高压直流输电谐波和滤波器ppt课件

陈堂贤陈堂贤陈堂贤陈堂贤20092009年年年年8 8月月月月第第4章章 高压直流输电谐波和滤波器高压直流输电谐波和滤波器高压直流输电第4章 高压直流输电谐波和滤波器1n谐波通常被分为两类谐波通常被分为两类:电压源性质的谐波和电流源电压源性质的谐波和电流源性质的谐波。性质的谐波。n电压谐波：作戴维南等效时，等效阻抗远小于外电压谐波：作戴维南等效时，等效阻抗远小于外接阻抗，输出端谐波电压不随外接负载的变化而接阻抗，输出端谐波电压不随外接负载的变化而改变，如发电机输出的谐波电压，变频器输出谐改变，如发电机输出的谐波电压，变频器输出谐波电压，负载电网侧谐波电压。波电压，负载电网侧谐波电压。n电流谐波：作电流谐波：作 Norton 等效时，等效阻抗远大于等效时，等效阻抗远大于外接阻抗，谐波电流幅值不随外接负载的变化而外接阻抗，谐波电流幅值不随外接负载的变化而改变。谐波电压在回路的不同点可有差异，而谐改变。谐波电压在回路的不同点可有差异，而谐波电流在谐波回路中却总是一样的。波电流在谐波回路中却总是一样的。第一节第一节 概述概述三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系谐波通常被分为两类:电压源性质的谐波和电流源性质的谐波。第一2n显然，从交流侧看对于同一个电路，从显然，从交流侧看对于同一个电路，从不同的角度研究可能要作不同的处理。不同的角度研究可能要作不同的处理。比如，从交流侧看比如，从交流侧看 HVDC 整流电路时，整流电路时，因为直流侧的大电感作用，直流侧纹波因为直流侧的大电感作用，直流侧纹波可以认为是电流源性质；从直流侧看，可以认为是电流源性质；从直流侧看，因为交流侧直接连接于大电网，变流器因为交流侧直接连接于大电网，变流器可以看作电压谐波源。可以看作电压谐波源。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系显然，从交流侧看对于同一个电路，从不同的角度研究可能要作不同3n换流站交流侧的三相电流和直流侧电压中的谐波，换流站交流侧的三相电流和直流侧电压中的谐波，其次数和特性比较有规律，它们统称为特征谐波。其次数和特性比较有规律，它们统称为特征谐波。脉动数为脉动数为 p 的换流器在直流侧电压中仅仅产生的换流器在直流侧电压中仅仅产生 pn次的特征谐波电压，而在交流电流中产生次的特征谐波电压，而在交流电流中产生 pn士士 1 次的特征谐波电流，其中次的特征谐波电流，其中 n为任意整数。对为任意整数。对于于 12 脉波的脉波的 HVDC，其交流侧的特征谐波电流，其交流侧的特征谐波电流应为应为 12n 1次。由于实际中用于计算特征谐波次。由于实际中用于计算特征谐波的理想条件是不存在的，因此还会存在的理想条件是不存在的，因此还会存在 12 n 1次以外的非特征谐波。次以外的非特征谐波。n另外，考虑到无功补偿电容和滤波器支路，系统另外，考虑到无功补偿电容和滤波器支路，系统中还应存在三次谐波电流。中还应存在三次谐波电流。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系换流站交流侧的三相电流和直流侧电压中的谐波，其次数和特性比较4第2节谐波分析nia、ib、ic是方波（是方波（rectangular waveforms）n幅值是幅值是Id，仅分析，仅分析ia相，以自然换相点为计时起点，相，以自然换相点为计时起点，则则ia移相移相a角，。根据傅立叶变换有角，。根据傅立叶变换有：三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系第2节谐波分析ia、ib、ic是方波（rectangular5三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系三峡大学电气信息学院电气工程系6三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系三峡大学电气信息学院电气工程系7n 三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系 三峡大学电气信息学院电气工程系8三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系三峡大学电气信息学院电气工程系9三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系三峡大学电气信息学院电气工程系10第三节第三节第三节第三节 谐波抑制措施谐波抑制措施谐波抑制措施谐波抑制措施减小高压直流输电系统中谐波的措施减小高压直流输电系统中谐波的措施可以分为三类：可以分为三类：A作用于谐波源的措施，如增加换流作用于谐波源的措施，如增加换流器的脉冲数器的脉冲数B装设滤波器装设滤波器C改变直流输电线路的参数，以达到改变直流输电线路的参数，以达到加大直流输电线路中谐波电压和谐波电加大直流输电线路中谐波电压和谐波电流的衰减流的衰减三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系第三节 谐波抑制措施减小高压直流输电系统中谐波的措施可以分11n增加换流器的脉动数会让变压器的接线变得非常复杂，不符合高压直流输电的要求，不过适当增加脉冲数是有效的。