中電容器由于濾波要求是必須的。最小濾波電容容量約占換流容量的30%。第二類，靜止無功補償裝置。當換流站所在電網較薄弱時，電壓控制困難，有時甚至可能發(fā)生電壓穩(wěn)定問題，此時可以考慮裝設靜止無功補償裝置。這種設計由于控制系統(tǒng)的相互影響，有一定的缺點，應用不是十分廣泛。第三類，調相機。當換流站所連接的交流電網相對直流輸電系統(tǒng)的容量而言太弱時，則需要在換流站裝設調相機。這種情況一般多發(fā)生在遠方電站向位于負荷中心的電網送電工程的受端，世界上兩個最典型的例子是伊泰普直流輸電工程換流站和納爾遜河直流輸電工程換流站。采用調相機投資大、占地多、運行可靠性低、維護工作量大，因此不宜采用。常規(guī)換流站一般只采用機械投切式電容器和電抗器。當換流站位于電廠或電廠群附近，如水電廠直流送出工程的整流站，在直流系統(tǒng)大負荷運行時，可以利用交流系統(tǒng)的部分無功電源，以達到少裝容性無功補償裝置的目的；在直流系統(tǒng)小負荷運行時，可以利用發(fā)電機的進相能力，吸收換流站的部分過補償無功，以達到少裝感性無功補償裝置的目的。交流系統(tǒng)這種幫助換流站進行無功平衡的能力，叫做無功支持能力。充分利用交流系統(tǒng)無功支持能力可以減少換流站無功補償容量，節(jié)省無功補償裝置如電容器和電抗器的投資，還可以減少無功補償裝置的分組，節(jié)省相應的變電設備和控制保護設備的投資，在直流系統(tǒng)突然停運時，可以降低甩負荷過電壓水平，相應降低換流站設備造價。因此，充分而合理地利用交流系統(tǒng)的無功能力是十分重要的。4.2.1容性無功補償裝置容量確定換流站需要裝設的容性無功補償裝置總容量由下式計算而得（4-8）式中，為在正常電壓下交流濾波器和并聯(lián)電容器所提供的總無功功率，Mvar；為在正常電壓下由最大的交流濾波器分組或并聯(lián)電容器分組所提供的無功功率，Mvar；N為備用的無功補償裝置組數(shù)；為在計算無功吸收設備時，允許從換流站流進交流系統(tǒng)的最大無功功率，Mvar，負值表示交流系統(tǒng)提供無功功率；為在決定無功供給設備時所假設的直流設備的無功需求，Mvar；U為設計時考慮的交流母線電壓，p.u.。容性無功容量設計分設計點和校核點。對于設計點，上述公式的物理意義是指：在給定的直流系統(tǒng)運行方式下，換流器吸收最大的無功，交流系統(tǒng)需要的無功負荷（或能夠提供的無功支持），交流母線電壓為較低的水平U，N組最大的無功補償裝置不可用，換流站仍能維持無功平衡。4.2.2感性無功補償裝置容量確定感性無功補償裝置總容量可用下述公式計算（4-9）式中，為在正常電壓下?lián)Q流站并聯(lián)電抗器吸收的總無功功率，Mvar；為在計算無功吸收設備時，允許從換流站流進交流系統(tǒng)的最大無功功率，Mvar；為在計算無功吸收設備時，計算的直流系統(tǒng)無功需求，Mvar；為在正常電壓下，由最少交流濾波器組所產生的無功功率，Mvar；U為設計時考慮的交流母線電壓，p.u.。4.2.3無功補償與交流濾波器的協(xié)調在工頻下，交流濾波器幾乎是純電容，整個濾波器發(fā)出的無功近似等于濾波器中主電容器的無功。單臺交流濾波器的基波無功容量為（4-10）其中U為交流母線線電壓；為濾波器基波電容，為系統(tǒng)基波頻率。一個設計合理的無功補償和交流濾波系統(tǒng)應具備的特性是：由于無功補償?shù)囊笏柰度氲慕涣鳛V波器數(shù)應大于由于濾波性能的要求所必須投入的交流濾波器數(shù)。由于濾波器穩(wěn)態(tài)額定值的要求所需投入的交流濾波器數(shù)最少，在實際運行中，交流濾波器的投入由無功補償和無功平衡控制來決定，交流濾波器性能要遠遠優(yōu)于濾波器設計中給出的性能；交流濾波器元件所承受的應力要小于濾波器穩(wěn)態(tài)額定值計算所要求的元件額定值。