黃銀龍　樂(lè)　健　毛　濤　汪　妮

一種新型的高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè) 諧波電壓測(cè)量方法

黃銀龍樂(lè)健毛濤汪妮

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430072）

提出了一種新穎的高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)諧波電壓的測(cè)量方案。該方案測(cè)量流過(guò)直流側(cè)濾波器的電流，根據(jù)對(duì)該電流的諧波分析結(jié)果，結(jié)合濾波器的元件參數(shù)或已知的阻抗-頻率特性，即可簡(jiǎn)單方便地計(jì)算得到直流側(cè)的諧波電壓。該方法僅需在傳統(tǒng)直流濾波器的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單改造即可實(shí)現(xiàn)，測(cè)量電壓諧波準(zhǔn)確度高，擴(kuò)展了直流濾波器的功能。并且給出了該方案的原理和諧波電壓的計(jì)算方法，分析了利用不同濾波器進(jìn)行諧波電壓測(cè)量的優(yōu)劣，研究了濾波器參數(shù)變化對(duì)諧波電壓測(cè)量結(jié)果的影響，并考慮了不同諧波源疊加的情況。通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的正確性和有效性。該方法易于實(shí)現(xiàn)，計(jì)算簡(jiǎn)單，能夠在進(jìn)行諧波濾除的同時(shí)提供高準(zhǔn)確度的高壓直流諧波電壓測(cè)量，具有較好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

高壓直流輸電 諧波電壓 濾波器 阻抗-頻率特性

0　引言

由于我國(guó)能源與需求呈逆向分布，客觀上決定了我國(guó)要實(shí)行“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的電力資源優(yōu)化配置，以實(shí)現(xiàn)能源的大范圍轉(zhuǎn)移，而直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面的優(yōu)勢(shì)決定了其是最好的選擇。但直流輸電在其換流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，不僅嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，對(duì)通信線(xiàn)路產(chǎn)生干擾，也嚴(yán)重威脅到直流輸電系統(tǒng)設(shè)備的正常使用和自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1-4］。因此，迫切需要對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)的諧波進(jìn)行測(cè)量，以了解高壓輸電系統(tǒng)直流側(cè)的諧波狀況，并制定出針對(duì)性的諧波治理措施，驗(yàn)證直流側(cè)濾波器設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

目前的高壓諧波測(cè)量方法主要有窄帶濾波器選頻法、基于快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算法［5-7］以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波電壓檢測(cè)方法［8-10］。窄帶選頻法由于相位和選擇性的要求，電路參數(shù)選擇困難，相位時(shí)延和頻率漂移較大，檢測(cè)結(jié)果不清晰；基于快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算法需要高準(zhǔn)確度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，且算法復(fù)雜，檢測(cè)速度較慢；基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波電壓測(cè)量方法物理概念明確，實(shí)施方便，但它主要適于電壓沒(méi)有畸變的情況［11，12］，其檢測(cè)結(jié)果受電壓畸變率影響較大，且僅能得到三相電路的總諧波含量，這對(duì)電力系統(tǒng)中尚需檢測(cè)出電網(wǎng)中任意次諧波的應(yīng)用場(chǎng)合具有局限性，廣義的基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波檢測(cè)法［13，14］可測(cè)出每次諧波，但所用元件較多，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。文獻(xiàn)［15］提出了一種改進(jìn)的任意整數(shù)次諧波電壓檢測(cè)方法，該方法以瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)理論為基礎(chǔ)，提出采用包括正序dq變換和負(fù)序dq變換的雙dq變換控制方法分別檢測(cè)正序電壓分量和負(fù)序電壓分量，通過(guò)預(yù)設(shè)雙dq坐標(biāo)變換矩陣中的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)特定次諧波的檢測(cè)，但該方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜。文獻(xiàn)［16］提出了采用Rogowski線(xiàn)圈電流傳感器來(lái)測(cè)量直流諧波，由于其不含鐵心、無(wú)磁飽和、頻帶寬且體積小和造價(jià)低，可以很方便地測(cè)量HVDC的諧波電流，但因其不含鐵心，要有效提高互感需要提高線(xiàn)圈有效匝數(shù)，而線(xiàn)圈不能均勻密繞將影響測(cè)量準(zhǔn)確度。