图 4-1 为 6 脉冲整流器原理接线图，图4-2 为 12 脉冲整流器原理接线图，下面就单桥 6 脉冲换流器增加为双桥 12 脉冲换流器的差异进行说明。n12 脉冲换流单元是由两个交流侧电压相位相差 30的 6 脉冲换流单元在直流侧串联而在交流侧并联所组成。6 脉冲换流器触发脉冲之间的间距为 60，12脉冲换流器触发脉冲之间的间距为 301、增加换流器的脉冲数三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系增加换流器的脉动数会让变压器的接线变得非常复杂，不符合高压直12三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系三峡大学电气信息学院电气工程系13三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系三峡大学电气信息学院电气工程系14n6 脉冲换流器在交流侧和直流侧分别产生脉冲换流器在交流侧和直流侧分别产生 6K1 次和次和 6K 次的特征谐波。因此，在次的特征谐波。因此，在交流侧需要配备交流侧需要配备 6K1 次的交流滤波器，次的交流滤波器，而在直流侧除平波电抗器以外，在架空线而在直流侧除平波电抗器以外，在架空线路时通常还需要配备路时通常还需要配备 6K 次的直流滤波器。次的直流滤波器。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系6 脉冲换流器在交流侧和直流侧分别产生 6K1 次和 6K15n12 脉冲换流器在交流侧和直流侧分别产生脉冲换流器在交流侧和直流侧分别产生 12K1 次和次和 12K 次的特征谐波。因此，在交流次的特征谐波。因此，在交流侧和直流侧只须分别配备侧和直流侧只须分别配备 12K1 次和次和 12K 次的次的滤波器。从而可简化滤波装置，缩小占地面积，滤波器。从而可简化滤波装置，缩小占地面积，降低换流站造价。这是选择降低换流站造价。这是选择 12 脉冲换流单元作脉冲换流单元作为基本换流单元的主要原因。为基本换流单元的主要原因。n理论计算可得：两个整流桥产生的绝大部分奇次理论计算可得：两个整流桥产生的绝大部分奇次谐波相互抵消；因此注入电网的只有谐波相互抵消；因此注入电网的只有 12K1（K 为正整数）次谐波，且其有效值与谐波次数成反为正整数）次谐波，且其有效值与谐波次数成反比，而与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。比，而与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系12 脉冲换流器在交流侧和直流侧分别产生 12K1 次和 16换流器通过增加脉冲数减小谐波后，为了取得更换流器通过增加脉冲数减小谐波后，为了取得更好的滤波效果，必须装设滤波器。而混合型有源好的滤波效果，必须装设滤波器。而混合型有源电力滤波器是一种新型滤波器，它能对频率和大电力滤波器是一种新型滤波器，它能对频率和大小都变化的谐波进行补偿，实现动态地抑制谐波，小都变化的谐波进行补偿，实现动态地抑制谐波，其应用可克服其应用可克服 LC 滤波器和并联型有源滤波器的滤波器和并联型有源滤波器的缺点。介绍缺点。介绍 LC 滤波器和有源滤波器的基本原理，滤波器和有源滤波器的基本原理，在此基础上介绍各种混合型有源滤波器的结构、在此基础上介绍各种混合型有源滤波器的结构、原理，并着重介绍由原理，并着重介绍由 LC 滤波器和有源滤波器串滤波器和有源滤波器串联构成的混合型有源滤波器。联构成的混合型有源滤波器。2 2、装设滤波器、装设滤波器、装设滤波器、装设滤波器三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系换流器通过增加脉冲数减小谐波后，为了取得更好的滤波效果，必须172.1 LC 滤波器的结构和原理nLC 滤波器也称无源滤波器，是由滤波电容器、电滤波器也称无源滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻适当组合而成的滤波装置，与谐波源抗器和电阻适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾补偿无功。无源并联，除起滤波作用外，还兼顾补偿无功。无源滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。电力系统中并联无源电力滤波器是最主要的谐波电力系统中并联无源电力滤波器是最主要的谐波抑制方案之一，这些滤波器通常是由电容、电感抑制方案之一，这些滤波器通常是由电容、电感和电阻等无源元件构成的谐振电路。