4.2.4靜止無功補償裝置靜止無功補償裝置（StaticVarCompensator，SVC）由晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactor，TCR）和固定電容器（fixedCapacitor，F(xiàn)C）組成，可以連續(xù)調節(jié)發(fā)出和吸收的無功功率。可用于抑制直流單極故障引起的暫時過電壓，抑制交流濾波器或并聯(lián)電容器投切時引起的換流母線暫態(tài)電壓波動。在大擾動時，可提高交直流混合系統(tǒng)的故障后恢復能力。SVC是平衡電網無功功率和穩(wěn)定電網電壓的有效手段。目前，大容量的SVC已能夠實現(xiàn)國產化。國際上，挪威南部港口城市克里斯蒂安桑至丹麥日德蘭半島的斯卡格拉克海峽直流輸電工程（1000MW），1995年在克里斯蒂安桑換流站安裝了一臺容量±200Mvar的SVC替代原來已安裝的容量為±140Mvar的調相機。中俄背靠背換流站工程將是我國首次在換流站中安裝SVC的直流輸電工程。4.3無功補償裝置分組換流站的無功補償裝置須分組投切運行，以適應直流輸電各種運行方式的需要。換流站無功分組方案的確定是一個不斷優(yōu)化的過程。一般在換流站總無功補償容量一定的情況下，分組越少，投資和占地就越省。無功補償裝置分組容量應綜合補償總量、投切影響、無功交換、電壓控制、濾波性能和設備布置等因素而進行優(yōu)化考慮；無功分組容量必須滿足系統(tǒng)暫態(tài)電壓變化率及穩(wěn)態(tài)電壓調節(jié)的要求；無功分組容量大小的選擇應避免與鄰近的同步電機產生自勵磁等參數(shù)諧振；任何分組的投切都不應引起換相失敗和改變直流控制模式或直流輸送水平。換流站投切無功分組時，交流系統(tǒng)的電壓會發(fā)生變化。無功分組越大，電壓的變化也越大。根據(jù)我國電網的技術規(guī)程要求，投切無功小組時的電壓變化率一般不超過1.5%，投切無功大組時的電壓變化率一般不超過5%。值得指出的是，直流輸電工程按照小組投入無功補償裝置，只有故障情況下，才會切除一大組無功補償裝置。根據(jù)上述要求，首先根據(jù)換流站交流側的短路容量初步估算無功小組容量，再根據(jù)系統(tǒng)運行方式的變化，結合無功大組與小組的合理匹配關系，對無功分組容量做進一步優(yōu)化，最終得出換流站的無功分組數(shù)以及大組、小組的分組容量配置方案。4.3.1無功小組容量估算換流站投切無功最大分組容量與換流站交流母線的電壓變化率之間的關系可由下式表示(4-11)式中，為換流站交流母線電壓變化率，%；為換流站投切的無功分組容量，MVA；為換流站交流母線的短路容量，MVA。4.3.2無功大組容量確定切除一個無功大組，即所有連接在這個大組中的電容器分組和濾波器分組都被同時切除，是非正常方式。切除無功大組的交流母線暫態(tài)電壓變化率一般5%～6%，應根據(jù)交流系統(tǒng)條件在規(guī)定范圍內確定限值。現(xiàn)階段國外廠商生產的大組斷路器典型最大開斷容性電流約1kA，相當于大組容量為720MVA的無功補償裝置。目前，最大開斷容量可提高到約1.5kA容性電流，相當于濾波器大組容量1000MVA。無功大組的容量應綜合無功大組切除引起的暫態(tài)電壓波動、無功分組投切波動、大組斷路器開斷能力、換流站無功補償總容量、濾波器類型和配置要求、系統(tǒng)可靠性水平等因素確定。換流站投切無功分組容量與換流站交流母線的暫態(tài)電壓變化率之間存在如下關系:(4-12)式中，為換流站交流母線的暫態(tài)電壓變化率，%；為無功大組容量，MVA；為換流站交流母線的短路容量，MVA；為投切后換流站交流母線上總的無功補償容量，MVA。由式（4-12）可初步推算無功的最大分組容量，但具體的電壓波動應以電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算程序為準。綜上分析，可將3小組濾波器劃分為一大組。4.4無功功率控制無功功率控制是指通過控制并聯(lián)電容器和交流濾波器的投切以及觸發(fā)角，使交、直流系統(tǒng)間的無功交換控制在規(guī)定的范圍內。