感應(yīng)濾波理論及其在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、電力濾波是提高電能質(zhì)量的重要手段。無源濾波、有源濾波、混合濾波是目前普遍采用的濾波技術(shù)。論文就一種新的感應(yīng)濾波技術(shù)開展了深入系統(tǒng)的研究。介紹了感應(yīng)濾波技術(shù)的發(fā)展歷程，從理論上分析了感應(yīng)濾波的機理，給出了實現(xiàn)感應(yīng)濾波的阻抗條件，通過論文的研究表明，將感應(yīng)濾波應(yīng)用于直流輸電中將可以提高濾波效果、抑制諧波不穩(wěn)定、減少無功需求、降低逆變狀態(tài)下?lián)Q相失敗可能性、使得輕型直流輸電系統(tǒng)展現(xiàn)各種優(yōu)越性能。感應(yīng)濾波在大功率整流系統(tǒng)中應(yīng)用的測試結(jié)果初步驗證了

2、感應(yīng)濾波技術(shù)的優(yōu)越性。
　　 論文開展的基礎(chǔ)性研究工作以及取得的創(chuàng)新性研究成果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　 1、從理論上揭示了感應(yīng)濾波的工作機理與電磁特性提出了一種應(yīng)用“超導(dǎo)”閉合回路磁鏈?zhǔn)睾阍砗痛艅萜胶庠韺Ω袘?yīng)濾波的工作機理進行理論分析的方法。分別從場、路兩方面揭示了感應(yīng)濾波實施需要滿足的特定次諧波頻率下的“超導(dǎo)”閉合回路條件。提出了感應(yīng)濾波的場路耦合電磁分析法，建立了場路耦合模型，對感應(yīng)濾波裝置的電磁特性進行了

3、比較全面的分析。研究發(fā)現(xiàn)，就本質(zhì)而言，感應(yīng)濾波充分利用了變壓器固有的安匝平衡特性，通過構(gòu)建特定次諧波頻率下的“超導(dǎo)”回路線圈，實現(xiàn)對特定次諧波電流與換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組及交流電網(wǎng)的隔離與屏蔽；就表現(xiàn)形式而言，感應(yīng)濾波的實施抑制了特定次諧波頻率下變壓器鐵心中的磁諧波磁通，這有利于從根本上改善諧波對換流變壓器造成的諸如絕緣、損耗、振動等危害。
　　 2、提出了非理想?yún)?shù)下感應(yīng)濾波性能的靈敏度分析方法根據(jù)多繞組變壓器理論和電路基本原理，

4、推導(dǎo)并建立了含電磁約束關(guān)系的感應(yīng)濾波換流變壓器解耦等值電路及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用系統(tǒng)靈敏度理論，研究了諧波源擾動、電網(wǎng)參數(shù)波動、以及內(nèi)部阻抗參數(shù)攝動對感應(yīng)濾波性能的靈敏度特性。研究發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)濾波不易與電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗發(fā)生串/并聯(lián)諧振；只要按照常規(guī)換流變壓器設(shè)計網(wǎng)側(cè)繞組等值阻抗使得濾波繞組等值阻抗接近為零、調(diào)諧裝置工作在調(diào)諧點，就能保證感應(yīng)濾波的濾波效果。
　　 3、建立了基于感應(yīng)濾波的直流輸電諧波傳遞數(shù)學(xué)模型提出了基于感應(yīng)濾波的直流

5、輸電新型換流站的等值電路和諧波傳遞解析數(shù)學(xué)模型建立方法。首先，針對新型換流站特有的主電路拓撲，建立了以阻抗特征(包括基波阻抗與諧波阻抗)為表達方式的等值電路：建立了反映感應(yīng)濾波對HVDC系統(tǒng)諧波分布特性影響的諧波傳遞模型；通過對換流器換相過程進行理論分析，得到了反映換流器諧波特性的閥電流時域表達式；結(jié)合諧波傳遞數(shù)學(xué)模型，對感應(yīng)濾波換流變壓器繞組諧波電流特性進行了研究。統(tǒng)一化的等值電路及相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的建立，為深入開展感應(yīng)濾波對直流輸電諧波

6、特性及其它技術(shù)特性的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 4、揭示了感應(yīng)濾波抑制直流輸電諧波不穩(wěn)定的機理感應(yīng)濾波可以雙向抑制換流器交流側(cè)并聯(lián)諧振電流，通過對2次諧波實施感應(yīng)濾波，還可以抑制直流偏磁引起的飽和型諧波不穩(wěn)定，這就是感應(yīng)濾波抑制直流輸電諧波不穩(wěn)定的機理。論文采用頻率掃描的方法，從互補諧振的抑制角度揭示了其工作機理。建立了用于分析直流輸電諧波不穩(wěn)定的阻抗等值網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)等效性原則建立了可與CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)作對比研究的

