抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法及其装置.pdf

本发明公开了一种抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法及其装置。它采用触发角调制控制减小换流变压器的直流分量；以双调谐高通滤波器减小直流线路上进入换流变压器的工频分量，滤除掉因触发角调制产生的二次谐波和其它高频分量，减小前者带来的不良影响；其步骤为：1)在换流变压器二次侧安装电流互感器，在线监测换流变压器二次侧的电流，并用傅立叶分析方法在线计算出该电流的直流分量；2)采用双调谐高通滤波器，将其安装于直流中性线处，并接于中性线与地之间；3)进行触发角控制，使得a、b、c三相的直流分量为零；4)利用双调谐高通滤波器降低流入换流变压器的工频电流分量，抑制触发角调制产生的二次以及其它高次谐波。

1.  一种抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法，其特征是，它采用触发角调制控制以减小换流变压器的直流分量；采用双调谐高通滤波器以减小直流线路上进入换流变压器的工频分量，缓解触发角调制控制的压力，同时滤除掉因触发角调制产生的二次谐波和其它高频分量，减小前者带来的不良影响；
它的步骤为：
1)在换流变压器二次侧安装电流互感器，在线监测换流变压器二次侧的电流，并用傅立叶分析方法在线计算出该电流的直流分量；
2)采用双调谐高通滤波器，将其安装于直流中性线处，并接于中性线与地之间；
3)根据换流阀的换相过程，进行触发角控制，使得a、b、c三相的直流分量为零；
4)利用双调谐高通滤波器降低流入换流变压器的工频电流分量，以减小触发角调制控制的压力；同时抑制触发角调制产生的二次以及其它高次谐波。

2.  如权利要求1所述的抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法，其特征是，所述步骤3)中，触发角的控制过程为：当电流互感器监测到换流变压器二次侧的电流直流分量为正时，通过减小换流变压器电流的正向导通时间，同时增加它的负向导通时间以使得该直流分量减小，直至趋近于零，而导通时间的控制则通过改换流阀的触发角来实现；当电流互感器监测到换流变压器二次侧的电流直流分量为负时，通过增大换流变压器电流的反向导通时间，同时减少它的正向导通时间以使得该直流分量增大，直至趋近于零；而导通时间的控制则通过改变换流阀的触发角来实现。

3.  如权利要求2所述的抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法，其特征是，所述导通时间的控制过程为：对于换流变压器二次侧a相电流，其导通时间与阀1、阀3、阀4、阀6的触发角有关；其中阀1、阀3的触发角控制a相电流正向导通时间。阀4、阀6的触发角控制a相电流负向导通时间；当阀1的触发角增加，阀3的触发角减少时，其正向导通时间减少；当阀4的触发角增加，阀6触发角的减少时，其负向导通时间减少；反之当阀1的触发角减小，阀3的触发角增加时，其正向导通时间增加；当阀4的触发角减少，阀6触发角的增加时，其负向导通时间增加；
对于换流变压器二次侧b相电流，其导通时间与阀2、阀3、阀5、阀6的触发角有关；其中阀3，阀5的触发角控制b相电流正向导通时间；阀6，阀2的触发角控制b相电流负向导通时间；当阀3的触发角增加，阀5的触发角减少时，其正向导通时间减少；当阀6的触发角增加，阀2触发角的减少时，其负向导通时间减少；反之当阀3的触发角减少，阀5的触发角增加时，其正向导通时间增加；当阀6的触发角减少，阀2触发角的增加时，其负向导通时间增加；
