特高壓直流輸電交流濾波器設(shè)計(jì)軟件開發(fā)與應(yīng)用

潘文霞,陳　劍,張文豪,柯聯(lián)錦,吳方劼

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京　211100; 2. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京　100052)

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特高壓直流輸電交流濾波器設(shè)計(jì)軟件開發(fā)與應(yīng)用

潘文霞1,陳劍1,張文豪1,柯聯(lián)錦1,吳方劼2

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京211100; 2. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京100052)

摘要：為有效抑制特高壓直流輸電換流站諧波對交流系統(tǒng)的危害,根據(jù)交流濾波器設(shè)計(jì)的基本原理,開發(fā)了一套特高壓直流輸電交流濾波器設(shè)計(jì)軟件。該軟件具有相關(guān)參數(shù)輸入、修改、保存和批量生成、濾波器配置、諧波分析、濾波性能計(jì)算、穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算、結(jié)果的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入和Word報(bào)表生成功能,并利用該軟件對某特高壓直流工程交流濾波器進(jìn)行實(shí)例設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,該軟件具有計(jì)算靈活、結(jié)果可靠、界面友好、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：特高壓直流輸電;換流站;交流濾波器;諧波分析;濾波性能計(jì)算;穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算

近年來,隨著我國特高壓直流輸電工程的不斷增多,系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量諧波引起了相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注[1-2]。作為特高壓直流輸電中最重要的諧波源,換流站注入交流系統(tǒng)的諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于注入直流系統(tǒng)的諧波[3]。

裝設(shè)濾波器是抑制諧波的一種最有效措施,對于一個(gè)典型的特高壓直流輸電工程,交流濾波器數(shù)量一般是直流濾波器數(shù)量的3倍以上;交流濾波器提供了換流設(shè)備的絕大部分無功消耗;相比交流電網(wǎng)中濾波器,特高壓直流換流站交流濾波器的類型更多、電壓等級更高、單組容量更大,因此設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。交流濾波器設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到特高壓直流輸電系統(tǒng)投資與運(yùn)行性能[4-5]。交流濾波器的設(shè)計(jì)包括濾波器配置、交流系統(tǒng)諧波分析、濾波性能計(jì)算和穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算,這些涉及設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)水平、大量參數(shù)管理和繁瑣數(shù)據(jù)計(jì)算[6],開發(fā)一套能將上述內(nèi)容融為一體、方案配置靈活、數(shù)據(jù)管理高效和計(jì)算準(zhǔn)確快速的特高壓直流輸電交流濾波器設(shè)計(jì)軟件,對于提高濾波器設(shè)計(jì)水平和效率具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

筆者開發(fā)了一套應(yīng)用于特高壓直流輸電工程的交流濾波器設(shè)計(jì)軟件，并將該軟件應(yīng)用于某±800 kV特高壓直流換流站交流濾波器設(shè)計(jì)中。實(shí)例計(jì)算表明，該軟件能夠可靠、方便地選擇濾波器配置方案,高效完成濾波器設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算,滿足特高壓直流工程設(shè)計(jì)需求。

1交流濾波器設(shè)計(jì)的基本原理

1.1　交流濾波器配置

脈動數(shù)為12的換流站產(chǎn)生的諧波有12k±1(k為任意正整數(shù))次特征諧波,以11、13、23、25次為主;其次有各次非特征諧波,以3、5、7次為主[7]。針對換流站諧波電流的主要頻次,選用3種類型的濾波器抑制諧波:雙調(diào)諧帶通濾波器(BP11/13);雙調(diào)諧高通濾波器(HP24/36);高通C型阻尼濾波器(HP3)[8-10]。為補(bǔ)償換流站運(yùn)行中吸收的大量無功功率,選用SC并聯(lián)電容器加裝在換流站交流側(cè)。圖1為3種類型的濾波器和并聯(lián)電容器的模型設(shè)計(jì)圖。