如果無功補償裝置（包括并聯(lián)電容器和交流濾波器等設備）的單組容量過大，投入一組無功補償裝置引發(fā)的交流電壓將過高，對電氣設備的絕緣不利；切除一組無功補償裝置引起的交流電壓過低。當換流站所連接的交流系統(tǒng)較弱時，極易導致交流電壓不穩(wěn)定。因此無功控制必須配合交流電壓控制，如通過換流變壓器分接頭控制（TCC）和定觸發(fā)角控制，使交流母線電壓和換流變壓器閥側理想空載直流電壓保持在規(guī)定的范圍內。換流站的無功功率控制方式通常有不平衡無功功率控制和交流電壓控制兩種。前者的控制原則是保持換流站和交流系統(tǒng)交換的無功在一定的范圍。交流電壓控制方式主要在換流站與弱交流系統(tǒng)連接的情況下采用，而一般的直流輸電工程均采用無功功率控制方式。換流站無功功率控制應能控制換流站全部發(fā)出無功的裝置和吸收無功的裝置，如控制交流濾波器、并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器的投切以及控制換流器吸收的無功功率等。投切濾波器組所引起的無功功率的變化是臺階式的，同時還受到濾波器要求所需要的最小濾波器組的限制。換流器吸收的無功功率可以通過改變其觸發(fā)角來平滑地進行控制。這些控制作用必須相互協(xié)調，以便保證在任何給定的直流傳輸功率下，對于各種直流運行方式和投入無功補償裝置的組合下都能夠滿足要求。特高壓換流站無功平衡和補償?shù)募夹g要求總結為以下九個方面：①無功配置應針對整個換流站按站進行配置。②換流站無功補償應以站內裝設的無功補償裝置為主，以改善換流站運行的條件，提高直流運行方式的靈活性和降低停運率。③換流站應利用交流系統(tǒng)提供無功的能力，對送端換流站優(yōu)先考慮利用交流系統(tǒng)的無功能力，不足部分在站內安裝無功補償裝置；直流小功率方式下無功過剩時，宜利用近區(qū)交流系統(tǒng)的無功吸收能力。④為滿足直流系統(tǒng)在不同的負荷水平上對無功補償容量的要求，無功補償裝置應合理設置分組數(shù)量，并至少配置一個備用分組。⑤無功補償裝置的配置應滿足各種接線和運行方式（除個別極端運行方式外）下系統(tǒng)的無功平衡。⑥需在合理的交流系統(tǒng)運行電壓水平下平衡與配置無功。⑦容性無功補償裝置的設計容量應按換流站交流母線正常運行電壓計算，感性無功補償裝置的容量選換流站交流母線最高運行電壓計算。⑧特高壓換流站無功補償與配置應按照無功控制進行設計，無功補償裝置也可用于換流站交流母線電壓控制。⑨必要時可采取以下措施，以減少直流小功率時對系統(tǒng)無功吸收能力的依賴：利用直流系統(tǒng)本身的控制方式（如直流降壓運行等）；在換流站加裝可投切的低壓電抗器（可與站用電設計綜合考慮）；采用三調諧濾波器；限制直流輸送功率的下限；限制交流系統(tǒng)運行方式；在換流站加裝可投切的高壓電抗器等。4.4.1不平衡無功控制為了滿足在換流站功率變化全過程中保持換流站與電網之間的無功交換在確定的范圍內，并減少對電網的動態(tài)影響，從直流輸電系統(tǒng)控制和運行的角度考慮補償方式和控制功能進行選擇性的無功平衡。交流電網無功功率應分層分區(qū)就地平衡。對于交流系統(tǒng)，負荷水平、發(fā)電機出力、電網電壓的控制方式、無功補償裝置的投切以及電網接線方式的變化等都將影響系統(tǒng)無功功率的平衡。因此，交流系統(tǒng)向換流站提供無功功率的能力會在很大范圍內變化。不平衡無功控制的原理為：在換流站穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)運行時，對于換流站無功控制而言，式（4-4）～式（4-7）中用于計算換流器無功消耗的各個參數(shù)都是已知的，基于這些參數(shù)能夠實時求出換流器消耗的無功功率變化曲線。利用運行人員工作站（OWS），可以設定一條不平衡無功隨換流站有功功率變化的曲線，通過這一曲線可以求出當前運行點的理想不平衡無功（設向交流系統(tǒng)注入無功為正）。