本文提出了一種利用直流側(cè)濾波器測(cè)量HVDC直流側(cè)諧波電壓的新方法。該方法僅需在傳統(tǒng)直流側(cè)濾波器的各支路中串入電流互感器，通過(guò)對(duì)測(cè)量得到的電流進(jìn)行傅里葉分解，得到各次諧波電流，根據(jù)直流側(cè)濾波器的組成和元件參數(shù)，計(jì)算高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)的各次諧波電壓，也可利用已知的直流側(cè)濾波器的阻抗-頻率特性計(jì)算直流側(cè)的各次諧波電壓，從而獲知高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)的諧波電壓狀況。本文分析了在不同直流濾波器上應(yīng)用所提方法時(shí)對(duì)諧波測(cè)量結(jié)果的影響，研究了濾波器參數(shù)失諧時(shí)所引入的諧波測(cè)量誤差，并把可能存在的不同諧波源相互疊加的情況考慮在內(nèi)。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　測(cè)量原理及諧波電壓計(jì)算方法

1.1測(cè)量原理

如圖1所示，目前高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)濾波器從結(jié)構(gòu)上均可分為上、下兩個(gè)部分。圖1中所示的基波阻抗為ZH（1）的部分為上半部分。下半部分又由多個(gè)支路并聯(lián)構(gòu)成（基波阻抗分別為ZL1（1）， ZL2（1），…， ZLn（1））。本文提出的直流側(cè)諧波電壓測(cè)量方法為在直流側(cè)濾波器的下半部分的各并聯(lián)支路中分別串入電流互感器S1， S2，…，Sn。同時(shí)為了降低對(duì)S1， S2，…，Sn的絕緣要求，各電流互感器需串入各并聯(lián)支路靠近接地點(diǎn)的位置。

圖1　基于濾波器的諧波電壓測(cè)量原理Fig.1　Harmonic voltage measurement schematic based on filter

在測(cè)量得到下半部分各支路電流的情況下，可采用如下兩種方法計(jì)算高壓側(cè)直流電壓uS及uS的各次諧波電壓。

1.2諧波電壓計(jì)算方法一

首先求解上半支路流過(guò)的電流HZi

由于下半支路各并聯(lián)支路的電壓LZu是相同的，可利用任一支路的電流來(lái)求解出該電壓。以下 半支路中基波阻抗為ZL1（1）的并聯(lián)支路的電流L1Zi為例，對(duì)其進(jìn)行諧波分解

式中，h為諧波次數(shù)；m為所關(guān)注的最高諧波次數(shù)； ωh為h次諧波角頻率，ωh=2πhf， f為工頻頻率； IZL1（h）和θZL1（h）分別為電流iZL1中第h次諧波的有效值和相位角。

將電流iZL1中的第h次諧波電流寫(xiě)為相量形式

可求得LZu中的第h次諧波電壓為

式中，ZL1（h）為基波阻抗為ZL1（1）的并聯(lián)支路在h次諧波下的阻抗。

類(lèi)似地，可對(duì)上半部分電流HZi進(jìn)行諧波分解，并將其中的第h次諧波寫(xiě)為相量形式

式中，H（）ZhI和H（）Zhθ分別為電流HZi中第h次諧波的有效值和相位角。

可求解得到上半部分電壓HZu中的第h次諧波為

式中，ZH（h）為基波阻抗為ZH（1）的上半部分支路在h次諧波下的阻抗。則高壓直流側(cè)電壓uS中的第h次諧波電壓為

對(duì)所有次諧波（h=1， 2， …， m）均進(jìn)行上述所示的計(jì)算，即可得出高壓直流輸電系統(tǒng)直流電壓uS的各次諧波電壓。

1.3諧波電壓計(jì)算方法二

首先根據(jù)式（1）求得上半部分流過(guò)的電流HZi；其次對(duì)HZi進(jìn)行傅里葉分解，求得電流HZi的第h次諧波的有效值H（）ZhI和相位角H（）Zhθ（h=1， 2， …， m）。