对于换流变压器二次侧c相电流，其导通时间与阀1、阀2、阀4、阀5的触发角有关；其中阀5，阀1的触发角控制c相电流正向导通时间。阀2，阀4的触发角控制c相电流负向导通时间。当阀5的触发角增加，阀1的触发角减少时，其正向导通时间减少；当阀2的触发角增加，阀4触发角的减少时，其负向导通时间减少；反之当阀5的触发角减少，阀1的触发角增加时，其正向导通时间增加；当阀2的触发角减少，阀4触发角的增加时，其负向导通时间增加。

4.  一种权利要求1所述的抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法用双调谐高通滤波器，其特征是，它包括充放电电阻R、电容C₁、串联的电阻R₁与电感绕组L₁以及氧化锌避雷器ZnO并联；其并联一端依次串接电阻R₂、电感绕组L₂和电容C₂。

抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法及其装置。
背景技术
由于远距离大容量输电和电力系统网际互联，可用于架设输电线路的土地资源趋于饱和，交直流同走廊架设已变得普遍。交直流线路同走廊运行下，交流线路通过电磁耦合会在邻近的直流线路中产生工频感应电流，该电流通过直流线路进入两端换流站，侵入换流变压器，会在变压器绕组电流中形成直流分量并产生谐波，严重情况下会使变压器铁心的磁化曲线产生偏移，形成直流偏磁。这将使得变压器的噪声、损耗增加，损坏变压器，降低其使用寿命。深化交直流输电线路的耦合机理，提出更为有效的抑制措施，具有重要的意义。
抑制交直流线路电磁耦合效应的措施，当前主要有以下四点：①耦合段内交流线路换位；②耦合段内直流线路换位；③直流中性母线装设调频到工频的LC阻波滤波器；④触发角调制。其中，第一种方法虽能较大程度减小换流变压器电流中的直流分量，但高压输电线路换位繁琐，特别是特高压线路，在实际工程中较难以实现，同时经济性能较差；区别于交流线路的换位，第二种方法本质上仅改变了换位段内交直流线路的接近距离，它对于减小交直流线路的电磁耦合影响作用不大；第三种方法的效果介于第一种和第二种方法之间，但在一些实际工程中并不能完全满足要求，同时可能带来过电压等一些问题；触发角调制会带来一些负面效应，如增加交流和直流侧的非特征谐波含量等，该方法仅适合于直流线路中交流分量较小且换流变中直流分量较小时的情况。除上述以外，也可通过增加交直流线路间的耦合距离、减小耦合长度、耦合段内交流线路导线取三角排列、架空地线采用连续接地等方法抑制耦合效应，但受限于实际输电线路设计的综合要求，工程实施相对较难，同时经济性能差。
综上所述，目前已有的交直流线路间电磁耦合抑制措施效果都不是太理想，特别是针对交直流线路电压等级高、线路间距短、耦合长度长的情况，必须进行必要的改进和设计。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种触发角调制控制与新型拓扑阻尼滤波器相结合的抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法及其装置，它能有效减少直流线路上的高频谐波含量，同时换流变压器的直流电流分量能得到有效控制。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法，它采用触发角调制控制以减小换流变压器的直流分量；采用双调谐高通滤波器以减小直流线路上进入换流变压器的工频电流分量，缓解触发角调制控制的压力，同时滤除掉因触发角调制产生的二次谐波和其它高频分量，减小前者带来的不良影响；
它的步骤为：
1)在换流变压器二次侧安装电流互感器，在线监测换流变压器二次侧的电流，并用傅立叶分析方法在线计算出该电流的直流分量；
