電力電子技術(shù)課件第6章

第6章高壓直流輸電6.1高壓支流輸電概述6.2換流器的工作原理6.3高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償6.4高壓直流輸電的基本控制原理第一頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.1高壓直流輸電概述高壓直流輸電(HVDC)將發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過(guò)換流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?即整流)，然后通過(guò)輸電線路把直流電送入受電端，再把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姽┯脩羰褂?即逆變)。電力電子技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，與其他應(yīng)用技術(shù)相比，其實(shí)用化較早、電壓與功率等級(jí)最高。第二頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.1.1高壓直流輸電的發(fā)展1882年，法國(guó)物理學(xué)家德普勒用1500～2000V的直流發(fā)電機(jī)經(jīng)57km的線路，把電力由米斯巴赫煤礦傳送到在慕尼黑舉辦的國(guó)際展覽會(huì)上，標(biāo)志著直流輸電技術(shù)的誕生。1882年誕生隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，帶來(lái)遠(yuǎn)距離輸電同步穩(wěn)定性等一系列問(wèn)題。1954年20世紀(jì)50年代后瑞典建成通過(guò)海底電纜向果特蘭島供電的±100kV、90km、20MW、采用汞弧閥變流的直流輸電工程。標(biāo)志著直流輸電進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期。第一個(gè)采用晶閘管閥的大規(guī)模高壓直流輸電系統(tǒng)是于1972年建立的依爾河系統(tǒng)，它是連接加拿大新不倫威克省和魁北克省的一個(gè)±80kV/320MW背靠背高壓直流輸電系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代晶閘管閥出現(xiàn)第三頁(yè)，共六十五頁(yè)。巴西伊泰普直流輸電工程架空線路最高電壓(±600kV)和最大輸送容量(6300MW)南非英加—沙巴直流輸電工程最長(zhǎng)架空直流線路傳送距離(1700km))英法海峽直流輸電工程電纜線路的最大輸送容量2000MW)瑞典—德國(guó)的波羅的海高壓直流輸電工程電纜線路的最高電壓(450kV)和最長(zhǎng)距離(250km)俄羅斯—芬蘭之間的維堡高壓直流輸電工程背靠背換流站的最大容量(1065MW)高壓直流輸電自20世紀(jì)50年代興起至今，全世界有80多項(xiàng)高壓直流輸電系統(tǒng)投入運(yùn)行。第四頁(yè)，共六十五頁(yè)。1977年在上海建設(shè)成并投運(yùn)了我國(guó)第一條31kV、4650kW，長(zhǎng)8.6km的直流輸電試驗(yàn)線路。1987年，我國(guó)投產(chǎn)了第一項(xiàng)高壓直流輸電工程浙江大陸——舟山群島的跨海輸電(50MW，100kV)工程，填補(bǔ)了我國(guó)高壓直流輸電工程的空白，為今后發(fā)展和建設(shè)高壓直流輸電工程提供了寶貴的建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。1989年葛洲壩—上海高壓直流輸電工程的投入運(yùn)行，標(biāo)志我國(guó)高壓直流輸電工程已邁入世界先進(jìn)行列。該直流系統(tǒng)采用500kV雙極聯(lián)絡(luò)線，額定容量為1200MW，輸電距離為1045km，它的建成把華東、華中這兩個(gè)裝機(jī)容量超過(guò)14GW的大電網(wǎng)連接起來(lái)，形成了我國(guó)第一個(gè)大電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)，使長(zhǎng)江葛洲壩水電站的電能源源不斷送往上海。我國(guó)對(duì)高壓直流輸電的研究起步較晚第五頁(yè)，共六十五頁(yè)。4.我國(guó)第一個(gè)交直流并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)天生橋—廣州直流輸電工程于2001年6月全面建成投運(yùn)，該工程線路長(zhǎng)度約980km，送電容量為1800MW，電壓為±500kV。嵊泗高壓直流輸電工程是我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的海底電纜高壓直流工程于2002年全部建成。5.三峽工程的興建、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)和西電東送步伐的進(jìn)一步加快，為擴(kuò)大高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。2004年底，三峽—常州、三峽—廣東、貴州—廣東±500kV、3000A、3000MW的高壓直流輸電工程投運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)的高壓直流輸電技術(shù)已跨入世界先進(jìn)行列。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步和高壓直流輸電設(shè)備價(jià)格的下降，將使壓直流輸電的優(yōu)勢(shì)更加明顯，在未來(lái)的電力系統(tǒng)中將會(huì)更具競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)對(duì)高壓直流輸電的研究起步較晚第六頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.1.2高壓直流輸電的特點(diǎn)1.高壓直流輸電的優(yōu)點(diǎn)(1)直流輸電架空線路的造價(jià)低、損耗小。(2)高壓直流輸電不存在交流輸電的穩(wěn)定性問(wèn)題，直流電纜中不存在電容電流，因此有利于遠(yuǎn)距離大容量送電。(3)高壓直流輸電可以實(shí)現(xiàn)額定頻率不同(如50Hz、60Hz)的電網(wǎng)的互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)額定頻率相同但非同步運(yùn)行的電網(wǎng)的互聯(lián)。(4)采用高壓直流輸電易于實(shí)現(xiàn)地下或海底電纜輸電(5)高壓直流輸電容易進(jìn)行潮流控制，并且響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精確、操作方便。而交流線路的潮流控制比較困難。(6)高壓直流輸電工程便于分級(jí)分期建設(shè)和增容擴(kuò)建，有利于及早發(fā)揮投資效益。第七頁(yè)，共六十五頁(yè)。2.直流輸電的缺點(diǎn)