對(duì)所設(shè)計(jì)的直流濾波器而言，其阻抗-頻率特性是非常重要的，在設(shè)計(jì)時(shí)即可獲知，阻抗-頻率特性給出的是整個(gè)直流側(cè)濾波器的阻抗幅值和相位角在不同諧波頻率下的取值，并繪制成曲線(xiàn)的形式。因此，通過(guò)該特性曲線(xiàn)可查出h次諧波下直流側(cè)濾波器的阻抗幅值Z（h）和相位角φ（h），高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)電壓uS中的第h次諧波電壓為

對(duì)所有次諧波（h=1， 2， …， m）均進(jìn)行上述所示的計(jì)算，即可得出高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)電壓uS的各次諧波電壓。

以下結(jié)合圖2和圖3說(shuō)明第二種方法的具體實(shí)現(xiàn)。圖2中的C1、L1、R1、C2、L2和R2是常規(guī)直流側(cè)雙調(diào)諧波濾波器的組成元件，S1和S2為串入的電流互感器。圖3為該雙調(diào)諧波濾波器的阻抗-頻率特性，例如可查出在15次諧波下該濾波器的阻抗幅值 和相位角分別378?和89°，結(jié)合計(jì)算得到的電流 iZH的第15次諧波的有效值IZH（15）和相位角θZH（15）， 根據(jù)式（8），即可計(jì)算高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)電 壓uS的15次諧波電壓為

可見(jiàn)，該方法可更快速地進(jìn)行高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)電壓uS的各次諧波電壓計(jì)算。

圖2　直流側(cè)雙調(diào)諧波濾波器結(jié)構(gòu)Fig.2 Double tuned filter structure at DC side

圖3　雙調(diào)諧波濾波器的阻抗-頻率特性Fig.3　The impedance-frequency characteristics of double tuned filter

2　諧波電壓測(cè)量的仿真驗(yàn)證

基于本文提出的高壓直流輸電系統(tǒng)諧波電壓測(cè)量方法，利用PSCAD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。在圖4所示的高壓直流輸電系統(tǒng)中，整流側(cè)與逆變側(cè)均采用兩個(gè)6脈沖換流橋組成的12脈沖換流裝置，在直流側(cè)系統(tǒng)中將產(chǎn)生比較嚴(yán)重的12次、24次等特征諧波，故在直流側(cè)分別接入12次和24次兩個(gè)單調(diào)諧波濾波器。

圖4　采用12脈沖換流裝置的高壓直流輸電系統(tǒng)Fig.4　The HVDC system with 12-pulses converter

12次諧波濾波器的參數(shù)為：C1=1.5μF，L1= 46.908mH，R1=2Ω；24次諧波濾波器的參數(shù)為

C2=0.8μF，L2=21.99mH，R2=2Ω。兩個(gè)濾波器的幅頻特性與相頻特性分別如圖5和圖6所示。

圖5　12次、24次諧波濾波器的幅頻特性Fig.5　The amplitude-frequency characteristic of 12 and 24 order harmonic filter

圖6　12次、24次諧波濾波器的相頻特性Fig.6　The phase-frequency characteristic of 12 and 24 order harmonic filter

在圖4所示的仿真模型中，首先僅添加12次諧波濾波器，根據(jù)本文所提出的測(cè)量方法，取前30次諧波電壓以及36次、48次、…、120次特征諧波之和為測(cè)量得到的總諧波電壓Uh。將通過(guò)電壓表測(cè)量得到的電壓U進(jìn)行傅里葉分解，從U中減去直流分量即可得到實(shí)際諧波電壓Uhbase。測(cè)量得到的諧波電壓和實(shí)際的諧波電壓波形如圖7所示。

