云廣特高壓直流工程中的等效干擾電流ieq

云廣特高壓直流工程中的等效干擾電流ieq

0直流濾波器在實(shí)際工程中的應(yīng)用在直線輸送線系統(tǒng)中，交換裝置通過(guò)交流器和直流部門之間的交流量引起聲波。這些諧波流經(jīng)直流側(cè)設(shè)備會(huì)引起除濾波器外的其他設(shè)備附加發(fā)熱,增加設(shè)備的額定值要求和運(yùn)行費(fèi)用;它們通過(guò)換流器轉(zhuǎn)移到交流系統(tǒng),可能會(huì)造成這些系統(tǒng)運(yùn)行性能顯著下降;如果直流線路是架空線路,還將對(duì)線路鄰近通信系統(tǒng)產(chǎn)生危害。因此,一般具有架空線路的直流工程都要裝設(shè)直流濾波器來(lái)專門降低流入直流線路和接地極引線中的諧波分量。本文首先介紹實(shí)際工程中所用的直流濾波器的形式并討論其參數(shù)的選擇方法;其次簡(jiǎn)要介紹用于評(píng)價(jià)直流濾波器的性能指標(biāo)等效干擾電流Ieq以及用于計(jì)算Ieq的三脈動(dòng)諧波模型。針對(duì)目前在研待建的云廣特高壓直流工程,利用Siemens公司的諧波分布計(jì)算程序HarmDistr進(jìn)行計(jì)算,討論分析各種因素對(duì)直流濾波器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Ieq的影響,包括平波電抗器的大小及布置、換流站中等效雜散電容的存在及大小、換流器觸發(fā)角/熄弧角的不對(duì)稱、背景諧波、負(fù)序電壓等。最后針對(duì)不同的直流系統(tǒng)運(yùn)行工況、不同的直流濾波器的投切組合進(jìn)行直流濾波器性能計(jì)算,比較Ieq的大小并進(jìn)行分析討論。1各種運(yùn)行條件下諧波的比較直流側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)保證在直流線路的各種運(yùn)行條件下都能把諧波減小到可以接受的水平。直流濾波器通常作為并聯(lián)濾波器連接在每一極母線與極中性線或地之間。1.1無(wú)源濾波器及同源濾波器直流濾波器的結(jié)構(gòu)與高壓直流換流站交流側(cè)濾波器很相似,有多種形式。到目前為止,在已建的和在建的實(shí)際工程中常用的有帶或不帶高通特性的單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器及三調(diào)諧濾波器等無(wú)源濾波器以及有源濾波器。一個(gè)換流站中可以使用一種形式的濾波器,也可以使用多種形式的濾波器。盡管有源濾波器具有濾波性能好和占地小等優(yōu)點(diǎn),但近幾年才投入商業(yè)運(yùn)行,運(yùn)行情況不甚理想,還需進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)。相比而言,無(wú)源濾波器應(yīng)用更加廣泛、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也比較成熟。與三調(diào)諧直流濾波器相比,雙調(diào)諧直流濾波器盡管少了一個(gè)調(diào)諧頻率,但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)諧方便,在多個(gè)直流工程中都有應(yīng)用。1.2濾波器的選擇原則盡管直流濾波器與交流側(cè)濾波器有許多類似之處,但二者間仍有一些重要的區(qū)別,這直接關(guān)系到直流濾波器的設(shè)計(jì)。1)與交流濾波器不同,直流濾波器沒(méi)有無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題,因此,它的電容器的額定參數(shù)(最大直流電壓和電容值)不是根據(jù)總的無(wú)功功率來(lái)確定,而是按照線路電壓、濾波要求和經(jīng)濟(jì)性來(lái)決定。2)直流濾波器的高壓電容器耐受很高的直流電壓。