(1)直流輸電的換流站比交流變電站設(shè)備多、造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高。(2)換流器工作時(shí)需要消耗較多的無(wú)功，需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。(3)換流器工作時(shí)，在直流側(cè)和交流側(cè)均產(chǎn)生諧波，必須裝設(shè)濾波裝置，使換流站的造價(jià)、占地面積和運(yùn)行費(fèi)用大幅度提高。(4)直流電流沒有電流的過(guò)零點(diǎn)，滅弧較難。因此高壓直流斷路器制造困難，不能形成直流電網(wǎng)。(5)直流輸電利用大地(或海水)為回路會(huì)產(chǎn)生一系列技術(shù)性問(wèn)題。第八頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.1.3高壓直流輸電的結(jié)構(gòu)類型高壓直流輸電工程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為兩端直流輸電工程和多端直流輸電工程兩大類。

兩端直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)只有兩個(gè)連接端口，一個(gè)整流站和一個(gè)逆變站，即只有一個(gè)送端和一個(gè)受端。

多端直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)有三個(gè)或三個(gè)以上的連接端口。第九頁(yè)，共六十五頁(yè)。直流輸電工程按照直流聯(lián)絡(luò)線可分以下幾類：(1)單極聯(lián)絡(luò)線直流輸電系統(tǒng)中換流站出線端對(duì)地電位為正的稱為正、極，對(duì)地電位為負(fù)的稱為負(fù)極。在單級(jí)系統(tǒng)中，一般采用正極接地，相當(dāng)于輸電系統(tǒng)中只有一個(gè)負(fù)極，稱為單級(jí)系統(tǒng)的負(fù)極運(yùn)行。圖6-2單級(jí)HVDC聯(lián)絡(luò)線

采用負(fù)極運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)是：直流架空線路受雷擊的概率以及電暈引起的無(wú)線電干擾都比正極運(yùn)行時(shí)少。單級(jí)系統(tǒng)的構(gòu)成方式可分為大地(海水)回流和金屬導(dǎo)線回流。第十頁(yè)，共六十五頁(yè)。(2)雙極聯(lián)絡(luò)線雙極聯(lián)絡(luò)線有兩根導(dǎo)線，一正一負(fù)，每端有兩個(gè)額定電壓的換流器串聯(lián)在直流側(cè)，兩個(gè)換流器間的連接點(diǎn)接地。正常時(shí)，兩極電流相等，無(wú)接地電流。若因一條線路故障而導(dǎo)致一極隔離，另一極可通過(guò)大地運(yùn)行，承擔(dān)一半的額定負(fù)荷，或利用換流器及線路的過(guò)載能力，承擔(dān)更多的負(fù)荷。圖6-3雙極聯(lián)絡(luò)線結(jié)構(gòu)第十一頁(yè)，共六十五頁(yè)。(3)同極聯(lián)絡(luò)線同級(jí)聯(lián)絡(luò)線導(dǎo)線數(shù)不少于兩根，所有導(dǎo)線同極性。通常導(dǎo)線為負(fù)極性，因?yàn)檫@樣由電暈引起的無(wú)線電干擾較小。系統(tǒng)采用大地作為回路，當(dāng)一條線路發(fā)生故障時(shí)，換流器可為余下的線路供電。這些導(dǎo)線有一定的過(guò)載能力，能承受比正常情況更大的功率。圖6-4同極聯(lián)絡(luò)線結(jié)構(gòu)第十二頁(yè)，共六十五頁(yè)。(4)背靠背直流輸電系統(tǒng)背靠背直流輸電系統(tǒng)是輸電線路長(zhǎng)度為零(即無(wú)直流聯(lián)絡(luò)線)的兩端直流輸電系統(tǒng)，主要用于兩個(gè)非同步運(yùn)行的交流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，其整流站和逆變站的設(shè)備通常裝設(shè)在一個(gè)站內(nèi)。由于背靠背直流輸電系統(tǒng)無(wú)直流輸電線路，直流側(cè)損耗較小，所以直流側(cè)電壓等級(jí)不必很高。圖6-5背靠背直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第十三頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.1.4高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件圖6-6雙級(jí)HVDC系統(tǒng)第十四頁(yè)，共六十五頁(yè)。以雙級(jí)HVDC系統(tǒng)為例，HVDC系統(tǒng)的主要元件：(1)換流器(2)濾波器(3)平波電抗器；電感值很大，在直流輸電中有著非常重要的作用：1)降低直流線路中的諧波電壓和電流。2)限制直流線路短路期間的峰值電流。3)防止逆變器換相失敗。4)防止負(fù)荷電流不連續(xù)。(4)無(wú)功功率源(5)直流輸電線(6)電級(jí)(7)交流斷路器第十五頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.2換流器的工作原理6.2.1換流閥在直流輸電系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)換流所需的三相橋式換流器的橋臂，稱為換流閥。換流閥功能半導(dǎo)體閥可分為晶閘管閥(或可控硅閥)、低頻門極關(guān)斷晶閘管閥(GTO閥)、高頻絕緣柵雙級(jí)晶體管閥(IGBT閥)三類。整流逆變開關(guān)第十六頁(yè)，共六十五頁(yè)。晶閘管閥是由晶閘管元件及其相應(yīng)的電子電路、阻尼回路、陽(yáng)極電抗器、均壓元件等通過(guò)某種形式的電氣連接后組裝而成的換流橋的橋臂。閥的結(jié)構(gòu)晶閘管級(jí)(單元)由晶閘管元件及其所需的觸發(fā)、保護(hù)及監(jiān)視用的電子回路、阻尼回路構(gòu)成；閥組件由串聯(lián)連接的若干個(gè)晶閘管級(jí)和陽(yáng)極電抗器串聯(lián)后再與均壓元件并聯(lián)構(gòu)成；單閥由若干個(gè)閥組件串聯(lián)組成，由于單閥可構(gòu)成6脈動(dòng)換流器的一個(gè)臂，故單閥又稱為閥臂；二重閥由6脈動(dòng)換流器一相中的2個(gè)垂直組裝的單閥組成；四重閥由12脈動(dòng)換流器垂直安裝在一起的4個(gè)單閥構(gòu)成。第十七頁(yè)，共六十五頁(yè)。圖6-7閥的電氣連接示意圖