圖7　諧波電壓實(shí)際值與應(yīng)用12次濾波器的測(cè)量值Fig.7　Actual harmonic voltage and the measured harmonic voltage by the 12 order filter

在圖4所示的仿真模型中，僅添加24次諧波濾波器，根據(jù)同樣的方法，測(cè)量得到的諧波電壓與實(shí)際諧波電壓波形如圖8所示。

圖8　諧波電壓實(shí)際值與應(yīng)用24次濾波器的測(cè)量值Fig.8　Actual harmonic voltage and the measured harmonic voltage with the 24 order filter

在圖4所示的仿真模型中，同時(shí)添加12次和24次諧波濾波器，測(cè)量得到的和實(shí)際的諧波電壓波形如圖9所示。

設(shè)計(jì)如圖10a所示12/24次雙調(diào)諧波濾波器，其參數(shù)如圖中所示，其阻抗頻率特性如圖10b所示。

圖9　諧波電壓實(shí)際值與應(yīng)用12次和 24次濾波器的測(cè)量值Fig.9　Actual harmonic voltage and the measured harmonic voltage by the 12 and 24 order filter

圖10　12次、24雙調(diào)諧波濾波器及其頻率阻抗特性Fig.10　The 12 and 24 order filter and its amplitude frequency characteristic

在圖4所示的仿真模型中，僅添加如圖10a所示的雙調(diào)諧波濾波器，測(cè)量得到的和實(shí)際的諧波電壓波形如圖11所示。

圖11　諧波電壓實(shí)際值與應(yīng)用12次、24次 雙調(diào)諧波濾波器的測(cè)量值Fig.11　Actual harmonic voltage and the measurement harmonic voltage by the 12 and 24 order double-tuned filter

由圖7～圖9和圖11可看出，采用不同濾波器時(shí)，測(cè)量得到的諧波電壓與實(shí)際諧波電壓的波形基本重合，驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

3　單次諧波電壓的測(cè)量

在HVDC直流側(cè)諧波電壓測(cè)量中，由于不同的濾波器具有不同的阻抗-頻率特性，會(huì)對(duì)諧波電壓測(cè)量的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。以下分析不同濾波器應(yīng)用上述測(cè)量方法對(duì)諧波電壓測(cè)量的影響。

由式（8）可知，對(duì)于第h次諧波，其諧波電壓幅值和相位分別為

對(duì)于給定的濾波器，其在h次諧波下的阻抗值及其相位是確定的，則所用電流互感器測(cè)得的電流將直接影響諧波電壓測(cè)量的準(zhǔn)確度。假設(shè)第h次諧 波電流幅值的測(cè)量誤差為H（）ZhIΔ，即實(shí)際測(cè)量的電流幅值為H（）ZhIΔ+H（）ZhI，則電壓幅值的測(cè)量誤差為

可見(jiàn)，對(duì)于單次諧波電壓的測(cè)量，所用濾波器的阻抗越小，諧波電壓的幅值測(cè)量誤差越小。

在式（10）中，φ（h）是h次諧波下直流側(cè)濾波器 的相位角，為給定值；θZH（h）是互感器測(cè)得的電流iZH分解后得到的h次諧波相位角。設(shè)第h次諧波電 流相位的測(cè)量誤差為ΔθZH（h），即實(shí)際測(cè)量得到的電流相位為ΔθZH（h）+θZH（h），諧波電壓相位的測(cè)量誤差也為ΔθZH（h）。

綜合考慮電流測(cè)量的幅值誤差和相位誤差時(shí)，可得

由式（12）可知，電流互感器測(cè)得的電流幅值誤差對(duì)諧波電壓測(cè)量準(zhǔn)確度的影響較大。對(duì)單次諧波采用低阻抗值的濾波器可提高諧波電壓的測(cè)量準(zhǔn)確度，而電流的相位測(cè)量誤差僅會(huì)使測(cè)量的諧波電壓產(chǎn)生相應(yīng)的移相。