在正常情況下,高壓電容器是直流濾波器中價(jià)格最貴的元件,因此,在設(shè)計(jì)直流濾波器時(shí)應(yīng)盡量降低其成本。3)與交流濾波器并聯(lián)連接的交流系統(tǒng)具有很大的阻抗范圍。在特定的電網(wǎng)狀態(tài)下,濾波電容和交流電網(wǎng)電感間會(huì)產(chǎn)生諧振,因此,即使是在準(zhǔn)確調(diào)諧的交流濾波電路中也需要進(jìn)行一定的阻尼。相反,直流回路的阻抗大部分是恒定的,因此允許使用準(zhǔn)確調(diào)諧的濾波器。此外,在選擇直流側(cè)濾波器時(shí),線路諧振可能引起的過(guò)電壓必須充分加以研究。直流線路故障時(shí)線路上及其端部的過(guò)電壓值、有無(wú)架空地線等,都將影響直流側(cè)濾波器的選型。1.3濾波器參數(shù)的確定眾所周知,在直流側(cè)諧波電流中,特征諧波電流具有最大的幅值,為了得到較好的濾波效果,直流濾波器通常與這些諧波相匹配,如DT12/24,DT12/36,TT12/24/36等。有關(guān)雙調(diào)諧直流濾波器參數(shù)的確定方法可以參閱很多相關(guān)文獻(xiàn),此處僅強(qiáng)調(diào)需特別注意之處。在參數(shù)確定時(shí),一個(gè)重要參數(shù)是高壓電容器的電容值,濾波器的濾波能力基本上與這一電容值的大小成正比;同時(shí),對(duì)于額定電壓相同的電容器,其成本也基本上與其電容值成正比,這一點(diǎn)在前文已提及。在確定了高壓電容器的電容值后,即可求出直流濾波器的其他參數(shù)值。一般而言,其取值范圍為1.0μF～2.0μF。三調(diào)諧直流濾波器參數(shù)的確定方法與上述類似,此處不再討論。另外,在直流濾波器設(shè)計(jì)計(jì)算中還需考慮失諧因素和誤差等方面的影響,如溫度變化的影響、因電容器單元故障引起的失諧以及初始的失調(diào)影響等,這些失諧應(yīng)與頻率變化同時(shí)考慮。2等效干擾電流如果高壓直流輸電線路與明線電話線路鄰近,那么直流線路上的諧波電流引起的交變磁場(chǎng)在電話線路中將感應(yīng)出諧波電壓,而電話線路中的諧波及相關(guān)的噪聲會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞電話通信系統(tǒng)的質(zhì)量。因此,通常將直流線路對(duì)電話線路的干擾作為直流濾波電路設(shè)計(jì)的衡量標(biāo)準(zhǔn),一般不直接用并行通信線路上的干擾電壓水平作為直流濾波器設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),而采用表示直流系統(tǒng)內(nèi)殘留諧波水平的等效干擾電流Ieq作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于等效干擾電流的詳細(xì)介紹,可參閱文獻(xiàn)。需特別注意,依照噪聲曲線,對(duì)Ieq影響最大的是頻率在1kHz附近的殘留電流。然而根據(jù)耦合系數(shù)Hf值,諧波次數(shù)越高,對(duì)Ieq的影響就越大。所以盡管較高次諧波電流的幅值相對(duì)來(lái)說(shuō)很小,但是應(yīng)特別注意它們對(duì)Ieq的影響,在直流濾波器選型時(shí)需給予考慮。3動(dòng)脈接枝網(wǎng)計(jì)算由前可知,為了計(jì)算Ieq的大小,需確定直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)的各次諧波,為此,需建立正確的換流站和輸電線路等計(jì)算模型。對(duì)于12脈動(dòng)換流器,以往采用12脈動(dòng)直流側(cè)諧波模型來(lái)計(jì)算直流側(cè)諧波,由于該模型沒(méi)有考慮換流變壓器對(duì)地雜散電容等因素的影響,使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果偏差很大,因此提出了三脈動(dòng)諧波模型,如圖1所示。