(a)晶閘管級(jí)；(b)閥組件；(c)單閥(橋臂)；(d)換流橋第十八頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.2.212脈動(dòng)換流器在大功率、遠(yuǎn)距離直流輸電工程中，為了減小諧波影響，常把兩個(gè)或兩個(gè)以上換流橋的直流端串聯(lián)起來(lái)，組成多橋換流器。多橋換流器結(jié)構(gòu)由偶數(shù)橋組成，其中每?jī)蓚€(gè)橋布置成為一個(gè)雙橋。每一個(gè)雙橋中的兩個(gè)橋由相位差為30o°的兩組三相交流電源供電，可以通過(guò)接線方式分別為Y—Y和Y—D的兩臺(tái)換流變壓器得到。第十九頁(yè)，共六十五頁(yè)。圖6-812脈動(dòng)換流橋雙橋換流器：如果換流器只有一對(duì)換流橋串聯(lián)組成，則稱這樣的換流器為雙橋換流器。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：共有12個(gè)閥臂，正常運(yùn)行時(shí)閥臂開通的順序?yàn)?1—12—21—22—31—32—41—42—51—52—61—62，各個(gè)臂開通的時(shí)間間隔為交流側(cè)周期的十二分之一(即在相位上間隔30o°)。由于整流輸出電壓在每個(gè)交流電源周期中脈動(dòng)12次，故該換流橋也稱為12脈動(dòng)換流橋。第二十頁(yè)，共六十五頁(yè)。直流電壓和交流電流波形(忽略換流過(guò)程)波形分析：交流系統(tǒng)流向變壓器一次側(cè)總電流的基波分量為兩個(gè)橋電流的基波分量之和。不考慮換流重疊角時(shí)，其波形如圖所示?？梢钥闯觯涣飨到y(tǒng)流向變壓器一次側(cè)的總電流比單橋換流器的電流更接近于正弦波。在雙橋換流器中，其交流側(cè)的6k1次(k為奇數(shù))諧波分量被有效地消除，這顯著地減少了濾波器的投資。此外，采用雙橋換流器時(shí)，直流電壓的紋波也將顯著減小。第二十一頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.2.3高壓直流輸電的穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用多橋換流器時(shí)，交流和直流量之間的關(guān)系討論如下：