2)采用双调谐高通滤波器，将其安装于直流中性线处，并接于中性线与地之间；
3)根据换流阀的换相过程，进行触发角控制，使得a、b、c三相的直流分量为零；
4)利用双调谐高通滤波器降低流入换流变压器的工频电流分量，以减小触发角调制控制的压力；同时抑制触发角调制产生的二次以及其它高次谐波。
所述步骤3)中，触发角的控制过程为：当电流互感器监测到换流变压器二次侧的电流直流分量为正时，通过减小换流变压器电流的正向导通时间，同时增加它的负向导通时间以使得该直流分量减小，直至趋近于零；当电流互感器监测到换流变压器二次侧的电流直流分量为负时，通过增大换流变压器电流的反向导通时间，同时减少它的正向导通时间以使得该直流分量增大，直至趋近于零。通过改变阀的触发角而改变各项电流的导通时间。
所述导通时间的控制过程为：对于换流变压器二次侧a相电流，其导通时间与阀1、阀3、阀4、阀6的触发角有关；其中阀1、阀3的触发角控制a相电流正向导通时间。阀4、阀6的触发角控制a相电流负向导通时间；当阀1的触发角增加，阀3的触发角减少时，其正向导通时间减少；当阀4的触发角增加，阀6触发角的减少时，其负向导通时间减少；反之当阀1的触发角减小，阀3的触发角增加时，其正向导通时间增加；当阀4的触发角减少，阀6触发角的增加时，其负向导通时间增加；
对于换流变压器二次侧b相电流，其导通时间与阀2、阀3、阀5、阀6的触发角有关；其中阀3，阀5的触发角控制b相电流正向导通时间；阀6，阀2的触发角控制b相电流负向导通时间；当阀3的触发角增加，阀5的触发角减少时，其正向导通时间减少；当阀6的触发角增加，阀2触发角的减少时，其负向导通时间减少；反之当阀3的触发角减少，阀5的触发角增加时，其正向导通时间增加；当阀6的触发角减少，阀2触发角的增加时，其负向导通时间增加；
对于换流变压器二次侧c相电流，其导通时间与阀1、阀2、阀4、阀5的触发角有关；其中阀5，阀1的触发角控制c相电流正向导通时间。阀2，阀4的触发角控制c相电流负向导通时间。当阀5的触发角增加，阀1的触发角减少时，其正向导通时间减少；当阀2的触发角增加，阀4触发角的减少时，其负向导通时间减少；反之当阀5的触发角减少，阀1的触发角增加时，其正向导通时间增加；当阀2的触发角减少，阀4触发角的增加时，其负向导通时间增加。
一种抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法用双调谐高通滤波器，它包括充放电电阻R与电容C₁、串联的电阻R₁、电感绕组L₁以及氧化锌避雷器ZnO并联；其并联一端依次串接电阻R₂、电感绕组L₂和C₂。
本发明采用了触发角调制控制以减小换流变压器的直流分量；采用双调谐高通滤波器以减小直流线路上进入换流变压器的工频分量，缓解触发角调制控制的压力，同时滤除掉因触发角调制产生的二次谐波和其它高频分量，减小前者带来的不良影响。
主要原理如下：
1.针对交直流线路并行输电的运行方式，当考虑换流阀的换相过程时，换流变二次侧绕组的电流波形实际如图1所示，其中μ为换相重叠角，α′_i，i∈(1，3，4，6)为一周波内对应不同阀导通时的角度，图中I′_d为交流线路耦合在直流线路上的工频电流，实线部分为换流变压器二次侧单相电流波形。
触发角的基本原理为：当电流互感器监测到换流变压器二次侧的电流直流分量为正时，通过减小换流变压器电流的正向导通时间，同时增加它的负向导通时间以使得该直流分量减小，直至趋近于零。当电流互感器监测到换流变压器二次侧的电流直流分量为负时，通过增大换流变压器电流的反向导通时间，同时减少它的正向导通时间以使得该直流分量增大，直至趋近于零。