由于考慮了換流變壓器對(duì)地雜散電容對(duì)直流側(cè)諧波電流分布的影響,該模型在直流輸電工程設(shè)計(jì)中被廣泛使用、接受。在三脈動(dòng)直流諧波模型中,每個(gè)三脈動(dòng)橋由1個(gè)三脈動(dòng)電壓源和1個(gè)等效的內(nèi)阻抗組成。每個(gè)12脈動(dòng)換流器可以表示為4個(gè)三脈動(dòng)橋串聯(lián)而成。等效的內(nèi)部阻抗為換流變壓器的等效相阻抗。換流站的雜散阻抗主要是換流變壓器、套管等設(shè)備的對(duì)地雜散電容,由2個(gè)與地相連的集中電容來(lái)表示,位置在2個(gè)三脈動(dòng)對(duì)應(yīng)之間,如圖1中的Ce1和Ce2。這些電容器在設(shè)計(jì)階段只能近似估計(jì)其值的大小,該值的大小對(duì)等效干擾電流的計(jì)算結(jié)果有較大的影響,在下文將通過(guò)計(jì)算來(lái)對(duì)此加以比較說(shuō)明。在三脈動(dòng)模型中,每極增加一個(gè)安裝在中性線母線處的中性點(diǎn)電容Cn以便為流過(guò)換流變壓器雜散電容的諧波電流提供就近返回中性點(diǎn)的低阻抗通道,將接地極線路的等效干擾電流限制在給定的范圍以下。一般采用10多μF或數(shù)十μF的電容值。對(duì)于三脈動(dòng)模型中的4個(gè)三脈動(dòng)電壓源,為了能夠考慮各種不對(duì)稱,可以采用分段線性分析這種更精確的方法來(lái)計(jì)算每個(gè)閥換相期間電壓、電流的瞬時(shí)值。而12脈動(dòng)電壓實(shí)際上就是這4個(gè)三脈動(dòng)橋的電壓的疊加。每個(gè)三脈動(dòng)源的電壓波形在時(shí)域中分段表示,然后計(jì)算結(jié)果通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)分析計(jì)算。對(duì)于每種不對(duì)稱組合,采用這種方法后,交流電壓的所有諧波畸變、觸發(fā)角和變壓器電抗等的不對(duì)稱性都能夠得到很全面的考慮。本文利用Siemens公司的諧波分布計(jì)算程序HarmDistr進(jìn)行直流側(cè)諧波及Ieq的計(jì)算,上述內(nèi)容均在該程序中得以考慮。4直流濾波器的濾波性能下面針對(duì)目前在研待建的云廣特高壓直流輸電工程,利用Siemens公司的諧波分布計(jì)算程序HarmDistr進(jìn)行計(jì)算,來(lái)分析直流濾波器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)——等效干擾電流的主要影響因素;然后,以一組直流濾波器為例,計(jì)算不同的直流系統(tǒng)運(yùn)行工況以及不同直流濾波器的投切組合下直流濾波器的濾波性能,比較Ieq的大小并進(jìn)行分析討論。云廣直流輸電線路是世界上第一條±800kV特高壓直流輸電線路,輸送功率為5000MW,輸送距離為1438km,采用每極雙12脈動(dòng)換流器(即雙閥組,一個(gè)12脈動(dòng)換流器稱為單閥組)串聯(lián)連接的接線結(jié)構(gòu)。在該工程中,基于過(guò)電壓和絕緣配合等方面的考慮,平波電抗器不同于以往高壓直流輸電工程中將其僅裝設(shè)在極母線的布置方式,分別裝設(shè)在極母線和中性線母線上。4.1直流平波電抗器參數(shù)為了能夠更加真實(shí)地反映直流側(cè)諧波的大小,采用三脈動(dòng)諧波模型進(jìn)行計(jì)算。在該模型中,考慮了換流站等效對(duì)地雜散電容的存在,該電容主要考慮了換流變壓器、穿墻套管等設(shè)備的對(duì)地雜散電容,其大小對(duì)Ieq具有很大的影響,計(jì)算結(jié)果比較列于表1。由表1可以看出,相同條件下,較大的雜散電容值對(duì)應(yīng)著較大的Ieq。在工程前期階段,很難確定其較準(zhǔn)確的數(shù)值。通常在典型的高壓設(shè)計(jì)中,變壓器繞組對(duì)地分布雜散電容值約每個(gè)繞組總共有幾nF,每個(gè)套管對(duì)地雜散電容約為500pF。