通過(guò)具有如圖5和圖6所示阻抗頻率特性的12次和24次濾波器分別測(cè)量如圖4所示的直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)第6次和第36次諧波電壓，為驗(yàn)證以上的分析結(jié)果，分別對(duì)電流表測(cè)得的電流值加入一微小誤差，該誤差為流過(guò)兩個(gè)電流表較小電流的0.5%。圖12和圖13分別為兩個(gè)濾波器測(cè)得的6次和36次諧波有效值（Root Mean Square， RMS）。

圖12　不同濾波器測(cè)得的6次諧波電壓有效值Fig.12　The RMS of 6 harmonic voltage measured by different filters

圖13　不同濾波器測(cè)得的36次諧波電壓有效值Fig.13　The RMS of 36 harmonic voltage measured by different filters

由圖5可知，測(cè)6次諧波時(shí)，24次諧波濾波器的阻抗值較大；而測(cè)36次諧波時(shí)，12次諧波濾波器的阻抗值較大。根據(jù)上述分析，對(duì)6次諧波電壓的測(cè)量，采用12次濾波器測(cè)量的結(jié)果較為準(zhǔn)確；而對(duì)36次諧波電壓的測(cè)量，采用24次諧波濾波器測(cè)量的結(jié)果較為準(zhǔn)確。

由圖12可知，12次濾波器測(cè)得的6次諧波電壓更接近其實(shí)際值，而由圖13可知24次濾波器測(cè)得的36次諧波電壓更接近其實(shí)際值。仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性。

通過(guò)以上理論分析與仿真驗(yàn)證，結(jié)合圖5，可得出如下結(jié)論：對(duì)于本文仿真所采用的12次和24次兩個(gè)單調(diào)諧波濾波器，對(duì)17次及以上較高次數(shù)諧波電壓的測(cè)量，由于24次諧波濾波器的阻抗值較小，故24次濾波器的測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確；而對(duì)于低于17次的諧波電壓的測(cè)量，則12次濾波器的測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

4　濾波器參數(shù)失諧時(shí)的影響

在高壓直流系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于環(huán)境溫度的變化、自身的發(fā)熱和老化等因素，濾波器的電容值和電感值等均會(huì)發(fā)生微小的變化，使得直流濾波器的實(shí)際諧振頻率和諧波阻抗值偏離原設(shè)定值，導(dǎo)致濾波器失諧。以下以單調(diào)諧波濾波器為例分析濾波器參數(shù)失諧時(shí)對(duì)諧波電壓測(cè)量的影響。

以具有圖5和圖6中所示阻抗頻率特性的12次濾波器為例，考慮其電容值和電感值均偏離額定值±5%的情況，電容和電感的取值見(jiàn)表1。

表1　濾波器失諧時(shí)的參數(shù)Tab.1 The parameters of the detuned filter

電容值變化時(shí)和電感值變化時(shí)的濾波器的幅頻特性分別如圖14和圖15所示。由圖14和圖15可知，當(dāng)電容值或電感值減小時(shí)，諧振頻率增大；當(dāng)電容值或電感值變大時(shí)，諧振頻率變小。

圖14　電容值變化時(shí)的幅頻特性Fig.14　The amplitude-frequency characteristic with the change of capacitance value

圖15 電感值變化時(shí)的幅頻特性Fig.15　The amplitude-frequency characteristic with the change of inductance value

圖16為電容值改變時(shí)12次濾波器測(cè)量的6次諧波電壓波形。

圖16　電容值變化時(shí)測(cè)量的6次諧波電壓Fig.16　 The measured 6 harmonic voltage with the change of capacitance value