(1)直流側(cè)電壓整流器直流電壓Udr為逆變器直流電壓Udi為第二十二頁(yè)，共六十五頁(yè)。(2)直流側(cè)電流單極方式雙極方式式中：Rd為直流回路電阻，主要包括直流線路電阻、平波電抗器電阻、單極方式包括接地極引線電阻和接地極電阻等。第二十三頁(yè)，共六十五頁(yè)。(3)交流側(cè)電流交流側(cè)變壓器二次側(cè)電流Ia與直流側(cè)電流Id的關(guān)系為交流側(cè)變壓器二次側(cè)基波電流有效值Ia1與直流側(cè)電流Id的關(guān)系為第二十四頁(yè)，共六十五頁(yè)。(4)直流功率整流站直流功率單極方式雙極方式逆變站直流功率單極方式雙極方式直流線路損耗第二十五頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.3高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償

任何形式的換流器在換流的同時(shí)都會(huì)產(chǎn)生諧波，高壓直流輸電系統(tǒng)也不例外。諧波不僅影響著電能質(zhì)量，而且對(duì)電網(wǎng)本身、電網(wǎng)中的電力設(shè)備、計(jì)量裝置、保護(hù)裝置、通信系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。因此必須對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行準(zhǔn)確分析計(jì)算并合理配置濾波裝置。由于濾波器在工頻下呈容性，因此除了抑制諧波外還可起無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。第二十六?yè)，共六十五頁(yè)。6.3.1高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波特點(diǎn)直流輸電系統(tǒng)的平波電抗器電抗值通常比換相電抗值要大的多，所以對(duì)于與換流器連接的交流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，換流器及其直流端所連接的直流系統(tǒng)可以看作一個(gè)高內(nèi)阻抗的諧波電流源。為了正確估計(jì)諧波所引起的不良影響、正確設(shè)計(jì)和選擇濾波裝置，必須對(duì)直流輸電系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行分析。在分析諧波時(shí)，通常先采用一些理想化的假設(shè)條件，這樣不但可以使分析得到簡(jiǎn)化，而且對(duì)諧波中的主要成分可以得出具有一定精度的結(jié)果，根據(jù)這些假設(shè)條件，得出有關(guān)特征諧波的結(jié)論。然后，對(duì)某些假定條件加以修正，使分析計(jì)算接近于直流輸電系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行和控制情況。第二十七頁(yè)，共六十五頁(yè)。簡(jiǎn)化假設(shè)條件如下：(1)交流電壓是三相對(duì)稱、平衡的正弦電壓，除了基波以外，沒有任何諧波分量。(2)換流變壓器的三相結(jié)構(gòu)對(duì)稱，各相參數(shù)相同。(3)換流器的直流側(cè)接有無(wú)限大電感的平波電抗器，直流電流是沒有諧波分量的恒定電流。(4)在同一換流站中，各換流閥以等時(shí)間間隔的觸發(fā)脈沖依次觸發(fā)，且觸發(fā)角保持恒定。實(shí)際上，用于計(jì)算特征諧波的理想條件是不存在的，總是存在比較小量的非特征諧波。第二十八頁(yè)，共六十五頁(yè)。特征諧波

單純由于換流器接線方式而產(chǎn)生的諧波稱為特征諧波。例如：一個(gè)脈動(dòng)數(shù)為p的換流器，在它的直流側(cè)將主要產(chǎn)生n=kp次的電壓諧波，而在它的交流側(cè)將主要產(chǎn)生n=kp±1次的電流諧波，其中k為任意的整數(shù)。非特征諧波除特征諧波外由于換流器參數(shù)和控制參數(shù)各種不對(duì)稱等原因而產(chǎn)生的諧波稱為非特征諧波。非特征諧波一般遠(yuǎn)小于特征諧波。第二十九頁(yè)，共六十五頁(yè)。(1)換流站交流側(cè)特征諧波。

對(duì)于Y—Y變壓器連結(jié)的6脈波換流橋，交流電流的傅立葉展開式如下：交流線電流的波形矩形波的寬度為2p/3，正、負(fù)脈沖間的相位差為p。i第三十頁(yè)，共六十五頁(yè)。iD

對(duì)于Y—D變壓器連結(jié)的6脈波換流橋，交流電流的傅立葉展開式為：對(duì)于12脈波換流橋，交流線電流是上兩式的電流之和。所以總線電流為結(jié)論：電網(wǎng)側(cè)電流只含有12k±1次的諧波，第5，7，17，19……，等次諧波將在兩臺(tái)變壓器的電網(wǎng)側(cè)繞組中環(huán)流，而不進(jìn)入交流電網(wǎng)。這些12k±1次諧波幅值隨著諧波次數(shù)的增加而衰減，第h次諧波的幅值是基波的1/h。第三十一頁(yè)，共六十五頁(yè)。(2)換流站直流側(cè)特征諧波