7、基于感應(yīng)濾波的直流輸電系統(tǒng)測試系統(tǒng)；采用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真工具PSCAD/EMTDC對這兩種測試系統(tǒng)的阻抗網(wǎng)絡(luò)在頻域范圍內(nèi)進行掃描。研究發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)濾波的實施在一定程度上修改了換流器交流側(cè)等值阻抗的并聯(lián)諧振狀態(tài)，使得低次并聯(lián)諧振頻率向高頻方向漂移，從根本上避開了交直流側(cè)互補諧振的頻率點，這對于消除直流輸電諧波不穩(wěn)定發(fā)生的潛在性，增強直流輸電交流系統(tǒng)的強度，提高直流輸電運行的可靠性和穩(wěn)定性是非常有益的。
　　 5、從理論上揭示了感

8、應(yīng)濾波具有的閥側(cè)繞組無功補償?shù)膬?yōu)越特性根據(jù)多繞組變壓器理論和基爾霍夫電流定律，對感應(yīng)濾波的直流輸電換流器所具有的閥側(cè)繞組無功補償特性進行了理論推導(dǎo)和矢量分析；得到了計及無功補償度的新型換流變壓器及其感應(yīng)濾波系統(tǒng)等值阻抗表達式，通過頻率掃描法對其阻抗頻率特性進行了深入的研究，通過引入諧波參與因子，定義并詳細研究了感應(yīng)濾波對換流器等值換相電抗的影響，并進一步地研究了感應(yīng)濾波對運行于不同控制模式時的換流器無功功率特性的影響。研究工作揭示了感應(yīng)

9、濾波在無功補償方面的優(yōu)越特性：等值換相電抗降低，直流輸電各自控制模式下的無功消耗均較電流源型換流器低。動模試驗結(jié)果驗證了相關(guān)的研究結(jié)果。
　　 6、揭示了逆變狀態(tài)下感應(yīng)濾波增強換流器穩(wěn)定運行能力的機理通過對正常運行、對稱性故障運行以及非對稱性故障運行下，感應(yīng)濾波的實施與否對逆變器換相特性的影響進行了機理性的研究；其次，基于CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)和與之等值的基于感應(yīng)濾波的新型直流輸電測試系統(tǒng)，對新型和傳統(tǒng)換流器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特

10、性進行了研究，揭示了感應(yīng)濾波的實施對換流器控制性能的影響；最后，對采用感應(yīng)濾波的新型直流輸電在故障運行條件下的暫態(tài)響應(yīng)特性進行了電磁暫態(tài)仿真測試，其結(jié)果與CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的測試結(jié)果相比較，揭示了基于感應(yīng)濾波的新型直流輸電在暫態(tài)特性方面的優(yōu)點。研究結(jié)果揭示了感應(yīng)濾波在提升逆變器關(guān)斷角裕度、降低逆變器換相失敗概率、進而提升逆變器穩(wěn)定運行能力方面具有的優(yōu)點。
　　 7、建立了基于相分量法的感應(yīng)濾波換流變壓器數(shù)學(xué)模型為了從電路

11、原理角度分析由感應(yīng)濾波技術(shù)構(gòu)建的新型換流變壓器及其配套全調(diào)諧裝置的運行特性，整定這類新型換流變壓器的保護判據(jù)，論文在此部分提出并建立了基于相分量法的感應(yīng)濾波換流變壓器數(shù)學(xué)模型。該模型以變壓器耦合電路原理為基礎(chǔ)，包括了基本模型、節(jié)點拓展模型、支路拓展模型三大類，便于在實際應(yīng)用中靈活選擇。在此基礎(chǔ)上，提出了基于模型法的感應(yīng)濾波換流變壓器保護方案，并初步整定了相應(yīng)的保護判據(jù)。通過對感應(yīng)濾波換流變壓器的多種運行狀態(tài)進行仿真計算，驗證了保護方案和

12、保護判據(jù)的正確性。
　　 8、提出了由感應(yīng)濾波技術(shù)構(gòu)建的輕型直流輸電新模式具體地研究了電壓源型感應(yīng)濾波換流器應(yīng)用于輕型直流輸電的可行性及相關(guān)的技術(shù)特性。通過電磁暫態(tài)仿真計算，初步揭示了感應(yīng)濾波對輕型直流輸電濾波特性、換流器PQ特性、雙向潮流控制特性、電壓穩(wěn)定性、以及故障恢復(fù)特性等方面的運行特性，對感應(yīng)濾波理論在現(xiàn)代直流輸電領(lǐng)域的進一步應(yīng)用拓展進行了有益探討。
　　 9、對感應(yīng)濾波在工業(yè)直流系統(tǒng)中的工程實踐進行了研究對感應(yīng)

13、濾波首次應(yīng)用于直流415V，22kA，交流35kV，10080kVA整流系統(tǒng)的工程進行了測試研究。介紹了基于感應(yīng)濾波的新型工業(yè)直流供電系統(tǒng)的電氣主接線、感應(yīng)濾波整流變壓器及其配套全調(diào)諧裝置的現(xiàn)場安裝圖、以及主要的設(shè)計參數(shù)：最后，對基于感應(yīng)濾波技術(shù)的新型工業(yè)直流系統(tǒng)的實際運行情況進行了現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明：實施感應(yīng)濾波，使得整流系統(tǒng)濾波效果好，功率因數(shù)高，系統(tǒng)效率高，鐵心諧波磁通得到抑制。驗證了本論文相關(guān)理論成果的正確性。