圖1　交流濾波器模型設(shè)計(jì)Fig. 1　Design of AC filter model

各類型濾波器(含并聯(lián)電容器)的單組容量和組數(shù),由換流站無功需求和組投切時(shí)的換流母線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓允許偏差所決定[11]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)人員對求得組數(shù)的濾波器組排列組合出若干套濾波器投切策略,并選定其中一套用于交流電網(wǎng)諧波分析和濾波器濾波性能計(jì)算,其他備用。

1.2　交流系統(tǒng)諧波分析

根據(jù)選定的濾波器投切策略,計(jì)算注入交流系統(tǒng)的諧波分量[12]。圖2為諧波分析原理圖,圖中InF為n次等效的注入濾波器諧波電流。從圖2可推導(dǎo)出注入交流系統(tǒng)的諧波分量:

圖2　交流電網(wǎng)諧波分析原理Fig. 2　Principle diagram of harmonic analysis of AC power grid

(1)

(2)

式中：InC、InN——n次等效的換流器諧波電流和注入交流系統(tǒng)諧波電流有效值;ZnF、ZnN——n次等效的濾波器總阻抗和交流系統(tǒng)阻抗;UnN——n次交流母線諧波相對地電壓有效值。

1.3　交流濾波器濾波性能計(jì)算

為分析濾波器濾波性能,對交流母線諧波電壓計(jì)算3個(gè)諧波指標(biāo)[12-13]:電話諧波波形因數(shù)Thff、總諧波電壓畸變率Deff、各次諧波電壓畸變率Dn:

(3)

(4)

(5)

其中

式中:Uph——交流母線基波相對地電壓的有效值;pn——聽力加權(quán)系數(shù)；n——諧波次數(shù)；f0——基波頻率。

根據(jù)高壓直流工程規(guī)定[11],濾波性能滿足要求的諧波指標(biāo)范圍選取為:Thff≤1.0%;Deff≤1.75%;Dn≤1.25%(n為≥3的奇數(shù)),Dn≤0.5%(n為偶數(shù))。

若3個(gè)諧波指標(biāo)均滿足限制要求,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算;反之,重新選定一套濾波器投切策略,進(jìn)行交流系統(tǒng)諧波分析和濾波器濾波性能計(jì)算。

1.4　交流濾波器穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算

以HP24/36型濾波器為例進(jìn)行穩(wěn)態(tài)定值研究,計(jì)算濾波器元件上的最大電流和電壓[14]。圖3為穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算原理圖,圖中UnB為等效的交流系統(tǒng)背景諧波電壓,In為流入元件R1的電流,Un為元件R1的兩端電壓,其余電氣量同上文。穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算的電氣模型實(shí)際上由兩部分組成：K2、K3閉合,K1打開,計(jì)算由InC引起的元件R1上電流In1和電壓Un1;K2、K3打開,K1閉合,計(jì)算由UnB引起的元件R1上電流In2和電壓Un2。綜合這2種諧波源影響下濾波器元件R1上的電流In和電壓Un:

圖3　交流濾波器穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算原理Fig. 3　Principle diagram of rating calculation of AC filters

(6)

(7)

參數(shù)k在n為3、5、7次處分別取值為1.62、1.28、0.72,其他各次諧波處取值為0。

2基于Visual C++和SQL Server的交流濾波器設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

根據(jù)交流濾波器設(shè)計(jì)的基本原理和具體方法,筆者利用Visual C++開發(fā)了交流濾波器設(shè)計(jì)的計(jì)算程序及其友好界面。計(jì)算中包括大量系統(tǒng)參數(shù)的輸入和大量結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出,本文利用SQL Server開發(fā)了數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理、保存和分析。

2.1　軟件的設(shè)計(jì)思路和功能

該軟件能在Windows xp/vista/7等多種操作系統(tǒng)中安裝、使用,具有Windows可視化界面[14]。通過點(diǎn)擊完成參數(shù)文件的輸入,程序自動調(diào)用輸入文件進(jìn)行計(jì)算并將結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫,用戶可根據(jù)需要生成相應(yīng)Word報(bào)表,方便分析和打印。結(jié)合圖4所示的軟件設(shè)計(jì)框圖,該軟件具體實(shí)現(xiàn)了以下功能。