Ud中只含有直流和6倍次諧波分量，即含有6n次(6次、12次、18次等)諧波。電壓諧波分量(第h次諧波)的衰減因子為其中

對(duì)于某次諧波，它的幅值隨著α的增大而增大，α運(yùn)行于約90o時(shí)，將比α運(yùn)行于較小值時(shí)產(chǎn)生較高幅值的諧波。第三十二頁(yè)，共六十五頁(yè)。(3)非特征諧波實(shí)際上，以上對(duì)于特征諧波的分析，都是按照理想化的條件，在現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)中并不成立。原因有：

1)在交流系統(tǒng)中，由于某些負(fù)荷或元件參數(shù)的不完全對(duì)稱，往往或多或少地存在著基波的負(fù)序和零序電壓分量。2)由于換流變壓器結(jié)構(gòu)上的原因或其他因素，它的三相參數(shù)不完全相同。3)由于直流控制系統(tǒng)的控制精度或調(diào)節(jié)作用，使換流閥的觸發(fā)脈沖時(shí)間間隔不完全相等。由于上述原因，將使換流器交流側(cè)的三相電流和直流側(cè)的電壓中，還產(chǎn)生其他次數(shù)的非特征諧波分量。在采用現(xiàn)代的等間隔觸發(fā)脈沖的直流輸電工程中，非特征諧波的最大來(lái)源是母線電壓不對(duì)稱、變壓器阻抗不對(duì)稱以及變壓器的勵(lì)磁電流。

第三十三頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.3.2濾波裝置迄今為止，對(duì)高壓直流輸電所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制的惟一實(shí)用方法是采用濾波裝置。濾波裝置大都并聯(lián)在換流變壓器交流側(cè)的母線上。濾波裝置由若干個(gè)無(wú)源濾波器并聯(lián)而成，每個(gè)濾波器在一個(gè)或兩個(gè)諧波頻率附近或者在某個(gè)頻帶內(nèi)呈現(xiàn)低阻抗，從而吸收相應(yīng)的諧波電流。

在換流站的直流側(cè)，平波電抗器本身可以起抑制諧波的作用，但是由于平波電抗器的電感量通常根據(jù)直流線路發(fā)生故障或者逆變器發(fā)生顛覆時(shí)限制電流上升率以及保證在小電流下直流系統(tǒng)能正常運(yùn)行等要求來(lái)確定，當(dāng)單靠平波電抗器還不足以滿足抑制諧波的要求時(shí)，便需要裝設(shè)濾波裝置。直流側(cè)濾波裝置的原理和結(jié)構(gòu)和交流側(cè)濾波裝置基本相同，一般并聯(lián)在電抗器和直流線路之間。必須指出，由于電纜的鉛包和鋼鎧對(duì)電磁場(chǎng)起屏蔽作用，因此當(dāng)直流線路采用電纜時(shí)，無(wú)需采用直流濾波裝置。第三十四頁(yè)，共六十五頁(yè)。(1)交流側(cè)濾波裝置1)單調(diào)諧濾波器：由電容元件C、電感元件L、電阻元件R串聯(lián)而成阻抗Zf與頻率ω之間的關(guān)系為在諧振頻率下，相應(yīng)的電抗值為單調(diào)諧濾波器電路及幅頻特性(a)單調(diào)諧濾波器電路；(b)單調(diào)諧濾波器的幅頻特性品質(zhì)因數(shù)越大，濾波器在調(diào)諧頻率下的阻抗越小，濾波效果越好，但對(duì)頻率的偏移也更為敏感。為了克服這一缺點(diǎn)，常在設(shè)計(jì)濾波器電感時(shí)有意降低其品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)為：第三十五頁(yè)，共六十五頁(yè)。單調(diào)諧濾波器在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用：在6脈波橋的情況下，單調(diào)諧濾波器一般調(diào)諧在5、7、11、13次特征諧波頻率上。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)單一重要諧波的濾除能力強(qiáng)，損耗低，且維護(hù)要求低；主要缺點(diǎn)是低負(fù)荷時(shí)的適應(yīng)性差，抗失諧能力低。由于12脈動(dòng)換流器的廣泛應(yīng)用，消除了5次和7次的特征諧波，因此在最新的直流工程中一般不再考慮裝設(shè)單調(diào)諧濾波器。第三十六頁(yè)，共六十五頁(yè)。2)雙調(diào)諧濾波器:有兩個(gè)諧振頻率，同時(shí)吸收兩個(gè)鄰近頻率的諧波，其作用等效于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器。從電路結(jié)構(gòu)分析，雙調(diào)諧濾波器是由串聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振電路串聯(lián)而成。雙調(diào)諧濾波器是目前采用的最普遍的濾波器形式。通過(guò)調(diào)整電阻值可以在很大頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生高頻阻抗濾波作用。雙調(diào)諧濾波器第三十七頁(yè)，共六十五頁(yè)。雙調(diào)諧濾波器雙調(diào)諧濾波器與兩組單調(diào)諧濾波器相比，在基波頻率下的損耗較小，只有一個(gè)處于高電位的電容器，便于解決低輸送功率時(shí)的濾波問(wèn)題。但是雙調(diào)諧濾波器對(duì)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。雙調(diào)諧濾波器與單調(diào)諧濾波器的比較：第三十八頁(yè)，共六十五頁(yè)。3)阻尼濾波器阻尼濾波器分為二階高通阻尼濾波器、三階高通阻尼濾波器、C型阻尼濾波器等。