同樣，通過OWS或在控制軟件中設定，可以求得最大允許不平衡無功。通過下式（4-13）和式（4-14），可以求得無功補償裝置的投入點和切除點。當換流站有功功率增加或其他運行參數(shù)改變時，換流器吸收的無功功率隨之增加，不平衡無功不斷減少。當滿足下列條件時，無功控制發(fā)出無功補償投入命令（4-13）式中，為實際交流母線電壓，kV;為無功設備設計時考慮的交流母線正常電壓，kV;為當前狀態(tài)下已投入總的無功補償設備的額定容量，在下計算得出，Mvar。當換流站有功功率減少或其他運行參數(shù)改變，使得換流器吸收的無功功率降低，不平衡無功不斷增加。當滿足下列條件時，無功控制發(fā)出無功補償裝置切除命令。（4-14）4.4.2交流電壓控制除了換流站與交流系統(tǒng)的不平衡無功外，換流站無功補償裝置還可以用來對換流站交流母線電壓進行控制。在換流站解鎖前或解鎖過程中，根據(jù)順序控制要求投入最小濾波器組數(shù)。隨著直流輸送功率的增加，交流母線電壓下降，當滿足下列條件時，投入一組無功補償裝置。（4-15）式中為交流母線整定電壓，kV；為實測交流母線電壓，kV；為電壓控制死區(qū)，kV。同樣，隨著直流系統(tǒng)輸送功率的降低或其他運行的參數(shù)改變，使得交流母線電壓上升，當滿足下列條件時，切除一組無功補償裝置。（4-16）與不平衡無功控制模式一樣，電壓控制也需要解決啟動、停運、投切限制、振蕩性投切和循環(huán)投切等工程問題，其中其他內容與不平衡無功控制模式相同，只有振蕩性投切需解釋如下。對于一定的系統(tǒng)接線方式、電壓控制方式和潮流水平，在換流站交流母線上投入無功功率，將引起交流母線電壓穩(wěn)態(tài)變化。用微分方式系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓對無功的靈敏性為。假定在已知的運行范圍內，的最大值為C，換流站無功補償裝置計電壓為基值的標幺值最高電壓為，換流站最大無功分組為，則應滿足（4-17）為了確保不發(fā)生振蕩性投切，需考慮一定裕度，應再將增加20%～50%。的值隨系統(tǒng)接線方式和運行方式的變化有很大變化，按最不利情況確定的U在系統(tǒng)情況有利時顯得太大，將造成電壓控制精度不夠，大量不平衡無功在系統(tǒng)內流動。因此，換流站一般多采用不平衡無功控制模式。4.4.3可投切高壓電抗器控制當換流站裝設有并聯(lián)電抗器時，按照所述的不平衡無功或交流母線電壓控制模式，當無功控制器滿足切除一組無功補償裝置的判據(jù)，如果遇到最小濾波器限制，以及檢測到有高壓電抗器可用而未投入運行，同時上述所有條件又都滿足，則應投入一組電抗器。如果無功控制器檢測到是投入一組容性無功設備的的判據(jù)，以及有高壓電抗器投入，同時兩個條件又滿足，則應切除一組高壓電抗器。4.4.4交流系統(tǒng)其他無功補償設備投切控制從理論上說，換流站換流器的無功吸收能力和無功補償裝置可以參與區(qū)域性的無功電壓控制，但這種控制需要集中設立的控制器和完善的通信設施，且可能牽涉多個運行單位，調度運行又復雜，因此一般不采用。這里所討論的交流系統(tǒng)其他無功補償裝置主要是指裝設在換流站內降壓變壓器或聯(lián)絡變壓器第三繞組上的低壓電容器和電抗器。變壓器第三繞組上的低壓無功補償裝置有單獨控制和聯(lián)合控制兩種基本控制模式。所謂單獨控制，是指在直流系統(tǒng)無功控制中不考慮低壓無功補償裝置，而低壓設備由調度員根據(jù)常規(guī)調度規(guī)程進行控制。4.4.5連續(xù)調節(jié)無功補償裝置具有連續(xù)可調節(jié)能力的無功補償裝置主要有調相機和靜止無功補償器兩種。由于換流站有可投切的容性無功補償裝置和濾波器，靜止無功補償器只包括可控制電抗器TCR。這種設備的主要作用是提高逆變側換流站交流母線電壓穩(wěn)定性，同時可幫助限制過電壓。TCR正常運行時采用定交流母線電壓控制。為了保證對電壓的支持作用，正常運行時需有一定的負荷。