圖4　特高壓直流輸電交流濾波器設(shè)計(jì)軟件流程Fig. 4　Flow chart for design software of AC filters for UHVDC project

a. 提供相關(guān)輸入文件的批量生成。特高壓直流輸電根據(jù)其系統(tǒng)接線、運(yùn)行接線和運(yùn)行控制模式的不同而有多種運(yùn)行工況,軟件提供20種運(yùn)行工況的選擇,用戶可根據(jù)需要進(jìn)行點(diǎn)選,軟件自動批量生成相應(yīng)運(yùn)行工況下的各相關(guān)參數(shù)文件。

b. 提供濾波器組配置方案選擇。用戶可選用軟件中已提供的某種類型濾波器或添加新型濾波器,并輸入、修改和保存各元件參數(shù)值。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),用戶每次可輸入一套濾波器投切策略,完成配置?？紤]元件參數(shù)偏差造成的濾波器失諧,用戶輸入換流站最高、最低和基準(zhǔn)溫度值,點(diǎn)擊計(jì)算并生成濾波器元件參數(shù)的正、負(fù)、零偏差值文件。

c. 在各自獨(dú)立的界面完成濾波器設(shè)計(jì)的相關(guān)程序計(jì)算。用戶可自由選擇濾波器所有偏差模式下的批次計(jì)算或某一偏差模式下的單次計(jì)算。2種計(jì)算在各自獨(dú)立的界面進(jìn)行,通過點(diǎn)擊,程序調(diào)用相關(guān)輸入文件,自動分析交流電網(wǎng)各諧波分量,計(jì)算不同運(yùn)行工況下的濾波性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)定值參數(shù)。

d. 提供系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理和開發(fā)。通過點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)不同工程“Excel系統(tǒng)參數(shù)表”的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入和計(jì)算時(shí)程序?qū)δ骋还こ滔到y(tǒng)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫調(diào)用。濾波性能和穩(wěn)態(tài)定值在各自模塊計(jì)算完成后,將結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。最終的輸出結(jié)果可根據(jù)需要顯示或保存為文件。文件以Word報(bào)表的形式輸出,方便用戶分析和打印。

2.2　軟件的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法

本文設(shè)計(jì)的軟件主界面如圖5所示,其示出了交流濾波器設(shè)計(jì)的4個(gè)功能框:輸入文件、數(shù)據(jù)庫操作、程序計(jì)算和輸出處理。通過點(diǎn)擊各按鈕可進(jìn)入各子界面實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

圖5　特高壓直流輸電交流濾波器設(shè)計(jì)軟件主界面Fig. 5　Main interface for design software of AC filters for HVDC project

根據(jù)軟件工程學(xué)的模塊化設(shè)計(jì)方法,整個(gè)軟件的開發(fā)由如下3大塊組成。

a. 參數(shù)管理模塊

濾波器設(shè)計(jì)的計(jì)算涉及眾多參數(shù),為便于參數(shù)整理和調(diào)用,軟件利用SQL Server將“Excel系統(tǒng)參數(shù)表”導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。在進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算時(shí),利用數(shù)據(jù)庫控件將所需參數(shù)從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出、生成。Visual C++程序鏈接SQL Server數(shù)據(jù)庫采用ADO技術(shù)中的Connection對象實(shí)現(xiàn)鏈接。