二階高通阻尼濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖所示，它的阻抗與頻率之間的關(guān)系為：二階高通濾波器電路第三十九頁(yè)，共六十五頁(yè)。

三階高通阻尼濾波器結(jié)構(gòu)如右圖所示，這種濾波器的基波損耗比二階高通阻尼濾波器的損耗要低一些，但濾波器的組成要復(fù)雜，濾波效果也略低于二階高通阻尼濾波器。因此在工程中應(yīng)用不太多。三階高通阻尼濾波器第四十頁(yè)，共六十五頁(yè)。

C型阻尼濾波器如圖所示，是一種改進(jìn)型的高通濾波器，用于抑制較低次的諧波并兼有高通濾波的性能。由于在指定的頻率范圍內(nèi)增加足夠的阻尼而損耗減少，目前這種濾波器在低次諧波濾波器中應(yīng)用最為廣泛。C型阻尼濾波器第四十一頁(yè)，共六十五頁(yè)。(2)直流側(cè)濾波裝置

直流側(cè)濾波器裝置的設(shè)計(jì)方法原則上與交流濾波器的設(shè)計(jì)方法相同，但對(duì)直流側(cè)濾波器的技術(shù)要求主要限于抑制對(duì)鄰近通信線路的干擾，所考慮的頻率范圍通常從50Hz到5000Hz。直流側(cè)濾波器裝置一般除平波電抗器外，還包括一個(gè)或數(shù)個(gè)特征諧波頻率的濾波器和一個(gè)高通濾波器。

由于直流側(cè)沒有無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題，因此直流濾波器電容器的額定參數(shù)(最大直流電壓和電容值)按照線路電壓、濾波要求和經(jīng)濟(jì)性來(lái)決定的。各調(diào)諧支路中電感器的Q值一般都取100左右。第四十二頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.3.3功率因數(shù)補(bǔ)償目前高壓直流輸電采用的是晶閘管相控技術(shù)，換流器在運(yùn)行中要從交流系統(tǒng)吸收無(wú)功功率。在額定工況時(shí)，吸收的無(wú)功功率一般為所交換的有功功率的40%～60%。如果換流站與交流系統(tǒng)有大量無(wú)功交換時(shí)，將會(huì)使損耗增加，同時(shí)換流站的交流電壓將會(huì)大幅變化。所以在換流站中根據(jù)無(wú)功功率特性裝設(shè)合適的無(wú)功補(bǔ)償裝置，是保證高壓直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件之一。第四十三頁(yè)，共六十五頁(yè)。無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備主要有三大類

第一類，機(jī)械操作式開關(guān)投切的電容器和電抗器。第二類，靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。第三類，調(diào)相機(jī)。直流輸電線中的功率潮流大小可通過(guò)調(diào)節(jié)電流Id加以控制，而換流器所需的無(wú)功功率也會(huì)隨著輸送功率的增加而增大。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，濾波電容除按調(diào)諧因素考慮外，還需按其所提供的無(wú)功功率來(lái)計(jì)算和選擇。第四十四頁(yè)，共六十五頁(yè)。第6章高壓直流輸電6.1高壓支流輸電概述6.2換流器的工作原理6.3高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償6.4高壓直流輸電的基本控制原理第四十五頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.4高壓直流輸電的基本控制原理高壓直流輸電與交流輸電相比，其顯著特點(diǎn)是可以通過(guò)對(duì)兩端換流器的快速調(diào)節(jié)，控制直流輸電線路輸送功率的大小和方向。所以，直流輸電系統(tǒng)的性能，很大程度上依賴于它的控制系統(tǒng)。高壓直流輸電系統(tǒng)采用各種分層控制方式，可以提供高效穩(wěn)定的運(yùn)行和功率控制的最大靈活性，同時(shí)保證設(shè)備的安全。第四十六頁(yè)，共六十五頁(yè)。