根據(jù)圖14所示的幅頻特性，采用12次濾波器對(duì)單次諧波電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)測(cè)量諧波次數(shù)小于12次時(shí)，若電容或電感值變小，則諧振頻率變大，計(jì)算時(shí)采用的阻抗值將小于實(shí)際的阻抗值，使測(cè)量的諧波電壓小于實(shí)際值；若電容或電感值變大，則諧振頻率變小，計(jì)算時(shí)采用的阻抗值將大于實(shí)際的阻抗值，使得測(cè)量的諧波電壓大于實(shí)際值。當(dāng)測(cè)量的諧波電壓的次數(shù)大于12次時(shí)，若電容或電感變小，則諧振頻率變大，計(jì)算時(shí)采用的阻抗值大于實(shí)際的阻抗值，測(cè)量的諧波電壓將會(huì)大于實(shí)際值；若電容或電感值變大，則諧振頻率變小，計(jì)算時(shí)采用的阻抗值小于實(shí)際的阻抗值，測(cè)量的諧波電壓將會(huì)小于實(shí)際值。而對(duì)于12次諧波電壓的測(cè)量，不論電容電感的參數(shù)發(fā)生何種變化，測(cè)得的12次諧波電壓均小于實(shí)際值。以上結(jié)論歸納見(jiàn)表2，表中列出的是失諧后的諧振頻率高于11次且低于13次的 情況。

表2　濾波器參數(shù)失諧時(shí)對(duì)單次諧波測(cè)量的影響Tab.2　The infuence of the detuned filter parameters on the measurement of a single harmonic

由圖16可知，當(dāng)濾波器參數(shù)失諧時(shí)，對(duì)單次諧波電壓的測(cè)量結(jié)果的影響符合表2中的分析。

對(duì)于總諧波電壓的測(cè)量而言，由于某些次數(shù)的諧波電壓測(cè)量結(jié)果變大，而某些次數(shù)的諧波電壓測(cè)量結(jié)果變小，參數(shù)失諧后對(duì)總諧波電壓測(cè)量的影響將很小。圖17為電容值發(fā)生改變時(shí)的諧波電壓測(cè)量結(jié)果，可見(jiàn)，參數(shù)失諧時(shí)對(duì)總諧波電壓的測(cè)量幾乎沒(méi)有影響。

圖17　電容值變化時(shí)測(cè)量的諧波電壓Fig.17　 The measured harmonic voltage with the change of capacitance value

5　考慮不同諧波源疊加對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

在實(shí)際的高壓直流輸電系統(tǒng)中，會(huì)有許多意想不到諧波源，為驗(yàn)證在不同諧波源疊加的情況下所提出方法的正確性和有效性，在圖4所示的仿真電路中人為加入諧波電流源，然后測(cè)量總的諧波電壓和單次諧波電壓。

不失一般性，在圖4的仿真電路中，在整流側(cè)的電源處加入2～15次諧波，各次諧波電流幅值均為0.02kA，約為該處母線(xiàn)電流的1%。在逆變側(cè)的電源處加入16～30次諧波，各次諧波電流相等均為0.01kA，約為該處母線(xiàn)電流的0.5%。然后在整流器出線(xiàn)端，注入6次和7次諧波電流，其有效值為0.02kA，約為直流側(cè)輸出電流的1%。在直流側(cè)采用12次單調(diào)諧波濾波器，對(duì)總的諧波電壓和6次諧波電壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果分別如圖18和圖19 所示。

由圖18和圖19可知，所提出的方法對(duì)于具有不同諧波疊加的系統(tǒng)也具有適用性，且其測(cè)量的準(zhǔn)確性與系統(tǒng)中的諧波源無(wú)關(guān)。

圖18　諧波電壓實(shí)際值與應(yīng)用12次 濾波器的測(cè)量值Fig.18　 Actual harmonic voltage and the measured harmonic voltage with the 12 order filter

圖19　6次諧波電壓實(shí)際值與應(yīng)用12次 濾波器的測(cè)量值Fig.19　　　 The actual 6 harmonic voltage and the easured 6 harmonic voltage with the 12 order filter