對(duì)于不同的直流輸電工程、不同的換流變壓器等設(shè)備,如何確定該雜散電容值的大小還需進(jìn)一步研究。直流平波電抗器的大小,是根據(jù)直流線路上發(fā)生故障或逆變器突然顛覆時(shí)限制電流上升率以及保證在小電流下能正常運(yùn)行的要求而設(shè)計(jì)的,它同時(shí)也組成換流器直流側(cè)濾波裝置的一部分,具有濾波作用。因此,平波電抗器電感量的大小對(duì)Ieq的數(shù)值有一定的影響,在相同條件下,當(dāng)其值較大時(shí),濾波作用強(qiáng),對(duì)應(yīng)的Ieq相對(duì)來(lái)說(shuō)就小些。本文分別取250mH,300mH及350mH進(jìn)行計(jì)算來(lái)予以說(shuō)明,計(jì)算結(jié)果如表1所示。平波電抗器除了其電感影響Ieq的大小,其布置方式也對(duì)Ieq有影響。平波電抗器根據(jù)工程的具體需求,可以裝設(shè)在極母線上,也可以分別布置在極母線和中性線母線上。在相同條件下,后者對(duì)應(yīng)的Ieq數(shù)值偏大,見表1中所示結(jié)果,這主要是因?yàn)閷⑵讲娍蛊鞑贾迷谥行阅妇€上使得原來(lái)用于消除3的奇數(shù)倍頻次諧波電流的中性母線電容回路阻抗加大,濾波效果減弱。此外,長(zhǎng)距離輸電線路的各種參數(shù)包括線路長(zhǎng)度、導(dǎo)線分裂數(shù)、線路電阻、分裂導(dǎo)線截面面積、導(dǎo)線導(dǎo)電率、導(dǎo)線水平距離、塔的高度、導(dǎo)線弧垂、漏損率、避雷線分裂數(shù)、避雷線電阻、避雷線截面面積、避雷線導(dǎo)電率、避雷線水平距離、塔的高度、避雷線弧垂、線路沿線的土壤導(dǎo)電率等,都將影響Ieq的大小。但是,在直流輸電工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究階段,對(duì)于其中不能確定的數(shù)值通常根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)估算它們的大小,以進(jìn)行Ieq的計(jì)算。上述提及的參數(shù)在進(jìn)行直流濾波器性能計(jì)算之前均需確定。此外,交流系統(tǒng)參數(shù)和換流器控制參數(shù)等的不對(duì)稱對(duì)Ieq的大小亦有很大的影響,對(duì)此將在下文加以詳述。4.2直流濾波器的選擇一臺(tái)直流濾波器在不同運(yùn)行方式下的性能與設(shè)計(jì)濾波器時(shí)所采用的準(zhǔn)則有很大關(guān)系。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓直流線路的諧波指標(biāo)和直流濾波器濾波性能要求沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定,各高壓直流輸電工程的諧波指標(biāo)也各不相同。諧波標(biāo)準(zhǔn)的確定是一個(gè)綜合優(yōu)化的結(jié)果,主要根據(jù)沿線通信線路自身的抗干擾能力所要求的諧波指標(biāo)和濾波器在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)設(shè)計(jì)能達(dá)到的諧波指標(biāo)協(xié)調(diào)一致所決定的。如果部分通信線路對(duì)諧波干擾要求較嚴(yán),而提高諧波標(biāo)準(zhǔn)后濾波器在經(jīng)濟(jì)上又不合理時(shí),可以考慮通過(guò)對(duì)沿線通信線路局部處理的辦法來(lái)解決?？傊?選擇適當(dāng)?shù)闹绷鳛V波器性能指標(biāo)要求,以便既能使諧波對(duì)通信線路的干擾限制在可以接受的范圍,又不會(huì)導(dǎo)致投資增加太多,力求在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均比較容易實(shí)現(xiàn)。