高壓直流輸電的控制系統(tǒng)，要完成以下基本的控制功能：(1)直流輸電的起?？刂啤?2)直流輸送功率的大小和方向的控制。(3)抑制換流器不正常運(yùn)行及所連接交流系統(tǒng)的干擾。(4)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)換流站設(shè)備。(5)對(duì)換流站、直流線路的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。(6)與交流變電所設(shè)備接口及運(yùn)行人員聯(lián)系。第四十七頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.4.1高壓直流輸電的基本調(diào)節(jié)原理可以通過(guò)以下兩方面來(lái)調(diào)節(jié)輸送的直流電流和直流功率：(1)調(diào)節(jié)整流器的觸發(fā)角a或逆變器的逆變角b，即調(diào)節(jié)加到換流閥控制極或柵極的觸發(fā)脈沖的相位，簡(jiǎn)稱控制極調(diào)節(jié)。(2)調(diào)節(jié)換流器的交流電壓，一般靠改變換流變壓器的分接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。用控制相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，不但調(diào)節(jié)范圍大，而且非常迅速，是直流輸電系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)手段。調(diào)節(jié)換流變壓器分接頭則速度緩慢且范圍有限，所以只作為控制調(diào)節(jié)的補(bǔ)充手段。第四十八頁(yè)，共六十五頁(yè)。整流器和逆變器可分別按定α和定β運(yùn)行。有時(shí)為了保證逆變器的安全運(yùn)行，減小發(fā)生換相失敗的幾率，要求逆變器的關(guān)斷超前角δ不小于關(guān)斷余裕角δ0(包括可控硅正向阻斷能力恢復(fù)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的角度和一定的安全裕度)，逆變器按定δ運(yùn)行。當(dāng)整流器和逆變器都沒有裝設(shè)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置并分別按定α和定β運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可由圖6-16決定，圖中直線1是整流器定α伏安特性，直線2是逆變器定β伏安特性，兩條支線的交點(diǎn)N即系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)。圖6-16直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)第四十九頁(yè)，共六十五頁(yè)。當(dāng)整流器交流電勢(shì)上升時(shí)，定α特性曲線平移至1′位置，同樣，當(dāng)整流器交流電勢(shì)下降時(shí)，定α特性曲線平移至1″位置。由于伏安特性的斜率一般比較小(圖中的斜率是夸大了的)，所以交流電壓不大的變動(dòng)，就會(huì)引起直流電流和功率的很大的波動(dòng)。同理，逆變側(cè)交流電勢(shì)的微小變動(dòng)，也會(huì)發(fā)生類似的結(jié)果，所以其運(yùn)行特性不是很好。如果整流器按定α運(yùn)行，逆變器按定δ運(yùn)行，情況同樣不好。圖6-16直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)由于上述原因，一般在整流器上裝設(shè)定電流調(diào)節(jié)裝置。第五十頁(yè)，共六十五頁(yè)。圖表示直流輸電的基本調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)特性，整流側(cè)由定電流特性和定αo特性兩段組成，逆變側(cè)由定do特性和定電流特性(通常比整流側(cè)的電流整定值小DIdo)兩段組成。正常時(shí)由整流器定電流特性決定運(yùn)行電流，逆變器定do決定運(yùn)行電壓(A點(diǎn))；兩側(cè)交流電壓有較大變動(dòng)時(shí)(例如整流側(cè)交流電壓大幅下降)，則由逆變側(cè)決定運(yùn)行電流，整流側(cè)決定運(yùn)行電壓(B點(diǎn)或C點(diǎn))。直流輸電系統(tǒng)的基本調(diào)節(jié)特性必須注意的是，逆變側(cè)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器不允許同時(shí)工作，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行情況由切換裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)換。第五十一頁(yè)，共六十五頁(yè)。除了上述的調(diào)節(jié)方式外，也有采用定電流和定電壓作為基本的調(diào)節(jié)方式。在這種方式中整流器仍按定電流調(diào)節(jié)，逆變器則按直流線路末端(或始端)電壓保持一定的方式調(diào)節(jié)。定電壓調(diào)節(jié)的原理和定電流調(diào)節(jié)相似，僅反饋量或被調(diào)量改為相應(yīng)的直流電壓。圖6-18為這種調(diào)節(jié)的伏安特性。為了防止換相失敗，逆變器仍需裝設(shè)δ調(diào)節(jié)器，但只在δ<δ0時(shí)才進(jìn)行調(diào)節(jié)，在圖6-18中其調(diào)節(jié)特性如虛線所示。這種調(diào)節(jié)方式適用于受端交流系統(tǒng)等值(短路)阻抗較大(即弱系統(tǒng))的場(chǎng)合，有利于提高換流站交流電壓的穩(wěn)定性。定電流定電壓調(diào)節(jié)伏安特性第五十二頁(yè)，共六十五頁(yè)。定電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)有：(1)由于某種擾動(dòng)使逆變站交流母線的電壓下降時(shí)，為了保持直流電壓的恒定，逆變器電壓調(diào)節(jié)器將自動(dòng)的減小b角，因此，逆變器的功率因數(shù)提高，消耗的無(wú)功功率減小，有利于防止交流電壓進(jìn)一步下降或阻尼電壓的震蕩。(2)在輕負(fù)載(直流電流小于額定值)運(yùn)行時(shí)，由于逆變器的d角比滿載運(yùn)行時(shí)大，對(duì)防止換相失敗更為有利。第五十三頁(yè)，共六十五頁(yè)。

