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直流濾波器在實際工程中的應(yīng)用在直線輸送線系統(tǒng)中，交換裝置通過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行費用;它們通過換流器轉(zhuǎn)移到交流系統(tǒng),可能會造成這些系統(tǒng)運行性能顯著下降;如果直流線路是架空線路,還將對線路鄰近通信系統(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;其次簡要介紹用于評價直流濾波器的性能指標等效干擾電流Ieq以及用于計算Ieq的三脈動諧波模型。針對目前在研待建的云廣特高壓直流工程,利用Siemens公司的諧波分布計算程序HarmDistr進行計算,討論分析各種因素對直流濾波器性能評價指標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/熄弧角的不對稱、背景諧波、負序電壓等。最后針對不同的直流系統(tǒng)運行工況、不同的直流濾波器的投切組合進行直流濾波器性能計算,比較Ieq的大小并進行分析討論。1各種運行條件下諧波的比較直流側(cè)濾波器的設(shè)計應(yīng)保證在直流線路的各種運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)諧濾波器等無源濾波器以及有源濾波器。一個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,但近幾年才投入商業(yè)運行,運行情況不甚理想,還需進一步積累經(jīng)驗。相比而言,無源濾波器應(yīng)用更加廣泛、運行經(jīng)驗也比較成熟。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調(diào)諧頻率,但其結(jié)構(gòu)簡單,現(xiàn)場調(diào)諧方便,在多個直流工程中都有應(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。1)與交流濾波器不同,直流濾波器沒有無功功率補償問題,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)總的無功功率來確定,而是按照線路電壓、濾波要求和經(jīng)濟性來決定。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格最貴的元件,因此,在設(shè)計直流濾波器時應(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)電感間會產(chǎn)生諧振,因此,即使是在準確調(diào)諧的交流濾波電路中也需要進行一定的阻尼。相反,直流回路的阻抗大部分是恒定的,因此允許使用準確調(diào)諧的濾波器。此外,在選擇直流側(cè)濾波器時,線路諧振可能引起的過電壓必須充分加以研究。直流線路故障時線路上及其端部的過電壓值、有無架空地線等,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,此處僅強調(diào)需特別注意之處。在參數(shù)確定時,一個重要參數(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,對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)計計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)的噪聲會嚴重損壞電話通信系統(tǒng)的質(zhì)量。因此,通常將直流線路對電話線路的干擾作為直流濾波電路設(shè)計的衡量標準,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)計的評價標準,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)計標準。關(guān)于等效干擾電流的詳細介紹,可參閱文獻。需特別注意,依照噪聲曲線,對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Ieq的影響就越大。所以盡管較高次諧波電流的幅值相對來說很小,但是應(yīng)特別注意它們對Ieq的影響,在直流濾波器選型時需給予考慮。3動脈接枝網(wǎng)計算由前可知,為了計算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算模型。對于12脈動換流器,以往采用12脈動直流側(cè)諧波模型來計算直流側(cè)諧波,由于該模型沒有考慮換流變壓器對地雜散電容等因素的影響,使得計算結(jié)果與實際測量結(jié)果偏差很大,因此提出了三脈動諧波模型,如圖1所示。由于考慮了換流變壓器對地雜散電容對直流側(cè)諧波電流分布的影響,該模型在直流輸電工程設(shè)計中被廣泛使用、接受。在三脈動直流諧波模型中,每個三脈動橋由1個三脈動電壓源和1個等效的內(nèi)阻抗組成。每個12脈動換流器可以表示為4個三脈動橋串聯(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)備的對地雜散電容,由2個與地相連的集中電容來表示,位置在2個三脈動對應(yīng)之間,如圖1中的Ce1和Ce2。這些電容器在設(shè)計階段只能近似估計其值的大小,該值的大小對等效干擾電流的計算結(jié)果有較大的影響,在下文將通過計算來對此加以比較說明。在三脈動模型中,每極增加一個安裝在中性線母線處的中性點電容Cn以便為流過換流變壓器雜散電容的諧波電流提供就近返回中性點的低阻抗通道,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。對于三脈動模型中的4個三脈動電壓源,為了能夠考慮各種不對稱,可以采用分段線性分析這種更精確的方法來計算每個閥換相期間電壓、電流的瞬時值。而12脈動電壓實際上就是這4個三脈動橋的電壓的疊加。每個三脈動源的電壓波形在時域中分段表示,然后計算結(jié)果通過傅里葉級數(shù)來分析計算。