因此，換流站其他無功補償裝置的投切可根據(jù)TCR的運行狀態(tài)進行，力圖使其穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)處于經研究預先設定的范圍。從性能上看調相機是逆變站最理想的無功補償裝置。除提供一定無功外，還可以提高換流站的短路比，增加交流系統(tǒng)的轉動慣量，改善換流器換相條件，降低過電壓，這在早期直流輸電工程中有較普遍的應用。調相機的控制與TCR類似，正常運行時采用交流母線電壓控制模式，其最理想的運行點是在過激勵磁的半截附近。無功功率控制只需控制濾波器投切，使得調相機運行在理想運行范圍。第五章濾波器設計5.1PLCI產生的原因及其抑制方法5.1.1PLCI產生的原因特高壓直流輸電系統(tǒng)產生的電力線載波干擾(PLCI)主要來源于:換流閥的開通和關斷;導體表面的電暈放電;絕緣子的放電擊穿;松動或接觸不良觸頭的火花放電。第一種情況產生的干擾噪聲稱為傳導噪聲，后三種情況產生的干擾噪聲可歸結為背景噪聲。12脈動換流器是典型的非線性設備，通過其12個換流閥有規(guī)律的開通與關斷，實現(xiàn)交流-直流(即整流)或直流-交流(即逆變)的轉換，同時產生大量諧波。換流器產生的諧波除低頻分量外，還含有高頻分量。其中相對于基頻600至10000次的諧波成分正好位于30至500kHz的電力線載波頻率范圍內。這些諧波的強度雖較小于100次的低頻分量諧波強度小很多，但對比換流站內的PLC電信號強度仍很大，因此嚴重影響電力線載波的通話質量，所以有必要針對PLC頻率段內的諧波進行抑制。換流閥在開通或關斷時刻，組成換流閥的晶閘管元件的陽極與陰極間電壓發(fā)生突變。這個快速變化的電壓在由晶閘管內電阻、靜態(tài)均壓電阻、RC阻尼電路、連接導線以及這些元件的對地雜散電容和雜散電感組成的電路中形成高頻振蕩諧波。這些噪聲諧波經過換流變壓器和平波電抗器傳播至交直流開關場，分別引起交直流側進線的PLC噪聲干擾。換流閥開通產生的載波噪聲主要取決于觸發(fā)角及換流閥的對地雜散電容。換流閥關斷引起的載波噪聲則主要取決于RC阻尼電路及其對地雜散電容。5.1.2PLCI的抑制方法換流站抑制PLCI的方法分為兩大類：①減少換流器產生的高頻諧波分量，如改變晶閘管與其他元件、構件的間距，改變換流閥阻尼電路等。這種方法涉及換流閥電路結構的改變，因此一般不采用。②對已產生的諧波在其傳播途徑上進行抑制。在直流工程中，多在第②類抑制方法上想辦法。其中，主要采用以下兩種方法:一在換流變壓器網側或者平波電抗器線路側安裝PLC噪聲濾波器。針對PLC噪聲頻率，將PLC噪聲限制在規(guī)定的范圍內;二在換流站交流進線上串聯(lián)阻波器。通過阻波器對噪聲諧波的抑制作用，使一定頻率范圍內的PLC噪聲衰減。此外，交直流線路阻抗對PLC高頻信號的傳播也具有衰減作用，表現(xiàn)為線路越長，距離換流站越遠處的PLC干擾越弱。5.2RI產生的原因及其抑制方法5.2.1RI產生的原因特高壓直流輸電系統(tǒng)的無線電干擾(RI)主要來自換流閥的開通和關斷、線路電暈放電和絕緣子局部放電。(l)換流閥產生的無線電干擾換流閥在觸發(fā)開通或換相結束而關斷的瞬間，閥陽極與陰極間的電壓發(fā)生突變。突變電壓通過以下兩種模式進行傳播：①偶極輻射向空間傳播高頻電磁干擾。該干擾受閥廳的屏蔽，對閥廳外不產生無線電干擾；②與閥的均壓電容及緊密臨近的雜散電容和電感產生高頻振蕩。這些高頻振蕩電流分別經過換流變壓器和平波電抗器進入交直流開關場，引起開關場內電氣設備及交直流線路的輻射干擾。換流閥產生的無線電干擾具有如下特點：①干擾能量正比于閥通斷時的閥電壓突變量，并且與振蕩電路參數(shù)密切相關；②單極運行方式下，換流閥的RI更強，但隨距離的衰減很快，距換流站15km處的RI即可忽略；雙極運行方式下，換流閥的RI較弱，但隨距離的衰減較慢，可傳播至幾百km；③理論研究和現(xiàn)場實測均表明：RI水平隨頻率的增加而近似單調減小。至視頻范圍(如>30MHz)時，RI場強己很微弱。說明換流閥產生的高頻分量不會干擾電視機的正常工作，主要對中波和短波頻段的無線電接收機產生干擾。