通過主界面“輸入文件”功能框中設(shè)有的4個(gè)參數(shù)管理按鈕進(jìn)入各參數(shù)讀取子界面。子界面中設(shè)置靜態(tài)文本框自動讀取數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)參數(shù)值,設(shè)置編輯框供用戶輸入、修改各類參數(shù)值,同時(shí)設(shè)置“保存”和“生成”按鈕以驅(qū)動程序保存當(dāng)前錄入?yún)?shù)值和批量生成各參數(shù)文件。

b. 計(jì)算模塊

在主界面“程序計(jì)算”功能框中,設(shè)置有“計(jì)算(批次)”和“計(jì)算(單次)”按鈕,點(diǎn)擊它們分別進(jìn)行濾波器所有偏差模式下的批次計(jì)算和某一偏差模式的單次計(jì)算。程序編碼中,諧波分析、濾波性能和穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算分別用不同的函數(shù)來實(shí)現(xiàn),程序計(jì)算的過程就是將各參數(shù)值賦值給相應(yīng)變量,變量再傳遞給相應(yīng)函數(shù),然后主程序調(diào)用并執(zhí)行函數(shù)。

不同濾波器偏差模式下的計(jì)算模塊相互獨(dú)立,但模塊中有相同的計(jì)算代碼。軟件開發(fā)過程中創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)模塊來存放這些公共代碼,供程序計(jì)算時(shí)多次調(diào)用,避免重復(fù)編碼。

c. 結(jié)果輸出模塊

程序?qū)⒂?jì)算結(jié)果導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫,并根據(jù)用戶需要生成相應(yīng)Word報(bào)表,此事件通過點(diǎn)擊主界面“輸出處理”功能框中的“性能”或“定值”按鈕來響應(yīng)。程序編譯過程中Word報(bào)表的自動生成分為4個(gè)步驟:(a)向項(xiàng)目中添加Word類;(b)在項(xiàng)目所在頭、源文件中添加相應(yīng)類的定義;(c)N×M型Word報(bào)表的自動生成;(d)單元格的合并、拆分和數(shù)據(jù)填充。

本軟件最多可對20種運(yùn)行工況進(jìn)行濾波器濾波性能計(jì)算,一種運(yùn)行工況對應(yīng)一張濾波性能Word報(bào)表的輸出。濾波器穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算時(shí),一種類型的濾波器對應(yīng)一張穩(wěn)態(tài)定值Word報(bào)表的輸出。

3交流濾波器設(shè)計(jì)軟件的工程實(shí)例應(yīng)用

利用開發(fā)的軟件,對某±800 kV直流輸電工程換流站整流側(cè)進(jìn)行交流濾波器設(shè)計(jì)。

3.1　系統(tǒng)條件

該特高壓直流輸電工程是雙極直流系統(tǒng),每極由2個(gè)12脈動換流器串聯(lián)組成。額定直流電壓為±800 kV,額定直流電流5 kA,額定傳輸功率為8 000 MW。每個(gè)換流器額定理想空載直流電壓231.45 kV,額定觸發(fā)角α=15°,額定關(guān)斷角Υ=17°。

交流系統(tǒng)額定運(yùn)行電壓為530 kV,最高穩(wěn)態(tài)電壓550 kV,最低穩(wěn)態(tài)電壓500 kV。換流母線最大短路電流63 kA,最小短路電流16.7 kA。換流站接入交流系統(tǒng)額定頻率為50 Hz,穩(wěn)態(tài)頻率偏差為±0.2 Hz。換流站空氣溫度基準(zhǔn)值為25 ℃,最大值為40.3 ℃,最小值為-3.7 ℃。

3.2　濾波器配置

濾波器的選型與元件參數(shù)標(biāo)稱值如表1所示。濾波器元件參數(shù)正、負(fù)偏差范圍(標(biāo)幺值)如表2所示,表中A、B、C、D意義同表1。

當(dāng)換流站整流側(cè)以雙極全壓、功率正送方式運(yùn)行,對多套濾波器投切策略進(jìn)行交流系統(tǒng)諧波分析和濾波性能計(jì)算(批次),篩選出濾波器組最終投切策略為:ABCABCABABDDDDDDDDDD。

表1　交流濾波器選型與元件參數(shù)標(biāo)稱值Table 1　Types and nominal values of element parameters of AC filters

表2　交流濾波器元件參數(shù)偏差Table 2　Deviation of element parameters of AC filter

3.3　濾波器設(shè)計(jì)的濾波性能、穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算結(jié)果