對于每種不對稱組合,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公司的諧波分布計算程序HarmDistr進行直流側(cè)諧波及Ieq的計算,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公司的諧波分布計算程序HarmDistr進行計算,來分析直流濾波器性能評價指標——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,計算不同的直流系統(tǒng)運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脈動換流器(即雙閥組,一個12脈動換流器稱為單閥組)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)為了能夠更加真實地反映直流側(cè)諧波的大小,采用三脈動諧波模型進行計算。在該模型中,考慮了換流站等效對地雜散電容的存在,該電容主要考慮了換流變壓器、穿墻套管等設(shè)備的對地雜散電容,其大小對Ieq具有很大的影響,計算結(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應(yīng)著較大的Ieq。在工程前期階段,很難確定其較準確的數(shù)值。通常在典型的高壓設(shè)計中,變壓器繞組對地分布雜散電容值約每個繞組總共有幾nF,每個套管對地雜散電容約為500pF。對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限制電流上升率以及保證在小電流下能正常運行的要求而設(shè)計的,它同時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Ieq的數(shù)值有一定的影響,在相同條件下,當其值較大時,濾波作用強,對應(yīng)的Ieq相對來說就小些。本文分別取250mH,300mH及350mH進行計算來予以說明,計算結(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,后者對應(yīng)的Ieq數(shù)值偏大,見表1中所示結(jié)果,這主要是因為將平波電抗器布置在中性母線上使得原來用于消除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,長距離輸電線路的各種參數(shù)包括線路長度、導線分裂數(shù)、線路電阻、分裂導線截面面積、導線導電率、導線水平距離、塔的高度、導線弧垂、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)計研究階段,對于其中不能確定的數(shù)值通常根據(jù)工程經(jīng)驗來估算它們的大小,以進行Ieq的計算。上述提及的參數(shù)在進行直流濾波器性能計算之前均需確定。此外,交流系統(tǒng)參數(shù)和換流器控制參數(shù)等的不對稱對Ieq的大小亦有很大的影響,對此將在下文加以詳述。4.2直流濾波器的選擇一臺直流濾波器在不同運行方式下的性能與設(shè)計濾波器時所采用的準則有很大關(guān)系。目前,國內(nèi)外對高壓直流線路的諧波指標和直流濾波器濾波性能要求沒有統(tǒng)一規(guī)定,各高壓直流輸電工程的諧波指標也各不相同。諧波標準的確定是一個綜合優(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和濾波器在技術(shù)經(jīng)濟合理時設(shè)計能達到的諧波指標協(xié)調(diào)一致所決定的。如果部分通信線路對諧波干擾要求較嚴,而提高諧波標準后濾波器在經(jīng)濟上又不合理時,可以考慮通過對沿線通信線路局部處理的辦法來解決?？傊?選擇適當?shù)闹绷鳛V波器性能指標要求,以便既能使諧波對通信線路的干擾限制在可以接受的范圍,又不會導致投資增加太多,力求在技術(shù)和經(jīng)濟上均比較容易實現(xiàn)。在本文的工作中,以這樣一組直流濾波器性能指標要求為例來說明直流濾波器的性能計算:直流濾波器全部投入、雙極雙閥組運行時Ieq≤1A,單極雙閥組運行及雙極單閥組運行時Ieq≤2A。在直流濾波器性能指標要求確定后,對于某一組直流濾波器,如果計算得出的性能指標不能滿足要求,那么就需重新設(shè)計一組直流濾波器,直至滿足給定的性能指標要求為止。4.3直流濾波器的運行對于直流濾波器性能的計算,采用諧波電壓的最嚴重組合。所謂最嚴重組合,是指考慮某一直流負荷下的各種不對稱和誤差在內(nèi)而確定的最大諧波電壓。為了得到諧波含量的最大分布,在計算中考慮了如下因素:交流電壓的變化、頻率變化、負序電壓、背景諧波、觸發(fā)角的不對稱、換相電抗的不對稱、測量誤差、變壓器變比的不對稱、直流電流紋波等。利用程序HarmDistr進行計算時,對所有可能的穩(wěn)態(tài)工況進行掃描,以得到可能的最嚴重組合,從而計算出每種運行方式下的最高等效干擾電流。在本文的計算中,考慮到盡管48次特征諧波幅值相對來說較小,但是其對Ieq的影響不能忽略,因此在直流濾波器選型時,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]的運行接線方式包括:雙極對稱運行、單極大地返回運行、單極金屬返回運行、雙極運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行;任一組或多組濾波器支路退出運行。三脈動模型中對應(yīng)的等效雜散電容,對于Y,y接線的變壓器取16nF;對于Y,d接線的變壓器取20nF。針對上述運行工況,進行了詳細的直流濾波器的性能計算。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行時由于故障或檢修任一條或2條濾波支路退出時計算得到的最大等效干擾電流的部分結(jié)果。從計算結(jié)果中可以看出,當直流濾波器全部投入時,Ieq均小于性能指標要求,如果得到的Ieq超出性能要求,需重新設(shè)計直流濾波器。另外,對于雙極運行下任一直流濾波器退出或任一極的2組直流濾波器同時退出時,相對而言Ieq非常大,這主要是因為雙極間直流濾波器在數(shù)目和型號上不對稱,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得到的性能計算值為559mA,與正常電壓下的數(shù)值接近。這是因為在降壓運行期間,觸發(fā)角將增加,但是閥側(cè)電壓會下降,所以諧波電壓的幅值與正常直流電壓運行時接近,因此,等效干擾電流值與正常運行時亦接近。另外,對于其他運行工況,如一極運行在額定電壓而另一極降壓的不對稱運行工況及不同濾波器投切組合也分別進行了計算,在此不再贅述。5直流濾波器設(shè)計注意事項本文通過計算、分析,得出如下主要結(jié)論:1)在實際工程中,究竟選擇何種形式的直流濾波