(2)線路電暈放電產生無線電干擾線路的表面場強一旦超過空氣的起暈電壓強度就會出現(xiàn)電暈放電。電暈放電一定伴隨RI的產生，其干擾大小與線路電壓等級、空氣介質和氣候條件等有關。一般認為，在換流站及其周圍一定區(qū)域內，直流電暈放電引起的無線電干擾低于換流閥引起的無線電干擾。(3)絕緣子局部放電產生無線電干擾絕緣子承受的電壓一旦超過其閃絡值就會出現(xiàn)放電。理論及實測均表明，放電產生的無線電干擾小于換流閥引起的干擾。5.2.2RI的抑制方法換流閥產生的無線電干擾主要通過在換流站交直流側安裝RI濾波器加以抑制;線路電暈放電引起的RI則通過改變線路的線型和對地高度等措施進行抑制;絕緣子局部放電產生的無線電干擾可通過改變絕緣子的型式加以削弱。以上兩節(jié)分析了特高壓直流輸電系統(tǒng)產生電力線載波干擾和無線電干擾的各種原因，指出換流閥有規(guī)律的開通和關斷是最主要的原因。同時，針對PLCI和RI的各種成因，提出了相應的抑制方法。5.3換流站交流側濾波任何形式的換流器再換流的同時都會產生諧波，在交流側產生的諧波有特征諧波、非特征諧波。運行中的換流閥存在四種狀態(tài):即開通、關斷、通態(tài)及斷態(tài)。只有在前兩種狀態(tài)下，換流閥才會由于閥電壓突變而產生傳導噪聲高頻干擾。在換流閥觸發(fā)瞬間，因晶閘管的開通而使極間電壓迅速跌落。換流變壓器二次側電壓會引起閥電流的迅速增加。閥電流的增加主要取決于換流閥的開通，同時因阻尼回路的暫態(tài)響應和換流閥元件對地電壓的迅速變化也會額外產生較高頻率的電流，這些電流流過換流閥的對地雜散電容就會產生高頻諧波電流，其頻譜特性主要取決于觸發(fā)角及換流閥與變壓器繞組的對地電容。諧波對電力系統(tǒng)設備的危害可歸為兩類：第一類危害，在電氣設備的基波電壓上疊加諧波電壓，引起電氣壓力的增加，這種危害對電力電容器最為顯著；諧波通過電氣設備引起附加發(fā)熱，這種危害對變壓器和發(fā)電機類設備最為顯著；諧波的存在可能引起控制保護設備的誤動作。第二類危害，通過電力線路的諧波電流將通過感應作用在臨近的電話線上產生諧波電勢，對通信系統(tǒng)產生干擾。流過電力線路大的諧波電流可能在臨近的弱信號線路上產生感應電勢，從而造成人員傷亡或設備損壞。如果不采取措施予以濾波，則上述危害是不可接受的。因此，任何換流站都需裝設交流濾波裝置。5.3.1濾波系統(tǒng)分類到目前為止，大部分直流輸電工程的交流濾波器均采用無源濾波器。無源濾波器由電感、電容和電阻三種無源元件組成。無源濾波器與交流系統(tǒng)并聯(lián)，作為諧波的旁路通道，因此在諧波頻率下應處于串聯(lián)諧振的小阻抗狀態(tài)。由于濾波器組數(shù)數(shù)有限，失調影響嚴重，因而要采用一些寬帶、高通或在特殊頻率下具有大阻尼的濾波器。（一）調諧濾波器單調諧濾波器如圖5.1所示單調諧濾波器一般調諧在5、7、11、13次特征諧波頻率上。這種濾波器的優(yōu)點是結構簡單，對單一重要諧波的濾除能力強，損耗低，且維護要求低；主要缺點是低負荷時的適應性差，抗失諧能力低。由于12脈動換流器的廣泛采用，消除了5次和7次的特征諧波，因此在最新的直流輸電工程中一般不考慮裝設單調諧濾波器。圖5.1單調諧濾波器接線雙調諧濾波器如圖5.2所示圖5.2雙調諧濾波器接線雙調諧濾波器的主要有點是：可以濾除兩個特征諧波，比兩個獨立的單調諧波器損耗更低，只有一個處于高電位的電容器堆，便于解決低輸送功率時的濾波問題，濾波器種類減少，便于備用和維護；主要缺點是：對失諧較為敏感，由于諧振的作用低壓元件的暫態(tài)額定值可能較高。元件數(shù)較多，且常常需要兩組避雷器。它是目前采用最普遍的濾波器形式。通過調整電阻值可以在很大頻率范圍內產生高頻阻尼濾波作用。三調諧濾波器如圖5.3所示圖5.3三調諧濾波接線三調諧濾波器與雙調諧濾波器相比，其優(yōu)點更加突出，缺點也更加明顯。它最突出的優(yōu)點是小負荷下無功平衡方便，最大的缺點是現(xiàn)場調諧困難。目前在直流工程中已開始使用。