并联无源电和电阻等无源元件构成的谐振电路。并联无源电力滤波器的原理是对某些谐波频率谐振形成低阻力滤波器的原理是对某些谐波频率谐振形成低阻通路，使相应的谐波电流流入无源支路而避免流通路，使相应的谐波电流流入无源支路而避免流入电网内。入电网内。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系2.1 LC 滤波器的结构和原理LC 滤波器也称无源滤波器，18nLC 滤波器又可分为单调谐滤波器、高通滤滤波器又可分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种，实际应用中波器及双调谐滤波器等几种，实际应用中常采用几组单调谐滤波器和一组高通滤波常采用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。器组成滤波装置。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系LC 滤波器又可分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等19单调谐滤波器原理三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系单调谐滤波器原理三峡大学电气信息学院电气工程系20n滤波器对 n次谐波(n =ns)的阻抗为n式中，下标 f n表示第 n次单调谐滤波器。由上式画出滤波器阻抗随频率变化的关系曲线，如图 4-3b 所示。单调谐滤波器是利用串联 L、C 谐振原理构成的，谐振次数 n为三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系滤波器对 n次谐波(n =ns)的阻抗为三峡大学电21n在谐振点处，在谐振点处，Z Fn=RFn，因，因 RF n很小，很小，n次次谐波电流主要由谐波电流主要由 RF n分流，很少流入电网。而对分流，很少流入电网。而对于其他次数的谐波，于其他次数的谐波，Z Fn RFn,滤波器分流很滤波器分流很少。因此，简单地说，只要将滤波器的谐振次数少。因此，简单地说，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。该滤波器的优点是参数配置简单，如滤波目的。该滤波器的优点是参数配置简单，如滤波器有故障时可分别退出故障滤波器，系统和其余器有故障时可分别退出故障滤波器，系统和其余滤波器可照常运行。缺点是当谐波标准较严时，滤波器可照常运行。缺点是当谐波标准较严时，滤波器组数较多，占地面积大，成本较高。滤波器组数较多，占地面积大，成本较高。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系在谐振点处，Z Fn=RFn，因 RF n很小，n次22双调谐滤波器三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系双调谐滤波器三峡大学电气信息学院电气工程系23n图图 4-4a 所示为双调谐滤波器的基本电路原所示为双调谐滤波器的基本电路原理图，图理图，图 4-4b 是双调谐滤波器的阻抗频率是双调谐滤波器的阻抗频率特性图。其中特性图。其中 C1、L1、R1 构成与单调谐构成与单调谐滤波器结构相类似的串联谐振回路，即串滤波器结构相类似的串联谐振回路，即串联调谐回路（串联回路）；联调谐回路（串联回路）；C2、L2、R2 组成并联谐振的辅助调谐回路（并联路），组成并联谐振的辅助调谐回路（并联路），R1、R2 可以是电抗器可以是电抗器 L1、L2 的内阻，的内阻，也可以是外加的。也可以是外加的。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系图 4-4a 所示为双调谐滤波器的基本电路原理图，图 4-424n在基波在基波(或直流或直流)情况下，串联回路所承受情况下，串联回路所承受的电压大大高于并联谐振回路所承受的电的电压大大高于并联谐振回路所承受的电压，它与完成相同滤波功能的两个单调谐压，它与完成相同滤波功能的两个单调谐滤波器相比，一个回路的元件耐压相等，滤波器相比，一个回路的元件耐压相等，另一回路元件的耐压要低得多。两个回路另一回路元件的耐压要低得多。两个回路分别有各自频率阻抗关系和谐振点，它们分别有各自频率阻抗关系和谐振点，它们的串联组合构成了新的频率阻抗关系，即的串联组合构成了新的频率阻抗关系，即双调谐滤波器的频率阻抗曲线，将具有不双调谐滤波器的频率阻抗曲线，将具有不同频率的两个谐振点。同频率的两个谐振点。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系在基波(或直流)情况下，串联回路所承受的电压大大高于并联谐振25n双调谐滤波器的主要优点是在高电压下应双调谐滤波器的主要优点是在高电压下应用，因为它减少了承受全线冲击电压的电用，因为它减少了承受全线冲击电压的电感数目。