以六脉动下换流变压器为例，针对换流变压器二次侧a相电流，当该电流的直流分量为正时，可增加晶闸管阀1、阀6的触发角α₁、α₆，同时减小晶闸管阀3、阀4的触发角α₃、α₄，以此来减小该相电流的直流分量，直至为零。其原理如图1所示，图中α′₁，α′₃，α′₄，α′₆分别对应于阀1、阀3、阀4、阀6导通的时刻。当增加晶闸管阀1、减小晶闸管阀3的触发角时，对应图中所示的α′₁将向图中的右边移动，α′₃将向图中的左边移动，图中实线与α′₁、α′₃之间所包含的面积将减小，即对应的直流分量正向部分减小。当增加晶闸管阀4、减小晶闸管阀6的触发角时，对应图中所示的α′₄将向图中的左边移动，α′₆将向图中的右边移动，图中实线与α′₄、α′₆之间所包含的面积将增加，即对应的直流分量负向部分增加。当一周期内正向部分的面积与负向部分的面积相等时，该直流分量则变为零。当该电流的直流分量为负时，其原理类似，可减小晶闸管阀1、阀6的触发角α₁、α₆，同时增加晶闸管阀3、阀4的触发角α₃、α₄，以此来增加该相电流的直流分量，直至为零。
对于二次侧b相电流，与a相类似，当该电流的直流分量为正时，可增加晶闸管阀2、阀3的触发角α₂、α₃，同时减小晶闸管阀5、阀6的触发角α₅、α₆，以此来减小该相电流的直流分量，直至为零。当该电流的直流分量为负时，可减少晶闸管阀2、阀3的触发角α₂、α₃，同时增加晶闸管阀5、阀6的触发角α₅、α₆，以此来减小该相电流的直流分量直至为零。
对于二次侧c相电流，与a相类似，当该电流的直流分量为正时，可增加晶闸管阀4、阀5的触发角α₄、α₅，同时减小晶闸管阀1、阀2的触发角α₁、α₂，以此来减小该相电流的直流分量，直至为零。当该电流的直流分量为负时，可减少晶闸管阀4、阀5的触发角α₄、α₅，同时增加晶闸管阀1、阀2的触发角α₁、α₂，以此来减小该相电流的直流分量，直至为零。
三相电流的直流分量之间通过触发角控制相互影响，但存在一组恒定的触发角，其满足三相电流的直流分量同时为零的要求。
上述触发角控制方法会产生一定的谐波，其中以二次谐波为主，还有一些高次谐波，当交直流线路间电磁耦合很严重时，谐波影响会很突出。同时，对应各阀的触发角会偏离阀的预置触发角α₀很远，带来系统的安全稳定问题，例如在逆变侧端引起换相失败等。该发明通过在中性线处安装双调谐高通滤波器以减小这一影响。该双调谐高通滤波器的调谐频率分别为工频频率和二次谐波频率。其作用在于：首先降低流入换流变压器的工频电流分量，以减小触发角调制控制的压力；其次在于抑制触发角调制产生的二次以及其它高次谐波。
本发明的优点在于易于实现，能适用于交直流线路电压等级高、线路间距短，耦合长度长等交直流线路间电磁耦合特别严重的情况。。该方法对应的触发角控制简单，经济性好，双调谐高通滤波器结构简单，运行安全可靠。应用该方法，直流线路上的高频谐波含量少，同时换流变压器的直流电流分量能得到有效控制。
附图说明
图1为换流变压器二次绕组的电流波形；
图2为触发角控制策略；
图3为双调谐高通滤波器结构图；
图4为换流变压器二次侧与晶闸管阀连接图。
具体实施方法
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种抑制交流线路对邻近直流线路电磁耦合的方法，它采用触发角调制控制以减小换流变压器的直流分量；采用双调谐高通滤波器以减小直流线路上进入换流变压器的工频分量，缓解触发角调制控制的压力，同时滤除掉因触发角调制产生的二次谐波和其它高频分量，减小前者带来的不良影响；
它的步骤为：
1)在换流变压器二次侧安装电流互感器，在线监测换流变压器二次侧的电流，并用傅立叶分析方法在线计算出该电流的直流分量；
2)采用双调谐高通滤波器，将其安装于直流中性线处，并接于中性线与地之间；
3)根据换流阀的换相过程，进行触发角控制，使得a、b、c三相的直流分量为零；