（二）阻尼濾波器二階高通阻尼濾波器如圖5.4所示圖5.4二階高通阻尼濾波器接線這種濾波器是早期直流工程中常用的一種阻尼濾波器，但目前已基本不采用。它除了要合理選擇電阻值外，元件參數(shù)的選擇與單調諧濾波器類似。三階高通阻尼濾波器如圖5.5所示圖5.5三階高通阻尼濾波器這種濾波器的基波損耗比二階高通阻尼濾波器要低一些，但濾波器的組成要復雜，濾波效果也略低于二階高通阻尼濾波器。C型阻尼濾波器如圖5.6所示圖5.6C型阻尼濾波器這種濾波器是從三階高通阻尼濾波器發(fā)展起來的。目前這種濾波器在低次諧波濾波器中應用最為廣泛。雙調諧高通阻尼濾波器如圖5.7所示。這種濾波器是通過在正常的雙調諧波濾波器高壓電抗器旁邊并聯(lián)一個高頻旁通電阻而成，具有廣譜濾波和阻尼作用。但由于構成太復雜，性能與前述三類阻尼濾波器相比無顯著優(yōu)越性，因此應用不廣泛。影響濾波器阻抗的因素有交流系統(tǒng)頻率和濾波器元件本身參數(shù)。因為有源濾波器的成本高，要求的諧波容量大，故在此沒有應用場所。圖5.7雙調諧高通阻尼濾波器5.4換流站直流側濾波器各種換流變壓器都在直流側產生諧波，直流輸電系統(tǒng)中常用的橋式換流器也不例外。直流側的諧波主要是換流引起的諧波，即所謂特征諧波，和其他原因引起的諧波，其中其他原因引起的諧波主要是指換流變壓器參數(shù)和控制的各種不對稱引起的諧波以及交流電網中諧波通過換流器轉移到直流側的諧波。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流側設備中流過諧波電流是不可避免的，這種諧波電流產生以下三種危害。（1）對直流系統(tǒng)本身的危害。直流側除濾波器外的所有設備中流過的諧波電流，都會造成這些設備的附加發(fā)熱，因而增加了設備的額定值要求和運行費用。當諧波水平達到一定值時，理論上可能引起直流保護系統(tǒng)誤動，對于實際直流工程設計，一般不著重考慮這些因素。（2）對線路臨近通訊系統(tǒng)的危害。其最大危害是對直流線路和接地極線路走廊附近的明線電話線路的干擾。（3）通過換流器對交流系統(tǒng)的滲透。類似于交流側諧波電壓可以通過換流器轉移到直流側的的道理，直流側的諧波電流也可以通過換流器轉移到交流系統(tǒng)。如果一個直流系統(tǒng)直流側的濾波太弱，如最近有些背靠背工程中取消了平波電抗器，使得直流回路的諧波電流只能由兩側換流變壓器阻抗限制，流入到兩側交流系統(tǒng)的諧波將十分顯著，可能造成這些系統(tǒng)運行性能顯著下降。直流濾波器的型式不如交流濾波器那樣眾多，最常用的為雙協(xié)調濾波器，其結構型式如圖5.2。由于一些直流輸電工程穿越人口相對集中的區(qū)域，規(guī)定了很低的等效干擾電流水平，因此為了嚴格的要求，如果繼續(xù)采用常規(guī)的濾波系統(tǒng)，則需要并聯(lián)許多濾波器，提高了投資和占地面積，降低直流系統(tǒng)的整體可靠性和可可用率，從而開始開發(fā)直流有源濾波器。直流有源濾波器的理論是：對于每一次諧波頻率，通過在濾波器支路內引入一個受控電壓源，使其在直流線路短口產生與換流器諧波電壓源產生的空載電壓大小相等，相位相反的受控電壓，來降低直流線路中的諧波電流。第六章基于MATLAB/Simulink的直流輸電仿真6.1軟件介紹MATLAB語言是美國Mathworks公司于1984年正式推出的計算機高級語言，MATLAB是“矩陣（matrix）和實驗室（laboratory）”兩個英文單詞的前三個字母的組合，它是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言，著重針對科學計算、工程計算和繪圖的要求。現(xiàn)已成為大學教學和科研中最常用且必不可少的工具。MATLAB語言在工程應用和科學研究領域有著其他計算機語言無法比擬的優(yōu)勢。MATLAB語言Simulink工具箱中電力系統(tǒng)模塊（Powersystem）對電力系統(tǒng)規(guī)劃設計和安全穩(wěn)定運行分析有十分重要的意義。