濾波器濾波性能計(jì)算時(shí),直流功率輸送水平從10%額定功率開始,以5%額定功率為步長,逐漸增加至110%額定功率。濾波性能計(jì)算結(jié)果Word報(bào)表見表3。從表3中可得,各功率水平下的濾波性能指標(biāo)最大值:Thff=0.98%小于1.0%;Deff=1.09%小于1.75%;D2=0.30%小于0.5%,D3=0.68%小于1.25%,D5=1.02%小于1.25%,D11=0.93%小于1.25%?？梢?各指標(biāo)滿足系統(tǒng)諧波限值要求,本組濾波器組投切策略方案能可靠、準(zhǔn)確地應(yīng)用于該運(yùn)行方式下直流換流站交流系統(tǒng)諧波抑制。

表3　雙極全壓正送濾波性能計(jì)算結(jié)果Table 3　Calculated filter performance under bipolar full-voltage feedforward operation mode

表4　HP24/36穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算結(jié)果Table 4　Calculated results of steady-state rating of HP24/36

在濾波性能計(jì)算滿足要求的基礎(chǔ)上,對各類型濾波器元件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算。限于篇幅,本文給出了HP24/36濾波器元件的計(jì)算結(jié)果,見表4。實(shí)際工程中根據(jù)濾波器元件的穩(wěn)態(tài)定值參數(shù),制造出滿足要求的濾波器。

4結(jié)論

依據(jù)交流濾波器設(shè)計(jì)的基本原理和具體方法,以Visual C++和SQL Server數(shù)據(jù)庫為工具,開發(fā)了一套特高壓直流輸電交流濾波器設(shè)計(jì)的軟件。該軟件可批量生成相關(guān)輸入?yún)?shù)文件,靈活選擇濾波器的配置方案,高效進(jìn)行交流系統(tǒng)諧波分析、濾波器濾波性能和穩(wěn)態(tài)定值計(jì)算,并將結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫,根據(jù)需要生成Word報(bào)表文件。

利用開發(fā)的軟件,對某±800 kV直流輸電工程換流站整流側(cè)進(jìn)行交流濾波器設(shè)計(jì),得到了滿足系統(tǒng)諧波限值要求的濾波器配置方案和該配置方案下濾波器元件的穩(wěn)態(tài)定值參數(shù)。實(shí)例應(yīng)用表明,本軟件具有設(shè)計(jì)靈活、計(jì)算快速、結(jié)果準(zhǔn)確、操作方便、功能全面、人機(jī)界面友好等特點(diǎn),可方便、可靠地應(yīng)用于特高壓直流工程交流濾波器設(shè)計(jì)。

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Development and application of alternating current filter design

software for ultra-high-voltage direct current project

PAN Wenxia1，CHEN Jian1，ZHANG Wenhao1，KE Lianjin1，WU Fangjie2

(1.CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing211100,China;

2.StatePowerEconomicResearchInstitute,Beijing100052,China)

Abstract:In order to effectively restrain the harm caused by harmonics injected by an ultra-high-voltage direct current (UHVDC) converter station to an alternating current (AC) system, according to the basic principles of the design of AC filters, a set of AC filter design software for UHVDC projects was developed. The software has various functions, including inputting, modification, saving, and batch generation of relevant parameter files; configuration of AC filters; analysis of harmonics; calculation of filter performance and steady-state rating; importing of result data into the database; and generation of word report forms. The software was used to design AC filters for a UHVDC project. The results show that the proposed software is flexible, accurate, convenient, and universal.

Key words:ultra-high-voltage direct current transmission; converter station; AC filter; harmonic analysis; filter performance calculation; steady-state rating calculation

中圖分類號：TM723

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-1980(2015)06-0582-06

作者簡介：潘文霞(1961—)，女，安徽安慶人，教授，博士，主要從事高電壓技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電研究。E-mail:pwxhh@hhu.edu.cn

收稿日期：2014-12-26

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2015.06.013