4)利用双调谐高通滤波器降低流入换流变压器的工频电流分量，以减小触发角调制控制的压力；同时抑制触发角调制产生的二次以及其它高次谐波。
所述步骤3)中，触发角的控制过程为：当电流互感器监测到换流变压器二次侧的电流直流分量为正时，通过减小换流变压器电流的正向导通时间，同时增加它的负向导通时间以使得该直流分量减小，直至趋近于零，而导通时间的控制则通过改换流阀的触发角来实现。如图2所示，K_p、K_i为分别为a、b、c三相PI环节的比例与积分系数，其值为可调常数，需满足控制系统的稳定性，稳态误差要求。s为拉普拉斯算子。当电流互感器监测到三相电流的直流分量不为零时，直流分量电流通过对应的PI控制环节产生一个很小的触发调制角Δα₁，i∈(a，b，c)。α₀为阀的预置定触发角，其值由直流线路额定电压和电流值决定。
a相电流直流分量I_a0经过PI控制环节，产生触发调制角Δα_a，其包含正反两部分输出，其中Δα_1a，Δα_6a分别输出到阀1、阀6所在支路，控制改变触发角α₁、α₆的大小；Δα_3a，Δα_4a分别输出到阀3、阀4所在支路，控制改变触发角α₃、α₄的大小。
b相电流直流分量I_b0经过PI控制环节，产生触发调制角Δα_b，其包含正反两部分输出，其中Δα_3b，Δα_2b分别输出到阀3、阀2所在支路，控制改变触发角α₃、α₂的大小；Δα_5a，Δα_6a分别输出到阀5、阀6所在支路，控制改变触发角α₅、α₆的大小。
c相电流直流分量I_c0经过PI控制环节，产生触发调制角Δα_c，其包含正反两部分输出，其中Δα_5c，Δα_4c分别输出到阀5、阀4所在支路，控制改变触发角α₅、α₄的大小；Δα_1c，Δα_2c分别输出到阀1、阀2所在支路，控制改变触发角α₁、α₂的大小。
线路触发角α₁同时影响着换流变二次侧电流的a相和c相电流的直流分量，即I_a0和I_c0。该触发角的值为α₁＝α₀+Δα_1a+Δα_1c。
线路触发角α₂同时影响着换流变二次侧电流的b相和c相电流的直流分量，即I_b0和I_c0，该触发角的值为α₂＝α₀+Δα_2b+Δα_2c。
线路触发角α₃同时影响着换流变二次侧电流的a相和b相电流的直流分量，即I_a0和I_b0，该触发角的值为α₃＝α₀+Δα_3a+Δα_3b。
线路触发角α₄同时影响着换流变二次侧电流的a相和c相电流的直流分量，即I_a0和I_c0，该触发角的值为α₄＝α₀+Δα_4a+Δα_4c。
线路触发角α₅同时影响着换流变二次侧电流的b相和c相电流的直流分量，即I_b0和I_c0，该触发角的值为α₅＝α₀+Δα_5b+Δα_5c。
线路触发角α₆同时影响着换流变二次侧电流的a相和b相电流的直流分量，即I_a0和I_b0，该触发角的值为α₆＝α₀+Δα_6a+Δα_6b。
三相电流的直流分量I_a0、I_b0、I_c0之间互有影响，三相通过PI控制环节以及后续的触发角，将反过来对直流分量产生影响。触发角经过PI控制环节的动态调整，最终趋于稳定，在该稳定的值下，三相电流的直流分量将同为零。
一种双调谐高通滤波器，它包括充放电电阻R、电容C₁、串联的电阻R₁与电感绕组L₁以及氧化锌避雷器ZnO并联；其并联一端依次串接电阻R₂、电感绕组L₂和电容C₂。
采用双调谐高通滤波器，将其安装于直流中性线处，并接于中性线与地之间。该滤波器的结构示意图如图3所示。其中R为充放电电阻，R₁、R₂为分别对应电感绕组L₁、L₂的电阻，C₁、C₂、L₁、L₂分别为电容和电感，ZnO为氧化锌避雷器，以对电容器等设备进行保护。图4中，V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆分别代表晶闸管阀1、晶闸管阀2、晶闸管阀3、晶闸管阀4、晶闸管阀5、晶闸管阀6，T为换流变压器。