定電壓調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)有：在額定條件時(shí)為了保證直流電壓有一定的調(diào)節(jié)范圍，逆變器的d角要略大于d0，也就是系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)要在d0特性之下，如圖中A點(diǎn)所示，因此逆變器的額定功率因數(shù)和直流電壓要比定關(guān)斷余裕角調(diào)節(jié)方式的要低一些，所以消耗的無(wú)功功率多一些。第五十四頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.4.2控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)所謂直流輸電控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)，是將直流輸電換流站和直流輸電線路的全部控制功能按等級(jí)分為若干層次而形成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。復(fù)雜的控制系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，可以提高運(yùn)行的可靠性，使任一控制環(huán)節(jié)故障所造成的影響和危害程度最小，同時(shí)還可以提高運(yùn)行、操作、維護(hù)的方便性和靈活性。第五十五頁(yè)，共六十五頁(yè)。分層控制系統(tǒng)的主要特征是：(1)各層次在結(jié)構(gòu)上分開，層次等級(jí)高的控制功能可以作用于其所屬的低等級(jí)層次，且作用方向是單向的。(2)層次等級(jí)相同的各控制功能及其相應(yīng)的硬、軟件在結(jié)構(gòu)上盡量分開，以減小相互影響。(3)直接面向被控設(shè)備的控制功能設(shè)置在最低層次等級(jí)，控制系統(tǒng)中有關(guān)的執(zhí)行環(huán)節(jié)也屬于這一層次等級(jí)，它們一般就近設(shè)置在被控設(shè)備近旁。(4)系統(tǒng)的主要控制功能盡可能地分散到較低的層次等級(jí)，以提高系統(tǒng)可用率。(5)當(dāng)高層次控制發(fā)生故障時(shí)，各下層次控制能按照故障前的指令繼續(xù)工作，并保留盡可能多的控制功能。第五十六頁(yè)，共六十五頁(yè)。6.4.3直流輸電系統(tǒng)的起停和功率反轉(zhuǎn)控制(1)直流輸電系統(tǒng)的起停控制。直流輸電的起停包括正常起動(dòng)、正常停運(yùn)、故障緊急停運(yùn)和自動(dòng)再起動(dòng)。第五十七頁(yè)，共六十五頁(yè)。

直流輸電的正常起動(dòng)是通過(guò)控制兩端換流器的觸發(fā)相位，使直流電壓和電流從零開始按指數(shù)曲線或直線平穩(wěn)的上升來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種起動(dòng)方法又稱為軟起動(dòng)，它能夠防止電流和電壓在起動(dòng)過(guò)程中的快速變化所引起的過(guò)電壓，同時(shí)也可避免兩側(cè)交流系統(tǒng)受到功率快速變化的沖擊。起動(dòng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間由幾秒鐘至幾十分鐘，由兩端交流系統(tǒng)承受功率變化的能力決定。

直流系統(tǒng)正常停運(yùn)采用慢速的軟停運(yùn)，它相當(dāng)于正常起動(dòng)的逆過(guò)程。整流側(cè)的電流調(diào)節(jié)器按停運(yùn)過(guò)程中對(duì)電流變化規(guī)律的要求，逐步減小到允許運(yùn)行的最小值。在此過(guò)程中交流濾波器組隨直流功率減小而逐組切除，以滿足無(wú)功平衡的要求。第五十八頁(yè)，共六十五頁(yè)。

直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作后的停運(yùn)稱為緊急停運(yùn)。直流系統(tǒng)的緊急停運(yùn)采用快速移相控制，快速移相后，直流線路兩端換流器都處于逆變狀態(tài)，將直流系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的能量迅速送回兩端交流系統(tǒng)。當(dāng)直流電流下降到零時(shí)，分別閉鎖兩端換流器的觸發(fā)脈沖，繼而跳開兩側(cè)換流變壓器交流系統(tǒng)的斷路器，達(dá)到緊急停運(yùn)的目的。除了保護(hù)起動(dòng)的緊急停運(yùn)外，還可以手動(dòng)起動(dòng)緊急停運(yùn)。第五十九頁(yè)，共六十五頁(yè)。

自動(dòng)再起動(dòng)用于在直流輸電架空線路瞬時(shí)故障后，迅速恢復(fù)供電而采取的措施。當(dāng)直流保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到直流線路接地故障后，改變整流器觸發(fā)角使其變?yōu)槟孀兤鬟\(yùn)行。在兩端均為逆變器的情況下，儲(chǔ)存的直流系統(tǒng)中的電磁能量迅速送回到兩端交流系統(tǒng)，再經(jīng)過(guò)預(yù)先整定的弧道去游離時(shí)間后，按一定速度自動(dòng)減小整流器的觸發(fā)角，使其恢復(fù)為整流運(yùn)行，并快速