6.1.1MATLAB語言的特點一種語言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點。正如同F(xiàn)ORTRAN和C等高級語言使人們擺脫了需要直接對計算機硬件資源進行操作一樣，被稱作為第四代計算機語言的MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。MATLAB的最突出的特點就是簡潔。MATLAB用更直觀的、符合人們思維習慣的代碼，代替了C和FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀、最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。以下簡單介紹一下MATLAB的主要特點。1、友好的工作平臺和編輯環(huán)境MATLAB的用戶界面很接近Windows的標準界面，人機交互性強，操作簡單。簡單的編輯環(huán)境提供了比較完備的調試系統(tǒng)，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤并進行出錯原因分析。2、強大的科學計算及數(shù)據(jù)處理能力MATLAB擁有600多個工程中常用到的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便地實現(xiàn)用戶所需要的各種計算功能。MATLAB函數(shù)所能解決的問題包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作及建模動態(tài)仿真等。3、強大而又簡易的作圖及圖形處理功能MATLAB可以根據(jù)給出的數(shù)據(jù)或函數(shù)，用繪圖命令畫出其圖形，通過圖形對科學計算進行描述。MATLAB不僅具有一般數(shù)據(jù)可視化軟件的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等），而且對于一些其他軟件所沒有的功能，例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等，也具有出色的處理功能。4、強大的應用于各領域的工具箱MATLAB在科學研究和工程應用的諸多領域都具有功能強大的模塊集或工具箱（Toolbox），例如航天、通訊、電力系統(tǒng)等都在MATLAB的Toolbox中占有一席之地。后面我們要介紹的內容就是MATLAB在電力系統(tǒng)領域的應用。5、模塊化的設計和系統(tǒng)級的仿真Simulink是MATLAB的重要功能，主要用來實現(xiàn)對工程問題的模塊化和動態(tài)仿真。MATLAB的Simulink建模仿真如同搭積木一樣簡單，具有其他計算機語言無法比擬的優(yōu)勢。6.1.2MATLAB在電力系統(tǒng)中的應用MATLAB擁有600多個工程中常用到的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便的解析電路中各種問題，并且圖文并茂，是常規(guī)解析無法比擬的。Simulink是MATLAB的重要的內容，Simulink是面向框圖的仿真軟件。以Simulink為基礎的電力系統(tǒng)工具箱（Powersystem）提供了電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的子系統(tǒng)模型，包括電源（例如交、直流發(fā)電機等）、元件（例如斷路器、變壓器、線路等）、各種負荷（例如電動機、電熱器等）、電力電子（例如二極管、GTO等）、電力測量（例如電流、電壓測量等）以及其他很多模型。Simulink工具箱是從底層開發(fā)的一個完整的仿真環(huán)境和圖形界面，用戶可以利用鼠標或鍵盤完成面向框圖的系統(tǒng)仿真全部過程，并且可以更加直觀、快速和準確地達到仿真目的。通過以上介紹分析、舉例說明可