双调谐滤波器投资少，总的基波感数目。双调谐滤波器投资少，总的基波无功容量及其能耗较小，故近年来国内外无功容量及其能耗较小，故近年来国内外直流输电工程中双调谐滤波器应用广泛。直流输电工程中双调谐滤波器应用广泛。我国的葛洲坝我国的葛洲坝上海、天生桥上海、天生桥广州、广州、三峡三峡常州直流输电工程均采用了双调常州直流输电工程均采用了双调谐滤波器。谐滤波器。三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系双调谐滤波器的主要优点是在高电压下应用，因为它减少了承受全线26高通滤波器三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系高通滤波器三峡大学电气信息学院电气工程系27n高通滤波器也称减幅滤波器，它有一阶、二阶、高通滤波器也称减幅滤波器，它有一阶、二阶、三阶和三阶和 C 型四种：一阶高通滤波器需要的电容太型四种：一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大，因此一般不采用。二阶高大，基波损耗也太大，因此一般不采用。二阶高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶的相比，其通滤波器的滤波性能最好，但与三阶的相比，其基波损耗较高。三阶高通滤波器比二阶得多一个基波损耗较高。三阶高通滤波器比二阶得多一个电容电容 C 2，C 2电容与电容与 C 1相比很小，它提高了相比很小，它提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减少基波损滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减少基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。C 型高通型高通滤波器的性能介于二阶的和三阶的之间。滤波器的性能介于二阶的和三阶的之间。C 2 与与 L 调谐在基波频率上，故调谐在基波频率上，故n可大大减少基波损耗。其缺点是对基波频率失谐可大大减少基波损耗。其缺点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。以上四种高通滤波器和元件参数漂移比较敏感。以上四种高通滤波器中，最常用的还是二阶高通滤波器中，最常用的还是二阶高通滤波器三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系高通滤波器也称减幅滤波器，它有一阶、二阶、三阶和 C 型四种28结论n无源滤波方案成本低、技术成熟，但存在以下缺无源滤波方案成本低、技术成熟，但存在以下缺陷：陷：1)谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，要谐波进行滤波，LC 参数的漂移将导致滤波特性参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定；改变，使滤波性能不稳定；2)滤波特性依赖于电滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变，因而的运行工况随时改变，因而 LC 网络的设计较困网络的设计较困难；难；3)电网的参数与电网的参数与 LC 可能产生并联谐振使该可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降；次谐波分量放大，使电网供电质量下降；4)电网电网中的某次谐波电压可能在中的某次谐波电压可能在 LC 网络中产生很大的网络中产生很大的谐波电流谐波电流三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系结论无源滤波方案成本低、技术成熟，但存在以下缺陷：1)谐振292.2 有原滤波器的结构和原理三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系2.2 有原滤波器的结构和原理三峡大学电气信息学院电气工程系30三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系三峡大学电气信息学院电气工程系31三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系三峡大学电气信息学院电气工程系32三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系三峡大学电气信息学院电气工程系33Thank you！三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气三峡大学电气信息学院电气工程系工程系工程系工程系Thank you！三峡大学电气信息学院电气工程系34