在本文的工作中,以這樣一組直流濾波器性能指標(biāo)要求為例來(lái)說(shuō)明直流濾波器的性能計(jì)算:直流濾波器全部投入、雙極雙閥組運(yùn)行時(shí)Ieq≤1A,單極雙閥組運(yùn)行及雙極單閥組運(yùn)行時(shí)Ieq≤2A。在直流濾波器性能指標(biāo)要求確定后,對(duì)于某一組直流濾波器,如果計(jì)算得出的性能指標(biāo)不能滿足要求,那么就需重新設(shè)計(jì)一組直流濾波器,直至滿足給定的性能指標(biāo)要求為止。4.3直流濾波器的運(yùn)行對(duì)于直流濾波器性能的計(jì)算,采用諧波電壓的最嚴(yán)重組合。所謂最嚴(yán)重組合,是指考慮某一直流負(fù)荷下的各種不對(duì)稱和誤差在內(nèi)而確定的最大諧波電壓。為了得到諧波含量的最大分布,在計(jì)算中考慮了如下因素:交流電壓的變化、頻率變化、負(fù)序電壓、背景諧波、觸發(fā)角的不對(duì)稱、換相電抗的不對(duì)稱、測(cè)量誤差、變壓器變比的不對(duì)稱、直流電流紋波等。利用程序HarmDistr進(jìn)行計(jì)算時(shí),對(duì)所有可能的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行掃描,以得到可能的最嚴(yán)重組合,從而計(jì)算出每種運(yùn)行方式下的最高等效干擾電流。在本文的計(jì)算中,考慮到盡管48次特征諧波幅值相對(duì)來(lái)說(shuō)較小,但是其對(duì)Ieq的影響不能忽略,因此在直流濾波器選型時(shí),為兩端換流站均配置2組雙調(diào)諧直流濾波器DT12/24和DT36/48?？紤]的運(yùn)行接線方式包括:雙極對(duì)稱運(yùn)行、單極大地返回運(yùn)行、單極金屬返回運(yùn)行、雙極運(yùn)行中一極或雙極均降壓等?？紤]直流濾波器的狀態(tài)有:所有的濾波器均投入運(yùn)行;任一組或多組濾波器支路退出運(yùn)行。三脈動(dòng)模型中對(duì)應(yīng)的等效雜散電容,對(duì)于Y,y接線的變壓器取16nF;對(duì)于Y,d接線的變壓器取20nF。針對(duì)上述運(yùn)行工況,進(jìn)行了詳細(xì)的直流濾波器的性能計(jì)算。表2所示為額定直流電壓、不同接線方式下直流濾波器全部投入對(duì)應(yīng)的直流線路最大等效干擾電流。表3給出了雙極雙閥組正常運(yùn)行時(shí)由于故障或檢修任一條或2條濾波支路退出時(shí)計(jì)算得到的最大等效干擾電流的部分結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果中可以看出,當(dāng)直流濾波器全部投入時(shí),Ieq均小于性能指標(biāo)要求,如果得到的Ieq超出性能要求,需重新設(shè)計(jì)直流濾波器。另外,對(duì)于雙極運(yùn)行下任一直流濾波器退出或任一極的2組直流濾波器同時(shí)退出時(shí),相對(duì)而言Ieq非常大,這主要是因?yàn)殡p極間直流濾波器在數(shù)目和型號(hào)上不對(duì)稱,產(chǎn)生較大的接地電流而使得Ieq較大。雙極均降壓到最小值時(shí)得到的性能計(jì)算值為559mA,與正常電壓下的數(shù)值接近。這是因?yàn)樵诮祲哼\(yùn)行期間,觸發(fā)角將增加,但是閥側(cè)電壓會(huì)下降,所以諧波電壓的幅值與正常直流電壓運(yùn)行時(shí)接近,因此,等效干擾電流值與正常運(yùn)行時(shí)亦接近。另外,對(duì)于其他運(yùn)行工況,如一極運(yùn)行在額定電壓而另一極降壓的不對(duì)稱運(yùn)行工況及不同濾波器投切組合也分別進(jìn)行了計(jì)算,在此不再贅述。5直流濾波器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)本文通過(guò)計(jì)算、分析,得出如下主要結(jié)論:1)在實(shí)際工程中,究竟選擇何種形式的直流濾波