6　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了驗(yàn)證本文所提出的諧波電壓測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由單相不控整流橋帶純電阻負(fù)載，以電阻上的諧波電壓模擬HVDC的直流側(cè)諧波電壓，設(shè)計(jì)了單調(diào)諧波濾波器，諧振頻率為200Hz。實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)和元件參數(shù)如圖20所示。

圖20　實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)Fig.20　 The diagram of lab test

采用Tektronix DPO4054示波器測(cè)量并記錄流過(guò)濾波器支路的電流和負(fù)載兩端電壓。在根據(jù)本文所提出的方法，求直流側(cè)的各次諧波電壓時(shí)，采用前100次諧波中偶數(shù)次諧波相加作為直流側(cè)測(cè)量的諧波電壓。直流側(cè)總基準(zhǔn)諧波電壓與測(cè)量的諧波電壓如圖21所示。直流側(cè)2次諧波電壓的實(shí)際和測(cè)量波形對(duì)比如圖22所示。由圖21和圖22可知，采用所提方法測(cè)量的諧波電壓與實(shí)際諧波電壓基本一致，驗(yàn)證了所提方法的正確性。

圖21　直流側(cè)總諧波電壓的實(shí)際和測(cè)量波形Fig.21　 The waveforms of the actual and measured total harmonic voltage

7　結(jié)論

本文提出一種通過(guò)對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)中使用的直流側(cè)濾波器進(jìn)行簡(jiǎn)單改造實(shí)現(xiàn)兼顧常規(guī)直流側(cè)諧波濾波與直流側(cè)諧波電壓高準(zhǔn)確度測(cè)量的方法，仿真結(jié)果表明該方法能實(shí)現(xiàn)性?xún)r(jià)比較高的直流側(cè)諧波電壓測(cè)量。在不同濾波器上應(yīng)用該方法時(shí)，對(duì)單次諧波測(cè)量而言，阻抗較低的濾波器可實(shí)現(xiàn)更高準(zhǔn) 確度的諧波電壓測(cè)量。當(dāng)濾波器參數(shù)失諧時(shí)，將會(huì)使得單次諧波電壓的測(cè)量值偏離實(shí)際值，但對(duì)總諧波電壓測(cè)量的影響很小。該方法適于具有不同諧波源的系統(tǒng)，所以實(shí)際中的各種意想不到的諧波源不會(huì)對(duì)該測(cè)量方法產(chǎn)生影響。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。

圖22　2次諧波電壓的實(shí)際和測(cè)量波形Fig.22　 The waveforms of the actual and measured 2 harmonic voltage

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黃銀龍 男，1990年生，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)通信的研究。

樂(lè) 健 男，1975年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電能質(zhì)量問(wèn)題及其控制技術(shù)的研究。

A Novel Measurement Method of the Harmonic Voltage on the DC-Side of HVDC Transmission System

Huang Yinlong Le Jian Mao Tao Wang Ni
（Wuhan University Wuhan 430072 China）

The paper proposes a novel method to measure HVDC harmonic voltage measurement at DC side. The harmonic voltage at DC side can be calculated easily by measuring the current flowing through the filter， combined with the filter parameters or the impedance-frequency characteristics of the filter. This method is realized by modifying the conventional filter， which can achieve high accuracy measurement of the voltage harmonics and expand functions of the DC filter. The paper presents the principles of this method and the harmonic voltage calculation method. Then， the advantages and disadvantages of different filters for harmonic voltage measurements are analyzed. Moreover， the influence on the harmonic voltage measurement is analyzed as the filter parameters changed. The superposition of different harmonic is also taken into account. Simulation and experiment test verify the proposed method. It is shown that this method is easy to implement， and has the advantages of simply calculation and high precision measurements.

HVDC， harmonic voltage， DC filter， impedance-frequency characteristics

TM721

2013-10-15 改稿日期 2013-12-12